張興鋒

（甘肅省張掖市甘蘭水利水電建筑設(shè)計(jì)院 甘肅張掖 734000）

1 工程概況

小海子水庫(kù)位于河西走廊的張掖市高臺(tái)縣南華鎮(zhèn)小海子村南，距縣城約15km，是一座注入式中型平原洼地水庫(kù)，水庫(kù)通過(guò)引黑河水調(diào)蓄。水庫(kù)分隔為上中下三庫(kù)。中壩始建于1958年，長(zhǎng)5.5 km，形成了目前的中庫(kù)；1987年在中庫(kù)上游興建了目前的上庫(kù)；2002年在水庫(kù)除險(xiǎn)加固過(guò)程中，新建了4.836km長(zhǎng)的下壩，形成了下庫(kù)。

新建的下壩壩型為均質(zhì)土壩，壩頂高程1370.5m，壩頂寬5.0m，最大壩高8.67m。水庫(kù)設(shè)計(jì)總庫(kù)容1048.1萬(wàn)m3，正常蓄水位1368.1m。

2007年4月19日，小海子水庫(kù)下庫(kù)發(fā)生潰口事故，水庫(kù)潰口位于新建成的下壩中間部位，樁號(hào)2＋681.0～2＋722.5m處；決口處壩高約8.1m，潰口寬度約41.5m，決口時(shí)最大流量約90m3∕s；壩基上部為厚度3m左右的磚紅色或土黃色粉質(zhì)粘土層，下部為粉細(xì)砂層。

小海子水庫(kù)地處祁連山前沖洪積傾斜平原前緣與細(xì)土平原的過(guò)渡帶上，地形平緩，地勢(shì)開闊。地層巖性在地表為第四系全新統(tǒng)湖沼相堆積或風(fēng)積層——部分為灰褐色粉細(xì)砂、部分為土黃色淤積質(zhì)砂壤土，一般厚度0.5～2.5m；下部為第四系全新統(tǒng)沖洪積層，總厚度22.5～24.5m，其中在中、下庫(kù)西部及西北部分為上下兩層即上層為磚紅色或土黃色粉質(zhì)粘土或粘土，厚度4.1～2.2m （西厚東?。?；下層為灰黃色或青灰色粉細(xì)砂、細(xì)砂及中粗砂的韻律結(jié)構(gòu)沉積，厚度約20～22m。在中下庫(kù)東部地層逐漸演變?yōu)檎惩翆优c砂層的互層結(jié)構(gòu)，單層厚0.8～1.2m。深部25m以下則為第四系中上更新統(tǒng)巨厚層的砂卵礫石層。

2 潰壩原因分析

從壩后排水溝粉質(zhì)粘土 （或粘土）相對(duì)隔水層被破壞，地下承壓水有了滲流出口開始，到水庫(kù)蓄水之后，壩基便存在滲流破壞問(wèn)題。

根據(jù)以上滲透變形判別和滲透破壞臨界水力比降的確定結(jié)果：壩基下第①層淺磚紅色粉質(zhì)粘土層的破壞形式為流土型，其臨界水力比降Jcr①＝1.1，允許水力比降J允許①＝0.55；

第②層灰～灰白色輕粉質(zhì)壤土的破壞形式為過(guò)渡型，其臨界水力比降Jcr②＝0.42，允許水力比降Jcr②＝0.21；

第③層青灰色細(xì)砂的破壞形式為管涌型，其臨界水力比降Jcr③＝0.39，允許水力比降J允許③＝0.19；

第②層和第③層土之間存在接觸沖刷，其接觸沖刷的臨界水力比降Jk.kp＝0.18，允許水力比降Jk.p＝0.12；

如果第②層土缺失，第①層和第③層土直接接觸也存在接觸沖刷問(wèn)題，其接觸沖刷的臨界水力比降，允許水力比降Jk.p＝0.08。由此可見，接觸沖刷的臨界水力比降很小，比它們各自介質(zhì)本身的臨界水力比降小得多。因此，當(dāng)壩后排水溝粉質(zhì)粘土 （或粘土）相對(duì)隔水層被破壞，地下承壓含水層有了滲流出口開始，首先產(chǎn)生接觸沖刷破壞，并逐漸向上游發(fā)展，這種接觸沖刷破壞的過(guò)程是較緩慢的，它必需有一定的細(xì)粒土流失的時(shí)間和積聚場(chǎng)所或排泄渠道，而新舊排水溝交匯后又相交于輸水渠道排水，且縱坡較大，其細(xì)粒土排泄很暢。隨著水庫(kù)蓄水位的抬高，待實(shí)際水力坡降達(dá)到大于細(xì)砂層和輕粉質(zhì)壤土或粉質(zhì)粘土層的臨界水力比降后，這種接觸沖刷破壞將很快轉(zhuǎn)換成管涌型和流土型 （或過(guò)渡型）破壞，而這種型式的破壞將是急速的，它會(huì)很快造成壩基被掏空，壩前壩后形成滲漏通道，導(dǎo)致壩體沉降、坍塌，最終釀成決口垮壩。這就是小海子水庫(kù)發(fā)生大壩潰決的地質(zhì)因素；而區(qū)域性地下承壓水 （承壓水頭約0.5m）及其庫(kù)水越流補(bǔ)給地下水則是大壩潰決的水力因素。

