水库大坝左坝肩边坡变形破坏机制及整治对策探讨

刘典鹏

(莱州市水利工程建设养护中心，山东 莱州 261400)

0 引 言

莱州市某大型水库在20世纪90年代末期建成，截至目前已运行超出30年。地质单位工作人员对此水库监测发现，该水库在2010年初便已出现严重的左坝肩坡体变形，并且根据有关单位对水库大坝的持续监测反馈数据可知，该水库的左坝肩坡体变形在近几年呈现变形加剧的趋势[1]。为了解决坡体变形问题，提高水库大坝工程的运行稳定性，下文将根据左坝肩边坡变形基本特征，对其破坏机制与整治对策展开研究，以此为地区水库工程的稳定运行与持续化建设提供帮助。

1 水库大坝左坝肩边坡变形基本特征分析

为了进一步揭示该水库大坝在运行过程中发生的变形问题，此工程项目在建设初期便布设了较为完善的左坝肩监测系统，将其作为坡体结构形变监测体系的主要构成部分[2]。此次研究从早期布设的4个监测点入手，对应的4个监测点分别为J1、J2、J3、J4。其中，J1、J2位于水库大坝左坝肩的上部(大概位于边坡肩部位置)，2个监测点的高程位置一致，但分别位于大坝的上游与下游；J3、J4监测点比J1、J2监测点低10.0 m，分别位于边坡两个坝体结构上。监测点从完成布设后便开始执行监测行为，但早期一直未发现其存在变形，直到2010年4月份，技术人员在对监测点反馈信息的分析中发现，J3、J4监测点对应的两个边坡块体上发生了量级变形现象，对监测点反馈的信息进行整理，得出的结果见表1。从表1可以看出，从2017年5月份开始，多个监测点的变形量剧增，因此，采用现场勘察的方式，对观察到的现象进行分析，并将其变形基本特征总结为以下三个方面。

表1 J1、J2、J3、J4监测点监测结果分析

(1)从水库大坝的上游侧壁位置进行变形观察发现，侧壁的后缘裂缝已呈现一种明显张开状态，上部开口较大，随着裂缝的深入，下部开口较小，呈现拉张变形趋势，目前此种裂缝已经延伸到下部岩体与坝体的交接位置。

(2)J3、J4监测点所处的坝体位置存在纵向裂缝，并伴随不均匀张开现象，后续对此工程的养护也存在张裂与沉陷发育问题，表示该地区内的水库大坝存在相邻坝体结构不均衡对向运动的趋势[3]。

(3)在水库大坝的前边缘位置，砂体与岩石交接处已出现渗水现象。

2 水库大坝左坝肩边坡变形破坏机制

2.1 边坡变形演化机制

对水库大坝左坝肩坡体稳定性造成最直接影响的因素为降水量、爆破工程等，大部分水库大坝工程的边坡位置是由泥岩构成的，整体结构发生变形损坏时会经历三个过程，分别为“弯曲过程”“倾倒过程”“拉裂型特点”，对三个阶段演化过程描述如图1所示。

图1 边坡变形演化过程示意图

图1中，第一个图示仍处于变形破坏的拉裂初始化阶段，根据勘察人员对水库大坝的采样分析可知，此时左坝肩坡体结构的形态已初步发生变化，部分岩体已发生了折断，但尚未形成一个坡体滑动界面。随着外部侵蚀与干扰的加剧，坡体结构演化现象加剧，从而逐步形成上述图示中的第二阶段与第三阶段。

2.2 边坡变形破坏发展趋势

通过上述分析与技术人员对水库大坝工程的综合考察数据，对比左坝肩边坡变形破坏发展趋势进行分析。

基于岩体力学角度分析，可将发生变形与破坏的左坝肩边坡作为一软弱基座，大坝的上部结构为硬脆性二次元结构，下部是对应的脆弱结构，此结构在力学角度具有流动性强、承载能力弱、抗风化能力差等劣势，且对应的结构又处于整体水库大坝中受力最强的位置。因此，此类边坡发生变形大多是从软弱基层开始的，初步引起上部坡体结构变形，随着变形的逐步发展，最终整体结构将出现失稳的问题。针对此类问题，倘若没有及时发现或没有及时采取措施进行规避，边坡的变形将进一步加剧，从而导致破坏范围增加、破坏程度变大。

3 整治对策

3.1 水库大坝左坝肩防渗设计

为了避免水库大坝左坝肩边坡变形破坏问题的产生，在明确其变形破坏机制的基础上，提出相应的整治对策。首先从防渗角度分析，针对水库大坝左坝肩进行防渗设计。为了满足水库大坝运行过程中的防洪、防渗需要，首先设置一个混凝土材料的防浪墙结构，混凝体材料的强度选择C20等级[4]。在引入防浪墙结构后，将水库大坝原有溢洪道消力铲斗拆除，并选用M7.5的砌筑石材。在完成上述操作后，针对水库大坝左坝肩的防渗，采用帷幕灌浆的方式完成。针对出口位置上的八段进行帷幕灌浆处理[5]。灌浆的过程中，可采用单排钻孔布设方案，将相邻两个钻孔之间的距离设置为1.5。将所有钻孔按照3个连续的方式布设，并按照顺序进行凿毛处理，自下而上完成灌浆。根据水库大坝的不同规格，钻孔布置数量在15～20个不等。水库大坝左坝肩防渗结构示意图如图2所示。

