岩口水库工程堰塞体初期改建治理方案设计

任堂 刘清朴 李岳东 李娅

1 工程概况

岩口水库工程由枢纽工程和输水工程两部分组成，是一座以除险防洪、供水、灌溉为主，兼顾发电等综合利用的Ⅱ等大（2）型工程，总库容1.17亿m3。枢纽工程主要由面板堆石坝、左岸放空泄洪洞、右岸溢洪洞、右岸取水兼发电引水洞及生态电站等建筑物组成。挡水建筑物拟利用1996年印江岩口“9·18”特大山体滑坡形成的滑坡堆体，经加高加固进行改扩建而成，最大坝高68 m。

工程项目目前处于规模论证阶段，本文仅针对堰塞体改建治理方案设计进行介绍。

2 堰塞体概况、成因分析及前期抢险应急治理简介

2.1 堰塞体概况

1996年9月18日22：00许，在贵州省铜仁市印江县印江河左岸岩口河段发生一起特大型牵引式深层基岩滑坡，滑体从标高为670 m的印江河左岸斜坡上快速冲入标高为474 m的河谷中，方量约260万m3，形成了高51.4 m的天然堆石坝体及水深42.24 m、库容3 821万m3的堰塞湖，最大淹没水位达到516.44 m，堵塞了印江河及阻断了印（江）—松（桃）公路。堆体上游朗溪集镇及周边4个村共计8 655人受灾，淹没耕地98.67 hm2（1 480亩）、房屋7 058间及装机1 260 kW的犀牛洞电站。同时危及印江县城、13个村和邻县临河52 000人生命财产安全。根据SL 450—2009《堰塞湖风险等级划分标准》，堰塞湖属中型堰塞湖，危险级别为高危险，溃决损失严重性为极严重。根据危险性级别和溃决损失严重性确定堰塞湖风险等级为Ⅰ级（最高级别）。

2.2 成因分析

滑坡形成是地形地貌条件、岩体结构条件、水文地质条件、人类工程活动、暴雨等多因素综合作用的结果。

2.2.1 边坡地形地貌条件

滑坡体南侧发育一条构造性大裂隙，北西侧为一条侵蚀冲沟所切割，南东侧被印江河侵蚀下切形成陡崖，导致坡体四周临空，仅靠下部的三叠系下统夜郎组第一段软弱地层所支撑。

2.2.2 坡体具有上硬下软的双层结构特征

上层为中-厚层石灰岩（T1y2），强度较高，质地坚硬；下层为泥灰岩、黏土页岩（T1y1）构成的软弱层，强度较低，遇水极易软化，构成坡体滑动的潜在滑动面；坡体南侧大裂隙，将滑坡体与母岩分割，并为地表水下渗提供了良好的通道。

2.2.3 工程区雨量较为丰富

大气降水后地表水沿高陡倾角的张裂隙下渗，导致泥灰岩及黏土页岩层形成易滑动的软弱结构面。

2.2.4 人类工程活动影响

坡脚附近采石场的开挖采石一方面使“锁固段”灰岩层厚度有所削弱，其抗剪强度大幅度下降，另一方面导致斜坡内发生了应力集中和应力重分布现象。

2.2.5 暴雨触发

在高强度暴雨的影响下，使“锁固段”岩体抗剪能力减弱，同时由于暴雨所产生的水压力对锁固段的突然加载，作用在“锁固段”处岩体的剪应力急剧增大，从而使岩体发生脆性破坏，弹性应变能突然释放，滑动面全面贯通，滑体剧烈启动，沿滑面迅速加速下滑。

2.3 工程地质评价

根据钻孔资料分析，堰塞坝上部，高程501～506 m以上部位，物质成分以块石为主，夹少量细砂。堰塞坝下部；高程501～506 m以下部位，物质成分以细砂为主，夹少量块石。堰塞坝底部，高程471.3～472.8 m以下部位，为厚2.7～4.0 m的漂卵石层，其成分主要为灰岩、白云岩、砂岩等组成，磨圆度好。河床砂卵石下基岩属弱风化及新鲜岩体，坝基岩体可满足堆石坝对地基强度的要求。初步分析堰塞坝体现状稳定性较好。

