煤幺寨水库均质土坝安全复核及坝体补强加固防渗处理

代彬彬，朱晓萌，杨 冰

(1.贵州省水利水电勘测设计研究院，贵州 贵阳 550002；2.贵州省水利科学研究院，贵州 贵阳 550002；3.四川大学水电学院，四川 成都 610207)

煤幺寨水库位于修文县六桶乡境内的石林村，距修文县城55km，距息烽县城15km。水库涉及流域为乌江水系一级支流刘家沟河的一小支流。水库大坝距花榔-九庄公路500m，无上坝公路，交通不便。水库坝址以上流域集水面积经本次复核为0.61km2，主河长1.1km，河道平均比降60.0‰。工程始建于1965年，于1968年竣工并投入运行。工程建成后坝体渗漏较为严重，浸润线较高，不能正常蓄水。虽历经1993年和2001年除险加固处理，但防渗效果不佳，渗漏问题依然很严重。且经历多年运行后，上游坝面干砌块石护坡局部脱落淘空、坝基与右坝肩渗漏等问题，已严重威胁到大坝安全[1]，急需采取合理的工程措施进行除险加固修复处理，确保大坝安全蓄水与安全泄洪。

1 坝基(肩)水文地质评价及渗漏分析

1.1 坝基(肩)水文地质评价

坝线地层单一，岩性变化大，主要为二迭系上统龙潭组(P2l)浅灰色、灰色粘土岩、硅质泥灰岩，坝基出露基岩为硅质泥灰岩，左岸小面积出露粘土岩，右坝肩为粘土岩、泥晶石灰岩夹煤，两坝肩岩性差异较大、较复杂，水文地质条件较复杂。坝址为纵向河谷，库水易沿基岩走向渗漏，河谷形态于水库防渗不利[2]。

坝区虽有可溶蚀性较强的硅质泥灰岩，但其厚度不大，溶蚀不可能大规模发育，粘土岩属弱岩溶发育岩。钻孔ZK01位于右坝肩，揭示在高程1172.1～1178.1m段岩体极破碎，节理、裂隙密集发育，有明显的地下水活动痕迹，该段钻孔过程中不返水，为硅质泥灰岩；钻孔ZK04位于坝轴线中心左侧，揭示在高程1169.1～1178.1m段岩体较破碎，斜向裂隙发育，多为泥质充填，胶结较差，有地下水活动痕迹，该段钻孔压水试验吕荣值为9.89。其他2个钻孔压水试验相对ZK01、ZK04较好，岩体相对较完整，坝基基岩风化厚度约10.0～14.5m。总体来看，坝区地层岩溶弱发育或不发育，只有沿强风化基岩裂隙及基岩层面有轻微的潜蚀。经查，渗漏点S1位于坝基排水棱体处，高程为1160.6m，渗漏量约0.2L/s；渗漏点S2位于一级马道坝轴线中心附近，高程为1172.0～1173.0m，渗漏量约0.2L/s；渗漏带S3位于右坝肩，高程为1170.0～1177.0m，宽约5.0m，渗漏量约0.3L/s。

1.2 坝线风化带划分

根据野外地质踏勘及钻探资料分析，坝线强风化分带深度见表1。

表1 坝线强风化带深度

由于现水库不能蓄水至正常水位，水压力小，基岩岩性为硅质泥灰岩、粘土岩，阻水效果相对较好；坝体填筑土料取样试验结果分析，土料渗透系数为2.02×10-4～4.91×10-4cm/s。由此可推断S1、S2及S3渗漏原因为建坝时清基未彻底，加之填土料不均，库水沿强风化层基岩裂隙、基岩走向及坝体空隙渗漏所致[3]。

1.3 坝基(肩)渗漏分析

坝基出露基岩为硅质泥灰岩，左岸为粘土岩、泥岩，右坝肩为粘土岩、泥晶石灰岩夹煤线。初步分析，S1渗漏点为集中渗漏，沿坝基接触带渗漏，其渗漏量较小，初步推断渗漏原因为建坝时清基不彻底，存在耕植层、腐烂树根等导致库水沿强风化基岩裂隙、空隙等产生渗漏，或建坝时，坝体填料局部夹有风化碎石及部分残积土，库水从碎石颗粒间隙和浮土空隙中渗出而形成；S2渗漏点为集中渗漏，属坝体渗漏，初步推断渗漏原因：①坝体填料局部夹有风化碎石及部分残积土(填料不均)，库水从碎石颗粒间隙和残积土空隙中渗出而形成；②坝体填筑施工过程中碾压不均，分段、分层结合不好，存在空隙和接触冲刷，从而引起渗漏；S3渗漏点为带状渗漏，属绕坝肩渗漏，初步推断渗漏原因为库水沿坝肩强风化基岩裂隙破碎带、基岩层面渗漏或坝体与岸坡结合面接触不紧密引起渗漏[4,5]。坝肩及坝基接触带渗漏总量约0.7L/s，由于该水库集雨面积小(约0.58Km2)，来水量有限，为保障水库周边居民饮水及灌溉安全，建议对水库大坝结构进行全面渗流及稳定复核，并采取有针对性的防渗加固修复处理工程措施。

