武都水库工程关键技术问题及对策

高希章，覃克非，王 静，刘帮建

(四川省水利水电勘测设计研究院，成都，610072)

武都水库工程关键技术问题及对策

高希章，覃克非，王 静，刘帮建

(四川省水利水电勘测设计研究院，成都，610072)

武都水库工程坝址区工程地质条件复杂，工程建设过程中遇到一系列技术难题：坝址区为强岩溶发育区，存在坝基承载力、岩溶洞穴稳定问题和岩溶渗漏问题；河床高坝段坝基内断层破碎带和层间错动带等软弱结构面发育，深层抗滑稳定问题突出，滑动边界组合复杂，超出了规范确定的计算模型；在建设过程中遭遇大地震，需提高抗震设计动参数等。设计针对上述问题分别采取了针对性处理措施，效果良好。

武都水库 重力坝 强岩溶发育区 坝基承载力 岩溶渗漏 深层抗滑稳定 震损处理

1 工程概况

被邓小平同志誉为“第二个都江堰”的武都水库，是四川省“西水东调”总体规划、涪江流域规划中确定的大型综合利用的水利工程，是武都引水的水源工程，也是迄今涪江上最大的水利枢纽工程。坝址位于四川省江油市武都镇北约4km的涪江干流上，工程任务以防洪、灌溉为主，结合发电兼顾城乡工业生活及环境供水等综合效用。水库总库容5.72亿m3，调节库容3.5亿m3，工程建成后可将绵阳市防洪标准由50年提高到100年，将三台县以上农村防洪标准提高到10～20年；控灌武引一期、二期灌溉面积15.24万hm2及蓬船灌区6.31万hm2；水库电站装机容量150MW，多年平均发电量6.1亿kW.h。

枢纽总体布置采用碾压混凝土重力坝挡水、坝身双表孔三底孔间隔布置泄洪、坝后式左岸厂房方案。大坝为碾压混凝土重力坝，最大坝高120.34m。水库拦河坝挡水坝段、溢流坝段和电站坝段等主要建筑物的级别为1级，电站厂房及下游导墙、丁坝和两岸防护工程等建筑物为3级。

2 工程关键技术问题

2.1 坝址区强岩溶发育

工程坝址区为强岩溶发育区，左右岸坝基内岩溶发育强烈，密度高、规模大，岩溶复杂程度在国内外已建工程中绝无仅有。坝址区岩溶平面分布见图1，防渗帷幕线上岩溶发育强度分带见图2。

坝址区泥盆系中统白石铺群观雾山组(D2gn)为区内主要可溶岩地层，受岩性、构造因素的控制，在地下水溶蚀侵蚀作用下，岩溶强烈发育。岩溶形态主表现为溶蚀洼地、溶蚀冲沟、落水洞、水平溶洞、溶蚀带(包括隐伏溶蚀带)、溶隙(穴)、溶蚀孔洞等类型。特别是左右两岸分别发育的观涪洞岩溶系统(K108)和摸银洞岩溶系统(K7)，对工程建设和安全运行影响重大，是控制工程成败的关键性重大地质缺陷：(1)左岸K108岩溶系统由水平溶洞(两层结构)和垂直、倾斜的落水洞组成，在空间上的分布范围水平长450m，宽约200m，垂直高度超过100m，呈树枝状展布于左岸山体内；(2)右岸K7岩溶系统主要由水平溶洞和落水洞组成，平面展布长1350m(指K7至灯笼沟K501落水洞)，宽约370m，平面上呈帚状展布，垂直发育高度超过120m。对工程的主要影响是坝基承载力、岩溶洞穴稳定问题和岩溶渗漏问题。

2.2 坝基深层抗滑稳定

大坝为120m高的碾压混凝土重力坝，河床高坝段坝基内断层破碎带、缓倾角裂隙和层间错动带等软弱结构面发育，地质条件十分复杂，深层抗滑稳定问题突出。现行规范《混凝土重力坝设计规范》(SL319-2005)、《混凝土重力坝设计规范》(DL5108-1999)中给出了简单双滑面的计算方法，但本工程滑动边界组合复杂，难以简化成简单双滑面，已超出规范双滑面模型分析范围，故需要对深层稳定问题专门论证、深入研究，以保证工程处理措施既安全又经济。