坝基岩体抗压强度与变形模量局部差异较大，可能存在地基不均匀变形问题。不排除存在岩溶裂隙的可能，坝基需进行防渗处理。两岸岩体风化卸荷较严重，建议对两岸进行适当的防渗处理。堆体材料主要为T1y2灰岩，堆体相当于一堆石坝，初步分析将其加高约13 m后改建成挡水建筑物，技术上是可行的。考虑到滑坡堰塞体具有物质组成复杂、孤块石多、孔隙率大、局部架空的特点，建议把现状堰塞坝体作为岩口水库堆石坝体的下游堆石区，上游堆石区为新建坝体，在原来基础上加高扩建堆石坝基本满足要求。

2.4 前期抢险应急治理简介

抢险治理工程划分为“应急整治”和“总体治理”两个阶段，工程治理包括开凿两条导流兼泄洪洞、一条泄洪洞、滑坡堆体整治及左岸边坡整治。总体治理目标为：设计防洪标准为20年一遇，当20年一遇的洪水来临时库区水位不超过503 m高程；库区灾民就地安置在503 m高程以上。治理工程 于1996年10月27日开工，2001年4月工程全面完工，2010年12月7日通过了总体治理工程竣工验收。

滑坡堆体整治：整治后堆积坝体顶高程528 m，坝顶长130 m，坝顶平均宽43.5 m，最大坝高53.8 m，上下游坝坡1∶3。上游坡面在511 m高程以下为干砌块石护面，以上设混凝土预制块护砌，于高程511 m设置马道；下游坡面设置公路爬坡马道（S303省道），并在490 m高程设一顶宽18 m的棱体，该棱体在480 m高程设置一宽10 m的平台。下游坡用干砌块石护面。

1#导流兼泄洪洞位于左岸，进口高程482 m，城门洞型，完工断面9 m×10 m，洞长715 m。1996年11月开钻，1997年4月进口成功实施了水下岩塞爆破，2000年5月竣工；2#导流兼泄洪洞位于右岸，进口高程482 m，城门洞型，完工断面7 m×7 m，洞长679 m。1997年2月开钻，2000年3月竣工；3#泄洪洞位于右岸，进口高程511 m，城门洞型，完工断面5 m×7.4 m，洞长211 m。1996年10月开钻，1997年5月 竣 工。

左岸边坡整治：对坡面危岩体进行爆破清除，针对滑坡残留体设置Ⅰ、Ⅱ级抗滑支挡。

3 永久整治的必要性和迫切性

3.1 解决上游朗溪镇洪水威胁，维护社会和谐稳定的迫切要求

堰塞体形成后，3条泄洪洞的泄流能力有限，上游区域形成了一个蓄滞洪区，对上游的朗溪镇影响增大。当汛期来临时，洪水呈现快涨慢落的现象，极易出现群体恐慌。2014年7月14—15日，印江河流域普降暴雨，发生50年一遇的洪水，库区水位达到506.8 m高程，朗溪集镇主街道淹没水深达1～2 m。“7·14洪灾”后，朗溪镇有部分房屋已经闲置，出现了房子新却空置的现象，且一旦发生降雨，老百姓人心惶惶、夜不能寐，极大影响了当地社会的和谐稳定，故堰塞体永久性整治迫在眉睫。

3.2 提高下游印江县城防洪保障能力，保证下游居民生命安全的迫切需求

印江县城位于堰塞湖下游2 km，其沿主河道两岸建设，地势较低，城区遭受洪灾极频繁。2014年7月暴雨导致县城基础设施损毁特别严重，全县受灾人口达28万人。县城防洪主要以堤防为主，堤防建设时，均考虑了上游堰塞湖的滞洪作用，防洪标准较低。且堰塞体本身未进行完善的处理，在高水头库水压力作用下，在无系统性防渗措施防护下，堰塞体存在溃坝风险，严重威胁下游居民的生命安全，故必须对堰塞体进行永久整治。

3.3 构建黔东北区域供水安全保障体系，破解工程性缺水问题的迫切要求

堰塞体位于贵州省东北部，梵净山西麓乌江右岸一级支流——印江河干流上。该区域处于武陵山腹地，山高坡陡，河流深切，水低人高，工程性缺水问题十分突出。利用现有岩口堰塞体，经加高加固改建成大型水库，能够为印江县、沿河县及德江县共2个县城、10个乡镇提供稳定可靠的水源。

