韓家園水庫大壩滲漏問題淺析

董立龍

【摘 要】本文論述了韓家園水庫庫區的工程地質條件，并在此基礎上對大壩存在的滲漏問題及工程參數進行了分析和評價。

【關鍵詞】韓家園水庫；大壩；滲漏

1 工程地質條件概述

1.1 地形地貌

韓家園水庫位于太行山東麓的洨河二級支流封龍河上，屬丘陵河谷地貌形態。地勢稍有起伏，總體自南西向北東傾斜。封龍河為季節性河流，自南西向北東流經庫區，壩址處主河道寬400～450m，河床底高程約70～75m，地面高程100～115m。主壩兩壩頭為低山，左側山頂高程約250m，右側山頂高程約160m。

1.2 地層巖性

場地上覆地層主要為第四系全新統人工填土，第四系上更新統坡洪積壤土、含粘土礫石、卵石，下伏基巖主要為下元古界甘陶河群南寺掌組上段千枚巖、下元古界甘陶河群南寺掌組下段石英砂巖。

第四系人全新統人工填土（QS）主要為壩體填筑的壤土，灰黃～棕黃色，層厚5～11m。第四系上更新統坡洪積（Qpdl3）壤土、含粘土礫石、卵石，具馬蘭黃土的一般特征，夾不連續的砂礫層或透鏡體，層厚3～40米，該層在工程區廣泛分布，略具豎直節理，鉆孔深度內揭露厚度不大于15m。下元古界甘陶河群南寺掌組上段（Ptn2）千枚巖，全～強風化層呈灰綠色～棕黃色，弱風化層呈淺灰色，產狀：NW335°～345°SW∠45°～52°，成分主要為絹云母、鈉長石和綠泥石，絲絹光澤明顯；局部發育45°和近90°節理，間距0.5～3m，主壩左側及副壩均揭露到此層，主壩右側山包也有出露。下元古界甘陶河群南寺掌組下段（Ptn1）石英砂巖，淺灰～灰黃色，鱗片花崗變晶結構，巖性穩定，在主壩壩基右側有所揭露，30m孔深未揭穿該層。

1.3 地質構造

從地質發展的歷史過程總體來看，本區可辨認三次褶皺運動，即太古界末的阜平運動、下元古界末的呂梁運動、中生界的燕山運動；一次大規模的斷裂下陷活動，即喜馬拉雅運動。其中呂梁運動形成的構造形式為本區基底構造，表現形式以褶皺為主，斷裂為輔。

1.4 地震效應

根據《建筑抗震設計規范》（GB50011-2010）和中國地震局制定、國家質量技術監督局發布的《中國地震動參數區劃圖》（GB18306-2001），庫區抗震設防烈度為6度，設計基本地震加速度為0.05g；地震動反應譜特征周期為0.40s，設計地震分組為第一組，屬中硬場地。

1966年邢臺隆堯發生6.8級地震，距庫區約45km，破壞程度不大。

2 工程地質問題及評價

2.1 主壩工程地質問題

本工程的主要工程地質問題就是壩體和壩基的滲漏問題。綜合分析本次和2004年勘察試驗成果可以發現，主壩壩體中第②工程地質單元位于地下水位以下，厚度1.5～2.5m，最厚4m；含水率大，粉粒含量高，孔隙比大，液性指數均大于0.75，多呈軟塑局部呈流塑狀態，其滲透系數建議值為7.5×10-5cm/s，屬弱透水，但接近中等透水；在壩體中形成了一條接近飽和的軟弱帶，不但造成了壩體的滲漏，對壩體本身的安全也已構成嚴重威脅。

橫向上，樁號0+145橫剖面上顯示為軟塑的壤土與其下部的卵礫石層共同組成滲透帶；樁號0+312顯示為軟塑的壤土層與含壤土的粗砂、含粗砂的壤土層共同組成滲透帶。此軟弱帶與壩下游地下水的出露點高程也比較接近。因此可以推斷，因為與庫水相連，壩體和壩下游戧臺中的軟弱帶形成了壩體的滲漏通道，致使下游出現了流量約為0.002m3/s的集中滲漏點，并在樁號0+312附近出現了冒砂現象。