图3 武都水库18#坝段典型剖面(处理前)示意

2.3 大坝施工经历“5.12”大地震，抗震设计需适时调整

武都水库坝址紧邻汶川大地震震中附近，地震对工程区影响烈度达8度。“5.12”汶川大地震时，拦河大坝正在施工，其中河床坝段已浇坝高28m，左岸坝段已浇坝高最大至38m。地震对在建的武都水库主体工程造成了一定影响，正在施工的混凝土因施工工序未完导致质量不合格；刚施工完成的混凝土因龄期不足造成局部密集的浅表裂缝；地震后坝体混凝土存在一定数量的垂直裂缝；地震中有少量安全监测仪器遭受破坏，读数不正常；岩溶洞穴内局部掉块垮塌。

武都水库大坝抗震按甲类设防，在基本烈度(7度)基础上提高1度至8度作为设计烈度。汶川地震后，四川省地震局对武都水库坝址区地震危险性分析进行了复核，场地100年超越概率2%的基岩水平峰值加速度由214cm/s2提高至256cm/s2。为此，考虑武都水库处于龙门山断裂带区域，基岩峰值加速度设计值由0.2g(196cm/s2)提高至256cm/s2。

大型水库混凝土重力坝高坝在建设过程中遭遇大地震，需提高抗震设计动参数，使已施工结构和未施工结构均满足抗震设计要求，为国内外少有，给设计带来巨大挑战。

3 关键技术问题的处理对策

3.1 岩溶处理

在坝基岩溶地质缺陷的处理中，针对坝基承载和防渗要求提出了不同的处理范围及措施，遵循“变岩溶岩体为裂隙岩体”的原则和思路，对不同形态的岩溶体系采取相应的工程处理措施。

3.1.1 为提高坝基岩体和近坝山体的整体性、稳定性及承载能力，满足坝基应力、稳定要求，经对具有代表性的岩溶发育坝段进行有限元计算分析，按照坝基应力扩散规律，确定坝基岩溶处理范围为：宽度方向，按坝踵处上游侧27°、坝趾处下游侧37°的扩散角控制；深度方向，按坝高的1/3考虑。在此范围外，但距离较近的已发现的较大不稳定洞穴也应进行处理。

3.1.2 为满足工程防渗要求，保证帷幕灌浆的可靠性，在帷幕灌浆施工前，对帷幕线上的岩溶地质缺陷先行处理。

(1)对具备进人条件的岩溶洞穴，按照“变管道性介质为裂隙性介质、变岩溶岩体为裂隙岩体”的处理原则和思路，对帷幕线上下游15m范围内的岩溶洞穴均清挖封堵，水平溶洞的封堵应同时满足堵头稳定要求；

(2)对于不具备进人条件的地表或浅层岩溶洞穴，采用细石混凝土灌填；

(3)对于坝基深部的大型溶洞，采用“高压旋喷+湿磨细水泥灌浆+化学灌浆”复合处理方案。

在右岸底层灌浆平洞下部约70m深部、实施帷幕灌浆时，发现存在一宽约20m、高约13m的不规则岩溶通道(编号为KS1)。钻探揭示，溶洞充填松散砂层，上部为细砂层，下部为中粗砂层，透水性强。上部细砂层松散，下部中粗砂层为稍密～中密。

在实施常规灌浆时，溶洞充填的细沙在灌浆压力下随钻孔向外冒出，堆积在灌浆廊道内。在完成下游排水泥帷幕灌浆后，检查孔在该砂层段不能成孔，经多次复灌后，常规水泥灌浆基本无效。经多方案研究，决定采用“高压旋喷+湿磨细水泥灌浆+化学灌浆”复合处理方案，由高压旋喷在砂层中形成水泥砂浆骨架，再由湿磨细水泥挤压、充填密实砂浆骨架之间的空间，最后由化学灌浆(水玻璃)形成一道完整的阻水幕体。在处理范围内布设3排高压旋喷孔，2排湿磨细水泥灌浆孔，1排化学灌浆孔，最大灌浆压力5MPa。处理后，大部分砂层区视波速明显提高，大功率声波CT视波速由灌前的2300m/s～3100m/s提高至3100m/s～4200m/s，钻孔压水试验透水率均小于1Lu，满足防渗要求。

3.1.3 为保证工程蓄水后运行期岩溶洞穴的稳定，防止气爆或冲爆塌陷现象的发生，对近坝库内大型的岩溶进行充水排气连通处理。

2010年12月底导流洞下闸，水库蓄水至今，各项监测指标均正常，岩溶渗漏得到了有效处理，坝基变形、承载力满足要求，库岸稳定。

3.2 深层抗滑稳定处理

深层抗滑稳定问题是关系到整个大坝安危的重大问题，既涉及安全又影响到工程投资及建设工期，过于保守的计算方法既增加了工程量及工程投资又耽误整体工期；若采取偏于冒进的计算方法又危及工程安全。若使工程的经济性和安全性都达到最优，就需要有一个与实际相吻合的计算方法。

