累子水库坝坡塌陷原因分析及处理

靳翠红

累子水库位于河北省保定市涞水县城西北约9km处的累子河上，是一座以防洪为主、结合灌溉的中型水利枢纽工程。水库控制流域面积25.1km2，总库容1007万m3。水库1958年3月动工兴建，当年竣工，1960年投入使用。水库枢纽主要建筑物包括主坝、副坝、溢洪道、输水洞。累子水库主坝为均质土坝，坝长415m，坝顶宽6m，最大坝高22.0m。迎水坡自上而下坝坡坡比为1∶2.8、1∶2.5、1∶2.5；背水坡坡比为 1∶2.4、1∶2.5、1∶2.5。 坝基防渗型式为截水槽。

1. 坝坡塌陷情况

1.1 上游坝坡

大坝运行过程中曾多次出现过坝坡塌陷的现象。1998年发现迎水坡64.0m高程马道以下，桩号0+200～0+370之间有大面积沉陷，踏坑最深处达2m左右。在开挖处理过程中发现沉陷部位还存在大量裂缝，最大缝宽2cm左右；2004年根据上级批复对迎水坡64m马道以下干砌石护坡进行翻修加固。运行至今，发现64m马道以下桩号0+250～0+340之间护坡又出现大面积塌陷，最深处达0.5m。

1.2 下游坝坡

2003年9月18日和10月11日有两场降雨，大坝背水坡桩号0+325，高程69.96m处出现塌坑；2005年4月29日和2005年11月13日，发现大坝桩号0+257下游坡高程54.29m处出现渗水，此处排水沟呈小水洼现象。

2. 原因分析

2.1 地质勘察成果

针对坝坡塌陷问题，在初步设计阶段进行了详细的地质勘察。

坝体、坝基工程地质条件：从钻孔揭露坝体土组成判定，坝体土比较均一，主要由壤土组成，揭露厚度3.9～21.0m。在勘察深度范围内坝基土岩组成：第四系全新统冲洪积（al+plQ4）卵石、第四系上更新统冲洪积黄土状壤土、上元古界青白口系下马岭组（Qnx）页岩。卵石层揭露厚度5.15～8.10m，属强透水，无承压性。页岩揭露顶面高程 43.06～67.95m，最大厚度23.9m，属弱～中等透水。坝体填筑土渗透变形判别为：坝体土破坏类型为流土，坝基黄土状壤土为流土，坝基卵石破坏类型为管涌。

工程地质评价：主坝为均质土坝，主要由壤土组成，各项物性指标均符合土石坝均质坝土料质量要求。坝体填筑土现状平均压实度0.934，未达到规范压实度0.96要求，尤其是局部试验结果干重度偏低，小于坝体填筑土平均干重度。

根据钻孔钻进情况，在高程53.95～55.97m以下出现饱和段，局部呈软塑状态，钻进中出现缩孔现象，大坝桩号0+200处的钻孔ZK4在钻进至高程56.32m处出现明水，说明坝体局部不密实存在渗透性。

根据 《水利水电工程地质勘察规范》（GB50287-99）土的渗透变形判别中关于接触冲刷和接触流失的判别,卵石 D10＝0.3347，壤土 d10＝0.0026，两者比值为128.7，大于 10，故会发生接触冲刷。同时可以判别坝体壤土和坝基卵石层之间也会发生接触流失。根据水库运行管理记录的坝坡塌陷情况，已发生渗透破坏。

2.2 初步设计阶段

根据资料记载，坝基截水槽分别在1974年 （桩号 0+180～0+415） 和 1984年（桩号 0+000～0+200）施工，两次施工截水槽均未截透坝基卵石层。

结合地质勘察成果认为：坝基地质条件复杂，上游截水槽处理不彻底，未完全截透砂卵石层，且上游坝坡及坝脚壤土与下部砂卵石层接触面位置的渗透比降较大，砂卵石层级配不连续导致接触面之间发生接触渗流破坏，当两层土之间的渗透比降较大时，接触流失会更严重，壤土中的细颗粒被带走导致坝坡出现塌坑和沉陷。

2.3 施工图阶段

在施工阶段，为了合理确定防渗墙底高程，河北省水利水电第二勘测设计研究院组织地勘人员进行了更详细的地质勘察，钻孔间距20～30m，取得了大量详细准确的资料，判断发生问题的原因与初设阶段一致，验证了设计，指导了施工，确保了防渗墙的效果。

3. 处理方案比较

根据水库存在的以上问题，为保证加固防渗效果，同时尽量节省工程投资，进行了充分的方案比较。

3.1 水平防渗和垂直防渗方案

对水平防渗和垂直防渗方案进行了比较，两方案均能够解决渗透稳定问题，各有优缺点。垂直防渗方案结构简单，又埋于坝基中，管理方便；从运行可靠度方面，水平土工膜防渗各个环节受施工人为影响因素大，可靠性较差，而垂直防渗体方案可靠性较高；从防渗效果方面，垂直防渗方案隔断了坝下的渗漏通道，避免沿砂砾石层的接触面的接触冲刷破坏，同时可以减少水库渗漏。推荐采用垂直防渗方案。

3.2 高喷灌浆和混凝土防渗墙方案比较

对高喷灌浆和垂直混凝土防渗墙两种垂直防渗方案进行比较，结合本工程砂卵石地基粒径较大的情况，对高压喷射灌浆、冲击钻配合液压抓斗造槽法建造混凝土防渗墙两种能适应砂砾石基础的方案进行比较，最终采用冲击钻配合液压抓斗造槽法建造塑性混凝土防渗墙。

3.3 塑性混凝土防渗墙

塑性混凝土防渗墙方案是用冲击钻配合液压抓斗挖槽机连续造孔成槽，并以泥浆固壁，在泥浆下浇筑混凝土成墙。适用于土、砂、砂卵石等土层，遇到块石、漂卵石时需辅以重凿冲击破碎。优点是防渗效果好，施工速度快，可适应不同地基基础条件。

根据施工方法和条件，墙厚取0.3m，位置在上游坝脚 （墙顶高程61.00m），根据坝坡塌陷范围结合坝基地层情况，防渗墙布置范围确定为0+150～0+385，高程 61.00～43.00m，伸入基岩0.5m，伸入黄土状壤土1.0m。防渗墙采用塑性混凝土，28d抗压强度不大于 4MPa，渗透系数小于 1×10-8cm/s，弹性模量在800～1500MPa，允许渗透比降大于80。

4. 处理效果

针对水库坝坡塌陷问题采取了塑性混凝土防渗墙方案，塑性混凝土防渗墙具有抗压强度低、弹性模量小、极限应变大的特点，不仅能够适应外力作用下抗拉及抗剪应力带来的墙体变形，具有良好的力学性能，而且水泥用量小，技术经济效益明显。