甘竹雙曲拱壩除險加固中大壩地質評價分析

吳洪武

（漳州市水利水電勘測設計有限公司，福建 漳州 363000）

1 工程概況

下樟甘竹坪水電站位于云霄縣和平農場甘埔作業區，廠房建于甘樹埔自然村南面約200 m的塔仔溪左岸，距云霄縣城10 km。水庫建于塔仔溪上游距電站約4 km的苦竹坪。水庫正常蓄水庫容為469.38萬m3，水庫正常水位150.00 m，水庫洪水標準原設計為30年一遇設計、200年一遇校核。甘竹坪水電站工程由大壩、隧洞、壓力管道、發電廠和升壓站等組成。攔河大壩采用細石混凝土砌塊石雙曲線拱壩，壩頂寬度3.4 m，壩頂長202 m，底寬8.1 m，最大壩高40.7 m，厚度比1∶0.199，采用壩頂溢洪，挑流消能。水電站于1994年建設完成，2012年對水庫進行安全鑒定[1]，本文主要了解大壩水文地質和工程地質條件，調查壩體和壩基滲漏情況，調查壩體與基巖接觸狀況，對壩基、壩肩穩定不利的斷層破碎帶、軟弱夾層等的分布情況，調查近壩庫區邊坡的穩定狀況等，從而對大壩進行地質評價分析，指導大壩安全鑒定與加固設計。

2 拱壩工程地質條件

2.1 地形地貌

大壩位于塔仔溪上游河谷中，河谷呈上部開闊的“V”字型。河流的流向自上游N60°E轉向下游為正東向。大壩左右壩肩已開挖至和壩頂高程一樣的高度，大壩左壩肩山體雄厚，右壩肩山體較單薄，右壩肩有條從外圍引水至水庫的引水渠道，左右壩肩山體都有進行人工放坡，坡角約為60°～80°，坡高約10 m～40 m。左側山體雄厚。大壩頂高程151.9 m左右，河床高程114 m左右，大壩區內屬侵蝕低山地貌。

2.2 大壩壩體組成及砌筑質量

大壩壩體主要以條(塊)石為骨架，骨架間以水泥和砂卵石等粗細骨料組成的混凝土填充[1]。條(塊)石為花崗巖巖性成分，弱風化～微風化，條(塊)石巖芯以短柱狀～長柱狀為主，局部條塊石表面風化較劇烈，巖性較差。大部分條塊石間填充物(混凝土)水泥漿很少，施工時水泥漿漏漿較嚴重，混凝土柱面呈麻面、蜂窩狀較普遍，局部混凝土呈碎塊狀，大壩整體砌筑質量較差。本次勘探共在拱壩壩頂布置鉆孔3個，其中BK2-1孔和BK2-2孔未能有效揭露壩體厚度，BK3孔揭露壩體的垂直厚度為38.3 m，鉆孔巖芯揭露壩體砌筑情況見圖1。

圖1 鉆孔巖芯揭露壩體砌筑情況圖

2.3 壩基地層巖性

為了了解壩址的地質條件，采用地質地表測繪、收集《云霄縣甘竹坪水電站工程地質勘察報告》[2]和《云霄縣甘竹坪水電站壩基鉆探工程地質勘察報告》[3]并在壩頂左右兩側進行鉆探等方法手段進行勘察。

壩基主要為弱～微風化花崗巖分布，左右壩肩山體岸坡以上主要以全風化花崗巖為主，呈黃灰色～灰色，硬塑，稍濕，以粉粘粒為主，含砂量較高。大壩下游河床和河岸均有弱～微風化花崗巖出入。根據野外鉆探結合地表測繪成果，大壩壩肩、壩基巖土體自上而下分述如下:

全風化花崗巖①1（γ52(3)d）:呈黃灰色～灰色，硬塑，巖石風化劇烈，長石已風化成高嶺土，主要呈砂質粘性土狀。主要分布在左右壩肩壩頂高程以上的山體，揭露層厚9m～18m。

強風化花崗巖①2（γ52(3)d）:呈黃灰色～灰色，堅硬，巖芯呈碎塊狀，裂隙發育，巖性不新鮮，層頂高程在153.54 m～161.93 m，鉆孔揭露層厚5.55 m～7.77 m。

弱風化花崗巖①3（γ52(3)d）:中粗粒花崗結構，塊狀構造，呈淺黃色～灰白色，堅硬，巖芯呈短柱狀，裂隙發育～較發育，巖性較新鮮，主要分布在壩基及壩址下游岸坡和河床，，層頂高程在117.70 m～112.50 m，鉆孔揭露層厚為11.7 m～15.20 m。

