礫巖基礎上修建剛性壩存在問題分析

黃華龍

（貴州省水利工程建設質量與安全中心， 貴州 貴陽 550001）

余慶縣團結水庫工程任務以防洪為主， 兼有發電、 人飲、 灌溉、 養殖等綜合功能； 主要建筑物包括大壩、 泄水建筑物、 取水建筑物、 渠系建筑物和電站等。 大壩設計為定圓心、 定外徑、 拱端局部加厚的砌石重力拱壩， 最大壩高37.4m， 壩頂弧長161m。

文章對工程質量評價、 結構安全評價、 滲流安全評價、 抗震安全、 金屬結構安全評價等工作， 進行了分析和評價。

1 工程概況

余慶縣團結水庫位于余慶縣城南西約5.3km， 屬長江流域烏江水系左岸支流余慶河中游帶。 2017 年5月進行了安全評價相關工作。 通過地質測繪、 鉆探、物探及取樣試驗等綜合勘察手段， 查明壩體結構情況和滲漏情況， 查明壩基、 壩肩巖 (土) 體工程地質及水文地質條件， 通過勘察資料、 試驗數據及調查資料分析壩體、 壩基 (肩) 及近壩岸坡穩定情況， 并作出評價。

2 大壩工程地質分析

2.1 地質概況

大壩區河床高程575 ～578m， 河谷寬30 ～60m，河谷為608m以下基本對稱， 608m以上不對稱的寬緩“U” 型河谷； 左岸為一低矮單薄的山脊地形， 山脊高程為609.5m， 山脊后溝谷底高程為599 ～603m， 地形坡度約35 ～45°； 右岸為一河灣地塊， 河灣段山脊高程為625m， 地形坡度約30 ～45°； 大壩區兩岸相對高差 30 ～50m， 正常蓄水位 605.0m 時， 河床寬144m。 壩區河流流向為 S21°E轉 N61°E， 轉點位于發電廠房處， 河床較平緩， 兩岸無沖溝發育， 岸坡大部分基巖裸露， 少部分為覆蓋層覆蓋， 河床高程575 ～578m， 河床平均比降為2%， 屬低山河谷地貌。

2.2 地層巖性

壩區地層巖性單一， 為下第三系 (E) 第一旋廻的底部地層， 巖性為礫巖， 兩岸平緩地帶為第四系殘破積層 (Qedl) 紅褐色黏土， 河床為第四系沖洪積(Qedl) 沙卵石層， 人工堆積層 (Qr)。 根據勘察情況， 壩區巖性描述如下。

2.3 地質構造

壩址河谷為橫向谷， 巖層緩傾上游， 傾角15°左右， 產狀變化不大。 根據設計及施工資料， 壩址區發育六條陡傾角的斷層 (f1 ～f6)， 集中于壩基左側至左壩肩一帶。 f1、 f3、 f5 呈近南北向延伸， f2、 f4、 f6 呈N40 ～45°E延伸。 其中規模較大的f1 斷層從左壩肩橫穿河床向右壩肩下游延伸， 破碎帶寬1 ～5m， 左岸寬， 右岸窄。 巖層產狀為 N22 ～40°E/NW∠10 ～15°。

