浅谈丘北干龙潭水库除险加固工程大坝稳定分析及处理措施的选择

陶 炼

(云南省文山州丘北县大型灌区管理局 663200)

1 工程概况

干龙潭水库位于丘北县天星乡倮黑村脚，距县城30km，距天星乡3km，地理坐标为东经104°17'26″，北纬23°58'59″，属珠江流域西江水系。工程规模为小(1)型水库，水库径流面积13.26km2，总库容236.4万m3，兴利库容139.29万m3，调洪库容94.5万m3，死库容2.61万m3，水库大坝为均质土坝，最大坝高15.4m，水库灌溉面积6000 余亩，每年供给下游生活用水11万m3，水库防洪保护涉及天星乡政府驻地的天星村民委共1963 户9813 人，保护天星乡四级公路2km 及乡政府驻地的其他设施。水库始建于1957年，1978年扩建，直到1994年水库才达到正常蓄水位，当年即发现大坝存在渗漏，大坝下游坡大面积潮湿并有散浸现象，丘北县水务局对局部坝段进行帷幕灌浆后一直采取控制蓄水的办法防止大坝病险的恶化。2007年进行了安全鉴定，当年进入国家第二批重点小(1)型计划，2008年投资计划下达，2008年9月完成招标投标并进入除险加固工程施工。

2 工程存在的主要问题

经检查、分析和必要的复核计算，干龙潭水库工程区地质条件及水文地质条件符合建库要求。但水库大坝严重渗漏，坝体饱和，土料力学指标降低，危及大坝安全，致使大坝的抗滑稳定安全系数小于规范值，使整个工程存在较大的安全隐患，安全评价类别为三类坝。云南省水利厅根据专家组书面与现场核查意见认为:干龙潭水库工程质量差，存在大坝渗漏问题，坝坡抗滑稳定安全系数不满足规范要求，同意三类坝鉴定结论。

3 除险前大坝渗流及稳定状况

3.1 渗透变形分析及评价

根据安全评价时钻孔及坑探试压注水试验参数，按有限深透水地基、下游无水、无排水设施的均质土坝计算出的正常蓄水位时浸润线逸出点高程为1541.080m，而大坝现状下游坝坡浸湿部分均在此高程以下，大坝的浸润线计算符合坝体现状。

坝坡浸润线逸出点出逸坡降J=1/(1+m22)1/2=0.316。

坝坡浸润线逸出点临界渗透坡降及允许渗透坡降分别采用两种方法，具体计算如下:

a.坝坡浸润线逸出点临界渗透坡降的计算按能源部、水利部水利水电规划总院1989年出版的《碾压式土石坝设计手册》公式(下称手册公式)计算。

式中 rw——为水容重;

β——为下游坡角，18.430;

r1’——为土的浮容重，0.848;

C——为渗出段坝体填土的凝聚力，2.03t/m2;

φ——为坝土的内摩擦角，14.100。

由此将参数代入式中求得坝坡渗出段上土的临界渗透坡降为:Jc=0.136。

b.坝坡浸润线逸出点允许坡降的计算按《小型水利水电工程碾压式土石坝设计导则》(SL 189—96)“条文说明7.1 条”中的渗流计算公式(下称导则公式)计算。

式中 rs——为土粒密度，2.76t/m3;

rw——为水密度，1.0t/m3;

n——为土的孔隙率，1.094;

J——为渗透坡降;

KB——为流土安全系数，取1.5。

由此将参数代入式中求得坝坡渗出段上土的破坏渗透坡降为:J破坏=0.484，J允许=0.322。

以上计算中，手册公式计算成果比较符合本工程的实际，出逸点的实际渗透坡降已接近导则公式计算的允许渗透坡降，取Jc=0.136 作为本工程的评述依据。

大坝坝体为中等～强透水层，坝土k 值系数偏大，不能满足均质坝压实后的渗透系数不大于1.0×10－4cm/s的填筑要求，抗渗能力较差。坝基为中等～弱透水层，两坝肩第四系残积层亚黏土属中等～弱透水层，基岩灰岩属弱透水层，坝土与残积层接触带为中等透水层。现大坝渗漏严重，渗流逸出点较高，背水坡已大面积潮湿和散浸，说明大坝渗流现状不稳定。以上计算实际渗透坡降J 大于临界渗透坡降JC，接近允许渗透坡降J允许，渗透稳定性不满足要求，大坝渗流性态处于不安全状态，大坝存在渗透变形。

