曲亭水库应急除险加固设计方案比选

张世泉

（山西水利水电勘测设计研究院有限公司 山西太原030024）

1 水库水毁情况

曲亭水库位于洪洞县城东南的曲亭镇吉恒村南，系一座以灌溉、防洪为主，兼顾养殖等综合利用的中型水库，水库总库容3 440万m3，控制流域面积127.5 km2。2013年2月15日发现左岸灌溉洞出水量大，满洞出流，随着水流对下游的冲刷，坝体从灌溉洞出口处开始向上游逐渐坍塌，灌溉洞下游段洞身随坝体坍塌，2月16日坝体从下游方向坍塌越过坝顶，坝体缺口上下游贯通，坝身开始过水，灌溉洞进水塔垮塌，水库基本泄空，至此水库坍塌形成了坝体上游大滑坡和坝体左岸灌溉洞处大缺口景象。

2 设计方案比选

本工程建设内容中的技术问题主要集中于水毁段和滑坡段两大部分，在进行方案比较时需要统筹考虑。水毁段的主要技术问题为坝基开挖与地基处理问题，而滑坡段围绕滑坡体的处理有如下方案：坝轴线不动，上游开挖滑坡体、上游坝体填筑；坝轴线的位置移动，上游削坡、下游加坝等方案。故滑坡段方案确定直接影响水毁段处理方案。为此先对滑坡段进行方案比较，在确定推荐方案后，再对水毁段的地基处理方案进行比较。本文中以大坝下游基面（同褥垫底高程）高程为0.00 m，其余均为相对高程。

2.1 滑坡段方案比较

本次水毁事故，两天内水库水位从高程42.8 m骤降至高程26.0 m，导致坝体上游出现滑坡，根据本次JT2、JT3、JT11、JT12静力触探资料，滑坡体范围长220m，滑坡后壁至滑舌前沿宽度115～165 m，滑床后缘顶高程36.5～39.5 m，滑坡体前缘高程25.51～26.27 m，滑裂面底高程24.0 m，滑坡体厚度从左岸至右岸12～7 m。

由于水库水位骤降引起的滑坡，其处理基本原则为减小下滑力，增加抗滑力。上游坝坡滑坡体的处理方案设计，首先对原坝体的稳定性尤其是上游坝坡的稳定性进行了复核，然后围绕是否挖除滑坡体，以及如何处理滑坡体这个问题，本次共提出两个方案进行平行比较，以下分别予以论述。

方案一 滑坡体全挖除、仅上游修复方案。

方案一设计将上游滑坡体全部挖除，然后沿滑裂面向下清基0.5 m，沿滑裂面后壁底部（约高程24.0 m）向下游以1∶1.5开挖背坡，并将旧坝体顶部挖除。然后，碾压回填坝体恢复设计上游边坡：坝顶高程48.2 m至38.2 m设计边坡1∶2.5；高程38.2 m至高程26.0 m设计边坡1∶3.2，变坡点均不设马道。在高程26.0 m与淤泥下之水中倒土旧坝体衔接，下游坝坡维持现状。标准设计剖面见图1。

图1 方案一：大坝标准横断面图

方案二 滑坡体碾压整平、上游削坡、下游填筑方案

方案二按照“上削下压、放缓坡度”的设计思路，沿滑坡体后壁高程31.0 m向下游以1∶5.0放坡至高程38.2 m，然后变坡1∶3.0至坝顶高程48.2 m，并将旧坝体顶部挖除。同时，坝轴线向下游偏移50 m，在旧坝体下游坡面戴帽加高至48.2 m坝顶高程，坝顶宽度9.5 m。上游滑坡体经碾压整平为31.0 m高程，约40 m宽的压重平台，同时将部分弃渣堆载在坝前淤泥上，碾压挤出部分库区淤泥，维持高程31.0 m平台前沿的稳定；下游坝坡现状平均设计边坡1∶3.27，本次设计去掉17m的宽马道，下游坝坡从上而下依序调整为1∶2.75、1∶3.0、1∶3.25和1∶3.5，分别在高程38.20 m、28.20 m和18.20 m处设置2 m宽的马道，最终下游平均设计边坡1∶3.29。标准设计剖面见图2。

首先针对滑坡体段，对两个方案做平行设计与比较，比较结果列于表1。

图2 方案二：大坝标准横断面图

经过上述比较，很显然，方案一设计思路清晰，施工作业面小，仅对上游坝体进行挖除与填筑，下游坝体及坝坡维持现状，因而投资较低。将滑坡体挖除后，彻底消除了边坡稳定安全隐患，不失为最佳方案。但是目前，从坝顶上游开挖滑坡体时，发现由于毛细现象坝顶46.2 m高程以下坝体土仍然呈高含水状态，开挖边坡速度非常缓慢，滑裂面后壁顶部以下坝体土呈软黏土状态，新填筑坝体难以碾压。因此，方案一最大的缺点在于，坝体需要长时间的固结排水，难以尽快组织大规模施工，满足不了水库应急加固的要求。

方案二坝轴线后移50 m，首先对原坝体上游及坝顶实施开挖后形成永久稳定上游坝坡，无需在上游坝体坡面进行填筑，同时为减少开挖量同时对滑坡体碾压整平后，做为压重留在上游坝体坡面底部。所以，由于滑坡体没有挖除，因而减少弃渣量约5万m3。由于轴线后移需要与现状坝肩相衔接，故左坝肩增加3万m3坝体填筑，后坝坡培厚工程量也比方案一大，因而总投资相对较大。但其优点在于，清除了坝体软黏土，适合坝体快速碾压填筑施工，施工工期较短。

