高州水庫石骨主副壩滲漏現狀及評價

魏海波，張海發，鄧舉達

(1.廣東省水利電力勘測設計研究院，廣東 廣州 510635；2.水利部珠江水利委員會珠江水利綜合技術中心，廣東 廣州 501611；3. 惠東縣稔平原水有限公司，廣東 惠東 516300)

1 概述

石骨水庫與良德水庫通過龍頭坳連通渠連接而形成高州水庫，其中，石骨水庫始建于1958年，包含1個主壩和2個副壩，即石骨主壩、厘更副壩和三叉塘副壩；原大壩設計標準為百年一遇，千年校核，正常蓄水位為90.0 m，但在建成后發現原設計洪水位數據偏小較多，設計標準低，一直采用86.0 m水位運營。受后期防洪及供水需求，提高庫區運營水位至89.0 m，即需對其壩體進行除險加固處理。因此，為保證加固工程順利實施，開展庫區大壩防滲現狀分析及評價具有重要意義。目前，已有許多學者開展了相關研究，如陳龍飛等[1]、張麗艷等[2]基于庫區工程地質條件，開展了庫區壩體防滲問題評價，為庫區壩體安全評價奠定了基礎；張建清等[3]、姚紀華等[4]利用綜合物探技術進行了庫區壩體滲流評價，有效掌握了滲流通道；王春磊等[5]、趙鑫等[6]利用有限元法對壩體滲漏進行了數值模擬分析，有效掌握了壩體的滲流過程，為其后期除險加固提供了指導；王曉玲等[7]利用可拓云模型構建了壩體滲流安全評估模型，實現了波提滲流安全性評價；高杰等[8]利用有限元模擬了壩體滲流場，實現了壩體安全評價；王宇等[9]基于壩體滲流演變特征，構建了土石壩滲流安全預警模型，為其應急處置提供了借鑒。上述研究雖取得了一定成果，但均未涉及基于現場試驗成果基礎上的滲透性評價，也未涉及石骨庫區滲透性現狀分析。因此，該文以石骨庫區為工程背景，首先開展其工程地質條件分析，再結合現場注水試驗和壓水試驗成果，分析庫區壩體及壩頭的防滲現狀，并開展評價，以期為其后期加固設計提供一定的指導和參考。

1 大壩工程地質條件

1.1 地形地貌

石骨水庫位于高州縣東北約30 km的曹江中上游段，為中低山丘陵地貌，庫周除南西壩址區地形相對低矮外，其余為中低山地形，山脊走向主要為南北向及東西向；山坡坡度大多為20°～40°，植被茂密，海拔高程一般為50～400 m；地勢總體表現為北東高、南西低，其中，北東面、東面山頂高程一般為200～400 m，西面、南西面山頂高程一般為100～200 m。

通過現場勘察，石骨水庫壩區平面示意如圖1所示。

圖1 石骨水庫壩區平面示意

1.2 地層巖性

在地層方面，高州庫區廣泛分布有花崗片麻巖，其形成時代為加里東期，系在混合巖化作用下形成的一類深變質巖；其次，局部分布有燕山四期侵入巖及晚侏羅系火山噴出巖。在土層方面，主要以第四系沖洪積、坡洪積層為主，多分布于河流及其兩岸階地、坡腳等，各類地層基本特征如下。

