某病险水库主坝滑坡原因分析及处理对策

程永辉，饶锡保，李青云

1 概 述

我国旱涝洪水灾害频繁，为除害兴利，兴建了大量的水利枢纽工程。据水利部门2007年统计，我国已建成各类水库8．54万余座，总库容6 254亿m3。其中大型水库493座，中型水库3 110座，小型水库8．18万座。我国的水库大坝绝大部分为土坝，这些工程多数是上世纪五、六十年代建成，由于受当时历史条件、经济基础和技术水平的限制，目前，近三分之一的水库已成为了病险水库，除险加固的任务十分艰巨紧迫［1］。

某水库为以灌溉为主、兼顾防洪的中型水利枢纽，库容为1 128万m3，由主坝、副坝、输水涵洞和简易溢洪道组成，水库主坝为均质土坝，坝顶长度192 m，坝顶宽度4．7 m，最大坝高32．2 m，迎水坡为五级变坡，背水坡为四级变坡，坝面均用干砌片石护面。该水库建于上世纪60年代，属于边勘测，边设计，边施工的三边工程。2002年，有关单位对该水库进行了安全鉴定，发现水库主副坝均存在不均匀沉降变形和渗漏、涵洞变形及渗漏、溢洪道排泄不畅、白蚁危害严重、库区淤积等问题，属于病险水库。

2005年，有关单位对水库进行了除险加固设计，主副坝采用了围帷灌浆＋混凝土防渗墙的防渗加固方案，在防渗墙施工过程中，主坝上游边坡产生了滑坡。本文针对滑坡产生的原因进行了深入的分析，并讨论了滑坡后的处理对策，以期对今后类似的工程提供经验和参考。

2 滑坡过程和原因分析

2．1 滑坡过程

主坝坝顶长度为192 m，砼防渗墙设计厚度为40 cm，防渗墙施工共分为 19个槽段，最深为36．93 m，见表1。混凝土防渗墙原设计施工方法为二钻一抓，在施工时改为采用冲击钻造孔。防渗墙施工时，同时进行了 5＃、7＃、9＃、13＃、15＃共 5个槽段的施工。在完成了5＃槽段的成槽与混凝土浇筑、7＃槽段和13＃槽段主孔施工，正在进行9＃槽段的1、3、5号孔和15＃槽段的第1、3号孔的施工时，上游坝坡产生了滑坡。滑坡产生前，在22＃槽段附近有一漏浆点，坝体顶部出现了弧形裂缝，并向左岸发展。随着裂缝长度和宽度的不断发展，形成了大规模的滑坡。滑坡体长度约110 m，面积5 700 m2，推测滑动面深约8 m，总方量约4．5万 m3；坝顶最大沉降量为2．2 m，齿墙基础向库内水平位移最大值达2．1 m，滑坡体顶部向库内的水平位移最大值为66 cm。滑坡全貌如图1所示，图2和图3分别为滑坡体轮廓线和断面，图4和图5为滑坡时坝顶的沉降过程线。

2．2 防渗墙施工期坝体边坡稳定分析

2．2．1 坝体材料及参数

主坝为均质土坝，坝体下部为坝基冲积层，坝体内存在较多透镜体状软弱夹层，强度较低；坝体下游坡出现了局部变形。由于勘察提供的参数与实际情况不符，根据实际条件，对计算断面进行了概化，并假定主坝下游坡在正常使用条件下处于临界状态（安全系数为1），进行了凝聚力C和内摩擦角φ参数的反分析，取得了坝体及软弱面的计算参数，见表2。

表1 混凝土防渗墙施工槽段划分Table 1 Division of concrete cutoff wall construction groove section

图1 滑坡全貌Fig．1 Whole view of landslide

图2 上游坝体轮廓线及滑坡体边线示意Fig．2 Upstream dam and landslide contour lines

图3 滑坡体断面图Fig．3 Landslide section

图4 坝顶沉降过程线Fig．4 Settlement process lines at the top of the dam

图5 坝坡顶部水平位移过程线Fig．5 The process lines of horizontal displacement the top of dam slope

