黎 強(qiáng) 張貴金 曾柳絮

（長沙理工大學(xué)水利工程學(xué)院水沙科學(xué)與水災(zāi)害防治湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 長沙市 410076）

喀斯特地區(qū)水資源豐富，但利用起來難度大，這些地區(qū)又極易干旱缺水[1～2]。中國喀斯特地貌分布廣泛、類型多，世界罕見。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，總面積達(dá)200萬km2，其中裸露的碳酸鹽類巖石面積約130萬km2，約占全國總面積的1/7；埋藏的碳酸鹽巖石面積約70萬km2。西南地區(qū)巖溶總面積42.624萬km2，有史書記載大大小小的干旱數(shù)不勝數(shù)。2010年3月百年一遇的西南旱災(zāi)，致使喀斯特地區(qū)水患問題嚴(yán)重影響到國計(jì)民生，甚至社會(huì)穩(wěn)定。

喀斯特地區(qū)地表缺水的最大問題是集水困難，各類水利工程的重點(diǎn)是防滲堵漏。本文基于典型溶洼水庫——湖南永州貓兒巖水庫工程修建歷程的分析研究和現(xiàn)狀綜合評(píng)估，總結(jié)修筑溶洼水庫的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，為相似工程提供參考與借鑒。

1 貓兒巖水庫安全評(píng)價(jià)

1.1 工程概況

貓兒巖水庫位于湖南省永州市的西南側(cè)，與廣西壯族自治區(qū)全州縣毗鄰，在湘江一級(jí)支流——石期河的上游。壩址在永州市芝山區(qū)大慶坪鄉(xiāng)排家洞村，東經(jīng)111° 15′，北緯25°53′。水庫所處的大慶坪是以石灰?guī)r為主的喀斯特地區(qū)，也是湖南省、廣西區(qū)交界區(qū)域聞名的干旱死角，而轄區(qū)內(nèi)地下水資源又十分豐富，主要由貓兒巖水庫、幸福壩、潮水江、清水頭等水系構(gòu)成地下水布局。

貓兒巖水庫建于天然溶井的巖壁上，溶井呈圓形，直徑（200～250）m，底板高程420.0m，溶井四周多為陡壁，山嶺高程642.0m，北東有一埡口，高程520.0m。地下河從埡口旁邊進(jìn)口，溶洞寬（20～25）m，高（30～35）m，中部偏左側(cè)有一石柱（俗稱牛鼻坎），石柱厚20m，長40m。

通過封堵地下暗河成庫，水庫上下暗河段連續(xù)長度3 km，上游明河段9km，是地下庫容與地表庫容連成一體的水庫工程。樞紐工程由主壩、副壩、灌溉發(fā)電隧洞、防空底孔和溢洪隧洞組成。貓兒巖水庫主壩設(shè)計(jì)為漿砌石拱壩，修建于貓兒巖天然溶洞進(jìn)口處，呈不標(biāo)準(zhǔn)圓筒狀，壩體底部厚7.0m，頂部厚5.0m，下游壩面寬度20.2m。壩高38m，壩頂高程458.0m，壩頂與上部巖石相接，實(shí)際上不屬于水工結(jié)構(gòu)意義上的拱壩。

1.2 修建歷史

1966年開始筑壩引水，經(jīng)斷續(xù)多年的實(shí)踐摸索，1976～1978年在暗河進(jìn)口處修建漿砌石拱壩，因未對(duì)壩址地質(zhì)進(jìn)行勘察，部分壩體砌筑在膠結(jié)不好的塌落體上。1979年4月28日關(guān)閘蓄水，當(dāng)水位上升到高程460.0m時(shí)，壩基漏水嚴(yán)重，水庫放空后幾次處理都不成功。1983年進(jìn)行了詳細(xì)深入的勘探，在壩前進(jìn)行了鉆孔灌漿堵漏處理。1985年5月再次蓄水，壩前水深達(dá)40m，水位保持近4個(gè)月，因水泥漿凝固不好，9月中自壩基巖溶洞隙被壓穿。1985～1990年，經(jīng)專家會(huì)診和多次論證后，最終在壩下20m處找到了深層漏水溶槽，第二期采取用漿砌石和混凝土封堵深層漏水溶槽及帷幕灌漿等一系工程措施，1990年蓄水成功（蓄水深度達(dá)到82.0m，蓄水位492.0m，庫容2340萬m3），但未對(duì)壩體加固。

目前貓兒巖水庫灌區(qū)在湖南境內(nèi)可惠及永州市4個(gè)鄉(xiāng)和38個(gè)村，在永州的總灌溉面積為2413.6hm2，加上地下水庫通過地下溶洼連通的廣西境內(nèi)的灌溉面積可達(dá)4143.3 hm2?，F(xiàn)水庫正常蓄水位500.0m，相應(yīng)的庫容約3253萬m3，校核水位為505.033m，相應(yīng)的庫容約3934.3萬m3。

