某水庫雙曲拱壩除險加固中大壩地質(zhì)評價分析

黃小華

(江西省水利水電建設(shè)有限公司，南昌 330052)

1 工程概況

某水庫水電站工程由大壩、隧洞、壓力管道、發(fā)電廠和升壓站等組成。攔河大壩采用細(xì)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。該水電站于1994年建設(shè)完成，2012年對水庫進(jìn)行安全鑒定[1]。本文主要了解大壩水文地質(zhì)和工程地質(zhì)條件，調(diào)查壩體和壩基滲漏情況，調(diào)查壩體與基巖接觸狀況及對壩基、壩肩穩(wěn)定不利的斷層破碎帶、軟弱夾層等的分布情況，調(diào)查近壩庫區(qū)邊坡的穩(wěn)定狀況等，從而對大壩進(jìn)行地質(zhì)評價分析，指導(dǎo)大壩安全鑒定與加固設(shè)計。

2 拱壩工程地質(zhì)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(zhuǎn)向下游為正東向。大壩左右壩肩已開挖至和壩頂高程相同的高度，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(jìn)行人工放坡，坡角約為60°～80°，坡高約10～40 m。左側(cè)山體雄厚。大壩頂高程約151.9 m，河床高程約114 m，大壩區(qū)內(nèi)屬侵蝕低山地貌。

2.2 大壩壩體組成及砌筑質(zhì)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(xì)骨料組成的混凝土填充[1]。條(塊)石為花崗巖巖性成分，弱風(fēng)化～微風(fēng)化，條(塊)石巖芯以短柱狀～長柱狀為主，局部條塊石表面風(fēng)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(yán)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(zhì)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(zhì)條件，本次采用地質(zhì)地表測繪、收集《水電站工程地質(zhì)勘察報告》[2]和《水電站壩基鉆探工程地質(zhì)勘察報告》[3]，并在壩頂左右兩側(cè)進(jìn)行鉆探等方法手段進(jìn)行勘察。

壩基主要為弱～微風(fēng)化花崗巖分布，左右壩肩山體岸坡以上主要以全風(fēng)化花崗巖為主，呈黃灰色～灰色，硬塑，稍濕，以粉黏粒為主，含砂量較高。大壩下游河床和河岸均有弱～微風(fēng)化花崗巖出入。根據(jù)野外鉆探結(jié)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(fēng)化花崗巖①1(γ52(3)d)：呈黃灰色～灰色，硬塑，巖石風(fēng)化劇烈，長石已風(fēng)化成高嶺土，主要呈砂質(zhì)黏性土狀。主要分布在左右壩肩壩頂高程以上的山體，揭露層厚9～18 m。

強(qiáng)風(fēng)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(fā)育，巖性不新鮮，層頂高程在153.54～161.93 m，鉆孔揭露層厚5.55～7.77 m。

弱風(fēng)化花崗巖①3(γ52(3)d)：中粗粒花崗結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，呈淺黃色～灰白色，堅硬，巖芯呈短柱狀，裂隙發(fā)育～較發(fā)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117.70～112.50 m，鉆孔揭露層厚為11.7～15.20 m。

微風(fēng)化花崗巖①4(γ52(3)d)：中粗粒花崗結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，呈灰白色。巖心呈短柱～長柱狀，裂隙較發(fā)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(zhì)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(zhì)構(gòu)造

大壩附近未發(fā)現(xiàn)大的地質(zhì)構(gòu)造，地質(zhì)構(gòu)造不發(fā)育，主要在大壩下游左岸有兩條規(guī)模較小的斷裂構(gòu)造，斷層構(gòu)造帶內(nèi)一般為碎塊巖和巖屑。主要斷層產(chǎn)狀如下：

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

F2斷層產(chǎn)狀為N45°E，NW∠75°，寬0.2～0.3 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(chǎn)狀為N80°ENW∠70°～80°。

大壩附近出露的巖石節(jié)理裂隙發(fā)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(jié)理裂隙如下：

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

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

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

④JC4周邊緩裂隙發(fā)育，主要緩裂隙走向NW，傾向SW，傾角5°～10°。

2.5 水文地質(zhì)

2.5.1 地下水類型

地下水賦存介質(zhì)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(jié)理裂隙發(fā)育規(guī)模、連通性制約，主要受孔隙水、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(xiàn)場壓水試驗透水率值為0.97～3.78 Lu，均值為2.23 Lu，具弱透水性；BK2-1孔壩體現(xiàn)場壓水試驗透水率值為8.10～17.00 Lu，均值為11.78 Lu，具中等透水性；壩體與壩基接觸位置現(xiàn)場壓水試驗透水率值為2.75～7.80 Lu，均值為5.28 Lu，具弱透水性；壩基現(xiàn)場壓水試驗透水率值為0.88～10.1 Lu，均值為3.85 Lu，具中～弱透水性。見表1。

綜合現(xiàn)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(gòu)成了滲透通道；拱壩壩體砌筑質(zhì)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性，不存在滲漏通道；壩基具弱透性。

