土石坝坝坡稳定研究

任雁平

(山西省晋中市榆次区农业农村局，山西 晋中 030600)

土石坝一直是北方地区常用坝型，具有就地取材，施工简单，适合大规模建设的优点[1]，因此得到了广泛的应用。但在土石坝坝坡稳定方面一直是困扰广大水利工作者的一项难题。如何做好坝坡稳定，保障大坝安全运行，是当今水利工作者面临的重要课题。本文以郭庄水库为例对土石坝坡失稳情况进行分析，提出加固措施。

1 水库概况

郭庄水库位于山西省晋中市昔阳县城南6 km的郭庄村附近松溪河上游[2]，流域面积173 km2。属海河流域子牙河水系，设计防洪标准为100年一遇洪水设计，设计总库容2165万m3。大坝为土、石混合坝，坝顶高程936.02 m，最大坝高31.44 m，坝顶长452 m。大坝上游坝坡为干砌石护坡，边坡自上而下依次为1∶2、1∶3.25、1∶4，在高程915.58、925.58 m处设有宽2 m的马道；大坝下游坝坡为草皮护坡，边坡自上而下依此为1∶2、1∶2.25、1∶2.5，在高程930.58 m、920.58 m处设有2 m宽马道，下游坡脚为贴坡式反滤排水棱体，棱体顶宽2 m，内侧边坡1∶0.5，外侧边坡1∶1；在坝轴线下游9.4 m处的坝基筑有粘土截水槽，槽高11 m，上部与坝体衔接，下部伸入基岩1 m，基本隔断透水层，高程904.58处槽宽10 m。截水槽下游侧、高程920.58 m以下为砂砾料坝体，1996年又在其外侧培厚了石渣。

由于1996年7月份以来由于连续降雨的出现，使郭庄水库大坝发生自建成以来最大的滑坡，滑坡总面积达4967.4 m2，其中，从坝顶到二马道基本全滑段长90 m，二马道以上部分滑坡段长101 m，全长191 m。1997年对该滑坡位置进行了培厚处理。2004年8月13日，在日降雨53.3 mm的情况下，1997年培厚的下游土坝坡分别在桩号349.6 m～343.4 m，高程925.6 m～923.75 m；桩号342.4 m～338.9 m，高程925.6 m～923.5 m；桩号277.5 m～272.2 m，高程925.7 m～923.85 m；桩号189.5 m～187.2 m，高程929.08 m～927.48 m四部位又发生了滑坡，滑坡合计总面积64.1 m2。

2 坝坡失稳分析

1996年下游坝坡滑坡后，坝体质量检查：沿坝轴线钻孔4个，机取原状土样32组；坝顶和下游坝坡探坑(坑深3.0 m)6个，取原状土样9组，并做了室内土工试验。从取土样的土工试验成果来看，坝体填筑土总体为稍密～中密，稍湿～湿土，粘粒含量18.1%～31.92%；含水率17.37%～26.65%；干密度1.44 g/cm3～1.76 g/cm3，平均干密度1.61 g/cm3。渗透系数剔除部分数据后，平均值为2.91×10-4m/d。三轴固结不排水剪：凝聚力平均值为51 kPa，小值平均值为44 kPa；内摩擦角平均值为22.66°，小值平均值为21°。

2004年针对1997年培厚坝体土的填筑质量，在大坝下游坡坝顶～一马道、一马道～二马道间的三个断面(桩号分别为0+122 m、0+222 m、0+322 m)，共布置6个探坑，探坑深2.0 m，取原状土样18组。经晋中市水利技术推广站土工试验：1997年新培厚坝体回填土总体为稍密～密实，稍湿～湿，属中高压缩性土。含水率17.97%～27.8%；干密度1.41 g/cm3～1.63 g/cm3，平均干密度1.52 g/cm3；渗透系数1.33×10-5m/d～2.41×10-4m/d，平均值为9.71×10-5m/d，大值平均值为1.69×10-4m/d；天然快剪凝聚力平均值为43.75 kPa，小值平均值为30.38 kPa；内摩擦角平均值为26.31°，小值平均值为22.66°。另外，勘查和探坑揭示，整个1997年培厚的下游坝坡土表层约0.2 m～0.5 m的土体较疏松，雨后人踩上去会陷脚，且手持细木棍可插入，结合该次土工试验，表层0.2 m～0.4 m 6组土样的干密度分别为1.12 g/cm3、1.15 g/cm3、1.30 g/cm3、1.49 g/cm3、1.43 g/cm3、1.60 g/cm3，应为培厚施工时削坡不彻底所致。

