福建省某水库坝坡塌陷分析及对策

吴建文

(福建省永川水利水电勘测设计院有限公司，福建 福州 350001)

1 坝坡塌陷情况介绍

某水库坝址以上控制流域面积0.9km2，河道长度1.68km，河道平均比降185‰。是一座以灌溉为主的小(2)型水库。

大坝为黏土斜墙堆石坝，最大坝高20m，坝顶长144m，坝顶宽4m，坝顶为混凝土路面，坝顶高程418.4m(黄海，下同)。迎水坡高程416.9m至坝顶之间坝坡坡比为1∶1.8，高程416.9m处有一条马道，宽1.1m；高程408.7～416.9m之间坡度为1∶2.183～1∶2.353；高程408.7m处有一条宽为1m的马道；408.7m高程以下坡比为1∶2.3，高程408.7m以上为六边形C20砼预制块护坡，以下为干砌块石护坡。背水坡在411.0m至坝顶高程之间坡比为1∶1，高程411.0m处设1.5m宽马道，高程411.0～404.0m坡比为1∶1，404.0m高程以下设置排水棱体，棱体平台宽1.5m，坡比为1∶1。大坝最大断面如图1所示。

图1 大坝最大断面(单位：m)

2016年5月9日，水库处于高水位运行，上游坝坡水面出现漩涡，相关主管部门连夜启动应急响应，对大坝情况进行现场监控，发现上游左岸坝坡漩涡逐渐扩大，在降低水库水位后，发现在坝轴线桩号0+104.00上游坝面出现一个塌陷坑，面积约10.4m2，坑顶部位于迎水坡第一级马道下方约50cm，洞内呈漏斗状，原坝面护坡、土工膜破损后塌陷至洞内，洞底部可见下游的堆石体。坝坡塌陷处断面如图2所示。

图2 坝坡塌陷处断面(单位：m)

2 塌陷原因及分析

经调查，由于水库建设年代久远，受当时施工工艺及经济条件影响，水库建设周期长，当坝体填筑至距现状坝顶高约4.3m时施工中断，下部已建部分坝体反滤层施工按原设计施工，反滤层厚度为0.4m，其中碎石厚度为0.2m，砂厚度为0.2m。后期大坝恢复施工，坝体继续填筑至设计高程，但由于运砂困难，现场施工人员对反滤层质量要求意识不强，反滤层施工未完全按设计要求进行，造成该部分反滤层厚度只有约20cm，且无砂垫层。

同时，塌陷坑位置在历史上也曾出现过塌陷，险情出现后当地村民进行应急回填处理，但回填处理不规范，回填前未设置反滤层，回填后也未按规范进行夯实。随后多年水库一直处于低水位运行，因此未出现异常。此次由于连续降雨，水位快速上涨，在高水位情况下坝坡出现塌陷。

为验证以上调查内容是否准确，2016年9月15—18日，在坝轴线桩号0+076.2m位置布置一处探槽，尺寸0.8m×2.5m×2.0m(长×宽×深)，探槽开挖至下游堆石体，发现该位置存在反滤层，反滤层结构以碎石为主，厚度约为20cm，不满足反滤设置要求。后继续对探槽沿坝坡向下进行扩挖，当开挖至距坝顶4.3m处时，反滤层结构中出现砂垫层，砂垫层厚度为13cm，碎石垫层厚度为20cm。

综上所述，判断坝体破坏原因是原始施工反滤层未按规范施工，后期破坏后未能按规范进行修复。因此，坝坡修复主要应解决坝顶以下4.3m范围内的反滤层失效，无法满足规范要求的问题。

3 加固对策

3.1 主要方案

设计初定方案为挖除大坝上游坝坡，即高程413.0m以上为不满足规范要求的坝体及反滤层，并对该部分反滤层及坝体进行重建，坝坡铺设C20砼预制块。

3.2 坝体填筑料场选择

坝体开挖后采用黏土碾压夯实，回填土料就近开挖。料场位于大坝下游300m处的山涧位置，沿公路边大量黏性土料出露。土料场取样1组，粒径小于0.005mm含量39.8%，塑性指数Ip=18.9，液限Wl=55.5%，最大干密度ρdmax=1.48g/cm3，最优含水量28.1%，详见表1—2。根据SL251—2015《水利水电工程天然建筑材料勘察规程》表5.3.2-1，本料场基本满足一般防渗料质量技术指标要求(见表3)，但塑性指数稍微偏高，因为是雨天取样，所以含水量偏高。