1) 花崗片麻巖

在庫區廣泛分布，屬區內常見基巖類，具片麻狀構造，巖性致密堅硬、性脆，可細分為兩種分布狀態，即條帶狀和眼球狀，兩者特征如下：

① 條帶狀花崗片麻巖：主要呈黑、白條帶相間，礦物成分含有黑云母、斜長石、石英等，黑云母沿片理面排列。

② 眼球狀花崗片麻巖：主要呈灰白色、深灰白等，礦物成分以長石、石英為主，長石呈眼球狀沿片理方向排列，石英呈條帶狀，偶含黃鐵礦。

2) 燕山四期侵入巖

零星分布于庫區南西側石骨壩址區，灰白色，以石英長石、花崗巖為主，含角閃石及微量黑云母，呈巖瘤式侵入花崗片麻巖中，具不等粒結構，巖質致密堅硬。

3) 晚侏羅系火山噴出巖

主要集中分布于石骨主壩右岸成火山錐，巖性主要為流紋凝灰巖、火山角礫巖等，分布位置地形高出周邊山頂100～150 m。

4) 第四紀地層

主要可細分為兩類，即沖積層和坡洪積層，其中，沖積層多為呈淺黃色、黃色，巖性以砂礫石層、粉質粘土為主，主要分布于河床、河漫灘及河流階地上；坡洪積層主要呈黃色，巖性以含砂礫粉質粘土為主，多分布于坡腳及溝谷處。

1.3 地質構造

由于庫區地層受多期構造運動影響，使其構造形跡較為明顯，主要以斷層、裂隙為主，其中，斷層主要發育走向為北東、北西及近東西向，裂隙則近似伴生，無明顯發展方向，相互交錯，對區內水力聯系具有較大影響。據調查，對庫區影響較大的斷層主要有4條，各斷層的基本特征如下。

斷層1：主要經過石骨庫區三叉塘副壩右壩頭，屬正斷層，產狀為N40°E/SE∠67°，斷層帶長度為13.5 km，寬度為4～6 m；斷層帶巖性為角礫巖，充填糜棱巖、花崗巖脈，見有褐鐵礦，膠結稍好。

斷層2：主要經過厘更副壩右壩頭，屬正斷層，在壩頭兩側均有露頭，產狀為N50°E/NW∠67°，斷層帶長度為12 km，寬度4.0 m；斷層帶巖性為角礫巖，擠壓片理化，裂隙發育，石英脈充填，膠結好。

斷層3：主要經過石骨主壩，屬正斷層，在主壩中間殘丘上可見露頭，產狀為N40°E/NW∠75°，斷層帶長度為6 km，寬度為4.0 m；斷層帶為角礫巖，巖英脈充填，膠結好。

斷層4：主要經過石骨主壩左壩頭，產狀為N35°E/NW∠68～80°，斷層帶寬2～3 m，長5.5 km，屬逆斷層；斷層帶為角礫巖，石英脈充填，膠結好。

根據上述，得出石骨庫區地質構造較為發育，也促使區內基巖裂隙發育，進而本次加固工程防滲是重點，著重對水庫滲透性進行評價，也從側面驗證了該文研究的必要性。

1.4 水文地質條件

根據調查成果，得出庫區水文條件較為豐富，將其基本特征分述如下。

1) 地表水

區內地表水系以大井河和曹江為主，加之其水系對應的次要沖溝等，且據調查統計，本次工程勘察期間，共統計24處泉水及常見地表水調查點，其高程分布于73～175 m，主要集中于100 m左右，而流量大小分布范圍較廣，最小僅5 L/min，最大可達1 200 L/min，流量受季節性降雨影響較大。

2) 地下水

按賦存條件劃分，地下水主要為裂隙水和孔隙水，前者主要賦存于巖體裂隙中，受節理裂隙發育影響較大，與庫區地表水的水力聯系較為密切；后者主要儲存于第四系松散層孔隙中，接受大氣降雨補給，水位線季節性波動較大。

