天生桥水库除险加固设计

 曾  旭

 （遵义水利水电勘测设计研究院，贵州遵义  563000）

【摘  要】  天生桥水库是一座堵洞口成库的岩溶水库。通过比较，水库除险加固设计选择了结构简单、方案经济合理、技术可靠的溶洞内新建拱形堵体方案：本文论述了该工程岩桥稳定性和防渗效果的研究工作，分析总结区域复杂的岩溶水文地质特征和处理措施，对类似工程具有指导意义。

【关键词】  拱坝；除险加固；方案比选；优化设计；病险水库

中图分类号：TV62     文章编号：10054774( 2016) 03-0040-04

1基本情况

    天生桥水库位于仁怀市合马镇境内，大坝坐落在赤水河一级支流木溪河中游，坝址以上流域面积33km2（其中闭流区面积4. 53 km2），原设计水库总库容770万m3，属小(1)型水库。该工程以灌溉为主。

    天生桥水库是一座堵洞口成库的岩溶水库，挡水建筑物主要由溶洞进口拱形堵体、堵体护坡砌石拱及上部“岩桥”组成，拱形堵体外半径为20m，内半径为14m，拱厚6m，堵体高28. 17m，堵体上、下游面采用150号混凝土预制块镶面；护坡砌石拱高19. 92m，采用C15混凝土浇筑而成，厚1. 0m；“岩桥”表面采用混凝土埋块石护坡．护坡厚度为0.8~1. 0m。

    经多年运行，上游护坡表面杂草丛生，有多处裂缝，堵体、基础及两肩岩体、上部“岩桥”及护坡渗漏严重，多处出现塌陷。

2  溶洞及“岩桥”水文地质、工程地质评价

2.1  地形地貌

    工程区为天然形成的“岩桥”地形，属典型的岩溶洞穴地貌，其主要由三部分组成：K1溶洞、溶洞顶部“岩桥”及河谷两岸山体。

    K1溶洞主要沿f4断层发育形成，洞宽4~20m，洞高20~ 50m，洞长约170m，进口发育方向近SN向，出口方向N150E，为原木溪河的伏流段，溶洞总体形状为上宽下窄，呈不规则形状，洞壁岩体相对较完整，局部有斜向山内的小溶穴发育，但孔口多被钙质胶结。下

部洞壁近于直立，呈湿润状，局部呈流态，}同顶“岩桥”局部有滴水现象。洞壁强风化厚0.5~1m。洞顶“岩桥”底部强风化深3~3. 5m，局部沿断层或溶蚀裂隙面呈囊状风化，受雨季洪水及地下水长期作用，洞顶及洞壁有钙化层和石钟乳分布，岩体内存在溶沟、溶槽现象，受f4断层切割，洞顶构造裂隙较发育，局部存在掉块和跨塌现象，但总体稳定性较好。溶}同上部“岩桥”岩体厚约3.5~42m。“岩桥”为上游薄、下游厚的楔形体，即迎水面为斜坡地形，坡角200~ 400，坡顶为台地垭口（即天然溢洪道），下游侧为陡崖，高约80m。“岩桥”岩体溶蚀裂隙发育，表面覆盖1.5~3. 0m厚的残坡积黏土，“岩桥”表面已产生3处塌坑，呈圆形漏斗状斜向溶洞发育，洞内充填黏土碎石，向下逐渐发育为溶隙。“岩桥”上部为峡谷地形，呈“V”形展开，两岸山体雄厚。

2.2地层岩性及地质构造

    坝址出露地层为寒武系中上统娄山关群（∈2-31s）及第四系(Q)。寒武系中上统娄山关群为灰色中至厚层夹薄层白云岩，角砾状白云岩。受区域性断裂、褶皱及次生断层的影响，坝址区岩层产状变化较大，产状为N210～740W/NE∠250～550及N550～710E/NW∠510～

610。第四系主要分布在原堵体上游河床内的冲洪积(Qapl)砂卵砾石层，以及左右岸坡、河床台地、“岩桥”表面局部的残坡积(Qedl)黏土、壤土夹碎石覆盖。

    溶洞主要沿f4断层发育，受其影响，工程区裂隙密集发育，具有代表性的裂隙有三组：N70~140E/NW∠780~850，为构造性裂隙，沿该组裂隙多形成溶隙性岩溶通道；N350~650W/NE /800~850，为构造性裂隙，该组裂隙切割多形成陡坎或悬崖；N150~200W/NE∠250～400，为层间溶蚀裂隙，该组裂隙多发育形成溶隙洞穴。