1.3 安全評(píng)價(jià)

從1990年蓄水成功到現(xiàn)在，經(jīng)過多年蓄水運(yùn)行，最大蓄水位僅496.0m，從未達(dá)到正常蓄水位（500.0m），加之壩體一直未進(jìn)行加固處理，壩體及庫區(qū)存在嚴(yán)重的滲漏隱患，極大地影響到其灌溉效益發(fā)揮，嚴(yán)重制約湖南、廣西交界廣大地區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和居民生活，十分必要對(duì)水庫現(xiàn)狀結(jié)合評(píng)價(jià)再做系統(tǒng)加固處理。

（1）壩體穩(wěn)定計(jì)算。

考慮貓兒巖拱壩的特殊性，由于暗壩壩頂實(shí)際與上覆巖體連接，形成四周固結(jié)，這與傳統(tǒng)意義上的拱壩不同。為便于使用拱冠梁法計(jì)算，并與有限元方法計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，在構(gòu)建有限元計(jì)算模型時(shí)分兩種進(jìn)行：模型1（圖1）為不考慮壩頂上覆巖體模型；模型2（圖2）為考慮壩頂圍巖體，將壩頂巖體與壩體作為整體建模。對(duì)模型1與拱冠梁法選擇兩種工況為：工況1-1（已達(dá)蓄水位），工況1-2（設(shè)計(jì)洪水位）；對(duì)模型2選擇三種有代表性的控制性工況考慮，為:工況2-1（已達(dá)蓄水位），工況2-2（設(shè)計(jì)洪水位），工況2-3（校核洪水位）。在計(jì)算中，物理參數(shù)取值見表1。

圖1 貓兒巖拱壩計(jì)算模型1網(wǎng)格圖

圖2 貓兒巖拱壩計(jì)算模型2網(wǎng)格圖

表1 壩體、壩基物理參數(shù)表

由于該工程設(shè)計(jì)地震烈度不大于6度，根據(jù)規(guī)范[3]不考慮地震荷載，且壩體常年處于死水位之下不考慮溫度荷載。全部工況計(jì)各種水位+自重。水庫已達(dá)最高蓄水位496.0m，設(shè)計(jì)洪水位503.346m，校核洪水位505.03m。

圖3～圖7是有限元法的數(shù)值計(jì)算模型1和拱冠梁法計(jì)算得出的在工況1-1和工況1-2的各項(xiàng)拱冠梁位移、應(yīng)力值和左拱端上下游應(yīng)力值的比較結(jié)果。

圖3 拱冠梁法和有限元法拱冠梁位移比較圖

圖4 拱冠梁法和有限元法拱冠梁上游應(yīng)力比較圖

圖5 拱冠梁法和有限元法拱冠梁下游應(yīng)力比較圖

圖6 拱冠梁法和有限元法左拱端上游應(yīng)力比較圖

圖7 拱冠梁法和有限元法左拱端下游應(yīng)力比較圖

在應(yīng)力計(jì)算中，雖然有限元法計(jì)算所得應(yīng)力突變較大，拱頂和拱底與巖石的交界面處應(yīng)力集中，但從圖3～圖7可得出拱冠梁法和有限元法計(jì)算結(jié)果應(yīng)力分布規(guī)律基本一致，所以對(duì)該復(fù)雜工程中的結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行有限元法分析是合理的。

表2、表3是模型二在工況2-1至工況2-3的應(yīng)力位移計(jì)算值。

表2～3結(jié)果表明：有限元計(jì)算的應(yīng)力值及分布規(guī)律符合一般拱壩的應(yīng)力分布特點(diǎn)[4]，但上游面最大拉應(yīng)力和下游面最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在壩體和巖體的界面上，這是由于計(jì)算模型的幾何形狀突變產(chǎn)生的應(yīng)力集中現(xiàn)象，不宜作為檢驗(yàn)壩體是否滿足設(shè)計(jì)應(yīng)力控制要求的依據(jù)。規(guī)范[5]規(guī)定用有限元法計(jì)算時(shí)，應(yīng)補(bǔ)充“有限元等效應(yīng)力”，對(duì)于基本荷載組合，“有限元等效應(yīng)力”求得的壩體主拉應(yīng)力不得大于1.5MPa。根據(jù)規(guī)范對(duì)有限元等效應(yīng)力的定義，用有限元計(jì)算出應(yīng)力后，沿徑向積分，求出內(nèi)力，然后用材料力學(xué)方法求出有限元等效應(yīng)力，目的是消除應(yīng)力集中現(xiàn)象[6]。經(jīng)計(jì)算，最大等效應(yīng)力主拉應(yīng)力小于1.5MPa，3種工況的上游最大拉壓力均稍大于規(guī)范允許的1.5MPa內(nèi)，需要加固。表4給出了模型2在各工況下左、右岸拱座有限元法的內(nèi)力計(jì)算成果根據(jù)壩體傳到拱座分界面的內(nèi)力，自重荷載，計(jì)算得到拱座抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)。