結合現場壓水、注水試驗成果，對區內全風化～微風化帶的裂隙水水文地質特征進行初步統計。

① 全風化帶：主要為含砂礫粉質粘土，厚度一般為2～19 m，硬塑—堅硬狀，滲透系數一般小于10-4cm/s，為弱透水。

② 強風化帶：厚度一般為3～8 m，巖質稍硬，裂隙發育，巖芯呈短柱狀及塊狀，滲透系數一般為10-3～10-4cm/s，為弱—中等透水。

③ 弱風化帶：厚度一般大于10 m，巖質堅硬，裂隙較發育，巖芯呈中柱狀，壓水試驗透水率一般為1.5～6 Lu，為弱透水。

④ 微風化帶：巖質堅硬，裂隙稍有發育或不發育，巖芯以中短柱狀為主，少量短柱狀，巖體完整性較好，壓水試驗透水率一般為0.6～4 Lu，為弱—微透水。

⑤ 第四系沖積、坡洪積層主要為砂礫石層，滲透系數一般大于10-2cm/s，為強透水；局部為含粘質砂礫，屬中等透水—強透水。

2 大壩防滲現狀及評價

如前所述，石骨庫區主要包含1個主壩和2個副壩，即石骨主壩、厘更副壩和三叉塘副壩。根據現場情況，3個壩體的基本尺寸參數如下。

石骨主壩：壩形為復合碾壓式，最大壩高為52.7 m，壩頂長度為775 m，寬度為6 m。

厘更副壩：壩形為半碾壓式，最大壩高為39.2 m，壩頂長度為318 m，寬度為5 m。

三叉塘副壩：壩型為復合碾壓式，最大壩高為32.2 m，壩頂長度為165 m，寬度為5 m。

結合現場調查成果，開展三者防滲現狀評價，以便為后期除險加固奠定基礎。同時，在工程實際中，滲透參數采用現場試驗求得，其中，注水試驗求解滲透系數，利用其評價巖土體的滲透性等級，其分級標準見表1所示。

表1 巖土體滲透性分級標準

2.1 石骨主壩及壩頭滲漏評價

1) 主壩滲透評價

石骨主壩壩體填土為粉質粘土，多呈硬塑狀，局部為可塑狀，粘性較好，含少量砂礫，其粒徑一般為1～5 mm，含量約10%，填土壓實一般，局部壓實較差。壩體迎水面表層為1層護坡干砌塊石，厚度一般為30～40 cm，系弱風化花崗片麻巖塊石，塊徑一般為20～40 cm，巖質堅硬；其下為礫石反濾層，厚度為0.8～1 m，粒徑一般為2～6 cm，其母巖為片麻巖及石英砂巖，堅硬，磨圓較好，分選差。壩體背水面為草皮護坡，在壩體中鋪設有1層貼坡排水棱體與壩基砂層相連。

壩基巖性主要為花崗片麻巖、閃長巖、花崗巖，其河床壩段壩基分布有沖積砂層，而非河床壩段壩基為全—弱風化基巖。

河床壩段壩基為沖積砂礫石層，局部為含礫粉細砂，礫徑為1～4 cm，磨圓一般，分選差，據重型動力觸探試驗結果，每貫入10 cm的錘擊數N63.5為16～19，為密實狀態；其下臥基巖為全風化—弱風化花崗片麻巖及閃長巖，全風化帶厚度約0.85 m，為褐黃色含砂礫粉質粘土，分布不連續，而下部弱風化帶巖質堅硬，裂隙較發育，多為陡傾角裂隙，傾角為60～80°，巖芯呈短柱狀及塊狀。

非河床壩段為基巖壩基，全風化帶厚度變化較大，一般為幾米至十幾米，分布連續，且全風化帶主要為粉質粘土，風化不均勻，含少量砂礫；強風化帶巖質較堅硬，裂隙發育，多為中陡傾角裂隙，裂面鐵錳質渲染，巖芯多為塊狀；弱風化帶巖質堅硬，裂隙較發育，為中陡傾角裂隙，裂面粗糙，部分裂隙鐵錳質渲染。

為掌握主壩滲透性，對其勘察鉆孔進行注水及壓水試驗(如表2所示)，據表2可知：以滲透系數為評價指標，壩體滲透性間于弱透水—微透水，且其變異系數較大，說明其波動性也較大。

表2 主壩滲透參數試驗結果統計

石骨主壩壩體填土滲透系數大多小于10-4cm/s，一般為微透水，局部稍大，為弱透水；大壩運行40多a，未發現壩體明顯滲漏，壩身填土粘粒含量、天然含水量和滲透性基本滿足均質土壩技術要求。