表1 土料场颗粒分析试验成果

表2 土料场黏土简分析成果及建议值

表3 防渗料质量技术指标

4 反滤层设计

反滤层设计包括被保护土、坝壳料和料场砂砾料的颗粒级配，根据反滤层在坝的不同部位确定反滤层的类型，计算反滤层的级配、层数和厚度。

反滤层设计参照SL251—2001《碾压土石坝设计规范》，被保护土参数采用料场土料土工试验数据，反滤层选用级配砂、碎石。

4.1 第一层反滤设计

当被保护土为黏土时，其第一层反滤料的级配应按下列方法计算。

4.1.1滤土要求

根据SL251—2001 B.0.5:小于0.075颗粒含量百分比大于85%，其反滤层D15按下式计算：

D15≤9d85

(1)

式中，D15—反滤料的粒径，小于该粒径的土重占总土重的15%；d85—被保护土的粒径，小于该粒径的土重占总土重的85%。

根据土工试验，被保护土不含大于5mm颗粒，小于0.075颗粒含量百分比87.2%大于85%。

同时，根据试验参数，被保护土d85：

d85=0.075-(0.075-0.005)/(87.2-47.4)×(87.2-85)=0.071mm。

综上，反滤层D15≤9d85=9×0.071=0.64mm。

4.1.2排水要求

根据SL251—2001 B.0.5:当4d15<0.1mm时，则D15不小于0.1mm。

根据表1，被保护土d15<0.005mm，4d15<0.1mm，则D15>0.1mm。

4.1.3反滤料防止分离要求

根据SL251—2001 B.0.6：反滤料D90(下包线)和D10(上包线)的粒径关系宜符合表4。

表4 防止分离的D90(下包线)和D10(上包线)粒径关系 单位：mm

根据以上设计内容，D15为0.1～0.64mm，本次设计D15选择0.35mm，则D10<0.5mm，D90=20mm。

4.1.4反滤料特征粒径选择

综上，第一层反滤料D15为0.1～0.64mm，D15选择0.35mm，D85选择18mm，D90=20mm。第一层反滤料选用直径0.25～25mm的级配粗砂，反滤层水平厚度不小于0.3m，满足规范要求。

4.2 第二层反滤设计

4.2.1特征粒径计算

将第一层反滤作为被保护土，则被保护土为无黏性土，根据以上计算结果，被保护土d15=0.35mm，d85=18mm，直径0.25～20mm级配粗砂，CU≤5～8。

根据SL251—2001 B.0.4:

D15/d85≤4～5

(2)

D15/d15≥5

(3)

式中，D15—反滤料的粒径，小于该粒径的土重占总土重的15%；d85—被保护土的粒径，小于该粒径的土重占总土重的85%；d15—被保护土的粒径，小于该粒径的土重占总土重的15%。

D15≤(4～5)d85=(72～90)mm

D15≥5d15=1.75mm

4.2.2反滤料防止分离要求

根据SL251—2001 B.0.6：反滤料D90(下包线)和D10(上包线)的粒径关系宜符合表4。

根据以上设计内容，D15为1.75～90mm，本次D15选择4.0mm，则D10为2.0～5.0mm，D90=40mm。

4.2.3反滤料特征粒径选择

综上，第二层反滤料D15为1.75～90mm，D15选择4mm，D85选择30mm，D90=40mm，第二层反滤料选用直径2～45mm砾砂及碎石级配混合料，反滤层水平厚度不小于0.3m，满足规范要求。

5 后期工程运行情况分析

根据工程运行管理情况，自蓄水验收运行至今，水位涨至塌陷处，护坡表面无裂缝、破落、滑动、隆起、塌坑、冲刷，近坝水面无冒泡、变浑或漩涡等异常情况，经除险加固后，坝坡运行正常，加固措施基本达到预期效果。

6 结论及建议

反滤层设计合理性直接关乎大坝安全，反滤层特征粒径的设计应根据被保护土料的类型(区别是黏性土还是无黏性土)、颗粒组成等选择相应计算方法。本文填筑土料为黏土料，第一层反滤料按被保护土料为黏性土料设计；第二层反滤层设计将第一层反滤料作为被保护土，则第二层反滤料按被保护土料为无黏性土设计。

本文坝体填筑土料小于0.075mm的颗粒含量百分比大于85%，且不含大于5.0mm颗粒，计算土料颗粒特征粒径公式较为单一，参考本文设计时应根据不同土料选用相应特征粒径及计算式进行分析计算。

特征粒径在满足以上计算粒径要求外，还宜满足反滤料不出现分离要求。