六六溪水庫砌石拱壩安全複核及壩體補強加固防滲處理

劉高華

（壽寧縣水利局，福建 壽寧 355500）

［摘要］為消除六六溪水庫砌石拱壩高水位和汛期蓄水運行工況下壩體下游壩面存在滲漏加劇和壩肩接觸滲漏等問題。採取壩體與壩基接觸灌漿和壩體補強灌漿為主的截堵滲漏通道組合防滲方案進行處理。大壩防滲加固修復後，經高水位和汛期大流量蓄水運行，各項指標良好。

［關鍵詞］六六溪水庫；接觸滲漏；拱梁分載法；補強灌漿

六六溪水庫位於壽寧縣鰲陽鎮六六村，距六六村0.8km，距壽寧縣城關4km，是一座以城區供水為主的小（一）型公益性水利工程。水庫所在河流位於壽寧縣境內蟾溪流域的城關溪支流上，壩址以上流域面積14.6km2，主河道長度5.60km，河道比降60.13‰。水庫分兩期進行施工，一期於1998年11月竣工並於次年2月封孔蓄水運行，二期於2012年12月完工並蓄水運行。二期施工時雖受當時環境條件限制，但採取一定質量控制措施，大壩施工質量基本能達到設計要求。不過由於大壩一、二期施工間相隔近14年之久，且經歷多年大流量洪水嚴峻工況運行後，大壩壩面出現遊離鈣析出掛白、褐色沉澱物流出等現象，尤其在非溢流段上等部位還出現噴、射流等現象，已嚴重威脅到大壩安全[2]。急需儘快採取合理的工程措施進行除險加固修復處理，確保大壩安全蓄水與安全泄洪。

1 大壩滲漏現狀分析

1.1 壩體滲漏分析

六六溪水庫大壩壩型為對數螺線型砌石雙曲拱壩，壩腹採用100#混凝土砌塊石，壩殼採用100#水泥砂漿砌條石。根據現場觀測，大壩下游壩面有白色、紅褐色析出物。大壩下游面存在漏水現象（見壩區工程地質圖）。

壩體中共進行10段壓水試驗，其中ZK1鑽孔0―3.00m段、ZK2鑽孔0―2.80m段、ZK3鑽孔0―2.60m段漏水，壓水過程無返水，水從壩體兩側直接滲漏。根據壩體壓水試驗成果透水率在4.23―6.10Lu之間，大致呈上部透水率大，下部較弱態勢，10段壓水 6段試驗成果數值大於 5Lu，佔60%，不能滿足要求；壩體與壩基接觸段共進行3段壓水試驗，透水率在4.95―5.52Lu，基本大於5Lu，不能滿足要求。根據現場檢查，左岸、河床段壩體與壩基接觸有多處紅褐色鐵質析出，左、右岸、河床壩體與壩基局部存在接觸滲漏。

1.2 壩基滲漏分析

壩基岩土層為強風化凝灰質角礫岩，在建壩時對錶層強風化層進行過固結灌漿處理，但處理後的岩體裂隙較發育，壩體與壩基接觸段共進行3段壓水試驗，透水率在4.95―5.52Lu，基本大於5Lu，不能滿足要求,下部的弱風化凝灰質角礫岩，岩體裂隙發育一般，岩體呈塊狀結構，在壩基中共進行3段壓水試驗，根據壓水試驗表明：岩體透水率在3.82―4.10Lu之間，均小於5Lu，能滿足要求。

1.3 壩滲漏分析

大壩左、右岸壩基岩土層為強風化凝灰岩角礫岩，兩岸岩體裂隙較發育-發育，據現場觀測壩肩下游邊坡基岩可見範圍30―40m內未見明顯滲水現象，大壩未發生繞壩滲漏現象。

滲漏破壞將對壩體、壩基和壩肩穩定性帶來不利，為防止庫水入滲引起壩體和基岩發生位移，急需對大壩進行全面安全複核，並採取合理除險加固防滲工程措施，有效改善和修復大壩高水位和汛期運行工況條件，確保水庫具有較高安全穩定性[1，2]。