2.3  岩溶水文地质条件

    坝址岩性是以白云岩、角砾状白云岩为主的可溶性碳酸盐岩类，该类岩组为中等含水岩层，受区域构造的影响，在坝址区顺河流方向发育有f4正断层，断层破碎带由地表向下逐渐尖灭，发育为溶隙状，另外受f4构造的影响，在其附近地表一定深度及宽度内构造裂隙较发育。河水不断对f4断层破碎带岩体进行淘刷、溶蚀，形成向下游的排泄通道，随着时间的推移，断层破碎带岩体逐渐被河水淘空，进而发展为今天的K1溶洞。K1溶洞形状为上宽下窄，且洞壁岩体完整性好，未见有大型次生溶洞发育，说明溶洞主要沿构造发育。溶洞洞壁下部岩体均为湿润状，局部洞壁有明显的水流状态或滴水状，加之溶洞下游一定范围内未见地下水出露，两岸坡无洼地、落水洞及岩溶漏斗发育，说明两岸坡地表岩溶不发育，K1溶洞为两岸山体地下水的排泄基准面和岩溶发育基准面。

3工程除险加固设计

3.1  除险加固方案选择

    根据水库大坝安全鉴定结论，原溶洞堵体强度、抗滑稳定不满足规范要求。此次除险加固设计对堵体加固以及“岩桥”防渗处理拟定以下三个方案。方案一：在现有堵体上游面对原堵体加固，该方案运料交通较为方便，施工作业面大，但开挖工程量大，做围堰较为困难，施工难度大，“岩桥”表面防渗处理可靠性差、工程量大；方案二：在下游溶洞内对原堵体加固，该方案运料交通不方便，施工作业面小，施工难度大，“岩桥”表面防渗处理可靠性差、工程量大，但开挖工程量小，可用原堵体作为围堰，易施工；方案三：在下游溶洞内

靠近溢流进口下部新建堵体，结合帷幕灌浆以及“岩桥”防渗处理进行加固，该方案运料交通不方便，施工作业面小，施工难度大，但开挖工程量小，“岩桥”防渗处理工程量小，可用原堵体作围堰，易施工。    

综上所述，考虑到对原堵体加固处理施工会对原堵体带来不利影响，且原堵体至溢洪道进口段岩体单薄，溶隙发育，长期承受较大的水压可能被击穿或失稳，故选择在原堵体下游地质条件相对较好的洞段新建堵体方案。为了降低工程投资，结合新建堵体段洞形、地质条件，拟选混凝土拱形堵体。

3.2堵体结构设计

    新建堵体在原堵体下游约45m处，该洞段洞高38～48m，宽7.63~13. 69m，溶洞成不规则的狭缝形，顶部较宽，多被钙化层、石钟乳覆盖，下部较窄，至底部沿f4断层呈缝隙尖灭，洞壁陡峭，多呈湿润状。洞壁岩体多被钙质胶结物覆盖，局部有小溶穴、溶孔等发育。

其裸露段岩体完整性较好，受构造的影响，溶洞岩体受N70~140E、N350~ 650W和N150~200W三组裂隙切割洞壁面凹凸不平，洞壁陡、直及出露岩体完整性较好，溶洞内裂隙发育较弱，洞壁基岩强风化厚0.5~1. 2m，洞顶“岩桥”底部强风化厚3~4一n。新建堵体为材料C20混凝土，厚为8～15m、高为46. 05m的拱形堵体，基础及侧面嵌入基岩不小于3. 0m，顶面清挖不小于1m，与基岩接触面用ɸ20锚筋连接，其单根长为3m、间距为2m，呈梅花形布置。在堵体顶部预埋回填灌浆管，两侧面预埋接触灌浆管，以保证堵体与岩体紧密结合。新建堵体为拱形结构，上游面为铅直面，相应堵体基础高程581. 06m、顶高程627. 11m。另外由于原堵体基础及周边岩体渗漏严重，在585. 50m高程新建堵体布置一根ɸ1000钢管作施工期新老堵体之间的放空和排水，出口设ɸ1000闸阀。堵体体型主要几何参数如下表所列。

