大旺水库滑坡成因分析与处理措施

张国荣

(江门市新会区水利水电勘测设计有限公司，广东 江门 529000)

1 工程概况

大旺水库位于江门市新会区崖门镇田边村和梁黄屋村上游，属潭江水系，集雨面积为4.47km2，总库容为271.04万m3，主要建筑物等级为4级，是一座以灌溉为主，兼顾防洪的小(1)型水库。大旺水库最大坝高16.0m，坝长237.7m，正常蓄水位20.16m，相应库容166万m3，设计洪水位(P=3.33%)为22.64m，相应库容238.51万m3；校核洪水位(P=0.2%)为23.67m，相应库容为271.04万m3；死水位10.10m，相应库容1.95万m3。

2 滑坡情况及工程地质

2.1 滑坡情况

受2018年第22号台风“山竹”影响，新会区2018年8月29号至31号出现持续强降雨，最大日降雨量364mm，大旺水库水位上涨溢洪。大旺水库水位达到20.79m时，水库后坝坡局部出现开裂、滑坡，反滤体滑移等情况。背水坡出险范围裂缝长度约为50m，裂缝最大宽度为220mm，最小宽度为60mm，裂缝错位高度为470mm，最大缝深约10.0m；反滤体最大移位为280mm，坝脚砌石排水沟底部最大移位为400mm。示意图见图1、图2。

图1 大旺水库背水侧(开裂、滑坡)

图2 脚排水棱体(排水棱体、排水沟局部变形)

2.2 应急处理措施

滑坡抢险原则是采用工程措施加强坝体稳定，即“削坡减载，固脚压重”。因险情发生在汛期防洪期间，防洪压力较大，不宜进行坝体减载，故应急措施主要采用坝脚压重的方式。考虑当前还处于雨季，采用防渗土工膜对出险部位进行覆盖，防止水土流失对坝体的进一步破坏[1]。

具体应急措施如下：降低、控制水库水位至17.65m；用防渗土工膜遮挡出险范围；在坝脚砌石排水沟上堆积块石进行反压。当时通过上述的应急措施，避免了大坝再次破坏，暂时稳定了大坝的安全。

2.3 工程地质勘察

本次地质勘察在大坝坝顶、外坝坡及坝脚共布置5个钻孔。自上而下，揭露的地层和岩性简述如下：

1)素填土(Qml)：在全部钻孔有揭露。钻孔揭露层厚1.50-2.80m。棕黄、灰黄色，稍湿，主要由花岗岩残积土回填而成，夹大量风化碎石、碎块，黏性较差，压实度一般。地基承载力特征值的经验值fak=80kPa。渗透系数k=1.53×10-4cm/s-72.71×10-4cm/s，平均值为31.05×10-4cm/s，中等透水性。

2)粉质黏土(Qal)：顶界埋深2.80-13.20m，层厚7.50-8.60m，属冲积土。浅黄、灰黄色，呈可塑状态，主要由粉、黏粒组成，间含中、粗砂。基承载力特征值的经验值fak=180kPa。其渗透系数k=0.18×10-4cm/s-0.47×10-4cm/s，平均值为0.29×10-4cm/s，弱透水性。

3)粗砂(Qal)：顶界埋深14.70-21.60m，层厚3.70-6.60m，属冲积土。黄色，呈饱和，中密状态，主要由粗、砾粒石英砂组成，含各级砂及粉、黏粒。基承载力特征值的经验值fak=250kPa。渗透系数k=17.6×10-4cm/s-56.8×10-4cm/s，平均值为41.8×10-4cm/s，强透水性。

4)砾质黏性土(Qel)：主要分布在坝肩两侧。顶界埋深11.60m，层厚8.80m，属花岗岩残积土。棕褐、棕黄色，呈硬塑状态，主要由粉、黏粒及石英砂、砾组成，遇水易软化、崩解。基承载力特征值的经验值fak=280kPa。渗透系数k=1.47×10-4cm/s-3.86×10-4cm/s，平均值为2.67×10-4cm/s，弱透水性。

5)强风化花岗岩(J)：顶界埋深11.40-28.20m，层厚2.90-5.40m。肉红、黄褐、灰白色，块状构造，粗粒花岗结构；主要由长石、石英、云母等组成，其中长石已大部分高岭土化，岩石风化强烈，岩芯呈半岩半土状，遇水易软化、崩解。破碎岩石承载力特征值fak=700kPa。渗透系数k=0.13×10-4cm/s-0.25×10-4cm/s，平均值为0.19×10-4cm/s，弱透水性。

3 滑坡成因分析

3.1 大坝稳定计算

3.1.1 算断面的拟定

本次计算选大坝最大断面(位于出险段)进行计算。大坝计算断面由上到下土层分别为：坝体填筑土、粉质黏土、粗砂、强风化花岗岩，坝后有排水棱体和坝后填土层，计算断面如图3所示。