由於大壩一、二期施工間隙施工較長，加上一期設計標準低、施工監控水平較差、砌築石塊密實度低等問題，給大壩安全穩定運行埋下較大質量缺陷。且在高水位和汛期大流量蓄水運行工況條件下，大壩存在遊離鈣析出掛白、褐色沉澱物流出和局部噴射等裂縫滲漏問題，水庫長期處於帶病運行工況[3，4]。為準確掌握六六溪水庫砌石雙曲拱壩的結構應力和抗滑穩定性，並優選與病險類型相匹配的除險加固防滲處理工程措施，必須結合工程特性準確評估大壩結構應力和拱座整體穩定性。

2.1 壩體結構材料特性

壩芯為混凝土砌毛石，毛石為弱-微風化凝灰熔岩,強度較高,毛石約佔50%―65%，粒徑一般20―30cm，砌體參數：彈性模量Ec=7.6GPa；泊桑比μ=0.23；容重 γ=25kN/m3；線脹係數 α=0.7×10-5/℃。壩基為強風化-弱風化凝灰質角礫岩，基岩參數：變形模量E0=5.5GPa；泊桑比μ=0.19。淤沙參數：壩前淤沙高程已近沖砂孔底高程，應力複核淤沙高程取值為839.10m，浮容重9kN/m3、內摩擦角13°。根據《水工建築物荷載設計規範》（SL 744-2016）和《砌石壩設計規範》（SL25-2006）中推薦荷載組合，選取基本組合：①正常蓄水位（859.90m）+溫降作用；②死水位（839.10m）+溫降作用；③設計洪水位（862.43m）+溫升作用；④死水位（839.10m）+溫升作用。特殊組合：⑤校核洪水位（863.12m）+溫升作用，共兩大類5種荷載組合工況對六六溪砌石拱壩的結構應力和抗滑穩定性進行全面安全複核。

2.2 壩體應力複核評價

根據 《水庫大壩安全評價導則》（SL258-2000）、《砌石壩設計規範》（SL25-2006）和《混凝土拱壩設計規範》（SL282-2003）等設計規範，砌石拱壩壩體結構應力分析，以拱梁分載法計算成果作為衡量強度安全的標準[5]。結合大壩樞紐布置，根據六六溪大壩施工情況，擬將拱壩劃分為9拱19梁，程序分析時根據劃分的拱梁體系，求出拱梁交結點處的主應力、拱和梁的正應力、剪應力、變位和分載，並計算拱端節點的拱梁作用力作為分析壩肩穩定的外荷載。採用浙江大學編製的《ADAO拱壩分析及優化系統Version6.01》進行應力複核，計算得主應力和最大位移成果，如表1所示。

根據《砌石壩設計規範》(SL25-2006)規範指標要求，查得：基本組合工況和特殊組合工況下允許主拉應力為拱壩周邊為 [0.9MPa]，其他部位為[0.7MPa]。基本組合工況下：允許主壓應力為[3.7MPa]，特殊組合工況下允許主壓應力為[4.5MPa]。

從表1可知，最大壓應力：基本荷載組合工況下最大壓應力3.09MPa（拱壩左第9層拱冠梁）；在特殊荷載組合工況下最大壓應力2.93MPa（拱壩左第9層拱冠梁），均小於參考控制值3.70MPa，複核壓應力值滿足規範要求。最大拉應力：①周邊最大拉應力在基本荷載組合和特殊荷載組合工況下，最大拉應力分別為1.35MPa（拱壩右第9層拱冠梁）、1.23MPa（拱壩右第9層拱冠梁）；②其他部位在基本荷載組合與特殊荷載組合情況下最大拉應力0.75MPa；計算成果雖有出現拉應力，但根據《砌石壩設計規範》對中、小型砌石拱壩應力控制值宜主要控制壓應力，結構應力滿足規範要求，壩體結構具有較高安全裕度。

