密云水庫工程與南石駱駝副壩的形成

1項目總結1.1洪水設計和洪水計算密云水庫位于北京市密云縣，距北京中心約90公里。它由兩部分組成：朝河港和白河港。有兩座主壩、五個輔助水庫、三個溢流通道、七個漏水孔、一個站和一個調節池。水庫按1000年一遇洪水設計,1萬年一遇洪水校核,設計洪水位157.5m,正常蓄水位157.5m,校核洪水位158.5m,總庫容43.75億m3,壩頂總長4559.5m,壩頂寬8m,壩頂高程160.0m。密云水庫在水位150.0m以下由北石駱駝副壩群、南石駱駝副壩及西石駱駝副壩形成另一水域(與大庫隔開),規模相當于1座中型水庫,稱之為內湖。1.2壩型改變及壩型調整南石駱駝副壩是內湖工程的主要擋水建筑物之一,壩長637.0m,壩高26.9m,最大壩底寬226.9m,填筑量43.85萬m3。該壩初始設計為壤土均質壩,因冬季黏土施工困難很大,附近尚有風化砂礫料可做為筑壩材料,壩體沖溝段廊道施工較晚,該壩段土料填筑到137.0m時,兩岸臺地已填筑到148.0~150.0m左右,遂將部分壩段壩型做了改變,樁號0+000—0+290為壤土均質壩,樁號0+290—0+390為厚斜墻壩,0+390—0+637段高程153.5m以下為均質壩,高程153.5m以上為斜墻壩,壩基采用壤土齒槽防滲。1965年對南石駱駝副壩樁號0+240—0+637壩段進行補充壩基處理,采用了混凝土截水墻,并在墻下進行基巖灌漿。1975年在樁號0+240以西新建防滲齒槽,與1965年所做的齒墻相接,形成閉合的防滲線。1975年對樁號0+150—0+210壩段下游進行壓坡,壓坡高程148.0m,并對樁號0+235—0+450壩段做貼坡體,放緩壩坡。1998年密云水庫潮河主壩及幾座副壩加固工程開工,對南石駱駝副壩上游坡(樁號0+420—0+617)進行了水下拋石壓坡與水上換料的加固措施。2壩體滑坡實際識別工程措施1994年汛后壩體安全檢查時發現,樁號0+450—0+535壩段,下游護坡有向下游滑動的現象,位置是從1/2壩高直到壩腳。滑移體頂部最大裂縫20cm,滑移體下部砌石被擠壓呈隆起現象,且有局部塌陷,估計面積1500~2000m2。(此滑坡已于1996年汛前翻修完成)。此壩段正好是目前壩體排水存在問題的壩段,護坡的滑移正好是從風化巖渣壩體與下游壤土交界處開始。實際檢查發現,南石駱駝副壩樁號0+390—0+520壩段,在下游高程153.5m左右至壩腳處,壩坡隆起、變形,形成一個帶狀,見圖1。經初步分析是壩體排水結構存在問題造成的。2.1兩岸立地條件南石駱駝副壩原設計為均質壩,為降低壩身浸潤線,在壩身原沖溝段采用了褥墊式排水,樁號為0+300—0+380。兩岸臺地則采用了暗溝排水型式,樁號為0+040—0+300和0+380—0+560,兩岸臺地排水暗溝把滲過壩身的水,沿暗溝縱向流入沖溝段的褥墊內,再排至下游。壩型在高程153.5m以上由均質壩改為斜墻壩,隨著壩體防滲型式的改變,排水型式在樁號0+290—0+390作了局部改變,但0+390—0+560排水型式未做任何變動。2.20壩體表面風化砂料的鋪設和填平樁號0+290—0+390壩段改為厚斜墻壩,此壩段壩型的改變是當排水體已做好且上部的壩體壤土以均質壩的型式填筑到137.0m高程之后才改的,為了使這段滲水能通暢地進入排水體,來降低壩體浸潤線,于是在壩軸線下游45.0m處,將排水頂面已填筑好的黏土層挖穿,形成平行壩軸線的溝槽,并填以砂礫透水料和反濾層,這樣壩體風化砂礫料內的滲水能通暢進入排水體排向下游,這種處理方式是恰當的。