3.2 大坝稳定复核计算

3.2.1 土料物理力学指标及坝体浸润线

3.2.1.1 土料物理力学指标

试验成果安全评价阶段土料物理力学指标见下页表1 所示。

坝土:从表中坝土11 组原状土样来看，所取土样试验数据基本能反映土样的真实性，因此计算中，坝体部位土料的抗剪强度指标采用小值均值。

坝基:属第四系坝基土层，从表中3 组土样试验值看基本接近，故取算术平均法求出平均值，作为计算采用值。

本工程安全评价阶段稳定计算取用参数详见表2。

表2 大坝稳定分析选用物理力学指标

通过以上分析可以看出，各组土样的室内试验结果真实可信，结合大坝现状，对不同部位土料的抗剪强度指标采用不同计算方法的计算结果作为大坝抗滑稳定计算的基本参数，符合工程实际。

3.2.1.2 坝体浸润线的确定

干龙潭水库大坝未设坝体水位观测孔，无浸润线实测资料，安全评价阶段的浸润线以2007年3月钻孔观测水位为主要依据。库水位为1548.150m，较正常水位1548.700m 低0.550m，结合实测钻孔观测水位及钻孔试验取得的各区渗透系数值进行浸润线的分析计算，拟合出各特征水位情况下的坝体浸润线，再采用《理正岩土系列软件3.52 版》中的渗流分析计算软件进行有限元分析，并结合大坝渗流逸出点位置进行调整，计算结果见表3。

表3 大坝浸润线计算成果

3.2.2 抗滑稳定计算及评价

3.2.2.1 抗滑稳定计算

抗滑稳定计算分析方法为有效应力法，计算采用《土质边坡稳定分析程序STAB2000》中的毕肖普法和瑞典圆弧法计算。计算结果以两者中的较小安全系数作为安全评价稳定复核结果。

计算断面采用实测大坝的最大横断面，浸润线主要参照钻孔压水位、探坑揭露情况及大坝的实际渗漏情况拟合而得。根据《碾压式土石坝设计规范》(SL 274—2001)、《水工建筑物抗震设计规范》(SL 203—97)和《水库大坝安全评价导则》(SL 258—2000)，结合干龙潭水库运行状况，确定计算工况组合及计算成果见表4。

表4 坝坡稳定分析计算成果

3.2.2.2 抗滑稳定评价

从以上计算成果分析，干龙潭水库大坝上游坡安全系数均满足规范规定值，而下游坝坡在各工况下的抗滑稳定安全系数均小于规范规定的数值，结合大坝的现状，虽然大坝土体长期工作于饱和状态，但由于水库多年未能达到正常水位，因此坝体并未发生拉裂和大的滑坡等变形现象，但大坝仍存在不安全隐患，根据《水库大坝安全评价导则》(SL 258—2000)有关规定，大坝结构安全等级为C 级。

4 坝体及坝基防渗设计

4.1 防渗处漏方案选择

根据地质复核和相关检查，基本查明了水库大坝、基础地质情况和病害原因。干龙潭水库坝体及接触带均存在渗漏问题，特别是坝体渗漏比较严重。

由于大坝的严重渗漏，导致后坝坡逸出点较高，坝体土料力学指标降低，为此，必须对大坝和坝基进行防渗处漏，有效降低坝体浸润线，提高坝体土料力学指标，达到除险加固之目的。

针对水库病害原因，对干龙潭水库的大坝可采用防渗帷幕灌浆或混凝土防渗薄墙两种方案进行处漏。对两方案作如下对比:

4.1.1 帷幕灌浆方案

干龙潭水库大坝为均质土坝，大坝坝体、坝肩、坝基均采取沿坝轴线进行帷幕灌防渗浆，帷幕线布置于坝轴线上游0.5m 处，孔距1.5m，起灌高程从水库正常蓄水位起灌，即1548.70m。帷幕线总长为678.0m，右岸延长11m。帷幕底界深入坝基以下2～8m，进入第四系及基岩弱透水层内，防渗标准基岩为q≤10Lu，第四系及坝土为k≤10－5cm/s。

4.1.2 混凝土防渗薄墙方案

混凝土防渗墙布置于坝轴线偏上游0.7m，范围从坝轴线里程坝0+023～0+663，总长640m。防渗墙墙顶高程比水库正常蓄水位高1.0m，即1549.70m。防渗墙总面积7129m2，墙底嵌入坝基2.0～3.0m，墙体厚度0.4m，采用C10 黏土混凝土，抗渗标号为W6。