表1 六六溪水庫砌石拱壩安全評價應力計算成果

註：表中[mR nC]表示拱壩第m層拱、第n號梁，頂拱為1R、拱冠梁為0C，左岸梁為正右岸梁為負，整個拱壩劃分為9拱19梁。

上游壩面下游工況 壩面最大主拉應力 位置 最大主壓應力 位置 最大主拉應力 位置 最大主壓應力 位置1 -1.35MPa [9R 0C] 2.55MPa [6R 0C] -0.42MPa [4R 4C] 3.09MPa [9R 0C]2 -0.31MPa [1R 9C] 1.19MPa [6R-4C] -0.55MPa [6R-4C] 1.02MPa [6R 0C]3 -1.16MPa [9R 0C] 2.81MPa [6R 0C] -0.33MPa [4R 4C] 2.83MPa [9R 0C]4 -0.30MPa [5R 0C] 1.37MPa [7R 3C] -0.75MPa [8R 2C] 1.05MPa [6R 0C]5 -1.23MPa [9R 0C] 2.92MPa [5R 0C] -0.32MPa [3R 4C] 2.93MPa [9R 0C]

2.3 拱座穩定複核評價

根據現場察與地勘資料來看，對拱座穩定性分析採用定性分析與定量計算相結合方式，定量計算方法採用剛體極限平衡法[6]。

（1）拱座穩定定性分析

根據勘探報告大壩壩基為強風化-弱風化凝灰質角礫岩，根據鑽探結果，岩石節理裂隙發育，呈碎塊-塊狀結構，岩石試驗極限飽和抗壓強度範圍值為61.0―93.2MPa,表層強風化凝灰質角礫岩在建壩時採用注漿加固處理，提高整體強度，下部弱風化凝灰質角礫岩強度較高；岩石較完整，平均值為80.9MPa,屬中硬-堅硬岩,岩體較完整-較破碎，綜合岩體工程地質分類等級為Ⅳ級，大壩左右岸、河床部位壩基承載力滿足要求。

右壩肩的邊坡為岩質邊坡，地表植被不發育，節理裂隙較發育-發育，自然邊坡坡度約70°―80°，局部近直立，水庫經多年運行，目前未發現下沉、裂縫、崩塌等邊坡滑移現象，右壩肩邊坡基本穩定。左壩肩邊坡為岩質邊坡，地表植被較發育，山體自然坡度約50°―60°，節理裂隙發育，水庫經多年運行，目前未發現下沉、裂縫、崩塌等邊坡滑移現象，左壩肩邊坡穩定。

（2）拱座穩定定量分析

壩址河谷呈V型，兩岸基岩裸露，岩石緻密堅硬，風化淺，雖有斷層裂隙發育，但寬度小，對壩基穩定影響不大，工程地質條件較好。兩壩肩下游山體雄厚，沒發現斷層及不穩定塊體，兩岸壩肩沒有不利結構面組合。拱座穩定採用平面分層累計計算，計算中不考慮壩體和岩體鉛直重量的抗滑作用，偏安全考慮。根據《水工設計手冊-第五冊(混凝土壩)》相關公式計算，結果表明：各層拱端下游岩體各滑裂面的計算所需堅岩線長度均在實際堅硬岩線長度範圍內，各層拱圈滿足穩定要求。

3.1 大壩除險加固灌漿防滲措施

從現場檢查情況並結合測量單位提供實測地形以及地勘單位鑽探分析資料進行分析，在壩體左右岸非溢流段上有出現射流、明流、滲濕等現象，壩體與壩基接觸也有多處紅褐色鐵質析出，壩體防滲效果較差，除險加固防滲方案依據壩體滲漏具體特點，防滲指導思想為截堵滲漏通道，主要是壩體與壩基接觸灌漿處理，以及壩體補強灌漿等。除險加固截堵滲漏通道的方案是採用水平補強灌漿處理並結合壩頂垂直灌漿至高程845.0m，以及在左、右岸830.0―860.0m之間的壩體與壩基固結灌漿處理，即：