經(jīng)進(jìn)一步的地質(zhì)勘探及大量試驗(yàn)證明，小海子水庫(kù)確系壩基下輕粉質(zhì)壤土或粉質(zhì)粘土與下部砂層間的接觸沖刷破壞所致，接觸沖刷的臨界水力比降很小，比它們各自介質(zhì)本身的臨界水力比降小得多，所以在區(qū)域承壓水的作用下首先產(chǎn)生接觸沖刷，如果沒(méi)有滲流出口，這種接觸沖刷是無(wú)害或其危害是潛在的，在壩后新開挖的排水溝及相交于輸水渠排水提供了滲流出口和細(xì)顆粒堆積與排泄的條件，再加上在排水溝內(nèi)抽水灌溉，更進(jìn)一步加劇了細(xì)顆粒的運(yùn)移，使得接觸沖刷變?yōu)橛泻Φ臐B流破壞，進(jìn)一步發(fā)展轉(zhuǎn)變?yōu)樯皩拥墓苡科茐暮屯翆拥牧魍疗茐模S著細(xì)顆粒的逐步帶走，在壩底及壩前鋪蓋下部形成了空洞，在壩底下最大，向上游延伸逐漸變小，這在開挖追蹤漏水通道時(shí)已經(jīng)揭示清楚，這種破壞隨著時(shí)間的推移，最終導(dǎo)致了大壩的潰決。這是國(guó)內(nèi)罕見的在特殊水文地質(zhì)條件下所導(dǎo)致的壩基接觸沖刷破壞，在以后工程設(shè)計(jì)中對(duì)多層不同介質(zhì)接觸沖刷應(yīng)引起足夠重視。

(1)建立學(xué)生評(píng)價(jià)交流反饋機(jī)制，提高教學(xué)效果.傳統(tǒng)的課堂教學(xué)由于受時(shí)間、空間的限制，無(wú)法使教師充分利用教學(xué)資源，達(dá)到教學(xué)效果的最大化；而網(wǎng)絡(luò)教學(xué)則可以不受時(shí)空、信息容量等因素的限制，最大限度地利用教學(xué)資源，彌補(bǔ)課堂教學(xué)的不足.真實(shí)的網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺(tái)將學(xué)生的作品放在教學(xué)網(wǎng)站上，供同學(xué)們欣賞，并讓學(xué)生評(píng)選優(yōu)秀作品，提出自己的見解，主動(dòng)參與討論.這些教學(xué)方法極大地調(diào)動(dòng)了學(xué)生的積極性，促使學(xué)生學(xué)會(huì)積極思考.

3 潰口修復(fù)設(shè)計(jì)

針對(duì)潰口存在的問(wèn)題，主要采用拋厚卵石，擠密壓實(shí)基礎(chǔ)后再回填砂礫石，然后回填壤土壩體等常規(guī)的修復(fù)措施。對(duì)于潰口附近600m及其余壩基存在接觸沖刷破壞的壩段共計(jì)2790m，經(jīng)比較后采用高壓噴射灌漿防滲墻進(jìn)行垂直防滲處理，以徹底切斷接觸沖刷破壞途徑。

高壓噴射灌漿法，就是采用高壓水或高壓漿液形成高速噴射流束，沖擊、切割、破碎地層土體，并以水泥基質(zhì)漿液充填、摻混其中，形成樁柱或板墻狀的凝結(jié)體，用以提高地基防滲或承載能力的施工技術(shù)。

本次垂直防滲采用高噴防滲墻形式。高噴防滲墻是由選噴柱形樁、擺噴扇形斷面樁或定噴狀墻段，其中的一種或兩種、三種彼此組合搭接起來(lái)，形成的地下防滲墻。根據(jù)該工程的地質(zhì)條件采用三管法擺噴對(duì)接形式。

高壓噴射灌漿施工參數(shù)的確定是防滲墻成墻質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)，嚴(yán)格按照規(guī)范操作和高噴灌漿施工技術(shù)參數(shù)進(jìn)行施工，是確保施工的關(guān)鍵，其中確定孔距是一個(gè)難點(diǎn)，是保證工程經(jīng)濟(jì)和工程安全的一個(gè)重要參數(shù)。設(shè)計(jì)時(shí)施工主要技術(shù)參數(shù)由室內(nèi)配方和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)決定，該工程施工主要技術(shù)參數(shù)如下：