微風化花崗巖①4（γ52(3)d）:中粗粒花崗結構，塊狀構造，呈灰白色。巖心呈短柱～長柱狀，裂隙較發育，裂隙面以中高傾角為主，裂隙面無充填物，巖性新鮮，整體巖體質量較好，層頂高程為106.00 m，主要分布在壩基和兩岸壩肩。

2.4 地質構造

大壩附近未發現大的地質構造，地質構造不發育，主要在大壩下游左岸有兩條規模較小的斷裂構造，斷層構造帶內一般為碎塊巖和巖屑。主要斷層產狀如下:

F1斷層產狀為 N60°E，SE∠78°，寬 0.2 m～0.3 m，向深有變寬的趨勢。

F2斷層產狀為N45°E，NW∠75°，寬0.2 m～0.3 m。在大壩西北部沖溝旁，推測順河方向可能有一條斷層破碎帶F3，產狀為N80°ENW∠70°～80°。

大壩附近出露的巖石節理裂隙發育，主要在大壩下游沿河床兩邊山坡腳一帶，主要裂隙以高傾角為主，主要節理裂隙如下:

①N75°E，NW∠80°～85°，間距 0.2 m～0.3 m，長約 50 m，與JC1相互切割。

②JC2周邊緩裂隙發育，主要緩裂隙走向NE，傾向SE，傾角 10°～15°。

③N45°E，NW∠70°～80°，間距 0.1 m～0.2 m，向深度閉合，裂隙中有泉水流出。

④JC4周邊緩裂隙發育，主要緩裂隙走向NW，傾向SW，傾角 5°～10°。

2.5 水文地質

2.5.1 地下水類型

地下水賦存介質類型主要為第四系堆積孔隙水和基巖裂隙水。

①孔隙性潛水:主要存儲于第四系殘坡積、沖洪堆積層中，如庫岸緩坡、山腳附近的坡積層，主要接受大氣降水的補給，一般殘坡積、沖洪堆積層中地下水儲量有限，土體滲透性較弱。

②裂隙性潛水:分布于斷裂破碎帶及基巖裂隙中，地下水富水程度受節理裂隙發育規模、連通性制約，主要接受孔隙水、水庫水的補給，透水性隨深度增加而減弱，在山坡、山腳處以裂隙性泉水流出地表。

2.5.2 巖土體透水性

BK1和BK2-2孔壩體現場壓水試驗透水率值為0.97 Lu～3.78 Lu，均值為2.23 Lu，具弱透水性；BK2-1孔壩體現場壓水試驗透水率值為8.10 Lu～17.00 Lu，均值為11.78 Lu，具中等透水性；壩體與壩基接觸位置現場壓水試驗透水率值為2.75 Lu～7.80 Lu，均值為5.28 Lu，具弱透水性；壩基現場壓水試驗透水率值為0.88 Lu～10.1 Lu，均值為3.85 Lu，具中～弱透水性。

表1 現場壓水試驗成果一覽表

綜合現場壓水試驗，堰頂附近鉆孔BK1和BK2-2具弱透水性；而在靠近壩肩位置的BK2-1孔具中等透水性，BK2-1孔中有條從壩頂貫整個壩身的裂縫構成了滲透通道；拱壩壩體砌筑質量良莠不齊，整體具中等～弱透水性；壩體與壩基接觸的位置具弱透水性，不存在滲漏通道；壩基具弱透水性。

3 大壩工程地質綜合評價

3.1 大壩壩體質量評價

3.1.1 大壩壩體外觀質量評價

大壩為雙曲線砌石拱壩，自大壩建成蓄水發電以來，大壩未發現明顯變形和沉降問題，僅在下游壩面接縫中局部有少量滲水痕跡。但分別在壩頂左右兩側發現有裂縫貫穿整個壩頂并向壩基方向延伸在大壩與山體接觸處尖滅，其中右側壩體裂縫較大，約2 mm～3 mm寬，左側壩體共有裂縫兩處約1 mm～2 mm寬，裂縫在庫水處于高水位時受庫水的推力會變小，據電站工作人員介紹裂縫在建壩運行3年～4年后出現，自裂縫出現以來未發現變大的跡象，大壩目前總體處于穩定的狀態。裂縫情況見圖2。

圖2 大壩壩體外觀情況圖

3.1.2 大壩壩體質量評價

拱壩壩體主要為水泥砂和條(塊)石組成，條塊石為花崗巖巖性成分，弱風化～微風化狀，局部條石巖性較差，表面風化劇烈，鉆孔揭露的條塊石砌體膠結較差，漿砌石體間見有較多的麻面或空隙，水泥漿流失嚴重；RQD值和巖采率在局部位置都偏低。在鉆進過程中BK1、BK2-1分別在孔深27.5 m和6.5 m處下游壩面出現滲漏現象。

