大屯水库上游坝坡局部塌陷原因及处理

2018-04-17

水利建设与管理 2018年3期

(1.南水北调东线山东干线有限责任公司，山东济南　250000；2.武城县水务局，山东武城　253300)

1　概　况

1.1　工程概况

大屯水库是南水北调东线一期工程鲁北段工程的重要组成部分。大屯水库主要建筑物包括围坝、渠首进水闸、六五河节制闸、入库泵站、供水洞等部分。水库设计洪水标准50年一遇，死水位21.00m，正常蓄水位29.80m。总库容5209万m3，调节库容4464万m3。入库泵站设计入库流量12.65m3/s。水库向德州市德城区、武城县城区全年供水，向德城区供水设计流量4m3/s，向武城县城区供水设计流量为0.60m3/s。

1.2　库区地质

1.2.1地形地貌

大屯水库位于黄河下游，地貌属鲁西北黄泛堆积平原区，该水库位于武城县东北部的恩县洼内，库内地势低洼平坦。

1.2.2地层岩性

库区地层表层广泛分布第四系全新统冲积堆积的砂壤土和裂隙黏土，夹有零星壤土和粉砂，厚度变化较大，分布不稳定；中部为第四系全新统冲积堆积黏土夹砂壤土和壤土，局部为古河道冲洪积堆积的粉砂和粉细砂，分布不稳定，厚度变化较大；下部为第四系上全新统冲积沼泽堆积的粉细砂和中细砂等。

1.2.3地质构造和地震库区

构造位于华北台坳(Ⅱ1)临清台陷(Ⅲ5)冠县～德州台凹(Ⅳ21)北部、故城台穹(Ⅳ1)东侧。区内地质构造均呈隐伏状，水库西距沧东大断裂8km，东距羊二庄～边临镇大断裂22km。库区地震动峰值加速度为0.05g，相应地震基本烈度为Ⅵ度。

1.2.4水文地质条件

区内地下水为第四系孔隙潜水，主要含水层为粉细砂、中细砂，其次为砂壤土和裂隙黏土，裂隙黏土中裂隙发育呈立体网状，连通性较好，但是，发育和透水性不均一。各含水层间水力联系密切，据野外抽水试验，含水层渗透系数为5.5×10-4～1.57×10-2cm/s，属中等～强透水层。地下水化学类型主要为硫酸盐重碳酸盐型水及硫酸盐氯化物型水，对混凝土多具结晶类硫酸盐型弱～强腐蚀。

1.3　场区工程地质条件

根据《大屯水库工程地质勘察报告》，桩号8+867处场区地层勘探深度内为第四系全新统冲积堆积砂壤土、裂隙黏土、黏土、壤土，第四系冲积湖积堆积的黏土，第四系全新统冲积沼泽堆积的粉细砂、中细砂，第四系上更新统冲积洪积堆积黏土等。

2　坝坡塌陷问题

2013年，大屯水库建成投入使用，2017年2月27日，大屯水库围坝桩号8+867，高程23.40m处上游坝坡出现局部塌陷，塌陷坑平面形态为亚圆形，塌陷范围：长3.90m、宽3.50m、深约0.60m。其剖面形态近坛状、井状，落距0.30～0.90m，沉陷坑四周坝坡未见沉陷迹象。

3　坝坡塌陷原因分析

3.1　坝坡塌陷原因分析

工程区位于临清～惠民中央坳陷沉积区，第四系发育完全，总厚度220m左右，其下为第三系砂岩、细砾岩、灰绿色细砂岩和棕红色泥岩的间互沉积层，故不存在岩溶塌陷、采矿塌陷。

坝体填筑质量2012年完工，坝体沉陷已基本完成，依据坝坡塌陷坑的形态为近坛状、井状及垂直塌陷等，可确定坝坡塌陷坑非坝体沉陷所致。

鉴于塌陷坑形状近坛状、井状，为垂直塌陷，故判断为原地面以下土洞塌陷造成，能形成土洞的异常体为墓穴或水井。

该处坝基底高程为20.70m，塌陷坑底高程为22.20m，根据塌陷坑内钎探5m，原地面以下3.50m深度内土体较为均匀，未发现砖、木等异常体，可排除墓穴。

水库位于武城县东北部的恩县洼内，地势低洼，区内大部为农田，依据水库建设期移民迁占资料，库区分布“民井”百余个，经调查该区域“民井”为简易PVC管井，井径11cm，深约12～15m，废弃后将PVC管取出，故移民迁占资料未记载。根据对周边村民的调查，当地简易PVC管井较普遍，亦有大量PVC管井产生类似沉陷，综合以上分析故断定该处坝体塌陷为水井所致。