2 大坝渗流性态分析及稳定安全复核

由于大坝建设时存在设计标准低、施工质量差、质量监控不到位、后期运营维护不规范等原因，给大坝稳定运行埋下较大安全隐患。大坝自建成投运后，就存在渗漏严重、浸润线较高、不能正常蓄水等问题，水库长期处于带病运行[7]。为掌握煤幺寨水库均质土坝现状运行状态，并合理优选与坝基(肩)渗漏病险类型相匹配的除险加固防渗处理工程措施，结合大坝特性参数评估大坝渗流性态和整体抗滑稳定性[8]。

2.1 坝体结构材料特性

筑坝材料坝体为粘土，坝基为泥岩、泥质灰岩。土工试验表明，坝体粘土渗透系数为2.02×10-4～4.91×10-4cm/s，计算采用4×10-4cm/s；坝基基岩渗透系数为1.0×10-4cm/s。坝体粘土容重为18.5kN/m3，内摩擦角为11.4°，凝聚力31.4kPa；坝基泥岩、泥质灰岩容重为25.0kN/m3，内摩擦角为22°，凝聚力180kPa。

2.2 大坝渗流性态分析

根据SL744- 2016《水工建筑物荷载设计规范》和SL274- 2001《碾压式土石坝设计规范》要求，拟定2个工况进行渗流计算[8- 9]：①库水位为正常蓄水位1179.30m；②库水位由正常蓄水位降至死水位1171.80m。坝体渗流计算采用河海大学编写的Autobank7.05软件《渗流分析计算》。分析结果表明，正常蓄水位稳定期坝体单宽渗流量0.749m3/d，按坝基宽度50m，则渗流量约0.435L/s。渗流作用下土体开始发生渗透破坏的水力临界坡降按太沙基公式计算，取Gs=2.71，e=1.07，安全系数为2，则大坝粘土允许抗渗坡降[J]=0.415。根据SL274- 2001《碾压式土石坝设计规范》有关规定，对大坝渗流情况进行了计算分析，通过正常蓄水位和校核洪水位渗流计算结果得到两种情况下渗透比降等值线，如图1和图2所示。

图1 正常蓄水位稳定渗流渗透比降等值线图

图2 库水位降落期渗透比降等值线图

从图1和图2渗透坡降值表明：①稳定渗流期坝面土体溢出渗透比降为J=0.269，小于坝体粘土允许渗透比降[J]=0.415。②水位降落期，下游坝坡溢出渗透比降为J=0.277，小于坝体粘土允许渗透比降[J]=0.415。因此，大坝在不同运行工况条件下，其渗透比降均小于规范限值，渗流性态满足规范要求，坝体不会发生渗透破坏。

2.3 坝体抗滑稳定安全复核评价

煤幺寨水库坝体为均质土坝，坝顶高程1155.0m，最大坝高13.7m，坝轴线长70m。工程属5等工程，大坝等主要建筑物为5级。煤幺寨水库大坝稳定安全复核，根据SL274- 2001《碾压式土石坝设计规范》及SL189- 96《小型水利水电工程碾压式土石坝设计导则》进行计算，目的是论证坝体在自重、各种工况的孔隙水压力和外荷载作用下的稳定性[10]。

根据SL744- 2016《水工建筑物荷载设计规范》和SL274- 2001《碾压式土石坝设计规范》的规定，考虑坝体运行情况以及可能遇到的最不利情况，拟定3种计算工况对煤幺寨水库均质土坝的整体抗滑稳定性进行全面安全复核，即：①工况1：正常蓄水位1179.30m时稳定渗流期的上、下游坝坡；②工况2：水库正常蓄水位1179.30m降至死水位1171.80m即降落期的上游坝坡；③工况3∶1/3坝高水位的上游坝坡。

坝坡稳定计算方法为刚体极限平衡法，采用不计条块间作用力的瑞典圆弧法进行分析，采用河海大学编写的Autobank7.05软件《边坡稳定分析》进行计算。坝坡稳定计算采用优选法找出最危险滑动面及最小安全系数。大坝在不同荷载组合工况条件下上、下游坝坡稳定性分析成果见表2。

表2 煤幺寨水库均质土坝抗滑稳定分析成果

从表2可知：通过对坝体典型剖面抗滑稳定计算，正常蓄水位坝体稳定渗流期上游坝坡抗滑稳定最小安全系数满足规范要求，下游坝坡抗滑稳定最小安全系数满足规范要求；库水位由正常水位降至死水位高程上游坝坡抗滑稳定最小安全系数满足规范要求；1/3坝高库水位的上游坝坡抗滑稳定最小安全系数均满足规范要求。