表2 坝体材料参数表Table 2 Dam material parameter table

为了分析滑坡产生的原因，采用上面取得的参数，对施工前上游坝坡的水位骤降工况进行了计算。若在大坝未被劈裂的条件下（即坝顶未产生裂缝），水位骤降至死水位的安全系数为1．340，水位骤降至死水位＋7度地震工况的安全系数为1．172，则符合规范中的安全稳定要求。

2．2．2 防渗墙施工期坝坡稳定分析

由于在主坝防渗墙施工期间，4个槽段同时施工，且发现距施工槽段70 m左右的位置出现冒浆现象，漏浆量约1．5 L／s，主坝有可能已经被完全劈裂，因此按防渗墙轴线上形成贯通裂缝并充满泥浆的最危险工况进行计算。计算采用简化毕肖普法［2］，断面为坝体最大剖面，如图6所示。

图6 上下游坝坡概化模型Fig．6 Overview of the upstream and downstream slope model

上下游坝坡不同条件下的计算结果见表3。上游坝坡自动搜索最危险滑动面如图7所示，与图3相比较，自动搜索最危险滑动面与实际滑动面基本一致，说明计算方法和条件合理，符合实际情况。

表3 防渗墙施工期坝坡稳定计算成果Table 3 Calculated results of slope stability of cut－off wall during construction period

图7 上游坝坡自动搜索的最危险滑动面Fig．7 Automatic search of the most dangerous sliding surface

从计算结果分析可知：当防渗墙施工时，如果槽段之间贯通，并充满泥浆，在孔隙水来不及排出的情况，上游坝坡的安全系数只有0．983；若泥浆未充满而是低于坝顶3 m时，安全系数为1．049，有一定的提高。但上游坝坡基本都处于临界状态，在施工机具荷载等的扰动下，产生了滑坡。下游坝坡在此条件下，安全系数为1．223，处于稳定状态。

2．3 滑坡原因分析

2．3．1 坝体质量较差

（1）主坝建于上世纪60年代，人工填筑，采用牛拉3种不同直径石碾碾压，边角及坝体与岸坡接触地带用脚踏夯和夯砣夯实。限于当时的设计施工水平，坝体填筑质量较差，勘探结果表明，坝体内存在较多透镜体状软弱夹层，强度较低。

（2）水库运行40余年，坝体多处被白蚁掏成空洞，形成了渗漏通道，在库水渗滤作用下空洞贯通，导致坝体沉陷和漏水。

（3）历经多次地震，坝体沉陷，防渗墙开裂。2001年9月，当地曾发生过5．4级地震，导致上游右侧坝体产生了小规模滑坡，滑动面积大于800 m2，当时仅进行了浅层封堵治理，为工程埋下了隐患。

2．3．2 防渗墙施工方法不当

在防渗墙施工中，5个槽段同时进行，施工机械对坝体的扰动过大；且在进行7＃和13＃槽段施工时，22＃槽段部位出现漏浆现象，漏浆量达5．4 m3／h。出现漏浆的原因是泥浆质量差，未形成致密的泥皮。在泥浆压力的作用下，坝体被完全劈裂。从施工期稳定计算成果来看，坝体劈裂是坝体产生滑坡的主要原因。

2．3．3 发现险情后，未及时采取措施

在发现漏浆现象后，未充分认识到问题的严重性，并及时采取措施，而是继续施工，导致裂缝不断扩展，直至产生了滑坡。

2．3．4 水位骤降过大，孔隙水压力未消散

工程开工前，水库水位为正常蓄水位1 185 m。为进行坝坡施工，水库水位由1 185 m快速降低至死水位1 169 m，此时正在进行防渗墙施工。由于坝体为黏性土均质坝，渗透系数很低，坝体内孔隙水排出时间较长，在滑坡体上可观察到明显的渗水现象。坝体孔隙水的外渗增加了下滑力，对坝体稳定极为不利。