3.2　坝坡塌陷机制分析

依据前期勘察资料塌陷区域地层地面以下14m范围内主要为砂壤土夹薄层裂隙黏土及壤土。简易PVC管井深约12～15m，PVC管底部花管(下部PVC人工制钻眼制作透水孔)未做反滤，管井位于砂壤土中，砂壤土松散，粉粒含量较高，由于管径小，抽水强度大，在渗透压力作用下，砂壤土中粉粒被抽出，井底部形成土洞，初始土洞规模较小，容易形成拱效应而稳定；随着反复多年的抽水，土洞规模逐渐扩大，拱效应失效，洞顶发生坍塌，坍塌物堆积在洞底，并再次产生新的拱效应，土洞重新达到暂时稳定；当水井淤积废弃，将PVC管拔出后土洞不再发展。

废弃后的水井其下部土洞虽不再发展，但土层性质及土洞发育程度是决定地面塌陷的关键因素。对于上覆盖层性质而言，其物理力学性质(抗剪强度、孔隙率、含水量、自重及渗透系数等)、结构组成及厚度等均对地面塌陷的形成产生重要影响。由于上覆盖层主要为砂壤土夹裂隙黏土，砂壤土松散，裂隙黏土裂隙发育整体性差，临空面土体卸荷松动加之水位波动更易脱落，导致洞顶发生坍塌，坍塌物堆积在洞底，土洞向上方移动，周而复始当土洞临近邻近地表时，又恰逢枯水期，地下水位下降，洞顶失去浮力效应，在洞顶荷载作用下产生塌陷。

4　坝坡塌陷处理方案

根据现场实际情况、地质资料及坝坡塌陷原因分析，坝坡塌陷区民井深度深约12～15m，影响半径3～5m，土洞内塌落体为砂壤土夹黏土，塌落体疏松，埋深较大，表面换填处理不能有效消除隐患。为保证水库蓄水安全，对塌陷部分坝体及坝基采用充填灌浆加固处理方案。

4.1　充填灌浆

4.1.1充填灌浆布置

坝体塌陷位置位于围坝桩号8+867上游坝坡近坝脚处，高程为23.50m；塌陷坑的平面形态为亚圆形，直径2.60～2.90m。充填灌浆孔沿塌陷周边布置8个灌浆孔，间距1～1.20m，塌陷中心布置1个灌浆孔。灌浆孔孔底高程8.00m，孔深15m。以坝顶高程23.50为基数，以8+867为起点，布控钻孔，灌浆分段钻孔，灌浆、施工搅拌机及注浆泵布置在工作基点附近，钻孔分1台地质钻机沿轴线分序、分段循环作业(灌浆孔布置示意图如下图所示)。

灌浆孔平面布置示意图 (单位：mm)

4.1.2钻孔和灌孔的设备材料

工程钻孔灌浆主要设备为HZ-180型地质勘探回旋钻机1台、180注浆泵1台、双层搅拌桶1台、潜水泵3台，满足施工作业需求。

4.1.3灌浆材料

灌浆材料采用P.O42.5普通硅酸盐水泥浆液，浆液的密度控制在1.30～1.60g/cm3。主材水泥42.5水泥严格按照技术条款规定的材料，质量标准附有生产厂家的质量合格证、批号、编号，并经水利部门检测复试合格后附材料报告书方可使用，参照引用水泥标准为《通用硅酸盐水泥》，严格遵守《水工建筑物水泥灌浆技术规范》，拌浆水的温度不得高于40℃。

4.1.4灌浆施工

充填灌浆开始前，先打试验孔，做灌浆试验，确定准确的灌浆压力和参数再进行下一步施工。

灌浆施工宜采用套管法、孔口封闭法或其他灌浆方法。施工顺序：钻孔锚固就位定向水平尺平直-开孔-锚孔-冲孔-压水-制浆记录-灌浆-抬动变形观察记录-确定每段灌浆压力-确定是否达到结束标准-封孔-照片影像资料岩芯保存。为提高浅层的灌浆质量，自上而下分段灌注，灌注分段长度为5～10m。灌浆压力为0.05～0.1MPa，上段灌浆压力选用小值，向下灌浆压力可逐渐加大，但不宜超过0.10MPa。在规定压力下，单位吸浆率小于0.50L/min，延续30min即可结束。在灌浆过程中，若有裂缝及冒浆发生，应立即停止灌浆，及时采取有效措施。灌浆结束后，应采取可靠的封孔措施。

充填灌浆施工需按照《水工建筑物水泥灌浆施工技术规范》(SL 62—2014)、《土坝灌浆技术规范》(SL 564—2014)的相关要求进行。