1993年右坝肩灌浆、1997年钻孔时发现，坝体中局部存在有“软泥”，记录描述为“软黄土”“缩孔”“局部软泥”。1997年下游坝坡培厚清坡时发现，坝体土在桩号0+286 m～0+330 m、高程921 m～924 m之间，有“湿土成泥”现象，经现场取样试验，含水率达31.6%～34.2%，干密度则仅为1.38 g/cm3～1.39 g/cm3。2004年在新培厚坝体土探坑中发现存在有相对不够密实的薄夹层，取得薄夹层土样2组，干密度分别仅为1.36 g/cm3和1.35 g/cm3。

另外，2007年在桩号0+225 m桩号0+315 m均在923.7 m时见水(当时库水位为正常蓄水位930 m)，水位明显高于附近坝体浸润线，分析在该水位之下分布有一定范围的渗透性相对较小的低液限粘土层，该水为其上层滞水。该位置的水位与1996年坝体发生滑坡后培厚时的设计清坡线相近，说明1997年下游坝坡培厚清坡时，坝体土在桩号0+286 m～0+330 m、高程921 m～924 m之间，有“湿土成泥”现象，分析认为1996年滑坡与其有关。

分析结果：下游坝坡滑坡的重要原因是坝体土填筑不均匀。坝体土整体属中等压缩性土，局部填土具湿陷性，部分坝体分布有“软泥”透镜体，从干密度、渗透系数、湿陷系数等多项指标分析，其差异性较大[3]。

3 坝坡失稳的加固防治

3.1 上、下游坝坡加固措施

①上游坝坡：核查干砌石护坡风化程度，及时更换风化严重的干砌石，增设反滤料垫层，针对风化严重的坡面重新规划设计、重点施工。②下游坝坡：下游坝坡的两次滑坡均发生在马道以上的草皮护坡部分，因此对下游坝坡的护坡形式进行了改造设计。坝顶至930.58 m高程处马道以上全坝面表层清除并重新回填，清除厚度取200 cm，并重新用土回填压实，压实干容重≥1.65t/m3，坝面采用M7.5浆砌石框格加石渣护坡，石渣厚30 cm；930.58 m高程处马道以下全部用隧洞开挖的经过筛分的石渣回填。其中高程930.58 m～920.58 m之间由内向外依次为50 cm厚反滤和石渣护坡。高程920.58 m以下全部采用石渣护坡。

3.2 重点地段采用高喷灌浆方式加固

对0+360～0+480段坝基采用高喷灌浆的防式进行。灌浆轴线与坝轴线重合，单排布孔，灌浆顶线伸入坝体1 m，灌浆底线与基岩面结合[4]。

3.3 近三年来的加固维护措施

2018年水库主要领导及相关技术人员现场对水库逐一排查，研究并确定了加固维护措施重点从以下三个方面开展。首先是水库视频监控系统升级改造；其次，建立大坝及副坝周边区域地面沉降观测系统：自旧排沙泄洪洞封堵土坝起，向北向东(大坝左侧)沿旧管理站对外公路，至滋洪道尾水渠区域(大坝右侧)沿线地面；最后是维护改造水库大坝渗压安全自动化监测系统。

2019年维护措施：一方面对水库现有不合格测压管进行补打;另一方面增加廊道渗流量测量系统，测量数据整合到现有大坝安全自动化测量系统。实现了监测廊道瞬时和累计的实时流量采集以及监测数据远程传输和保存功能。

今年主要加固维护工作是防汛抢险桥头坡体治理。防汛抢险桥头坡体滑坡，影响安全稳定，需进行护坡加固。由于护坡处位置较高，难度较大，需在高处施工操作。主要工程量：C20水泥块挡墙护坡80.5 m3，水泥砂浆勾缝70 m2，石方开挖172 m2，建筑污土运输172 m2。完成施工后保障了现水库的安全运行。

3.4 效果检查

水库从2009年除险加固至今，经过三年的高水位运行，目前未发现异常情况出现，但由于加固后的运行年限较短，对采取的措施还不能说明其效果，还需经过长时间的高水位运行的考验。

4 结语

在实际工程中，首先要加快水库除险加固进度，要抓好水库加固的前期工作，深入分析险情，确定行之有效的加固方案。其次，做好监控、监管工作，加大大坝安全监测设施和通讯建设的投入，因地制宜，全面管控，重点地段重点监控，总结并推广行之有效的加固技术。最后要继续总结除险加固的经验教训。总之，稳定坝坡，保证坝体工程安全必须从工程实际出发，及时分析坝体的稳定，从管理和技术方面尽全力降低坝体事故发生率，使之发挥更大的经济和社会效益。