（1）高噴灌漿的孔距為2.0m，高噴灌漿的成墻厚度≥20cm。

（2）防滲墻鉆孔為垂直孔，其偏斜應(yīng)小于0.3%。

（3）高噴灌漿孔位與設(shè)計(jì)孔位偏差應(yīng)小于5cm。

（4）高噴灌漿的形式為擺噴，擺角15°。

（5）提升速度：提升速度的快慢直接影響漿液用量，提升速度過(guò)快，則墻后不穩(wěn)定、易產(chǎn)生空洞，且切割半徑不符合要求，會(huì)造成防滲墻搭接處產(chǎn)生薄弱環(huán)節(jié)。提升速度太慢，則冒漿量過(guò)大，造成水泥浪費(fèi)，因此需根據(jù)灌漿試驗(yàn)確定不同土層的提升速度。結(jié)合其它工程經(jīng)驗(yàn)，初步確定細(xì)砂層的提升速度為8cm／min，粘土層的提升速度為12cm／min，具體參數(shù)施工時(shí)可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定。

（6）高噴灌漿的水壓為25～35MPa，流量為80L／min；空氣壓力為0.5～0.7MPa，風(fēng)量為1.1～2.0m3／min；水泥漿壓力為0.8～10MPa，流量為80L／min。

（7）注漿水泥漿比重控制在1.6～1.7g／cm3，回漿比重控制在1.2g／cm3。

（8）高噴墻的位置：高噴墻布置平行于壩軸線、在大壩前壩腳下游2m處，與壩體一起形成完整的防滲體。

（9）高噴墻防滲范圍：潰口段采用高壓噴射灌漿，控制范圍100m。由于該段沖坑部分最大沖深達(dá)到8m，考慮清淤與工程安全，確定潰口段高噴墻高度為12m，自壩底起深入到未受擾動(dòng)的砂層中以下3m，以保證工程安全。

表1 高噴墻墻體性能指標(biāo)

（10）高壓噴射灌漿材料：該工程的高壓噴射注漿的主要材料是水泥，水泥采用普通硅酸鹽水泥，水泥強(qiáng)度等級(jí)≥32.5，灌漿所用的水泥應(yīng)保持新鮮無(wú)受潮結(jié)塊，其細(xì)度為0.080mm方孔篩余量不大于5%，水泥漿由制漿機(jī)攪拌而成，水灰比1.0～1.5，攪拌時(shí)間不小于2min。

4 施工中參數(shù)調(diào)整

2009年9月11日，施工單位在設(shè)計(jì)高噴灌漿段進(jìn)行了三管法擺噴試驗(yàn)，試驗(yàn)孔距按2.0m、1.5m和1.0m三種孔距布置。各種孔距各布置5個(gè)孔，總共15個(gè)孔。9月18～9月20日完成了試驗(yàn)段施工。24日，在設(shè)計(jì)單位、監(jiān)理單位及業(yè)主的參與下，對(duì)高壓擺噴試驗(yàn)段的防滲墻進(jìn)行了開挖檢查，經(jīng)檢查，孔距2m的試驗(yàn)區(qū)段，高噴后孔與孔之間不能形成連續(xù)的墻體，墻體斷口長(zhǎng)度為40～50cm；孔距1.5～1.0m的試驗(yàn)區(qū)段，高噴后墻體連續(xù)完整，搭接處墻體厚度能達(dá)到設(shè)計(jì)厚度，連接良好，成墻效果好，均能滿足設(shè)計(jì)要求。

根據(jù)試驗(yàn)段試驗(yàn)成果，最終選取孔距為1.5m。其余參數(shù)經(jīng)試驗(yàn)后采用以下參數(shù)，具體見高噴墻施工采用參數(shù)表2。

表2 高噴墻施工采用參數(shù)

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)小海子水庫(kù)潰壩原因分析，對(duì)潰口及部分壩段壩基存在的接觸滲透破壞用水平防滲無(wú)法阻斷，在設(shè)計(jì)中采用高壓噴射灌漿防滲墻進(jìn)行處理，并在施工過(guò)程中對(duì)相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)調(diào)整，形成完整連續(xù)的高噴墻，對(duì)接觸面進(jìn)行了阻斷，有效防止了接觸滲透破壞的發(fā)生，取得了較好的效果。工程于2010年9月通過(guò)竣工驗(yàn)收，目前運(yùn)行情況良好。小海子水庫(kù)壩基接觸滲流處理成功取得的經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)施工參數(shù)，對(duì)其它類似工程具有較好的借鑒意義。

1 SL274－2001，碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

2 GB50287－99，水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范［S］.

3 劉杰著.土石壩滲流控制理論基礎(chǔ)及工程經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)［M］.

4 張興鋒等 .高臺(tái)縣小海子水庫(kù)決口修復(fù)方案初步設(shè)計(jì)報(bào)告［R］.

5 DL／T5200－2004，水利水電工程高壓噴射灌漿技術(shù)規(guī)范［S］.