3 滑坡应急处理

主坝上游滑坡后，达到了新的平衡，并处于临界稳定状态。如果有诱发因素，很有可能会导致滑坡继续发展，必须尽快采取措施，进行应急加固处理。

滑坡治理措施有较多，包括滑坡体顶部减载、底部压脚加固、支挡加固等。由于应急处理要求时间紧，根据现场实际情况，制定的主要的处理方案如下。

（1）坝脚进行抛石挤淤压脚，并采用石渣混合料填筑12 m宽的反压平台；

（2）清理坝顶防渗墙施工平台，开挖4m深，对浅层裂缝采用黏土回填，对深层裂缝进行灌浆处理；

（3）坝坡削方减载，处理坝坡开挖后出现的裂缝，方法同上。

4 除险加固对策

4．1 除险加固对策

由于该水库主坝上游产生了滑坡，坝顶近三分之二出现塌陷和下错，最大沉降达2．2 m，原防渗墙方案已不能实施，必须制定新的除险加固方案。

经分析，该水库主要病险是坝体变形和渗漏，除险加固的主要目的是构建防渗体系并对坝体进行加宽加厚。故提出如下除险加固方案。

方案一：从防渗墙施工的角度出发，将防渗墙轴线上移至1 183 m平台，顶部采用现浇混凝土直墙至正常蓄水位，两侧采用黏土夯实回填。

方案二：从降低防渗墙施工风险的角度出发，将防渗墙轴线上移20 m，防渗墙以上采用土工膜进行防渗，由防渗墙和土工膜形成完整的防渗体系。

方案三：从工程安全角度出发，采用3排布孔的充填灌浆方案，并对坝坡进行培厚加固。

比较以上3种处理方案，方案二施工较复杂，且如果防渗墙与土工膜连接不好，容易出现渗漏通道；方案三虽然可以起到防渗加固的作用，但不能解决白蚁危害的问题；而方案一既可以起到防渗加固的作用，又能阻止白蚁对大坝的危害。

4．2 施工期工程安全的论证

4．2．1 施工期坝体边坡稳定分析

根据表2中的计算参数，对上游坝坡进行了安全稳定复核，考虑到坝体产生过滑坡，安全系数折减为计算值的80%。经应急处理后的上游坝坡计算断面如图8所示，计算得安全系数1．223，满足坝坡稳定的要求。

图8 应急处理后上游坝坡概化模型Fig．8 Upstream slope model after emergency treatment

4．2．2 施工期坝体水平抗滑稳定分析

坝体填筑质量较差，且存在若干个水平软弱夹层，采用计算楔块滑动的方法，验算主坝防渗墙造槽期间上游坝体整体沿软弱层面滑动的稳定性。

假定坝体在防渗墙泥浆压力的作用下沿某水平面滑动，其抗滑稳定计算简图如图9所示。计算公式为

式中：Tf为抗滑力，由滑动面抗剪力、槽段端部侧面凝聚力组成；T为滑动力，由槽孔泥浆压力或砼入仓压力组成；Fs为安全系数。

图9 水平抗滑稳定计算简图Fig．9 Calculation diagram of the level anti－slide stability

由于主坝产生了滑坡，底滑面的强度参数折减到原强度的0．7倍，侧面的强度为原强度的0．8倍。通过计算分析得出结论：在不考虑防渗墙造孔时挤土效应的影响情况下，控制施工泥浆的比重在1．1～1．4之间，当防渗墙施工槽段长度不超过8 m时，可保证上游坝坡在施工期的稳定。

综合分析3种除险加固方案，推荐采用方案一。该工程已于2006年完成了除险加固工作，经过两年多的运行，状况良好。

5 结 语

在对病险水库除险加固过程中，应尽可能减少对坝体的扰动，特别是防渗墙施工，应严格控制施工顺序和施工速度，选用扰动小的施工工艺，严格控制泥浆比重和黏度，防止沿坝轴线产生水力劈裂、产生滑坡事故，造成不必要的人力、物力及财力的损失。另外，施工过程坝体变形观测和日常巡视非常重要，在坝体变形出现异常或发现漏浆时，应立即停止施工，分析其原因，并采用措施及时处理，避免事故的进一步发展。

［1］ 白永年．中国堤坝防渗加固新技术［M］．北京：中国水利水电出版社，2001．

［2］ SL274－2001，碾压式土石坝设计规范［S］．