河床段壩基分布有沖積砂層，以粗砂為主，局部夾含礫粉細砂層，產生液化的危險性小；下臥基巖為全—弱風化花崗片麻巖及閃長巖，全風化及強風化厚度不大，分布不連續，揭露厚度均不到1 m，主要為弱透水，局部中等透水；弱風化帶巖質堅硬，裂隙較發育，為弱透水。

壩基非河床段壩基為全—弱風化花崗片麻巖、閃長巖等，其全風化帶主要風化成粉質粘土，含少量砂礫，為弱透水；強風化帶在建基面較低部位部分被清除，其巖質較堅硬，裂隙發育，主要為弱透水，局部強透水；弱風化帶巖質堅硬，裂隙較發育，為中陡傾角裂隙，壓水試驗透水率為2～3 Lu，屬弱透水。

總體石骨主壩及壩基工程地質條件較好，運行40多a觀測資料反映，壩基滲漏微小，壩體變形趨于穩定，基本滿足本次加固要求。

2) 繞壩滲漏評價

為查明石骨主壩兩壩頭的水文地質條件，再對兩壩頭開展分析及試驗研究，具體分述如下。

① 左壩頭繞壩滲漏評價

石骨主壩左壩頭在石骨溢洪道左側，山頂高程約為103 m，地形較單薄，寬約為100 m；巖性以花崗片麻巖為主，其次為人工填土層。左壩頭構造發育，有斷層通過，產狀N35°E/NW∠68～80°，從溢洪道閘基位置經過，斷層帶寬為2～3 m，延伸約為5.5 km，為逆斷層，斷層帶為角礫巖，糜棱巖，有石英脈充填，高嶺土化，地表膠結較差。左壩頭縱剖面示意如圖2所示。

圖2 石骨主壩左壩頭縱剖面示意

該位置未進行滲透系數試驗，通過現場調查，得出其存在局部滲漏問題，考慮壩頭穩定及其滲漏的危害性，建議采取防滲墻，下接防滲帷幕灌漿，并在其上、下兩端延伸一定長度作為防滲范圍；同時，建議加強水位觀測，進一步了解壩頭地下水的變化，并根據水位觀測資料優化防滲處理措施。

② 右壩頭繞壩滲漏評價

右壩頭接在下石狗嶺下游山坡，所處斜坡山頂高程約為250 m，山坡坡度為25°～45°，壩頭位于南西側山脊，地形較單薄，89 m高程山脊寬為50 m左右；右壩頭基巖以花崗巖、凝灰巖及花崗片麻巖為主。右壩頭縱剖面示意如圖3所示。

圖3 石骨主壩右壩頭縱剖面示意

同理，也對右壩頭進行滲透參數試驗，結果統計見表3所示。據表3可知，以滲透系數為評價指標，壩體滲透性為弱透水，得出右壩頭的滲透參數穩定性較好。同時，根據監測成果，孔水位受庫水位影響一般，具有一定的水力聯系，加之孔水位變化比庫水位有滯后現象，說明相互間水力聯系不強。

表3 右壩頭滲透參數試驗結果統計

綜上所述，右壩頭滲透性相對較弱，但據水庫管理人員反映，當庫水位高于82.0 m時，壩頭下游山坡存在潮濕現象，進而綜合判斷，右壩頭也可能存在繞壩滲流問題，建議采用防滲帷幕處理，并加強右壩頭的水位觀測，及時優化防滲設計。

2.2 厘更副壩及壩頭滲漏評價

1) 副壩滲透評價

厘更副壩最大壩高為39.2 m，壩頂長為318 m，壩頂高程為93.5 m，自蓄水以來，曾多次在壩背水坡為63～73 m高程處出現濕潤、漏水、牛皮脹等現象，并多次對厘更副壩進行貼坡導滲及帷幕灌漿處理。