拱壩壩體共進行13段壓水試驗，其中BK1和BK2-2孔壓水試驗的透水率值為0.97 Lu～3.78 Lu，均值為2.23 Lu，具弱透水性，BK2-1孔壓水試驗透水率值為8.10 Lu～16.95 Lu，均值為11.78 Lu，具中等透水性；由此可見:壩體總體具弱透水性，在壩體裂縫附近位置透水率較大具中等透水性。

3.2 大壩壩肩穩定性評價

左壩肩山體處強風化～弱風化狀態，山體雄厚，強風化巖層厚2 m～3 m，弱風化揭露的比較早，壩肩無斷層和軟弱夾層存在，壩肩下游巖體裂隙較發育，但是裂隙延伸長度較短加之巖體整體完整性較好，不具構成滑移面的條件，所以左壩肩巖土體穩定性較好。

根據地表測繪，右壩肩山體處全風化～弱風化狀態，壩肩山體右側基巖出露的深度較深，高程約在125 m～130 m，山體表面主要以砂質土為主加上壩肩處有條引水渠，經過長時間沖刷，壩肩右側已經有水土流失的現象。壩肩右側有一條近南北向的大沖溝使得右壩肩山體較單薄，受水庫庫水的推力右側極易存在臨空面，對右壩肩的抗滑穩定性不利。

3.3 大壩繞壩滲漏評價

根據業主介紹在建壩時和電站運行至今都未對大壩左、右壩肩進行過防滲帷幕處理，從原有的地質報告左右壩肩的鉆孔ZK1和ZK5了解，在鉆進過程中ZK1和ZK5分別在孔深21.54 m～21.94 m和23.73 m出現大漏水，相應高程在152.07 m～152.47 m和148.21 m，右岸漏水位置低于水庫的正常蓄水位150 m，具滲漏條件。兩孔地下水位高程分別為146.58 m和135.94 m，其中ZK5的地下水位低于水庫的正常蓄水位（150 m），說明左右岸壩肩在高庫水位運行下，存在滲漏的可能性。

本次勘察在庫水位133 m左右，右壩肩下游巖體在117 m高程處發現有水從建壩時修建的臺階縫隙中滲出，目測滲流量約1 L/min；左壩肩下游巖體在115 m高程處，巖體沿裂隙面有滲水現象，流量較小，說明庫水可能沿著壩肩巖體裂隙面滲出，在庫水長期作用下，滲漏量可能加大。

3.4 壩基工程地質條件及評價

3.4.1 壩基穩定

大壩基礎開挖時，已挖至堅硬基巖(弱風化～微風化層)，本次勘察BK1、BK3(在大壩下游靠近大壩的位置)鉆孔穿過壩體和臺階后，直接進入弱風化巖層。壩基基巖巖性新鮮，鉆孔巖芯以短柱～長柱狀為主，本次鉆探過程中未發現有軟弱夾層及不利壩基穩定的斷層存在，壩基巖體裂隙較發育，但裂隙多以高傾為主，不會產生不利壩基抗滑穩定的滑移面，加之巖體整體完整性較好，其抗滑穩定性較好；斷層F3經過壩基，根據業主介紹在建壩時已開挖回填混凝土及固結灌漿處理；大壩壩基目前較穩定。

壩腳拱底下未見有砼墊座消能，大壩下游河床受水流沖刷已造成兩個大沖坑，雖對沖坑用砼加碎石的方式填補但是效果較差，隨著水流的下泄還將繼續加深，對大壩壩基的穩定不利。

3.4.2 壩基滲漏

壩基壓水試驗透水率值為0.88 Lu～10.1 Lu，均值為3.83Lu，具中等～弱透水性；甘竹坪水電站大壩壩高最高為42 m，根據《混凝土拱壩設計規范》（SL 282-2003）規定[4]；壩基相對隔水層定為透水率q≤5 Lu，本次勘察壩基共進行6段現場壓水試驗共有兩段壓水試驗透水率（分別為10.1 Lu和7.99 Lu）大于5 Lu，試段都位于壩基基巖上部，壩基存在滲漏現象。

4 結論與建議

本文對大壩工程地質評價內容進行了較全面的闡述，包括拱壩地質條件評價、大壩壩體質量評價、壩肩穩定性分析和繞壩滲漏、壩基工程地質條件評價等四個方面，經過地質條件綜合評價可知:

（1）大壩整體砌筑質量較差，壩頂存在貫穿裂縫，但并未擴展，壩體目前總體處于穩定的狀態，應對壩面采取工程措施處理防止裂縫擴大；

（2）壩體與壩基接觸的位置具弱透性，但不存在滲漏通道，壩基具有弱透性，但不會影響大壩安全，但要采取有效的防滲措施防止滲漏量加大影響壩體穩定；

（3）壩基巖體裂隙較發育，但裂隙多以高傾為主，不會產生不利壩基抗滑穩定的滑移面，下游應采取消能措施，否則會影響壩基穩定。