2.2 主壩工程地質評價

（1）主壩壩體土為壤土，其中位于7～14.5m深度的第②工程地質單元相對軟弱，土體干密度低，粉粒含量高，含水率高，孔隙比大，滲透系數大，屬弱透水接近中等透水；樁號0+145附近上部的軟弱土層與其下部的卵礫石層、樁號0+312附近上部的軟弱土層與其下部的含壤土粗砂層一起，共同組成了與庫水相連的滲漏通道，在壩下游形成了集中滲漏點。

根據《水利水電工程地質勘察規范》（GB50487-2008）附錄M及試驗成果，對該部分土體進行滲透變形判別：①由試驗成果可知，所有土的不均勻系數均大于5；②由公式df=■ 得出粗細粒的區分粒徑，由“顆粒分析試驗報告”查出對應的Pc值；③根據Pc值的大小進行判斷。判別結果為：其變形型式大部分為管涌，部分為過渡型（詳見“顆粒分析試驗報告”）。這從樁號0+312下游出露點形成管涌也得到了印證。

“96.8”洪水期間，引崗渠庫區段渠道崩潰，崩潰的引崗渠又將水庫流域以外的山洪導入水庫，致使水庫水位急劇上漲，很快洪水漫過壩頂，水庫管理處被迫采取緊急措施，炸開左側部分壩段（長75m，深6.6m）泄洪，洪水才得以控制。

第②工程地質單元的存在已經極大地影響了壩體質量，如不及時整治，若再遇“96.8”規模洪水，庫水位抬高，其含水率將進一步加大，其抗剪強度指標Cq=12～14kPa，Φq=18°～20°，均很低，壓縮系數為0.50～0.54MPa，已屬高壓縮性土，則很容易造成淺層滑動。一旦發生垮壩，對下游比大壩低50m的石家莊市和京廣鐵路、京珠、石太、青銀高速公路、107國道勢必造成嚴重威脅。因此主壩的除險加固已刻不容緩。

（2）第①、③工程地質單元的土體干密度多大于1.55g/cm3，粘粒含量為13.8%～24.6%，滿足《水利水電工程天然建筑材料勘察規程》（SL251-2000）中10%～30%的要求（僅主ZK10孔14.5～14.7m的粘粒含量為31.2%，略高于規范標準，但位于下游戧臺部位）；塑性指數7.9～13.0，滿足7～17的要求；滲透系數1×10-7～1.4×10-5cm/s，滿足碾壓后<10-4cm/s的要求。但樁號0+200處的主ZK4孔0.5～4m段孔隙比很大，而且很可能存在小規模土洞。

（3）壩基地層主要為全強風化的千枚巖和石英砂巖，埋深10～14m，透水率值一般為2.16～5.3Lu，屬弱透水層；樁號0+200處的主ZK4孔18.8～20.3m深度基巖中存在破碎帶，其透水率值為90Lu，屬中等透水。此段巖芯均呈塊狀，分析認為可能是一條破碎帶，但上游該層上部被相對隔水層覆蓋，因此現狀條件下不會產生滲漏。

樁號0+050和0+145附近壩體土以下、基巖以上分布卵礫石透鏡體，現場注水試驗顯示其滲透系數為9.8×10-5cm/s，屬弱透水；該層曲率系數Cc=0.75，不均勻系數Cu=4.4，屬級配不良。綜合考慮級配及現場條件，當細顆粒逐漸被地下水帶走后，其滲透系數將達到6.5×10-3cm/s，此層在垂直壩軸線方向亦構成滲漏通道。

（4）壩基土、巖承載力均滿足建筑物應力要求。

（5）本區抗震設防烈度屬6度區，地層不存在地震液化問題。

2.3 副壩工程地質問題

本工程的主要工程地質問題就是壩體和壩基的滲漏問題。綜合分析本次鉆探、物探、試驗和2004年勘察試驗成果可以發現，第③工程地質單元位于地下水位以下，含水率大，粉粒含量高，孔隙比大，液性指數平均值0.88，最大1.13，大于0.75，多呈軟塑局部呈流塑狀態，其滲透系數建議值為8.2×10-5cm/s，屬弱透水，接近中等透水；在壩體中形成了一條接近飽和的軟弱帶，造成了壩體的滲漏，并在下游形成了流量約為0.0085m3/s的集中出露點，給當地農田帶來了不利影響。

