任庄水库坝体土质量评价与坝面变形分析

陈世伟

（山西省水利水电勘测设计研究院 山西太原 030024）

1 工程概况

任庄水库工程位于山西省泽州县东北丹河上，工程于1959年开工建设，1960年完工并投入运行。水库设计总库容为8050万m3，正常蓄水位高为23.90 m，是一座以防洪为主，兼顾供水和灌溉的中型水利枢纽工程。

2 大坝简述

大坝为碾压式均质土坝，最大坝高35.5 m，坝长650 m，坝顶宽5.5 m，防浪墙高1.0 m。迎水坡及背水坡均采用干砌石护坡；干砌石下为粗骨料垫层，厚0.2～0.3 m。迎水坡设有一马道，高21.70 m，坡度为 1∶2.6。背水坡设有两条马道，一马道高22.4～22.8 m，二马道高 13.6～13.7 m，坡度为 1∶2.3～1∶2.7。坝后坡脚设有排水棱体及排水沟。

筑坝土料料源主要为坝址附近第四系中更新统洪积（Q2pl）紫红色低液限黏土。

3 大坝历次出现险情及处理措施

水库运行至今已53年，其间发生过多次险情，现按时间先后顺序分述如下。

3.1 右坝段滑坡

1963年9月19日，当库水位蓄水高度至26.26 m时，大坝右坝段桩号0+063～0+175段坝体土发生下滑，滑面高度为11.60～23.40 m。坝体土下滑至右坝端坡脚处，形成一平地，距坝轴线80～120 m。事后于1964年对滑坡段坝体进行了重新填筑，同时在该段坡脚处增设长约58 m的排水棱体。1998年水库应急改造时又对滑坡处坝体进行了充填灌浆。

3.2 右坝端接触冲刷及渗漏

据水库观测资料，当水库蓄水高度至22.4 m时，坝体与右坝肩接触处有库水渗出，同时坝顶有裂缝和塌坑出现。特别是1992年5月，由于上游普降暴雨形成洪水，导致库水位骤升，坝体与右坝肩接触处渗漏量明显增大且右侧坝体出现多处塌坑。1998年任庄水库应急改造时，对右坝肩岩体、坝体与右岸接触部位进行了灌浆处理。

3.3 右坝段坝体出现塌坑和裂缝

1992年5月5日水库上游暴雨过后，大坝背水坡桩号 0+000～0+356，高 19.20～27.75 m 范围内，发现 30余处塌坑，并伴有多处裂缝。塌坑坑径最大1.4 m，最小0.25 m，坑深最大2 m，最小0.3 m。现场对典型塌坑开挖后发现，坑壁有明显裂缝，最深约6 m，裂缝宽最大约10 cm，最窄约0.5 cm，且塌坑多在裂缝处产生。随后，对塌坑进行了回填并夯实。1998年任庄水库应急改造时，对大坝桩号0+100～0+380段坝体土进行了黏土充填灌浆，并对上下游坝面进行了防护。

4 坝体土质量评价及坝面变形原因分析

4.1 坝体土质量评价

坝体土岩性主要由第四系中更新统洪积（Q2pl）黄褐色、紫红色低液限黏土组成，局部为低液限粉土。其中坝顶1～6 m范围内坝体土多呈紫红色，6 m以下坝体土多呈黄褐色，10 m以下坝体土含小砾石及钙质结核，浸润线以上呈坚硬-硬塑状，浸润线以下呈软塑-可塑状。

1）坝体土常规物性指标

坝体质量检查时，共取坝体土原状样135组进行了室内土工试验，其主要物理力学指标统计成果见表1。其干密度为1.33～1.64 g/cm3，平均值为1.49 g/cm3（最大干密度为1.69 g/cm3），平均压实度为0.88；塑性指数为 11.0～23.1；天然压缩系数为 0.10～0.82 MPa-1，具中等-高压缩性；含黏量为18.3%～41.3%；饱和直剪凝聚力 C 为 7.9～20.1 kPa，内摩擦角 Φ 为 14.5～23.0°。就干密度进行加权分析，其中试验值为1.33～1.40 g/cm3有38组，占总取样数的28.2%；1.40～1.50 g/cm3有65组，占总取样数的48.1%；1.50～1.60 g/cm3有24组，占总取样数的17.8%；1.60～1.64 g/cm3有8组，占总取样数的5.9%。不难发现，坝体土干密度以1.33～1.50 g/cm3为主，占总取样数的76.3%。总体看，坝体土干密度偏低，差异性较大，土质不均，分析局部存在软弱部位。

表1 坝体土主要物理力学指标统计成果表

2）坝体土化学、矿物成份及分散性试验指标

坝体质量检查时取13组扰动样进行了化学矿物成份分析、膨胀性试验及分散性试验，成果分别见表2及表3。由表2可知，坝体土中有机质含量为0.38%～0.84%；水溶盐含量为0.57%～3.23%；伊利石含量为18.4%～27.8%；蒙脱石含量为6.3%～8.6%；自由膨胀率为36.0%～57.0%，部分样品为弱膨胀性土且水溶盐含量超标。由表3可知，四种分散性试验成果中，碎块试验有2组样品为过渡性土，占总样品13%；针孔试验有1组样品为过渡性土，占总样品6.7%。

表2 坝体土化学矿物成份及膨胀性试验成果统计表

3）坝体土与均质土坝对比结果

坝体土与均质土坝用料质量要求对比结果见表4，由表可知，坝体土质量指标中的黏粒含量、塑性指数和水溶盐含量部分偏高，为不合格项。

4.2 坝面变形情况及分析

1）坝面变形情况

目前大坝桩号0+100～0+240段和桩号0+330～0+530段，坝顶凹凸不平，变形严重，最低处与最高处相差约0.4 m。另外，在迎水坡桩号0+280～0+335和桩号0+375～0+520段，距防浪墙约12 m范围出现一塌陷坑，坑长约 190 m，宽约 12 m，深 0.10～0.40 m，最深处约0.5 m；背水坡桩号0+280～0+410段一、二马道附近也出现塌陷现象，局部观测管外露。

表3 坝体土分散性试验成果统计表

表4 坝体土与均质土坝用料质量要求对比表

2）坝面变形原因分析

综上分析可知，由于坝体土土质不均，局部存在软弱部位，土体结构松散，干密度低且具高压缩性，旱季易出现干裂，进而形成一些微小裂缝。雨季或库水位较高时，雨水或库水易渗入坝体中并在裂缝发育处汇集，使该处坝体土的含水率增高甚至饱和。当软弱部位的坝体土长期处于饱和状态时，水溶盐含量偏高、属于弱膨胀性土或分散性为过渡性的坝体土，其土颗粒将发生位移，土体结构逐步被破坏，导致该部位坝体土的抗压和抗剪强度降低。大坝经长期运行后，结构已经破坏的软弱部位在自身重力，坝顶重车碾压及振动等作用下，局部坝体土将蠕动变形，甚至产生塌陷，进而表现为坝顶凹凸不平，坝坡局部出现塌陷坑，马道附近部分观测管外露等。

5 结语

上世纪五六十年代，山西省兴建了多座均质土坝，且多数工程选址于第四系中更新统洪积区（），周边低液限黏土自然成为土坝的料源。受当时专业技术水平的限制，筑坝时只注重坝体碾压质量，而忽略了料源化学及矿物成份的分析。而该类低液限黏土往往黏粒含量、塑性指数、水溶盐含量偏高，甚至属于膨胀性土或分散性土，这些质量指标隐蔽性更强，对坝体的危害性也更大，应引起对该类工程的重视。