4防渗处理

4.1  防渗方案的选择

    根据新建堵体的位置，防渗方案为帷幕灌浆与“岩桥”防渗处理相结合。为了增大防渗的可靠性，减少“岩桥”防渗面积，防渗帷幕线横切新建堵体沿堵体上游侧布设。

4.2防渗处理设计

4.2.1  “岩桥”表面防渗结构处理

    由于帷幕线在“岩桥”约有25m长起灌高程低于正常蓄水位660. 50m（见下页图所示），以致于该部分“岩桥”表面需进行防渗处理。清除原656. 50m以上“岩桥”迎水面护坡混凝土埋块石及原未清挖完的覆盖层黏土，并对溶蚀裂隙进行扩挖回填。采用C20钢筋混凝土防渗面板，其厚度为0. 3m，防渗面板采用ɸ20锚筋与基岩连接，其单根长为3m、间距为2m，呈梅花形布置。

4.2.2  防渗灌浆设计

    a．防渗标准：

    该工程的正常蓄水位高程660. 50m，新建堵体基础高程580. 00m，水头差80m。根据《水工建筑物水泥灌浆施工技术规范》(SL62-94)及该工程区出露岩体均为可溶岩、岩体内构造裂隙较发育、地下水位较低、K1溶洞在一定深度范围内及以上岩体透水率较大，故防渗标准采用岩体的透水率q≤3Lu。

    b．帷幕边界确定：

    因该水库为堵洞成库的岩溶水库，出露地层岩性为寒武系中上统娄山关群灰色中一厚层夹薄层白云岩、角砾状白云岩，岩层整体倾下游，受区域构造及坝址区f4断层的影响，该区岩体一定深度范围内裂隙及岩溶发育，强风化较深且差异较大。库水主要通过“岩桥”及近岸山体横向补给K1溶洞。特别是原堵体至溢洪道进口段“岩桥”受构造裂隙切割，岩体完整性较差，透水率较大，加之水头较高，地面施灌单孔深度多大于100m，这对灌浆工艺控制及灌浆效果的把握要求较高，故在612. 00m高程堵体及岩体分别设置灌浆廊道和灌浆平硐，以减小单孔孔深。为了增大防渗的可靠性，“岩桥”部分设双排帷幕。

    主帷幕线沿横切新建堵体至两岸坡，距堵体顶部上游边界约3. 0m，帷幕边界条件采用可溶岩地区绕渗公式L= H/3 +C计算确定，计算得L=50m。并对岸坡可能绕渗范围内岩体进行封闭。故左岸帷幕线端点地表高程为682. 70m，右岸帷幕端点地面高程为696. 80m;溶洞段底界以f4断层控制，其底界深入溶洞底部高程以下15m，左右底界以深入岸坡地下水位线以下10m为准。

    帷幕防渗设计主帷幕线长108m，副帷幕长26m，防渗有效进尺3454. 0m，防渗面积900m2；搭接灌浆孔242个，搭接灌浆进尺680m。

    c．帷幕灌浆先导孔设计：

    为了解灌浆有关参数，把部分灌浆孔设置为先导孔，并孔内做压水试验和灌浆试验，为以后的灌浆施工提供可靠参数依据。帷幕防渗边界和底界先导孔根据资料做优化调整。

5结论

    a．天生桥水库是一座堵洞成库的岩溶水库，本文对溶洞中拱形堵体结构的设计、“岩桥”稳定性和防渗效果进行了研究，分析总结区域复杂的岩溶水文地质特征和处理措施，对类似工程具有指导意义。

    b．溶洞内筑拱坝不仅设计上有一定的难度，而且施工上存在较大的困难，除了施工场面狭窄外，还有放炮共振引起洞穴掉块及原堵体结构安全等问题，开挖过程中易发生洞壁、洞顶滑坡掉块等不安全因素。因此溶洞内筑坝施工技术值得总结和推广。

    c．该工程除险后，经钻孔压水试验、蓄水观测等，设计是合理可行的，达到了除险加固的目的。