表2 有限元法拱冠梁處順河向位移和拱冠梁應(yīng)力表

表3 有限元法拱端應(yīng)力表MPa

計(jì)算得到的拱座各分層抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)表反映出，右拱端拱座抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均大于規(guī)范值，滿足規(guī)范要求。左拱端牛鼻坎拱座抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)K值均小于規(guī)范值，不滿足規(guī)范要求。建議對(duì)牛鼻坎進(jìn)行除險(xiǎn)加固，必要時(shí)對(duì)局部破損處、裂隙發(fā)育、巖體破碎部位進(jìn)行加固。

表4 拱座抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)k

（2）滲漏分析。

貓兒巖水庫雖地處灰?guī)r地區(qū)，但庫區(qū)地質(zhì)條件得天獨(dú)厚，整個(gè)地下水沿北東向管道匯集于貓兒巖壩區(qū)，具有良好的溶洼成庫的地質(zhì)條件。壩基及壩肩巖體為厚層灰?guī)r，堅(jiān)硬完整，穩(wěn)定性較好，防滲效果較好。

壩體下部的河床及溶槽為沖積物充填物，是滲流的主要部位，基礎(chǔ)防滲也是本工程能否蓄住水和發(fā)揮效益的關(guān)鍵所在。大壩建成后，壩基漏水嚴(yán)重，一度成為干庫。壩底巖基曾于1979年4月被水擊穿，后經(jīng)詳細(xì)深入地勘探，在壩前進(jìn)行了鉆孔灌漿封堵處理。由于水泥漿凝固不好，1985年9月中旬壩底巖基再次被擊穿。后經(jīng)查明主要滲漏通道為沿F2、F5斷層形成的隙狀溶洞產(chǎn)生。經(jīng)洞挖混凝土堵塞，預(yù)埋管灌漿處理，蓄水成功。從貓兒巖水庫多年加固處理過程來看，主要是針對(duì)該基礎(chǔ)進(jìn)行防滲處理。通過對(duì)深層漏水溶槽進(jìn)行開挖至弱風(fēng)化層，并采取混凝土封堵處理，防止壩底巖基再次被壓穿。

但建壩時(shí)清基不徹底，局部存在松散巖體，開挖至弱風(fēng)化層，采取混凝土封堵處理只針對(duì)主要的溶槽進(jìn)行。由于未進(jìn)行系統(tǒng)的防滲處理，可能存在深部斷層帶，因此，仍存在壩基滲漏隱患。

大壩下游白巖口暗河仍有相當(dāng)?shù)乃?，目前不清楚水流的具體來源，不排除壩區(qū)仍存在較大的滲水通道。且放空底孔閘門止水橡皮已部分破壞，并有漏水現(xiàn)象。當(dāng)庫水位超過496.0m時(shí)，漏水嚴(yán)重。在壩的下游約400m，暗河出口的北巖口暗河平時(shí)流量約0.6m3/s，洪水期流量約0.6m3/s，這些水一部分來自放空底孔閘門處的漏水，另外可能來自庫區(qū)及基礎(chǔ)的滲水。需采用帷幕灌漿進(jìn)行系統(tǒng)地防滲處理，根據(jù)鉆探及壓水試驗(yàn)分析，帷幕須深入到下部泥灰?guī)r夾層，至380.0m高程為宜。

沿右側(cè)F5斷層仍存在滲漏通道。據(jù)管理所長期觀察，在近暗河出口內(nèi)（8～10）m處，沿F5斷層發(fā)育一分支裂隙狀溶洞，庫水沿此經(jīng)主壩右側(cè)壩肩滲漏至壩下游。

據(jù)測(cè)繪調(diào)查，壩前西側(cè)埡口沿F6斷層有巖溶通道。當(dāng)庫水位上升至490.0m高程時(shí)，埡口斜坡多處塌洞，呈東西條帶分布。西側(cè)洼地490.0m高程洼地多處冒水，涌水量達(dá)200L/s，且隨庫水位升高而增大。這是岸部向鄰谷滲漏的主要隱患，致使水庫始終未達(dá)到正常水位的主要地質(zhì)因素之一。F6斷層破碎帶處需設(shè)防滲帷幕，其深度應(yīng)置入480.0m高程以下。