现行规范SL319-2005、DL5108-1999及许多相关文献中关于刚体极限平衡法的分析讨论多是基于图4所示的标准模型，其适用性局限于第二破裂面(BD面)位于坝趾或坝趾下游侧的情况。武都水库工程坝基内部多为复杂多滑面或第二破裂面位于坝基内部的情况，此时规范方法不再适用。如图3中武都水库工程18#坝段典型地质剖面图所示，断层与缓倾角结构面、层间错动带等互相切割，组成各种类型的滑动模式，若以等K法计算，则很多组组合的第二破裂面均处于坝基内部。对于软弱面的交点位于坝基内部的问题，其计算模型超出规范计算模型的范围，若直接切穿坝体(见图5、图6)，代入规范公式，则与工程实际不符，未考虑坝的整体性，通过计算可知其安全系数偏低，所需处理工程量巨大。

为此，考虑到坝的整体性传力性能，针对软弱面的交点位于坝基内部的情况，可取坝基为研究对象，将坝移除，求出建基面处应力，进而利用等安全系数法研究坝基各块体在各种荷载作用下的稳定性，采用刚体极限平衡法，根据各滑裂面等安全系数原理，联立方程组进行计算(如图7所示)。根据上述处理思路，将该方法称为“应力分配法”。应力分配法基于刚体极限平衡的等K法，其计算安全系数与规范安全系数匹配，故可直接利用规范安全系数进行安全判断。

图4 规范标准模型

图5 第二破裂面位于坝基内

图6 切穿坝体

图7 应力分配法模型

对于块体分界面(即BD面)上的作用力与水平面的夹角φ，《混凝土重力坝设计规范》(SL319-2005)附录E规定：夹角φ值需经论证后选用，从偏于安全考虑φ可取0°。因夹角值φ对工程处理的安全性和经济性都有较大的影响，经多方分析，认为对夹角φ赋予一定的值是合理的，关键是取值的大小。结合工程坝区岩层总体产状及岩层倾角的实际情况，假定BD面(第二破裂面)竖直，不计层面倾斜的影响(本工程岩体层面陡倾上游约75°，按BD面竖直计算偏安全)，而将φ取15°，按此取值进行计算，其安全系数是合理、经济、安全的。

分别利用基于材料力学的应力分配法、基于有限元的应力分配法、Sarma法、有限元法、非连续变形法(DDA)等方法，对大坝的深层抗滑稳定问题进行了多方法计算及分析工作，最终选定利用基于材料力学的应力分配法的计算成果进行工程处理措施设计。

计算分析表明，11#～19#河床坝段存在坝基深层抗滑稳定问题，需采取工程措施进行处理。大坝深层抗滑稳定常用的加强或处理措施有：(1)设置混凝土齿槽，切断坝基浅层的软弱结构面；(2)增加坝体重量，或调整大坝体型、放缓上游坝坡以利用坝面上的水重；(3)设置防渗帷幕灌浆、坝基抽排水系统、坝基固结灌浆，以减小扬压力；(4)设置切断软弱结构面的混凝土或钢筋混凝土洞塞；(5)利用预应力锚索增加主动抗滑力；(6)抗滑桩等。

经上述多方案对比分析，最终选定安全、经济的齿槽开挖置换混凝土处理方案，以防渗帷幕、坝基抽排水系统及固结灌浆作为辅助加强措施。采取坝体深层稳定地基处理措施后，坝基的深层抗滑稳定性满足规范要求。

鉴于武都水库工程深层抗滑稳定问题的复杂性及重要性，为安全计，曾先后委托西安理工大学、中国水利水电科学研究院、四川大学、合肥工业大学等四家单位，选取典型坝段的典型滑裂面组合进行了数值分析验证，同时委托四川大学进行了地质力学模型试验。各家外委单位的分析验证结果在规律上及工程定性判断上与我院计算分析成果具有一致性，各工况下地基处理设计方案深层抗滑稳定满足规范要求。

工程投入运行以来，大坝各类变形监测值正常，处理方案是成功的。

3.3 震损处理及抗震加强措施

“5.12”汶川大地震后对工程进行了震损检测。震损检测包括坝体混凝土震损检测与评估、坝体混凝土裂缝调查及检测、混凝土/基础接触段震损检测评估、坝基岩体(包括断层受地震影响情况)、已固结灌浆区域检测、已帷幕灌浆区域帷幕效果检测、安全监测仪器及数据检测、工程施工控制网复测及恢复。