图3 大坝计算断面

3.1.2 计算参数的选取

根据大旺水库岩土工程勘察报告，各项物理力学指标采用同一土层内土样试验统计的建议值，稳定渗流期土的抗剪强度指标采用慢剪指标，非稳定渗流期采用固结快剪指标。反滤体的物理力学指标根据《砂砾石地基工程地质》和《中小型水利水电工程地质》(第二版)并结合同类工程经验数值取值，凝聚力C=0，内摩擦角φ=35°，容重γ=25 kN/m3。具体的物理力学指标取值见表1。

表1 土层物理力学参数表

3.1.3 计算工况

根据《小型水利水电工程碾压式土石坝设计规范》(SL189-2013)稳定计算主要复核以下5种工况：

1)正常运用条件：上游正常蓄水位20.16m和相应下游水位的下游坝坡稳定。

2)正常运用条件：上游设计洪水位22.64m和相应下游水位的下游坝坡稳定。

3)正常运用条件：库水位从设计洪水位22.64m降至正常蓄水位20.16m时，上游坝坡稳定。

4)非常运用条件Ⅰ：上游校核洪水位23.67m和相应下游水位的下游坝坡稳定。

5)非常运用条件Ⅰ：库水位从校核洪水位23.67m降至正常蓄水位20.16m时，上游坝坡稳定。

3.1.4 计算成果

土体的抗剪强度指标根据规范要求进行选取，大坝稳定渗流期采用有效应力法，水库水位降落期采用总应力法。坝体浸润线采用相应工作条件下的渗流计算结果，文章因篇幅有限，只列出计算成果，过程不再做详细描述见表2、表3。

表2 各工况下土坝渗流计算成果表

表3 坝坡稳定安全系数成果表

3.2 大坝变形分析

3.2.1 稳定计算成果分析

根据水库的复核水位、地质相关参数对现状大坝断面进行大坝抗滑稳定计算，在各种工况下，坝坡抗滑稳定最小安全系数满足现行设计规范的要求，但大坝背水坡局部实际上发生了开裂、滑坡，损坏部分的反滤体最大移位达到280mm，与以上计算结果不符。初步分析原因为：水库出险后一个月才进行地质勘察，期间天气较好，在人为的控制下，库区长期处于低水位，坝体内浸润线相对降低，坝体土的物理力学性质与出险时差异较大，勘察数据不具备代表性，但至少证明坝体设计不存在结构缺陷[2]。

3.2.2 滑坡成因分析

滑坡是斜坡土体沿着惯通的剪切破坏面所发生的滑移地质现象。滑坡的机制是某一滑移面上剪应力超过了该面的抗剪强度所致。结合工程现场勘察与水库管理管理人员的访谈，分析滑坡成因为：2002年水库除险加固工程对大坝进行培土加固和在坝脚新建反滤体，新填土与坝体旧土之间可能存在分层。大坝受连续降雨影响，水库水位抬高导致大坝浸润线相应提高，且出险段填筑土料孔隙比大，对应下游的反滤体局部堵塞，新填土压实度比旧土高，透水性比原坝体旧填土低，在新旧填土之间产生兜水，水流汇集在出险段无法通过反滤体排出，造成出险段坝体填土处于饱和状态，土体的内摩擦角和黏聚力均发生变化，土体强度下降，水平滑移推力加大，在新旧接触面薄弱处产生剪切破坏，因此出险段土体向下滑移，同时造成反滤体滑移[3]。

根据现场的滑坡位置及裂缝深度的探查，滑移面与2002年除险加固的新旧填土接触面基本一致，符合上述滑坡成因分析。

4 滑坡处理方案

滑坡处理前，为防止雨水冲刷及从裂缝进入滑坡土体，增加滑裂面的土体含水率，影响滑裂面的自行排水固结，雨水天需保持土工膜覆盖。因前期抢险措施，大旺水库滑移已稳定，滑坡永久性处置可选择在年底的枯水期进行，以保证施工安全。

通过稳定计算可知，原坝体尺寸满足结构稳定要求，故本次滑坡处理原则以按原设计修复为主。对裂缝采用开挖回填法处理，坝坡上的滑移松散土体需全部挖除，并超挖0.5-1.0m，并在结合面上设置阶梯状的结合槽，重建下部滑移的反滤棱体及排水沟，再分层填筑坝体，坝体处采用黏性土填筑，新填土设计压实度为0.96。为保证坝坡的压实度，坡面填土超填0.5m，压实后用人工修坡至设计坡面线，并重新种植草皮，具体做法见图4。

图4 大旺水库大坝后坡修复断面图

施工过程需严格控制填土质量，采用分层填筑压实，压实厚度≤30cm。填土的最优含水率通过现场试验确定，压实度必须符合设计要求。

5 结 语

土石坝险情种类多，本次大旺水库滑坡险情是在极端天气下，浸润线过高，背水坡坝脚新旧填土薄弱的接触面出现失稳滑移，是属于工程施工填土面结合处理不好存在薄弱面导致的。这提醒我们，作为水利行业的工作者，设计过程需充分考虑各关键部位的处理，并在设计文件及技术交底会上重点交待。而施工方，需按图施工及控制好施工质量，保证每一个单元工程的质量。庆幸的是这次大旺水库险情当地政府及管理者初步应急处理得当，未造成人员伤亡及大的财产损失，但我们需要引以为戒。