纵向增强体加固病险土石坝技术及其在四川的应用

梁 军，张建海

（1.四川省水利厅，610016，成都；2.四川大学水电学院，610065，成都）

一、概 况

近年，极端气候影响下，汛期暴雨增多，局部雨量增大，降雨时空分布不均，导致降雨成灾的发生率日益上升，对汛期防汛保安工作尤其是水库防汛提出了新的挑战。 四川省当前有各类水库大坝总数约8 250 座，其中土石坝达7 906 座，占比95%，建设期相对集中于20 世纪60—70 年代，其中均质坝居多。国际大坝委员会20世纪90 年代的调查表明， 土石坝运行的安全可靠程度与混凝土类坝相比更具风险，按溃坝计，土石坝溃坝数量最多，占总数的70%。 中国大坝学会统计的国内土石坝溃坝案例中四川省最多，达396 座。

与混凝土坝相比，土石坝的安全运行周期短、溃坝风险高是其自身条件决定的。 土石均质坝、心墙坝或斜墙坝是三种最具代表性的常规土石坝坝型，所用材料均为土料、石料或其混合料，具有散粒性，只有通过强力压密才能形成整体，从而具有一定的强度、刚度和稳定性。 另外，由岩土材料组成的坝工建筑物， 必然不同程度地受到水流侵蚀、冲刷，水流作用对岩土体具有破坏性， 而年复一年的水流冲蚀具有周期性， 对土石坝体形成缓慢的不可逆的渐进性破坏，病害土石坝由此形成。 相对于混凝土重力坝、拱坝等刚性坝，因土石坝的整体强度与刚度不高， 抵抗变形的能力不强， 有时也称为柔性坝。 因此，土石坝经过一段时间的运行， 必然会出现较混凝土坝更高程度的病害，如渗漏、开裂、管涌、滑坡等，若不及时加固处理，可能造成溃坝、失效等严重危害。

从目前四川省情况来看， 渗漏、裂缝、滑坡是土石坝的三大主要病害形式。 一些土石坝由于坝体渗漏，导致坝体下游浸润线抬高，白蚁易于筑穴繁殖，形成渗漏通道，对坝体安全稳定性带来不利影响。 水利部《水库大坝安全鉴定办法》规定，竣工验收5年后每6～10 年必须进行一次大坝安全鉴定。 但因大坝数量众多、鉴定工作量太大、经费缺乏等原因，安全鉴定存在诸多困难。 此外，从病险土石坝除险加固情况看， 土石坝的整治、加固、运行具有周期性，一般每隔20年左右需进行一次整治。

针对四川省病险土石坝存在的种种病险、病害情况，为进一步降低或减少土石坝长期运行带来的安全风险，特别是防止汛期洪水造成溃坝引起的灾害， 降低水库大坝病害程度，同时减少整治加固次数，延长水库安全运行周期， 结合工程建设实际，研究提出对传统或常规土石坝进行性能改良的纵向增强体土石坝加固技术，以期解决影响土石坝安全运行的一系列病险问题，力求从根本上解决土石坝病险发生率高、洪水漫顶易溃坝等致命性缺陷。 工程研究与实践表明，这种新坝型能够极大提高土石坝的抗风险能力。

二、纵向增强体加固土石坝的技术特点

纵向增强体是在土石坝中建造集防渗与受力为一体的刚性结构体，该结构体具有防渗、受力、抵抗变形以及保障洪水漫顶不溃或缓溃的力学性能， 在土石坝体内置入增强体改变传统土石坝“柔柔相伴”而成为“刚柔相济”的结构特点。 纵向增强体采用混凝土或钢筋混凝土， 通过在坝轴线附近施工开槽预设钢桁架与后期帷幕灌浆钢管， 按地下连续墙的施工方式建造而成， 墙体底部一般嵌入坝基并通过墙下帷幕灌浆与坝基紧密连接， 最终形成不可变形的固定端。