地震后，四川省地震局对坝址区工程场地地震动参数进行了复核，复核确定，场地100年超越概率2%的基岩水平峰值加速度由214cm/s2提高至256cm/s2。经分析，按基岩峰值加速度设计值由0.2g(196cm/s2)提高至256cm/s2，对武都水库大坝进行全面的抗震安全性复核和评价。

复核结果表明，设计地震动参数提高后，大坝沿建基面的抗滑稳定、坝体层间抗滑稳定、建基面垂直正应力均满足规范要求；在基于原设计地震动参数拟定的坝基深层抗滑稳定处理措施下，除需对19#坝段进行补强处理外，其余坝段深层抗滑稳定均满足规范要求。但此时10#～21#坝段坝体混凝土均已浇筑至一定高程，无条件进行齿槽开挖。根据现场施工情况，针对19#坝段的深层抗滑稳定问题，在抗力体部位采取措施，亦可避免耽误大坝混凝土的施工。

结合19#坝段下游部位的地形，处理分为两部分：(1)在19#坝段下游抗力体范围内的护坦部位，设置预应力锚索对抗力体予以加强。护坦上布置间排距为2m的2000kN级锚索共48根，锚索倾向上游，与水平面夹角为45°；(2)采取下游抗力体压脚方案，护岸挡土墙墙背后填渣至高程582.00m。采取上述措施后，各工况下深层抗滑稳定安全系数满足规范要求。

大型水库混凝土重力坝高坝在建设过程中遭遇大地震、抗震设计动参数提高，使已施工结构和未施工结构均满足抗震设计要求，国内外少有，设计难度大。地震动参数提高后，对武都水库主体工程进行了全面的抗震安全性复核和评价，采取切实可行的工程措施增加建筑物的抗震能力，包括增加抗震构造措施、对经复核安全性不足的部位进行补强加固处理、适当增大坝基下岩溶洞穴的处理范围、预留抗震抢险通道等。经过抗震设计复核和加强、加固处理，武都水库工程满足提高地震动参数后的抗震设计要求。

4 结语

武都水库工程地质条件复杂，左右岸坝肩岩溶发育强烈，河床高坝段存在深层抗滑稳定问题，工程建设过程中遭遇大地震、抗震设计动参数提高，需使已施工结构和未施工结构均满足抗震设计要求。针对以上问题，制定了以下针对性处理方案：

(1)强岩溶发育区建坝，需要解决坝基承载问题、坝基与坝肩的渗漏问题、近坝区库内岩溶洞穴的稳定问题。针对不同的岩溶发育类型，结合坝基应力和防渗要求制定不同的处理方案及处理范围，既保证了安全又兼顾施工难度、工程进度及投资。蓄水至今，各项监测指标均正常，岩溶坝基渗漏得到了可靠处理，坝基变形、承载满足要求，库岸稳定。对于如此复杂的岩溶地质条件，处理后能达到目前的良好效果，为国内外所罕见，为同类工程岩溶地质处理积累了宝贵经验；

(2)在大坝的深层抗滑稳定处理设计中，对现行设计规范有所突破和延伸，有效解决了复杂边界条件下的大坝深层抗滑稳定问题，处理方案安全、经济，可为类似工程问题的计算方法及处理方案的选定提供参考；

(3)地震动参数提高后，对武都水库主体工程进行了全面的抗震安全性复核和评价，采取切实可行的工程措施增加建筑物的抗震能力，包括增加抗震构造措施、对经复核安全性不足的部位进行补强加固处理、适当增大坝基下岩溶洞穴的处理范围、预留抗震抢险通道等。经过抗震设计复核和加强、加固处理，武都水库工程满足提高地震动参数后的抗震设计要求。

武都水库工程于2010年12月底导流洞下闸并开始蓄水，目前工程已安全运行4年多，各建筑物性态正常，运行情况良好。从目前监测数据成果来看，武都水库大坝位移、渗流、变形、应力等主要参数均在正常范围内，大坝挡水建筑物各项安全指标稳定，库岸总体稳定。可见，本工程设计处理措施得当，效果可靠，为水利水电工程在复杂地质条件(岩溶发育强烈、坝基深层抗滑稳定问题突出)、建设期间遭遇特大地震需提高设计参数等工程设计积累了经验。

〔1〕潘家铮.重力坝设计，北京：水利电力出版社，1987.

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