4 堰塞体初期改建治理方案设计

现有堰塞体主要由滑坡堆积的灰岩块石嵌互堆积而成，相当于一硬岩堆石坝，若在其基础上进行加高、加固与防渗处理，将其改建成堆石坝，并利用枢纽区建筑物开挖料填筑坝体，则可显著节省工程投资、缩短工期。故结合工程特点、投资、工期等因素，在原堰塞体基础上将其改建成堆石坝。不同坝型之间的差异主要体现为坝身防渗体系的选取，常规有黏土斜墙堆石坝、混凝土面板堆石坝、混凝土防渗心墙堆石坝3种坝型。鉴于工程区多为基岩裸露，防渗土料匮乏，故选取了混凝土面板堆石坝、混凝土防渗心墙堆石坝两种坝型进行方案比选。

4.1 混凝土面板堆石坝方案

自现有堰塞体顶部上游边界起，按坡比1∶3填筑至高程541.00 m，在新增填筑料上游侧设置钢筋混凝土面板、趾板和缝间止水系统，改建后坝体上游坝坡设计坡比取为1∶2。大坝坝顶总长224.80 m，坝顶高程541.00 m，防浪墙顶高程542.20 m，坝顶宽度为10.0 m，趾板最低开挖高程473.00 m，最大坝高68.00 m。坝下游坡上坝路利用原有上坝公路S303省道进行局部改造，其中高程528.00 m至大坝下游交通利用原S303省道，高程528.00 m—坝顶间新建一段上坝路，与原S303省道平顺衔接，路宽8.0 m，坡比8%。路间局部坡比为1∶3.0。坝体防渗采用钢筋混凝土面板、趾板、缝间止水系统及防渗帷幕组合型式，河床及两岸坝肩段趾板均置于弱风化区上部—强风化下部，趾板下设置Φ25锚杆，并布置固结灌浆和帷幕灌浆，帷幕灌浆深入相对不透水层（q=5 Lu）以下5.0 m，两岸设置灌浆平洞，自坝端向山里延伸约65 m。面板上游设铺盖区和盖重区，顶高程502.00 m，顶宽均为3.0 m，向下部逐渐加厚，其上游坡分别为1∶2.0和1∶2.5；面板厚为0.30～0.60 m，钢筋混凝土结构；面板下游设特殊垫层区、垫层区（水平厚4.0 m）、过渡区（水平厚4.0 m）、主堆石区、原滑坡堆积体区、原有大块石抛填棱体区，下游坝坡高程528.00～541.00 m间为新修护坡，采用干砌块石护砌型式，厚0.6 m，高程528.00 m以下保留原有干砌块石护坡。

自堰塞体上游侧起进行加高及上下游坝坡的选取主要基于以下因素考虑：

（1）利于面板受力。堰塞坝体具有物质组成复杂、孤块石多、孔隙大、局部架空等特点，为降低蓄水后因堰塞体不均匀沉陷而导致面板、缝间止水系统遭到破坏开裂的风险，坝体新增填筑料应具有一定支撑断面，以保证面板受力均匀。

（2）减少弃渣量。枢纽区开挖量较大，初步估算可用料约160万m3，利用料共需约53.5万m3。开挖料多为中厚层-厚层灰岩，剥离所夹泥岩、页岩和岩溶发育层后，其质量和储量可满足混凝土人工骨料和坝体填筑料的要求。同时，枢纽区附近地势陡峻，弃渣场布置在印江县城东北侧的山沟区域，距枢纽区较远，运距约8 km。经分析，尽可能多利用开挖料填筑坝体，可达到减少弃渣量、降低对环境的不利影响及节省工程投资的目的。

（3）可充分利用现有上坝公路S303省道，无需再新建上坝之字路。仅需对其进行局部改造，在高程528.00 m—改建后坝顶间新建一段上坝路，与高程528.00 m以下现有道路平顺衔接，即可满足大坝上坝交通要求。

