猫儿岩溶洼水库评价

黎 强 张贵金 曾柳絮

（长沙理工大学水利工程学院水沙科学与水灾害防治湖南省重点实验室 长沙市 410076）

喀斯特地区水资源丰富，但利用起来难度大，这些地区又极易干旱缺水[1～2]。中国喀斯特地貌分布广泛、类型多，世界罕见。据不完全统计，总面积达200万km2，其中裸露的碳酸盐类岩石面积约130万km2，约占全国总面积的1/7；埋藏的碳酸盐岩石面积约70万km2。西南地区岩溶总面积42.624万km2，有史书记载大大小小的干旱数不胜数。2010年3月百年一遇的西南旱灾，致使喀斯特地区水患问题严重影响到国计民生，甚至社会稳定。

喀斯特地区地表缺水的最大问题是集水困难，各类水利工程的重点是防渗堵漏。本文基于典型溶洼水库——湖南永州猫儿岩水库工程修建历程的分析研究和现状综合评估，总结修筑溶洼水库的经验和教训，为相似工程提供参考与借鉴。

1 猫儿岩水库安全评价

1.1 工程概况

猫儿岩水库位于湖南省永州市的西南侧，与广西壮族自治区全州县毗邻，在湘江一级支流——石期河的上游。坝址在永州市芝山区大庆坪乡排家洞村，东经111° 15′，北纬25°53′。水库所处的大庆坪是以石灰岩为主的喀斯特地区，也是湖南省、广西区交界区域闻名的干旱死角，而辖区内地下水资源又十分丰富，主要由猫儿岩水库、幸福坝、潮水江、清水头等水系构成地下水布局。

猫儿岩水库建于天然溶井的岩壁上，溶井呈圆形，直径（200～250）m，底板高程420.0m，溶井四周多为陡壁，山岭高程642.0m，北东有一垭口，高程520.0m。地下河从垭口旁边进口，溶洞宽（20～25）m，高（30～35）m，中部偏左侧有一石柱（俗称牛鼻坎），石柱厚20m，长40m。

通过封堵地下暗河成库，水库上下暗河段连续长度3 km，上游明河段9km，是地下库容与地表库容连成一体的水库工程。枢纽工程由主坝、副坝、灌溉发电隧洞、防空底孔和溢洪隧洞组成。猫儿岩水库主坝设计为浆砌石拱坝，修建于猫儿岩天然溶洞进口处，呈不标准圆筒状，坝体底部厚7.0m，顶部厚5.0m，下游坝面宽度20.2m。坝高38m，坝顶高程458.0m，坝顶与上部岩石相接，实际上不属于水工结构意义上的拱坝。

1.2 修建历史

1966年开始筑坝引水，经断续多年的实践摸索，1976～1978年在暗河进口处修建浆砌石拱坝，因未对坝址地质进行勘察，部分坝体砌筑在胶结不好的塌落体上。1979年4月28日关闸蓄水，当水位上升到高程460.0m时，坝基漏水严重，水库放空后几次处理都不成功。1983年进行了详细深入的勘探，在坝前进行了钻孔灌浆堵漏处理。1985年5月再次蓄水，坝前水深达40m，水位保持近4个月，因水泥浆凝固不好，9月中自坝基岩溶洞隙被压穿。1985～1990年，经专家会诊和多次论证后，最终在坝下20m处找到了深层漏水溶槽，第二期采取用浆砌石和混凝土封堵深层漏水溶槽及帷幕灌浆等一系工程措施，1990年蓄水成功（蓄水深度达到82.0m，蓄水位492.0m，库容2340万m3），但未对坝体加固。

目前猫儿岩水库灌区在湖南境内可惠及永州市4个乡和38个村，在永州的总灌溉面积为2413.6hm2，加上地下水库通过地下溶洼连通的广西境内的灌溉面积可达4143.3 hm2。现水库正常蓄水位500.0m，相应的库容约3253万m3，校核水位为505.033m，相应的库容约3934.3万m3。

1.3 安全评价

从1990年蓄水成功到现在，经过多年蓄水运行，最大蓄水位仅496.0m，从未达到正常蓄水位（500.0m），加之坝体一直未进行加固处理，坝体及库区存在严重的渗漏隐患，极大地影响到其灌溉效益发挥，严重制约湖南、广西交界广大地区的农业生产和居民生活，十分必要对水库现状结合评价再做系统加固处理。

（1）坝体稳定计算。

考虑猫儿岩拱坝的特殊性，由于暗坝坝顶实际与上覆岩体连接，形成四周固结，这与传统意义上的拱坝不同。为便于使用拱冠梁法计算，并与有限元方法计算结果进行比较，在构建有限元计算模型时分两种进行：模型1（图1）为不考虑坝顶上覆岩体模型；模型2（图2）为考虑坝顶围岩体，将坝顶岩体与坝体作为整体建模。对模型1与拱冠梁法选择两种工况为：工况1-1（已达蓄水位），工况1-2（设计洪水位）；对模型2选择三种有代表性的控制性工况考虑，为:工况2-1（已达蓄水位），工况2-2（设计洪水位），工况2-3（校核洪水位）。在计算中，物理参数取值见表1。