图2 水库大坝左坝肩防渗结构示意图

按照图2中的内容完成对水库大坝左坝肩的防渗设计，并在此基础上利用专用造槽机械设备造槽孔，防止孔壁出现坍塌现象[6]。完成上述施工内容后，利用导管在注满泥浆材料的槽孔结构当中浇注混凝土材料，并以此完成对泥浆的置换，完成对墙体的浇筑。根据水库大坝的运行特点，墙体既可以是刚性的，也可以是塑性的。对于大部分水库大坝而言，应当采用柔性墙体结构，以达到防渗加固效果。在实际应用中，对于水库大坝左坝肩的防渗处理，还可以引入套孔冲抓回填防渗技术来实现，该技术应用下钻孔平面套接布置示意图如图3所示。

图3 钻孔平面套接布置示意图1-主孔结构；2-套孔结构；3-套接处；4-水库大坝轴线

按照图3中所示的内容，完成对钻孔平面套接的布置，通过一主一套相交的方式连接成一个井墙。若在实际施工过程中，采用单排布设的方式无法达到理想的防渗效果，则可以采用双排孔布置的方式。钻孔的排数可以根据水库大坝左坝肩所需的防渗墙有效厚度来决定。

3.2 下游边坡整治设计

在完成对水库大坝左坝肩本身的防渗设计后，为了进一步提高水库大坝整体运行质量和效果，还需要针对水库大坝下游边坡进行整治[7]。针对水库大坝原有下游边坡的洪水位设计、洪水位校对等存在的不符合规范的问题，采用厚层整形与护坡处理相结合的方式。在下游边坡上设置一个宽度为2.5 m的马道，并在马道的内侧或左右两侧设置横纵交错的排水沟。将马道上侧到水库大坝坝顶坡位置上的比例设置为1∶2.5，采用强度等级为C15的混凝土材料实现对格构和草坡的防护。除此之外，还可以通过排水导渗的方式实现对下游边坡的整治。这种整治方式的主要目的是对边坡以外的地表水进行拦截，并在边坡结构上设置一个环形的截水沟结构[8]。在对截水沟的深度以及质量等参数进行选择时，需要选择能够满足边坡以外的水不会再渗入滑坡内的参数。为了防止边坡范围以外的地下水渗入边坡内部，还可通过设置截水盲沟的方式，将水导到边坡以外。在对开挖坡度进行设置时，需要根据实际水库大坝左坝肩边坡的地质情况对边坡进行修正，以此保障边坡的稳定性。在整治的过程中，发现可能出现滑坡的地段也需要对其进行及时处理，以进一步降低损失。在日常维护时，针对下游边坡进行巡视检查，并针对水库大坝周围的排洪设施是否正常运行进行检查，若在渠道结构当中存在杂草淤积，则需要及时对其进行清理，并针对局部渗漏和破坏问题查明具体原因，根据原因找出解决方案并实施，以此实现对下游边坡的整治。

3.3 边坡岩体结构变形整治方案设计

综上所述，在实现对水库大坝左坝肩防渗设计和下游边坡整治设计后，综合边坡岩体结构的变形情况对其整体整治方案进行设计。在设计前，首先要明确不同水库大坝高度的岩体透水率，见表2。

表2 水库大坝不同高度岩体透水率

在上述水库大坝不同高度岩体透水率标准基础上，对整治方案进行设计，整治方案内容主要包括以下几点：

(1)将水库大坝左坝肩上原有的土层滑坡体清除，并将所有存在风化倾倒变形严重的碎裂岩体去除，针对边坡重新按照1∶0.85的比例进行设置。在实际开挖的过程中，可以采用锚杆与锚索辅助的方式完成对边坡的支护处理。

(2)在水库大坝左坝肩边坡右侧12～15 m范围内设置1个抗滑桩，抗滑桩的规格为2.3 m×2.8 m(长×宽)。每2个抗滑桩之间的距离设置为5.5～6.5 m，桩长的设置则根据边坡风化界面以及其实际稳定性需要进行选择。同时，在进行抗滑桩设置时，还需要在抗滑桩上安装一个长度约为25 m的预应力锚索。

(3)为了避免河水对坡面造成冲刷掏空，需要确保坡面整体的稳定性，并在河道边缘位置上设置1个顶部宽度为1.5 m、高度为3.2 m的抗滑墙结构。

(4)在水库大坝左坝肩边坡最深部以及边坡的边缘结构以外的地表上，设置位移监测点，在水库大坝正常运行的过程中，针对边坡位移情况进行实时监测，一旦出现监测数据超出实现设置的阈值范围时，则立即采取上述相应的整治方案对其进行处理，防止变形破坏的程度进一步提高，以此确保水库大坝整体运行安全性和稳定性。

4 结束语

为了保证大坝水库在运行中的安全性与稳定性，保障水库大坝在地区内可以发挥其既定的使用效果，此次研究以某水库大坝为例，综合水库大坝在运行中左坝肩的变形基本特征，进行其破坏变形机制的研究，并以此为依据设计对应的水库大坝防渗方法，以此实现对水库大坝整体结构的优化。在后续的研究中，还将持续进行工程整治方案的细化设计，提高大坝工程的使用年限，为地区经济建设与发展提供更优质的环境。