從副壩Ⅵ-Ⅵ′工程地質橫剖面圖看，下部的砂卵石層橫貫壩體，但副壩下游地下水的出露點高于此層，因此推斷，雖然此砂卵石層未直接造成下游的集中滲漏，但仍可能形成滲漏通道，使庫水沿此滲漏通道向下游潛流。

2.4 副壩工程地質評價

（1）副壩壩體土為壤土，第③工程地質單元位于地下水位以下，含水率大，粉粒含量高，孔隙比大，液性指數平均值0.88，最大1.13，大于0.75，多呈軟塑局部呈流塑狀態，滲透系數建議值為8.2×10-5cm/s，屬弱透水，接近中等透水；造成了壩體的滲漏，并在下游形成了集中出露點，給當地農田帶來了不利影響。

物探結果顯示：壩軸線樁號0+000～0+100段、壩下游樁號0+205～0+275段低電位異常幅度值較大，地下水滲流速度相對較大。這與本次副ZK1、6孔及2004年的ZK1孔的勘探結果是相符的，而且與“96.8”期間此段下游出現大面積滲水也是相吻合的。

根據《水利水電工程地質勘察規范》（GB50287-99）附錄M及試驗成果，對該部分土體進行滲透變形判別。判別結果為：其變形型式大部分為管涌，部分為過渡型。

該層土抗剪強度指標Cq=8～10kPa，Φq=18°～20°，壓縮系數為0.30MPa，屬中等壓縮性土。庫水位升高將對壩體造成很大的側向壓力，則壩體極易沿軟弱帶發生淺層滑動，因此副壩的安全穩定也存在一定隱患。

（2）第②工程地質單元土體干密度多大于1.55g/cm3，粘粒含量為11.0%～28.2%，滿足現行規范10%～30%的要求；塑性指數7.0～12，滿足717的要求；滲透系數3.2×10-7～3.7×10-6cm/s，滿足碾壓后<10-4cm/s的要求。

（3）副壩右側地基中的粗砂層，滲透系數為8.5×10-4cm/s，屬弱透水層。卵礫石層均級配不良，滲透系數為2.0×10-3cm/s，屬中等透水層，該層上游若與庫水相連，則必然形成滲漏通道，使庫水沿此層向下游潛流。

（4）壩基地層主要為全風化的千枚巖，埋深約13.5m，透水率2.2Lu～8.0Lu，屬弱透水層，因此淺部基巖本身也存在滲漏問題。

（5）壩基土巖承載力均滿足建筑物應力要求。

（6）副壩下游滲漏點流量約為0.0085m3/s，則每年的滲漏量約為27萬m3，目前已經使下游的農田無法正常耕種，給當地農民帶來了不利影響。水庫庫容僅410萬m3，若上游不能及時補充水源，加之主壩的滲漏，則水庫蓄水量每年損失約50萬m3，已經嚴重影響了水庫的正常運用。

（7）本區抗震設防烈度屬6度區，地層不存在地震液化問題。

3 建議

（1）搜集前期防滲及加固處理資料，弄清新老防滲體之間的結合情況，并采取有效方法觀測主、副壩滲漏量與庫水位的相關性。

（2）在主、副壩集中滲漏部位的上游，采取水平防滲和垂直防滲相結合的方法，如鋪土工膜、壩體防滲灌漿、固結灌漿或混凝土防滲墻等措施，堵塞滲漏通道。

（3）為解決壩體穩定問題，建議對主副壩壩體薄弱部位采用振沖碎石樁或深層攪拌法進行補強，改善其顆粒級配，增加其抗剪強度，從而消除安全隱患。

（4）主壩樁號0+300～0+308段下游發育的沖溝，寬度3～10m，深度3～6m，系壩下游公路排水溝出水口沖刷而成。建議及早進行治理，避免對壩下游戧臺造成更大破壞以致影響壩體穩定。

（5）因本工程前期地質資料較少，建議進行庫區或壩址區工程地質測繪，查清區域地質情況，在此基礎上進一步分析工程存在的地質問題。

【參考文獻】

[1]GB 50021-2001 巖土工程勘察規范[S].2009.

[2]GB 50487-2008 水利水電工程地質勘察規范[S].

[3]GB 50007-2002 建筑地基基礎設計規范[S].

[4]SL251-2000 水利水電工程天然建筑材料勘察規程[S].

[責任編輯：薛俊歌]