图1 猫儿岩拱坝计算模型1网格图

图2 猫儿岩拱坝计算模型2网格图

表1 坝体、坝基物理参数表

由于该工程设计地震烈度不大于6度，根据规范[3]不考虑地震荷载，且坝体常年处于死水位之下不考虑温度荷载。全部工况计各种水位+自重。水库已达最高蓄水位496.0m，设计洪水位503.346m，校核洪水位505.03m。

图3～图7是有限元法的数值计算模型1和拱冠梁法计算得出的在工况1-1和工况1-2的各项拱冠梁位移、应力值和左拱端上下游应力值的比较结果。

图3 拱冠梁法和有限元法拱冠梁位移比较图

图4 拱冠梁法和有限元法拱冠梁上游应力比较图

图5 拱冠梁法和有限元法拱冠梁下游应力比较图

图6 拱冠梁法和有限元法左拱端上游应力比较图

图7 拱冠梁法和有限元法左拱端下游应力比较图

在应力计算中，虽然有限元法计算所得应力突变较大，拱顶和拱底与岩石的交界面处应力集中，但从图3～图7可得出拱冠梁法和有限元法计算结果应力分布规律基本一致，所以对该复杂工程中的结构模型进行有限元法分析是合理的。

表2、表3是模型二在工况2-1至工况2-3的应力位移计算值。

表2～3结果表明：有限元计算的应力值及分布规律符合一般拱坝的应力分布特点[4]，但上游面最大拉应力和下游面最大压应力出现在坝体和岩体的界面上，这是由于计算模型的几何形状突变产生的应力集中现象，不宜作为检验坝体是否满足设计应力控制要求的依据。规范[5]规定用有限元法计算时，应补充“有限元等效应力”，对于基本荷载组合，“有限元等效应力”求得的坝体主拉应力不得大于1.5MPa。根据规范对有限元等效应力的定义，用有限元计算出应力后，沿径向积分，求出内力，然后用材料力学方法求出有限元等效应力，目的是消除应力集中现象[6]。经计算，最大等效应力主拉应力小于1.5MPa，3种工况的上游最大拉压力均稍大于规范允许的1.5MPa内，需要加固。表4给出了模型2在各工况下左、右岸拱座有限元法的内力计算成果根据坝体传到拱座分界面的内力，自重荷载，计算得到拱座抗滑稳定安全系数。

表2 有限元法拱冠梁处顺河向位移和拱冠梁应力表

表3 有限元法拱端应力表MPa

计算得到的拱座各分层抗滑稳定安全系数表反映出，右拱端拱座抗滑稳定安全系数均大于规范值，满足规范要求。左拱端牛鼻坎拱座抗滑稳定安全系数K值均小于规范值，不满足规范要求。建议对牛鼻坎进行除险加固，必要时对局部破损处、裂隙发育、岩体破碎部位进行加固。

表4 拱座抗滑稳定安全系数k

（2）渗漏分析。

猫儿岩水库虽地处灰岩地区，但库区地质条件得天独厚，整个地下水沿北东向管道汇集于猫儿岩坝区，具有良好的溶洼成库的地质条件。坝基及坝肩岩体为厚层灰岩，坚硬完整，稳定性较好，防渗效果较好。

坝体下部的河床及溶槽为冲积物充填物，是渗流的主要部位，基础防渗也是本工程能否蓄住水和发挥效益的关键所在。大坝建成后，坝基漏水严重，一度成为干库。坝底岩基曾于1979年4月被水击穿，后经详细深入地勘探，在坝前进行了钻孔灌浆封堵处理。由于水泥浆凝固不好，1985年9月中旬坝底岩基再次被击穿。后经查明主要渗漏通道为沿F2、F5断层形成的隙状溶洞产生。经洞挖混凝土堵塞，预埋管灌浆处理，蓄水成功。从猫儿岩水库多年加固处理过程来看，主要是针对该基础进行防渗处理。通过对深层漏水溶槽进行开挖至弱风化层，并采取混凝土封堵处理，防止坝底岩基再次被压穿。

但建坝时清基不彻底，局部存在松散岩体，开挖至弱风化层，采取混凝土封堵处理只针对主要的溶槽进行。由于未进行系统的防渗处理，可能存在深部断层带，因此，仍存在坝基渗漏隐患。