3.1.1 下游面水平打孔補強灌漿

下游面水平補強灌漿是堵塞漏水通道和壩體空洞、裂縫等等，以達到加固壩體、增加壩面穩定性，本次水平補強灌漿設計在壩體下游面布設灌漿孔，灌漿孔間距與排距均為1.5m，梅花形布設，孔與水平方向朝下夾角10°，在滲濕較為明顯處可適當加密。

3.1.2 壩體垂直補強灌漿

壩體垂直補強灌漿設計是在壩頂中設置一排灌漿孔，灌漿孔深從壩頂起鑽至高程845.0m，灌漿孔間距為1.5m，孔徑應不小於φ40mm。

3.1.3 壩體與壩基固結灌漿

壩體與壩基固結灌漿處理範圍是在左、右岸830.0―860.0m之間，其中高程845.0―860.0m之間壩基固結灌漿孔利用壩體補強灌漿孔再往壩基下鑽，而高程847.0―830.0m之間壩基固結灌漿孔則布置在下游壩腳處布置，並在壩體與山體交接處新建一道C30砼蓋重，左、右岸蓋重總長約50.0m，斷面尺寸底寬1.18m，頂寬為 2.17m，高為1.0m，在C30砼蓋重上布設一排灌漿孔，灌漿孔孔距1.5m，伸入壩基下4.0m。

3.2 大壩防滲補強應用效果分析

對大壩進行安全鑒定時，檢查發現壩體防滲效果較差，壩體下游面出現滲濕及遊離鈣析出，並可見多處滲流，壩肩存在接觸滲漏。檢查統計壩體下游面和左、右岸壩肩滲水點多達98點，尤其是在非溢流段等部位還出現噴、射流等問題。經壩基接觸灌漿處理和壩體補強灌漿相結合的截堵滲漏通道防滲加固方案處理後，壩體內部填充密實度得到有效增強，防滲性能和應力分布得到有效改善，原滲水點得到全面截堵修復處理，未發現存在明顯滲水點。根據大壩整體布置，選擇8個試驗段進行岩芯取樣分析，結果表明：水平補強灌漿處理並結合壩頂垂直灌漿至高程845.0m，以及在左、右岸830.0―860.0m之間的壩體與壩基固結灌漿處理後，壩體內部結構充填密實，與壩基防滲牆銜接緊密，壩基和壩肩防滲結構體深入到岩體不透水層內部，透水率為1.90―2.86Lu，均處於設計要求的3Lu防滲指標範圍內，防滲補強加固修復處理效果明顯。大壩防滲加固修復處理後，在高水位和汛期大流量蓄水運行過程中，大壩各方面運行工況良好，至今也未發現滲水點，壩體和壩肩滲漏問題得到有效處理。

1）採取壩體與壩基接觸灌漿和壩體補強灌漿為主的截堵滲漏通道組合防滲方案，對大壩進行全面防滲加固修復處理後，壩體內部漏水通道、壩體空洞和裂縫等得到有效充填，壩體結構得到有效加固、壩面和拱座穩定性得到有效增強，且壩體應力狀況得到有效改善，為大壩安全穩定性運行營造了良好條件。

2）在六六溪水庫砌石雙曲拱壩防滲加固修復處理過程中，本文不僅結合壩體結構特性合理採取灌漿等工程措施有效解決壩體和壩肩滲漏問題，同時還充分考慮壩體結構應力分布改造和防滲體耐久性等問題，防滲方案具有較高的技術經濟性。□

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［中圖分類號］TV543；TV641.3+1

［文獻標識碼］B

［文章編號］1009-2846(2017)10-0028-04

［收稿日期］2017-08-06

［作者簡介］ 劉高華（1965-），男，工程師，從事水利水電工程建設管理。