2 結(jié) 語

盡管在喀斯特地區(qū)建設(shè)溶洼水庫經(jīng)驗(yàn)的成分較多，難以總結(jié)出系統(tǒng)的理論，但要很好地解決這些地區(qū)的水問題，充分利用地下水資源，建設(shè)溶洼水庫是一條重要途徑。需要不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，加大投入力度，充分利用先進(jìn)科學(xué)技術(shù)，采用新材料新工藝，準(zhǔn)確有效實(shí)施防滲堵漏，以保證溶洼成庫，實(shí)現(xiàn)長期穩(wěn)定運(yùn)行效益。以下幾方面值得注意：

（1）庫區(qū)選擇。

地質(zhì)構(gòu)造上最好呈一個(gè)小區(qū)水文網(wǎng)系發(fā)展擴(kuò)大的單向縱谷，中間應(yīng)沒有復(fù)雜、明顯的歸并與復(fù)合，形成的水文系統(tǒng)應(yīng)基本上是單一的管道形式，即下游只有一個(gè)主排泄口（該市的清水頭水庫屬此類型）；或者庫區(qū)雖有兩個(gè)或多個(gè)水文網(wǎng)系，匯流成一個(gè)主排泄道。貓兒巖暗河分支甚多，主河道呈“y”形，應(yīng)屬此類?；讘?yīng)為隔水層組成。兩岸應(yīng)有較高的地下分水嶺。按上述條件選擇庫址，既可保證庫水不向鄰谷漏走，又可在暗河咽喉部位進(jìn)行堵截和防滲處理，費(fèi)用較省且成功率高。

（2）庫壩選址。

貓兒巖水庫于1976～1978年在暗河進(jìn)口處修建漿砌石拱壩，因未對(duì)壩址地質(zhì)進(jìn)行勘察，部分壩體砌筑在膠結(jié)不好的塌落體上，使得壩基漏水嚴(yán)重，經(jīng)過多次處理才蓄水成功。所以選址是關(guān)鍵問題，經(jīng)驗(yàn)得出選址一般選擇地下河洞體巖體穩(wěn)定、工程量小、洞徑較小處的匯流管道處堵洞筑壩。能保證支承壩體承受最高水頭壓力的穩(wěn)定性，易進(jìn)行基礎(chǔ)的處理，能有效地堵截漏水通道。

（3）地質(zhì)勘探。

貓兒巖水庫改建工作為1971～1985年，其主要原因是沒有做好地質(zhì)勘探工作，盲目施工所致。溶蝕洼地伴隨著巖溶管道系統(tǒng)的形成，有些地下管道存在于溶蝕洼地底部[7～8]，所以地質(zhì)勘探困難大，要準(zhǔn)確摸清地下溶蝕情況，需要綜合利用常規(guī)地質(zhì)勘探方法、地球物理方法，甚至同位素示蹤等，但成本巨大，也很難完全搞清準(zhǔn)確的地質(zhì)。所以查清地下管道的分布、發(fā)育情況還需要找到更為經(jīng)濟(jì)、準(zhǔn)確的方法。

（4）防滲堵漏方法。

滲漏的防治問題是建庫成功的關(guān)鍵。防滲工程設(shè)計(jì)施工難度大。巖溶地區(qū)的防滲堵漏，要選用經(jīng)濟(jì)耐久的防滲材料，不同溶蝕巖體的防滲施工技術(shù)要求非常高。應(yīng)根據(jù)掌握的地質(zhì)資料因地制宜，采取合適的防滲堵漏方法，如淺部滲漏，采取清基開挖處理較好，如深部滲漏，可作灌漿處理；其次，受巖溶水的長期溶蝕，庫區(qū)可能形成新的滲漏通道，工程結(jié)構(gòu)材料的溶蝕弱化也會(huì)造成滲漏，巖溶水環(huán)境下的耐久性問題突出，需要在新材料、新工藝、新技術(shù)方面的開發(fā)利用上繼續(xù)探索，發(fā)展多種注漿工藝及注漿施工技術(shù)。

1 賀衛(wèi),李坡.喀斯特峽谷區(qū)工程性缺水原因及解決途徑—以貴州省花江峽谷示范區(qū)為例[J].資源與環(huán)境,2010,26(2):129-133.

2 徐社輝,蔣忠誠,覃小群等.論我國西南巖溶區(qū)溶洼水庫工程建設(shè)[J].2007,5(2):18-21.

3 DL5073-2000.水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

4 黎展眉.拱壩多拱梁法兒種非圓弧拱比較[J].貴州水力發(fā)電,1999, (2):25-29.

5 SL548-2006混凝土拱壩設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

6 朱伯芳.論拱壩應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)[C].2002.

7 周大連,唐樹梓.貓兒巖暗河水庫特征及漏水處理[J].水利水電建設(shè),1992,4:30-34.

8 廣西第一水文隊(duì).中國區(qū)域水文地質(zhì)調(diào)查(靖西篇)[R].廣西地質(zhì)出版社,1973.