表1 現(xiàn)場壓水試驗成果一覽表

3 大壩工程地質(zhì)綜合評價

3.1 大壩壩體質(zhì)量評價

3.1.1 大壩壩體外觀質(zhì)量評價

大壩為雙曲線砌石拱壩，自大壩建成蓄水發(fā)電以來，大壩未發(fā)現(xiàn)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(cè)發(fā)現(xiàn)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(cè)壩體裂縫較大，寬約2～3 mm，左側(cè)壩體共有裂縫兩處寬約1～2 mm，裂縫在庫水處于高水位時受庫水的推力會變小。據(jù)電站工作人員介紹，裂縫在建壩運行3～4年后出現(xiàn)，自裂縫出現(xiàn)以來未發(fā)現(xiàn)變大的跡象，大壩目前總體處于穩(wěn)定的狀態(tài)。裂縫情況見圖2。

3.1.2 大壩壩體質(zhì)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(fēng)化～微風(fēng)化狀，局部條石巖性較差，表面風(fēng)化劇烈，鉆孔揭露的條塊石砌體膠結(jié)較差，漿砌石體間見有較多的麻面或空隙，水泥漿流失嚴(yán)重；RQD值和巖采率在局部位置都偏低。在鉆進(jìn)過程中，BK1、BK2-1分別在孔深27.5和6.5 m處下游壩面出現(xiàn)滲漏現(xiàn)象。

拱壩壩體共進(jìn)行13段壓水試驗，其中BK1和BK2-2孔壓水試驗的透水率值為0.97～3.78 Lu，均值為2.23 Lu，具弱透水性；BK2-1孔壓水試驗透水率值為8.10～16.95 Lu，均值為11.78Lu，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(wěn)定性評價

左壩肩山體處強(qiáng)風(fēng)化～弱風(fēng)化狀態(tài)，山體雄厚，強(qiáng)風(fēng)化巖層厚2～3 m，弱風(fēng)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(fā)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(gòu)成滑移面的條件，所以左壩肩巖土體穩(wěn)定性較好。

根據(jù)地表測繪，右壩肩山體處全風(fēng)化～弱風(fēng)化狀態(tài)，壩肩山體右側(cè)基巖出露的深度較深，高程約125～130 m，山體表面主要以砂質(zhì)土為主，加上壩肩處有條引水渠，經(jīng)過長時間沖刷，壩肩右側(cè)已經(jīng)有水土流失的現(xiàn)象。壩肩右側(cè)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(cè)極易存在臨空面，對右壩肩的抗滑穩(wěn)定性不利。

3.3 大壩繞壩滲漏評價

根據(jù)業(yè)主介紹，在建壩時和電站運行至今都未對大壩左右壩肩進(jìn)行過防滲帷幕處理。從原有的地質(zhì)報告左右壩肩的鉆孔ZK1和ZK5了解，在鉆進(jìn)過程中ZK1和ZK5分別在孔深21.54～21.94 m和23.73 m出現(xiàn)大漏水，相應(yīng)高程在152.07～152.47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(fā)現(xiàn)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(xiàn)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(zhì)條件及評價

3.4.1 壩基穩(wěn)定

大壩基礎(chǔ)開挖時，已挖至堅硬基巖(弱風(fēng)化 ～微風(fēng)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(jìn)入弱風(fēng)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(fā)現(xiàn)有軟弱夾層及不利壩基穩(wěn)定的斷層存在，壩基巖體裂隙較發(fā)育，但裂隙多以高傾為主，不會產(chǎn)生不利壩基抗滑穩(wěn)定的滑移面，加之巖體整體完整性較好，其抗滑穩(wěn)定性較好；斷層F3經(jīng)過壩基，根據(jù)業(yè)主介紹在建壩時已開挖回填混凝土及固結(jié)灌漿處理；大壩壩基目前較穩(wěn)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(xù)加深，對大壩壩基的穩(wěn)定不利。

3.4.2 壩基滲漏

壩基壓水試驗透水率值為0.88～10.1 Lu，均值為3.83 Lu，具中等～弱透水性；水電站大壩壩高最高為42 m，根據(jù)《混凝土拱壩設(shè)計規(guī)范》(SL 282-2003)規(guī)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(jìn)行6段現(xiàn)場壓水試驗，共有兩段壓水試驗透水率(分別為10.1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(xiàn)象。

4 結(jié)論與建議

本文對大壩工程地質(zhì)評價內(nèi)容進(jìn)行了較全面的闡述，包括拱壩地質(zhì)條件評價、大壩壩體質(zhì)量評價、壩肩穩(wěn)定性分析和繞壩滲漏、壩基工程地質(zhì)條件評價等4個方面，經(jīng)過地質(zhì)條件綜合評價結(jié)論如下：

1) 大壩整體砌筑質(zhì)量較差，壩頂存在貫穿裂縫，但并未擴(kuò)展，壩體目前總體處于穩(wěn)定的狀態(tài)。建議對壩面采取工程措施處理，防止裂縫擴(kuò)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。建議要采取有效的防滲措施，防止?jié)B漏量加大影響壩體穩(wěn)定。

3) 壩基巖體裂隙較發(fā)育，但裂隙多以高傾為主，不會產(chǎn)生不利壩基抗滑穩(wěn)定的滑移面。建議下游采取消能措施，否則會影響壩基穩(wěn)定。