1.防渗性能

增强体心墙用于防渗与混凝土心墙一样，是基本功能。墙体防渗性指标满足防渗要求，k 值为A×10-8cm/s，墙体厚度依坝高和筑坝材料的性质计算确定，一般为60～100 cm，如大竹河水库大坝（坝高61 m）加固取墙体厚度为80 cm。

2.受力性能

增强体作为一种刚性结构置入柔性土石坝体内，将受到坝体自身和上游库水的荷载作用，这种受力体现在两个方面。 一是水土压力在水平方向对墙体的作用， 类同挡土墙的受力，因此引入受力安全系数的概念，分析在不同工况下墙体受力的安全性，表明增强体安全可靠。 二是由于堆石坝壳料与增强体存在较大的变形差异， 堆石体在与增强体界面上的沉降必然形成对墙体向下的拖曳力， 称之为下拉荷载或下拉力，增加了墙体受力负担。 理论分析表明，下拉力与坝高（或增强体高度）成二次幂变化关系， 在墙体底部达到最大值， 因此只需复核墙体底部的抗压与抗弯拉强度是否满足有关规范即可。

3.抵抗变形性能

增强体心墙置入土石坝内，在一定程度上改变了土石坝的应力与变形情势，与常规土石坝有限元分析成果相比，将土石坝内置增强体刚性心墙分成了坝体上下游两个变形区域，特别靠近墙体的变形状况总体较常规土石坝为小，其中计算沉降变形占坝高0.15%～0.25%左右， 这是由于增强体在一定程度上限制了土石坝体的变形。

4.漫顶不溃或缓溃性能

通过工程实例分析，增强体土石坝的一个重要特征是在遭遇洪水漫过坝顶造成坝体冲刷时能够实现漫顶不溃或漫顶缓溃，这是与常规土石坝最重要的区别之一。 反过来说，常规土石坝 （即柔性材料建造的均质坝、心墙坝、斜墙坝和沥青混凝土心墙坝等）如果在其坝轴线附近再造一道刚性墙体，就能够实现漫顶不溃或漫顶缓溃，这对已建且运行多年的土石坝病险水库的除险加固防止漫顶溃坝提供了解决方案。

上述有关增强体的性能与特点是集防渗、受力、抵抗变形、漫顶不溃或缓溃等多种优良性能为一身的增强体心墙，由此形成的土石坝便称之为纵向增强体（心墙）土石坝。

三、纵向增强体加固病险土石坝的优越性

纵向增强体技术对病险土石坝的除险加固，在整治思路上，突破了“柔柔相伴”的传统土石坝建造特点，形成“刚柔相济”的新建坝思路；在整治手段上， 通过刚性墙体的置入，可以很好地解决土石坝的各类病险；在整治效果上，将有效延长土石坝的安全运行周期， 减少整治次数和经费。纵向增强体加固病险土石坝的优越性包括：