大坝下游白岩口暗河仍有相当的水流，目前不清楚水流的具体来源，不排除坝区仍存在较大的渗水通道。且放空底孔闸门止水橡皮已部分破坏，并有漏水现象。当库水位超过496.0m时，漏水严重。在坝的下游约400m，暗河出口的北岩口暗河平时流量约0.6m3/s，洪水期流量约0.6m3/s，这些水一部分来自放空底孔闸门处的漏水，另外可能来自库区及基础的渗水。需采用帷幕灌浆进行系统地防渗处理，根据钻探及压水试验分析，帷幕须深入到下部泥灰岩夹层，至380.0m高程为宜。

沿右侧F5断层仍存在渗漏通道。据管理所长期观察，在近暗河出口内（8～10）m处，沿F5断层发育一分支裂隙状溶洞，库水沿此经主坝右侧坝肩渗漏至坝下游。

据测绘调查，坝前西侧垭口沿F6断层有岩溶通道。当库水位上升至490.0m高程时，垭口斜坡多处塌洞，呈东西条带分布。西侧洼地490.0m高程洼地多处冒水，涌水量达200L/s，且随库水位升高而增大。这是岸部向邻谷渗漏的主要隐患，致使水库始终未达到正常水位的主要地质因素之一。F6断层破碎带处需设防渗帷幕，其深度应置入480.0m高程以下。

2 结 语

尽管在喀斯特地区建设溶洼水库经验的成分较多，难以总结出系统的理论，但要很好地解决这些地区的水问题，充分利用地下水资源，建设溶洼水库是一条重要途径。需要不断总结经验，加大投入力度，充分利用先进科学技术，采用新材料新工艺，准确有效实施防渗堵漏，以保证溶洼成库，实现长期稳定运行效益。以下几方面值得注意：

（1）库区选择。

地质构造上最好呈一个小区水文网系发展扩大的单向纵谷，中间应没有复杂、明显的归并与复合，形成的水文系统应基本上是单一的管道形式，即下游只有一个主排泄口（该市的清水头水库属此类型）；或者库区虽有两个或多个水文网系，汇流成一个主排泄道。猫儿岩暗河分支甚多，主河道呈“y”形，应属此类。基底应为隔水层组成。两岸应有较高的地下分水岭。按上述条件选择库址，既可保证库水不向邻谷漏走，又可在暗河咽喉部位进行堵截和防渗处理，费用较省且成功率高。

（2）库坝选址。

猫儿岩水库于1976～1978年在暗河进口处修建浆砌石拱坝，因未对坝址地质进行勘察，部分坝体砌筑在胶结不好的塌落体上，使得坝基漏水严重，经过多次处理才蓄水成功。所以选址是关键问题，经验得出选址一般选择地下河洞体岩体稳定、工程量小、洞径较小处的汇流管道处堵洞筑坝。能保证支承坝体承受最高水头压力的稳定性，易进行基础的处理，能有效地堵截漏水通道。

（3）地质勘探。

猫儿岩水库改建工作为1971～1985年，其主要原因是没有做好地质勘探工作，盲目施工所致。溶蚀洼地伴随着岩溶管道系统的形成，有些地下管道存在于溶蚀洼地底部[7～8]，所以地质勘探困难大，要准确摸清地下溶蚀情况，需要综合利用常规地质勘探方法、地球物理方法，甚至同位素示踪等，但成本巨大，也很难完全搞清准确的地质。所以查清地下管道的分布、发育情况还需要找到更为经济、准确的方法。

（4）防渗堵漏方法。

渗漏的防治问题是建库成功的关键。防渗工程设计施工难度大。岩溶地区的防渗堵漏，要选用经济耐久的防渗材料，不同溶蚀岩体的防渗施工技术要求非常高。应根据掌握的地质资料因地制宜，采取合适的防渗堵漏方法，如浅部渗漏，采取清基开挖处理较好，如深部渗漏，可作灌浆处理；其次，受岩溶水的长期溶蚀，库区可能形成新的渗漏通道，工程结构材料的溶蚀弱化也会造成渗漏，岩溶水环境下的耐久性问题突出，需要在新材料、新工艺、新技术方面的开发利用上继续探索，发展多种注浆工艺及注浆施工技术。

1 贺卫,李坡.喀斯特峡谷区工程性缺水原因及解决途径—以贵州省花江峡谷示范区为例[J].资源与环境,2010,26(2):129-133.

2 徐社辉,蒋忠诚,覃小群等.论我国西南岩溶区溶洼水库工程建设[J].2007,5(2):18-21.

3 DL5073-2000.水工建筑物抗震设计规范[S].

4 黎展眉.拱坝多拱梁法儿种非圆弧拱比较[J].贵州水力发电,1999, (2):25-29.

5 SL548-2006混凝土拱坝设计规范[S].

6 朱伯芳.论拱坝应力控制标准[C].2002.

7 周大连,唐树梓.猫儿岩暗河水库特征及漏水处理[J].水利水电建设,1992,4:30-34.

8 广西第一水文队.中国区域水文地质调查(靖西篇)[R].广西地质出版社,1973.