壩址巖性為花崗片麻巖，主要發育有兩條斷層，與壩近于平行，產狀N30°E/NW∠80°，為正斷層。壩體迎水面表層為一層干砌塊石，厚為0.7～1.0 m，系弱風化花崗片麻巖，塊徑一般為20～40 cm，巖質堅硬；背水面為草皮護坡，其下鋪設有一層貼坡排水砂層，厚度為0.5～1.5 m，為中細砂、中粗砂、含卵礫石粗砂，含泥質較多。

壩基為全—強風化花崗片麻巖為主，中上游全風化帶較厚，一般大于5 m；下游近山體，強風化出露高程較高，風化土層較薄，一般約2 m。

厘更副壩的滲透參數試驗結果見表4所示。由表4可知，以滲透系數為評價指標，壩體滲透性為中等透水—弱透水，其變異系數相對較大，具較強波動性，說明厘更副壩滲透性一般，但不均一性較為突出。

表4 厘更副壩滲透參數試驗結果統計

厘更副壩壩體填土滲透系數一般為10-4～10-5cm/s，為弱透水，局部滲透系數略大于10-4cm/s，為中等透水；壩體背水面設有一層貼坡排水砂層，下游坡浸潤線沿該排水砂層分布一致，排水效果較好，基本能滿足加固的防滲要求。

2) 壩頭滲透性評價

① 左壩頭評價

厘更副壩左岸山體較單薄，具低山地形，山頂高程為125.2 m；巖性為花崗片麻巖，在山頂發現1條近SN走向的石英巖脈，產狀為SN/E∠80°；壩頭斷層裂隙發育，與片麻理斜交，斜切壩頭。

厘更副壩左壩頭滲透參數試驗結果如表5所示，其滲透性鑒于中等透水—弱透水，滲透性一般。同時，根據水位觀測成果，得觀孔水位比庫水位低約10 m，水位隨庫水位變化明顯，但變幅要小近一半，說明其水力聯系相對一般。

表5 厘更副壩左壩頭滲透參數試驗結果統計

厘更副壩左壩頭地形相對單薄，構造發育，透水性較小，多為中等透水—弱透水，曾進行灌漿處理，但效果不好，未能完全截死滲流路徑，存在一定滲漏可能；當庫水位上升到89 m時，預測滲漏量會加大，需進行防滲處理。同時，建議加強水位觀測，并根據長期水位觀測資料進行針對性防滲處理。

② 右壩頭評價

厘更副壩右壩頭也為低山地形，地形相對單薄，現為水庫防汛公路和石骨管理所；巖性主要為花崗片麻巖，有燕山期花崗巖脈侵入，且局部還有沉積板巖；斷層構造也發育，產狀N50°E/NW∠67°，為正斷層，斷層帶寬為4 m，為斷層角礫巖，擠壓片理化，裂隙發育，石英脈充填，膠結好。

厘更副壩右壩頭滲透參數試驗結果如表6所示，得出右壩頭滲透性為弱滲透，且波動性較小，說明其滲透參數具較好的穩定性，滿足加固要求。

表6 厘更副壩右壩頭滲透參數試驗結果統計

厘更副壩右壩頭地形雖相對單薄，但其巖土體滲透系數均較小，屬弱透水性，滿足加固要求，建議加強地下水位觀測，以了解地下水與庫水位變化的水力聯系。

2.3 三叉塘副壩及壩頭滲漏評價

1) 副壩滲透評價

三叉塘副壩為復合式土壩，最大壩高為32.2 m，壩頂高程為93.5 m，壩頂長為165 m；兩岸為低山地形，左岸山頂高程為150 m，右岸為146 m；壩址巖性為花崗片麻巖，后期侵入石英斑巖巖脈。壩體迎水面表層為一層干砌塊石護坡，厚度約為0.5 m，系弱風化花崗片麻巖塊石，塊徑一般為20～40 cm，巖質堅硬。壩體填土系花崗片麻巖風化土，為粉質粘土，含少量砂礫，硬塑—堅硬，粘性較好，較均一。