大坝典型剖面如图1所示。

图1 混凝土面板堆石坝典型剖面图

4.2 混凝土防渗心墙堆石坝方案

自现有堰塞体顶部上游边界起，按坡比1∶3填筑至高程541.00 m，沿坝轴线设置混凝土防渗心墙，心墙置于新增填筑料及原堰塞坝体内。改建后坝体上游坝坡设计坡比取为1∶2。大坝坝顶总长224.80 m，坝顶高程541.00 m，防浪墙顶高程542.20 m，坝顶宽度为10.0 m，最大坝高68.00 m。上游坝坡坡比1∶2.0，采用混凝土板护坡，厚0.2 m，下设0.4 m厚碎石垫层。坝下游坡上坝路利用原有上坝公路S303省道进行局部改造，其中高程528.00 m至大坝下游交通利用原S303省道，高程528.00 m—坝顶间新建一段上坝路，与原S303省道平顺衔接，路宽8.0 m，坡比8%。路间局部坡比为1∶3.0。混凝土板护坡面板下游设主堆石区、原滑坡堆积体区、原有大块石抛填棱体区，下游坝坡高程528.00—541.00 m间为新修护坡，采用干砌块石护砌型式，厚0.6 m，高程528.00 m以下保留原有干砌块石护坡。

坝体防渗采用混凝土防渗心墙+防渗帷幕组合型式，以形成全封闭防渗体系。其中：沿坝轴线方向设置混凝土防渗心墙，墙长216.28 m。墙体厚度根据公式B=H/J允估算，其中墙体最大作用水头H=67.47 m，墙体允许水力坡降J允=50～60，结合估算结果、国内类似工程经验，墙厚取1.2 m。墙底切穿滑坡堆积体和河床冲积层，深入基岩约1 m，河床部位心墙底高程467.90 m；坝基及坝肩两岸设置1排防渗帷幕，孔距1.5 m。两岸设置灌浆平洞，自坝端向山里延伸约65.0 m。帷幕底部深入相对不透水层（q=5 Lu）以下5.0 m，河床部位帷幕底高程434.50 m，在防渗墙底部及两侧部位，帷幕与墙体搭接。

大坝典型剖面如图2所示。

4.3 治理方案选定

两种坝型方案在地形地质条件、建筑物材料、施工总布置、工程占地、环境影响、工程安全等方面相当，混凝土面板堆石坝方案较混凝土防渗心墙坝方案投资略高，但投资差所占工程总投资比例较小。考虑到本工程为在原有滑坡堰塞体基础上改建而成，滑坡堰塞坝体具有物质组成复杂、均一性差、孤块石含量高、孔隙率大、局部架空等特点，心墙施工过程中不确定因素较多，施工工期保证率较低，极易发生卡钻、漏浆、塌孔现象，危及人员、设备安全，延误工期，墙体施工质量难以保证，且运行期中坝体一旦发生渗漏，难以查明渗漏部位，检修难度大。对比分析坝体施工难度、后期运行管理等因素，选定混凝土面板堆石坝方案。

5 结语

通过对岩口堰塞体进行加高、加固与防渗处理，可彻底消除现有堰塞体“溃坝”隐患，保证下游印江县城防洪安全；从根本上解决堰塞体上游朗溪镇几乎年年遭受洪涝灾害的现状；在现有堰塞体基础上仅抬高约13 m即可成为大型水利工程，可为印江县、沿河县及德江县相关缺水乡镇提供稳定可靠的水源。经综合整治，可将堰塞体变废为宝，兴利、除害兼顾，发挥水资源综合效益，为类似地质灾害体治理工程提供了一种解决思路，具有参考借鉴意义。

鉴于工程尚处于前期论证阶段，受阶段深度及现有资料限制，仅对堰塞体进行了初期改建治理方案设计，随着工作的深入开展，下阶段针对堰塞体治理拟从以下几方面进行分析研究：

（1）勘察查明堰塞体相关物质组成、结构状态，进一步比选混凝土防渗心墙堆石坝方案。防渗墙施工虽具有一定难度，但目前国内已有类似工程的成功案例，施工技术是可行的。在充分分析堰塞体地质条件基础上，论证改建成混凝土防渗心墙堆石坝的技术经济可行性。

（2）勘察查明工程区附近防渗土料质量及储量，分析改建成黏土斜墙堆石坝的可行性。相比混凝土面板，斜墙在抗裂性能、对不均匀沉陷的适应性、检修补强等方面具有优势。

（3）增加沥青面板堆石坝方案比选。本工程以现有堰塞体作为坝体一部分，坝体沉降变形较常规面板堆石坝大，应对面板适应变形能力进行重点分析研究。