两方案的工程量及投资如表5 所列:

表5 大坝防渗方案比较

从上表可以看出，帷幕灌浆方案比混凝土防渗墙方案节省投资260.01万元，帷幕灌浆防渗处漏施工简单，技术也较为成熟，防渗效果可靠，是目前堤防工程和土坝工程中常用的处漏方法之一，虽然混凝土防渗墙的防渗效果更为可靠，但其施工工艺复杂，投资较大。针对干龙潭水库工程的实际，本次设计推荐采用投资较省的帷幕灌浆方案作为水库坝体和坝基的防渗处漏方案。

4.2 帷幕灌浆防渗设计

4.2.1 坝基和两岸幕体防渗要求

根据《碾压式土石坝设计规范》(SL 274—2001)第6.3.9 条的规定:“灌浆帷幕的设计标准应按灌后基岩的透水率控制。1 级、2 级坝及高坝透水率宜为3～5Lu，3 级及其以下的坝透水率宜为5～10Lu。”干龙潭水库大坝为4 级坝，坝高15.4m，因此其防渗帷幕深入到弱透水带(q≤10Lu)即可。

根据勘察情况分析，坝体右岸帷幕需延伸11m 才能满足大坝防渗要求。

4.2.2 坝体、坝基帷幕灌浆设计

大坝从坝顶1552.2 000m 高程造孔，起灌高程从水库正常蓄水位起灌，即1548.70m。帷幕采用单排灌浆孔，均为垂直孔，孔距为1.5m。灌浆方法为自上而下分段灌浆，坝体和坝基第四系灌浆采用水泥浆加黏土浆(水泥与黏土浆比例为1/3)，灌浆水泥单耗初定100kg/m，基岩采用纯水泥浆灌注，其灌浆水泥单耗初定250kg/m，灌浆压力由灌浆试验确定。帷幕线总长为678.0m，右岸延长11m 造孔总进尺为7067m，总灌段5485m，不灌段1582m。帷幕底界深入坝基以下2～8m，进入第四系及基岩弱透水层内，防渗标准基岩为q≤10Lu，第四系及坝土为k≤10－5cm/s。

5 除险加固后的大坝稳定计算

干龙潭水库大坝的稳定在安全评价阶段已得出结论:“大坝上游坡安全系数满足规范规定的数值，而大坝下游坝坡在正常水位、设计洪水位及校核洪水位工况下的抗滑稳定安全系数瑞典圆弧法分别为1.131、1.079 和1.009，毕 肖 普 法 分 别 为1.212、1.185 和1.146，均小于规范规定的数值，说明大坝存在安全隐患，大坝结构安全等级评价为C 级。”因此，需对大坝进行除险加固后的稳定计算。

土料试验指标采用安全评价阶段的试验指标，大坝浸润线为大坝防渗处漏后的浸润线。

根据《碾压式土石坝设计规范》(SL 274—2001)和《水库大坝安全评价导则》(SL 258—2000)的要求，结合干龙潭水库的情况确定计算工况。干龙潭水库大坝为均质土坝，坝体构造单一，因工程区区域地震烈度为Ⅵ度，不考虑地震因素，再者是水库无骤降的可能，不进行骤降工况下的抗滑稳定计算。

大坝抗滑稳定计算软件采用《土质边坡稳定分析程序STAB2000》的毕肖普法。计算结果如表6 所列。

表6 坝坡最小安全系数计算成果

从以上计算成果可以看出，大坝经过防渗处漏后，浸润线降低，其抗滑稳定安全系数得到很大的提高，对大坝的除险加固起到了切实有效的作用，有效地消除了大坝的安全隐患，这说明防渗处漏的办法符合工程实际。

6 结 语

干龙潭水库竣工蓄水后的现场检查发现:大坝通过帷幕灌浆防渗处理后，解决了坝体、坝基及接触带渗漏问题，提高了大坝稳定性，实现了工程除险加固的目的。

1 SL 274—2001 碾压式土石坝设计规范［S］.

2 SL 62—94 水工建筑物水泥灌浆施工技术规范［S］.

3 SL 203—97 水工建筑物抗震设计规范［S］.

4 SL 258—2000 水库大坝安全评价导则［S］.