見圖2。2.30水庫#390-0.560儲水段2.3.1改斜墻壩為斜墻壩樁號0+390—0+560壩段,此壩段開始也是以均質壩填筑,當填筑到153.50m高程時,改為斜墻壩。壩體排水型式仍為暗溝排水,暗溝底寬在樁號0+390—0+440為4.2m、在樁號0+440—0+560為3.2m,高程沿原地面。2.3.2坡面土體排水設施不完善壩高程153.5m下面的壤土層正好形成壩底排水暗溝和上部壩體風化巖碴之間的隔水層。水庫在較高水位運行時,通過斜墻上部的滲水也包括由下游壩坡滲進的雨水,只能在高程153.5m的下游壩坡處流入下游,壤土隔水層會處于飽和狀態,降低了土體抗剪強度;同時,坡腳的排水設備又不完善,會造成滲流出逸水位以下局部土粒懸浮,土體失去平衡條件,而產生塌滑,特別是在高水位和冬季凍融剝蝕等外因影響下,更加速塌滑,對下游壩坡是極其不利的。因此,此壩段的排水布置是不恰當的,應采取補救措施。見圖3。2.4坡排水、排水系統壩下游量水堰以下嚴重積水,積水面積較大,無法排出,也是導致下游壩坡排水不暢和壤土含水量高的間接原因。同時,下游積水導致量水堰流量也無法測量,積水處離壩體較近,對壩體安全也不利。建議對量水堰按照《土石壩安全監測技術規范》(LS60-94)進行改造,并完善壩腳處排水設備。2.5壓力管道水位分析2.5.1壩體紡墊式排水所在位置繪制2008年12月19日南石駱駝副壩測壓管等水位線,見圖4。由圖可以看出滲流向壩體最大斷面處匯集,這正是褥墊式排水所在位置,說明壩體褥墊式排水體工作性能良好。壩體、壩基沿線均有滲流。19#測壓管處的小山包對滲水流向有一定的影響,滲水繞過小山包流向兩側,所以含水量較高的均質壩水的來源不是小山包,而是上游滲水和降雨。2.5.2壩內均質壩體系內水位基本特征17#測壓管樁號為0+540,距壩軸線下游10m,管口高程157.85m,管底高程為149.65m,進水管長4.96m,沉淀管長0.85m。此測壓管正好位于排水型式不合理的壩段內,自建壩以來管水位常年在154.0m左右,比153.5m以下的均質壩高出近1m,說明均質壩的壤土含水量很高,已處于飽和狀態。2008年對此測壓管進行注水試驗,10min內5m的水頭僅使測壓管水位升高了0.5m,說明注入的水流到周圍砂礫料內,而下邊含水量高的壤土隔開了水向下滲的通道。同時水位在短時間恢復,說明此測壓管靈敏性較高。經測壓管水位分析可知均質壩的壤土形成了壩體風化巖渣和暗溝式排水之間的隔水層,而且其含水量達到飽和狀態,因此抗剪強度降低,導致下游壩坡隆起變形。2.6透水性較差樁號0+390以左壩段在高程153.5m以上的斜墻壩體后填筑材料為風化巖碴,其透水性較差。上游滲水和降雨滲進風化巖碴壩體后,在高程153.5m處不能豎直下滲,只能向下游形成橫向滲流,這樣就可能帶動風化巖碴壩體的細顆粒流向下游,在高程153.5m出口處越積越多,從而推動壩體表面護坡石隆起變形。3壩身排水措施經以上分析和1994年下游坡滑動情況證明樁號0+390—0+520壩段壩坡隆起、變形原因是此壩段壩身排水型式結構不恰當造成的。而且2010年在樁號0+390—0+520壩段進行探坑勘察時也發現,壤土含水量較高,抗剪強度降低,進一步說明是壩身排水問題所致。建議按照樁號0+290—0+390(壩體排水結構合理的