3 大坝防渗补强加固修复处理

3.1 除险加固灌浆防渗措施

鉴于煤幺寨水库坝基(肩)渗漏问题，为保障大坝安全并减少渗漏损失，须进行坝体、坝基(肩)接触带防渗加固处理。结合国内技术水平及煤幺寨水库实际情况，拟选充填灌浆、高压旋喷灌浆两种方案进行比选。充填灌浆设备及施工工艺简单、机动灵活、便于操作、易于掌握、工效高，而高压旋喷灌浆方案施工机械要求相对较高，施工相对较复杂，造价高。为防止坝体和坝基渗透破坏，减少坝体、坝基及绕坝渗漏量，结合煤幺寨水库的实际情况，经综合比较，坝体采用能够满足水库运行要求的充填式灌浆处理方案，同时对两岸坡及坝基进行常规帷幕灌浆防渗处理。根据现场实际情况，防渗灌浆孔孔距为3m，分3序次进行，其帷幕深度确定约为0.7倍坝高，并可在施工中通过先导孔的勘探结果进行调整。除险加固灌浆总量为2078.5m，其中帷幕灌浆量为841.0m，充填灌浆量为1018.6m，无效进尺218.9m。

3.2 坝体充填灌浆质量控制

充填灌浆压力不得超过0.5MPa，采用循环式自下而上分段灌浆法，分段长5m，灌浆管管口距段底不得大于50cm。坝体和基岩的接触段应单独灌浆处理。灌浆材料为粘土水泥浆，在吸浆量特大的灌浆段掺用一部分细砂和促凝剂，水泥用量约材料占总量的15%；接触带及深入基岩2m灌浆段水泥用量约材料占总量的30%。水泥采用P.O32.5号普通硅酸盐水泥。促凝剂主要采用氯化钙，掺用量为水泥重量的3～5%。浆液由稀到浓逐级变换，水灰比可采用5∶1，3∶1，2∶1，1∶1，0.8∶1，0.6∶1，0.5∶1等7个比级。当浆液升至管口，经连续复灌3次不再吃浆时，即可终止灌浆；当每孔灌完后，可将注浆管拔出，注灌浆容重大于1.5t/m3的稠浆，如浆面下降，可继续灌注稠浆，直至浆面升至坝顶不再下降为止。每孔灌完后，待孔周围泥浆不再流动时，将孔内浆液取出，扫孔到底，可向孔内灌注稠浆或用含水量适中的制浆土捣实。灌浆要求最终渗透系数小于1.0×10-5cm/s。

3.3 坝基防渗帷幕灌浆质量控制

帷幕灌浆压力孔口起灌压力为0.3MPa，自基岩面以下5m开始，岩石每加深1m，灌浆压力增加0.05MPa，但最大灌浆压力不得超过1.0MPa。采用循环式自上而下分段灌浆法，每3～5m为一段，待上一段灌浆初凝或终凝后，按照规范要求时间进行扫孔，并进行下一段的灌浆，周而复始的进行。各灌浆段灌浆时必须下入灌浆管，管口距段底不得大于50cm。先导孔可在1序孔中选取，其间距不宜小于15m，或按该排孔数的10%布置。灌浆材料为水泥浆，在吸浆量特大的灌浆段掺用一部分细砂，水泥采用P.O32.5普通硅酸盐水泥。灌浆从5∶1稀浆开始，以后按 5∶1、3∶1、2∶1、1.5∶1、1∶1、0.8∶1的浓度变换。在规定的压力下，单位吸浆量不超过0.4L/min延续30min，即可以结束灌浆。但每一灌浆段的灌浆总时间不低于1h。灌浆过程中遇有回浆变浓现象，最终单位吸浆量小于1～2L/min时，也可结束灌浆。在全孔灌浆完毕后，将灌浆窗设在孔口处，进行全孔回填灌浆，从稀浆开始，依正常方法进行灌浆。当单位吸浆量小于0.4L/min时，在即改灌0.6∶1的浓浆结束。压力采用0.5MPa。灌浆后，如孔内空余深度仍大于5m，还要第二次灌浆封孔，直到空余深度小于5m后，再采用人工封孔法将孔口处填灌灌实。灌浆要求最终渗水率≤5Lu。

4 结论

(1)在煤幺寨水库均质土坝防渗加固修复处理过程中，不仅结合坝体结构特性合理采取灌浆等工程措施有效解决坝基和坝肩渗漏问题，同时还须充分考虑坝体结构应力分布改造和防渗体耐久性等问题，确保防渗方案具有较高的技术经济性。

(2)煤幺寨水库均质土坝由于设计标准较低、施工质量较差、除险加固土工膜防渗效果不佳等，导致水库长期处于带病运行工况，浸润线较高、不能正常蓄水，坝基(肩)渗漏加重，严重威胁到大坝运行的安全稳定性。

(3)经坝体渗流性态和抗滑稳定性全面复核，大坝虽整体渗流性态和结构稳定性均较好，符合规范指标要求。但坝基和坝肩存在的渗漏加剧问题，严重威胁到大坝的正常蓄水与安全泄洪。采取充填式灌浆为主，辅以两岸坡及坝基常规帷幕灌浆的组合防渗方案，对大坝进行全面防渗加固修复处理后，坝体内部漏水通道、坝体空洞和裂缝等能得到有效充填，坝体结构也能得到有效加固，为大坝安全稳定性运行营造了良好条件。

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