壩基基巖為全—弱風化花崗片麻巖，下游段的全風化帶較厚，鉆孔揭露厚度為7.3 m，中部揭露厚度為 2.2 m，且全風化帶為含砂礫粉質粘土；強風化帶厚度不大，揭露厚度為0.8～1.9 m，巖質較堅硬，裂隙較發育，多為陡傾角裂隙，裂面不平。

類比前述，也對三叉塘副壩進行滲透參數試驗，試驗結果如表7所示，得出三叉塘副壩主體滲透性間于中等透水—弱透水，且以弱透水為主，加之其波動性相對較小，進而試驗得出其防滲效果相對較好。

表7 三叉塘副壩滲透參數試驗結果統計

三叉塘副壩壩體填土為棕紅色粉質粘土，填土壓實好，為弱透水，壩身填筑質量較好，具較好的防滲效果，且運行40多a觀測資料反映，三叉塘副壩滲漏不大，變形趨于穩定，基本滿足本次加固除險要求。

2) 壩頭滲透性評價

① 左壩頭評價

三叉塘副壩左壩頭山體植被茂盛，山坡較陡，山頂高程為163.5 m，壩頭89 m高程處寬約100 m，其下游建有石骨水電站，電站引水管在左壩頭經過；該壩頭巖性為花崗片麻巖，裂隙較發育，未發現較大的斷層。

左壩頭滲透參數試驗結果如表8所示，得出三叉塘副壩左壩頭滲透性間于中等透水—弱透水，但鑒于壩后地形較高，發生繞壩滲流的可能性較小。

表8 三叉塘副壩左壩頭滲透參數試驗結果統計

三叉塘副壩左壩頭接在山脊的上游，壩后地形較雄厚，主要巖性為花崗片麻巖，全、強風化帶較厚，具中等—弱透水性，由于壩后地形較高，因此產生繞壩滲漏可能性小，能滿足除險加固要求，但鑒于壩頭安全的重要性，仍建議對其進行相應防滲處理。

② 右壩頭評價

三叉塘副壩右壩頭為低山地形，地形相對單薄，山頂高程為146 m；巖性為花崗片麻巖，在壩下游發育花崗巖脈，且構造發育，也以斷層發育為主，斷層帶為角礫巖，糜棱巖及花崗巖脈，膠結稍好。

右壩頭滲透試驗結果如表9所示，以滲透系數為評價指標，壩體滲透性為中等透水—弱透水，其變異系數相對不大，說明其滲透性評價結果的波動性一般。結合水位觀測孔成果，得出右壩頭地下水位與庫水位的相關性不明顯，水力聯系較弱。

表9 三叉塘副壩右壩頭滲透參數試驗結果統計

三叉塘副壩右壩頭山體較低矮，地形相對單薄，雖構造較發育，但其巖土體滲透性相對較弱，加之其地下水位與庫水位的水力聯系較弱，進而發生繞壩滲流可能性較小，滿足本次除險加固工程需要。

3 結語

通過石骨主壩、副壩防滲現狀分析及滲漏評價，主要得出如下結論：

1) 石骨主壩及壩基工程地質條件較好，運行40多a觀測資料反映，壩基滲漏微小，但左、右壩肩存在局部繞壩滲漏風險，加固過程應重點考慮。

2) 厘更副壩壩體填土滲透系數一般為10-4～10-5cm/s，為弱透水，局部滲透系數略大于10-4cm/s，為中等透水；壩體背水面設有一層貼坡排水砂層，下游坡浸潤線沿該排水砂層分布一致，排水效果較好，基本能滿足加固的防滲要求。

3) 三叉塘副壩壩體填土為棕紅色粉質粘土，填土壓實好，為弱透水，壩身填筑質量較好，具較好的防滲效果，且運行40多a觀測資料反映，三叉塘副壩滲漏不大，變形趨于穩定，基本滿足本次加固除險要求。

4) 石骨庫區壩體滲透性相對均較弱，基本滿足本次除險加固要求；但是，受其構造影響，局部存在繞壩滲流可能，建議在除險加固過程中進行防滲處理，以切實保證壩體穩定。