①增强体心墙在坝轴线附近置入坝体内直至坝基，通过后期灌浆形成新的防渗体系，有效杜绝原水库大坝的渗漏，从而消除病险土石坝基于渗漏的其他病险。

②刚性心墙的“插入”，将大幅度降低下游坝体长期出现的浸润线太高、 下游坝坡稳定性堪忧的不利情况，提高坝坡稳定性。

③彻底消除白蚁危害，浸润线大幅度降低后，白蚁筑巢的高度也随之降低， 由于刚性墙体的不可侵蚀性，白蚁不可能形成连贯上下游的穴道并成为渗漏通道。

④采用增强体加固病险土石坝，可以做到事半功倍，极大地消除土石坝的病害乃至病险，节省病险水库整治加固经费。

⑤采用纵向增强体技术加固的病险土石坝能够有效降低洪水漫顶溃坝的风险，这对防洪保安十分重要。

⑥采用内置增强体加固病险土石坝，可以按照正常的水库管理与调度方式运行， 从而实现节约水资源、满足来年用水需求，保障渔业养殖用水，既利稳定又利增收。

四、工程实例

1.大竹河水库整治

四川省攀枝花市仁和区大竹河水库是以农业灌溉为主，兼有城市应急供水、防洪等综合利用的中型水利工程，总库容1 128.9 万m3，正常蓄水位1 215.00 m， 大坝原为碾压沥青混凝土心墙石渣坝， 最大坝高61.0 m。大竹河水库于2010 年1 月开工，2011年7 月大坝填筑到顶。 2011 年10 月开始试蓄水，便发现两个问题：一是经充分论证认定沥青心墙出现多条裂缝导致渗漏； 二是坝体石渣料偏细对坝体稳定不利。 在蓄水位上升至1 201.48 m 时， 实测大坝下游渗漏达27.93 L/s， 观测发现大坝下游坝体浸润线较高，影响大坝安全稳定，必须进行工程整治。经多次比较整治方案，决定采用刚性较强的混凝土防渗墙。 在坝轴线上游侧2.4 m 修筑防渗墙，通过预埋灌浆管进行灌浆使墙下接帷幕灌浆和固结灌浆，形成一套垂直完整的防渗封闭体系。 防渗墙的墙厚为80 cm，墙体深入弱风化岩0.5～1 m。

计算验证与实际观测表明，大竹河大坝采用混凝土防渗墙代替失效的沥青混凝土心墙效果显著。2015 年整治完成，至今运行良好。

2.竹子坎水库除险加固

四川省通江县竹子坎水库是一座以灌溉为主、兼有防洪效益的小（2）型水利工程， 总库容为34.56 万m3，正常水位119.6 m， 大坝为均质土坝，最大坝高29.60 m。该工程建于1975 年，1983 年竣工。 水库运行多年出现大坝、溢洪道、放水设施等系统性病害情况， 经分析与勘察存在大坝防洪标准不够、 下游坝坡稳定不满足规范要求、坝体变形散浸、坝肩渗漏等诸多病险问题。 安全鉴定表明竹子坎水库已成高危病险水库， 对下游各乡镇人民群众生命财产安全构成极大威胁。

设计单位提出采用W6 C25 混凝土增强体心墙进行加固，混凝土墙体位于坝轴线偏上游1.4 m， 厚0.80 m，成墙最低高程82.70 m， 顶部高程120.10 m。 增强体心墙物理指标要求：28 天标准立方体抗压强度R28≥25 MPa；渗透系数K≤1×l0-7cm/s；弹性模量E≥25 000 MPa。 在防渗墙中布置1 排帷幕灌浆孔，孔距1.5 m，帷幕防渗深度按至少伸入基岩q≤10 Lu以下5 m 控制。 防渗心墙共划分13个槽段，典型槽段宽6.8 m，槽孔分两序间隔开挖。

表1 增强体建造直接费用与坝高的关系

竹子坎水库除险加固于2018 年整治完成，目前运行状况良好。 该水库在2020 年汛期一直按照设定度汛水位运行，没有“空库度汛”，从而保障来年供水需求。

五、纵向增强体土石坝经济性评价

采用纵向增强体加固技术整治各类土石坝病险水库， 就目前的工程实践而言， 一般都是坝高为20～70 m 的中低坝，其技术性能可靠，经济造价优越， 直接费用一般在数百万至一千多万不等， 增强体直接工程投资一般不超2 000 万元，对病险土石坝水库整治来说完全可以接受。 增强体建造的直接投资与坝高的关系见表1。

六、结 语

通过近年的工程实践与理论研究，纵向增强体加固病险土石坝技术是可靠可行的，对防止水库大坝失事特别是漫顶溃坝具有重要作用，也能降低土石坝各类病害病险的重复发生率，克服了以往病险水库“头痛医头、脚疼医脚”的片面做法。 目前纵向增强体土石坝已经初步形成设计导则， 并在新建和除险加固中均有了实际应用，运行状况良好。 今后，应不断总结工程经验， 加强抗震适应性研究， 以期得到更广范围的应用，降低常规土石坝漫顶溃决风险，实现水库支撑经济社会发展的长久安全运行。 ■