综合以上分析，本次以方案二做为滑坡段处理的推荐方案，并按方案二进行坝体与边坡设计，同时水毁段坝体断面设计及岸坡、坝坡削坡坡度也与此方案相适应。

表1 滑坡段主要工程量与投资比较表

以下在方案二的坝轴线和坝坡设计基础上，对水毁段的设计进行方案比较。

2.2 水毁段

水毁段地质条件较为复杂，缺口内遍布左岸岸坡、右侧坝体的垮塌体，以及从库区涌入的淤泥。此外，原左岸进水塔塔身（6 m×4.3 m）及基座（15 m×12 m）至今在下游范围内没有找到，极有可能进水塔塔身与基座深埋其中，由于事故发生至今的几个月时间内，缺口内仍有基流汇入，给勘探工作带来困难，人员和设备难以进场，尤其是进口陡坎下至坝轴线间的区域无法进行勘探，施工中垮塌体挖除难度很大。根据《碾压式土石坝设计规范》6.4.4款第三条的规定，“软黏土坝基的处理措施，宜挖除；当厚度较大、分布较广难以挖除时，可用打砂井、插塑料排水带、加荷预压、真空预压、振冲置换，以及调整施工速率等措施处理”。“在软黏土坝基上筑坝应加强现场孔隙水压力和变形监测。”如果不处理或处理不当，将引发坝体发生复合型沉降，从而引起坝体产生裂缝，为此，需要提出一个合理的解决方案。

水毁段在1966年加坝以前原为溢洪道，坝基位于曲亭河左岸一级台地的原状土上，1966年以后多次加坝将其改建为左岸灌溉洞，为坝下埋涵，而在左岸边开挖岸边溢洪道。本次水毁事故，大流量的水流将灌溉洞下原状土冲走并下切，在水毁段缺口右侧坝轴线附近揭露一层卵石混合土透镜体。地表出露厚度0～1.4 m，其长度约21 m，卵砾石磨圆度良好，呈圆状-次圆状，最大粒径可见35 cm，一般为5～8 cm，卵砾石成分主要为砂岩、灰岩。

在水毁段出口开挖至2.0 m高程时，不见下覆卵石混合土层，说明该层主要存在于原主河床范围，至左坝肩水毁段处逐步歼灭。

根据本院静力触探结果，JT25、JT26、JT27分别测得水毁段垮塌体厚度为8.7 m、8.0 m、3.9 m，其中JT25位于原坝轴线附近。据此推断，原坝轴线上游垮塌体厚度达10 m以上，且坎下局部存在更深的冲坑。

根据现场开挖情况，垮塌体为饱和软黏土，下游出口处基坑开挖时有水涌入，2.0 m高程以上土体呈流塑状态，垮塌体与下覆Q2原状土层界限不明。参考JT 27资料，确定方案二坝轴线以下（坝基面积9 000 m2）建基面高程为0.00 m（同褥垫排水底高程），基坑垮塌体开挖深度平均约4～5 m。

由于方案二坝轴线以上（坝基面积12 000 m2）垮塌体厚度很大，且分布不均匀，所以围绕坝轴线以上垮塌体是否挖除，本次设计提出如下两个比较方案：

方案A：垮塌体与冲坑全部挖除

坝轴线上游建基面高程3.0 m，下游建基面（同褥垫排水底高程）高程0.00 m，上下游采用1∶5边坡连接，挖除全部垮塌体和局部冲坑内淤泥，将坝基全部置于Q2原状土之上。

方案B：软基建坝

坝轴线上游垮塌体建基面高程14.0 m，与下游建基面高程0.00 m（同褥垫排水底高程），上、下游以1∶5坡衔接过渡。首先填筑0.00 m建基面的下游坝体至14.0 m高程，然后采用坝体土对12 000 m2范围内的垮塌体表层进行挤淤处理，周边进占挤淤，处理深度4 m。在垮塌体范围内利用砂井排水固结，设计井径0.5 m，井距3 m，矩形布置，平均井深13 m（此深度为预计值，最终将结合现场施工确定），坎下局部加深，软基砂体置换率初步确定为30%，井顶端用井字形砂沟连通，厚度40 cm，以利排除淤泥孔隙水，在上游坝脚以外设集水坑，集中抽排至围堰以外。为防止砂井与坝轴线下游坝基褥垫排水形成一个永久渗漏通道，最下游一排砂井距离褥垫排水间坝体厚度应满足渗透比降要求，不小于水头的1/4。

为了下游侧坝体边坡稳定，在坝下游高程18.2 m处设置平台至左岸坡原状土。

方案A、方案B的主要工程量及直接投资比较见表2。

表2 水毁段主要工程量与投资比较表

方案A虽然施工难度大，但安全可靠。

方案B国内虽有成功案例，但本工程的地基条件更为复杂，软基由坝体岸坡坍塌体、淤泥等构成，且厚度不均。水毁段坝体上游置于软基、下游置于原状土，由于沉降坝体可能产生裂缝。同时需增加包括位移、沉降、孔隙水压力等施工期监测及永久监测，并严格控制施工速度，保证大坝安全。经综合分析比较，本次推荐方案A。

3 结语

曲亭水库的溃坝事例目前在国内外尚属首次，所以对其应急除险加固方案也谨慎对待，依据钻探地质资料，对于坍塌体、淤泥等软基情况，从施工、安全稳定，投资等方便详细比较，推荐坝轴线后移，滑坡体碾压整平、上游削坡、下游填筑加固方案。