壩址區除上述斷層外還發育有4 組構造裂隙， 其特點是: 密度小， 深度及長度大， 主要有 N10 ～20°E及N50 ～60°E兩組與測區斷層所受應力相吻合。

2.4 水文地質條件

壩址區地層巖性為紫紅色礫巖， 含水性較單一，根據大壩區鉆孔壓水試驗， 弱風化及以下巖體透水率在1 ～3Lu， 巖層透水性小， 主要為基巖裂隙含水層，新鮮巖體為相對隔水層。 根據大壩鉆孔水位觀測， 鉆孔 ZK1 穩定水位為10m， 鉆孔ZK2 穩定水位為9.4m，鉆孔 ZK3 穩定水位為7.2m， 鉆孔 ZK4 穩定水位為12.4m， 孔口高程在 607.75 ～607.9m， 兩壩肩地下水位略低于庫水位。 對壩區調查時庫水位在602.4m高程， 壩址及庫區兩岸多處有基巖裂隙泉流出， 部分泉點高于正常蓄水位605.0m， 根據鉆孔及調查發現，壩區巖體為相對隔水層， 兩岸地下水位主要位于巖層強風化至弱風化帶附件， 該帶裂隙發育連通性好， 往下基巖裂隙不發育， 連通性也差， 靠河床附近地下水位低、 往兩岸坡分水嶺地帶， 地下水位逐漸抬升。 壩區地下水以基巖裂隙水為主， 其次為松散孔隙水， 無巖溶現象發育， 巖體透水性弱。

3 大壩勘探及巖體物理力學參數影響分析

3.1 鉆探

壩址為厚層塊狀巖體結構， 巖性為紫紅色礫巖，在大壩上共布置了4 個鉆孔， 左壩肩段兩個， 溢流壩段一個， 右壩肩2#裂縫處一個。 鉆探完成后對鉆孔進行孔內電視及鉆孔聲波檢測。

根據聲波資料， 壩體混凝土的波速一般較高大于4000m/s， 壩基礫巖總體波速較低 (詳見鉆孔聲波測試成果圖)， 一般為3000 ～3500m/s， 局部壩基接觸帶軟化現象明顯， 比如ZK3 鉆孔壩基接觸帶平均波速2383m/s。 根據室內試驗， 大壩區巖體芯樣聲波值差異較大， 當紫紅色泥質含量較高時， 巖塊的波速較低為2872m/s， 當泥質含量少， 且膠結較好時， 巖塊波速較大， 為3920m/s， 巖塊平均聲波值3700m/s左右。

3.2 物理力學參數

室內巖石物理力學試驗共取了4 組樣進行室內試驗， 兩組巖樣及兩組混凝土樣， 通過水中稱量法、 縱波速度測試、 單軸抗壓、 劈裂法、 電阻片法與剪切試驗等方法， 對所取巖石樣進行了巖石常規試驗及直接試驗。 通過試驗礫巖飽和抗壓強度最大值為21.77Mpa， 最低值為 17.8Mpa， 平均值為 19.77Mpa，標準值為16.78Mpa。

根據混凝土及巖石直剪試驗及常規試成果資料對幾組比較重要的參數進行統計， 統計結果如下表1。

表1 巖石 (體) 物理力學參數試驗值統計表

3.3 物理力學參數取值

根據巖體試驗資料、 聲波、 電視、 鉆孔實施情況及基坑開挖情況， 大壩基巖鉆孔取芯多呈塊狀及散體狀， 特別是基礎以下2 ～5m最為嚴重， 鉆孔總體RQD<50%， 接觸帶附近平均RQD孔壁電視顯示， 該段孔壁也較粗糙。 基巖為厚層塊狀， 產狀為N22 ～40°E/NW∠10 ～15°， 層面傾向上游偏左岸， 層面連通率為100%， 壩基及附近共發育6 條小斷層， 受斷層影響壩址裂隙一般發育， 連通率60%， 壩基巖體完整性相對較差， 巖石為軟質巖。

承載力fK: 礫巖單軸飽和抗壓強度Rb =17 ～22MPa， 平均值 19.77MPa， 標準值 16.78MPa， 根據《水利水電工程地質勘察規范 》 GB50487—2008， 軟質巖允許承載力可按單軸飽和抗壓強度的1/10 ～1/5取值， 結合壩址區巖性結構特及完整性， 壩基允許承載力按0.1 ～0.15 倍取值， 相應允許承載力為fa=1.6～2.5Mpa。

變形模量E0: 室內試驗資料得到， 新鮮礫巖芯樣彈性模量最大值為 E=18.62Gpa， 最小值為 E=12.32Gpa， 平均值為 E=14.5Gpa， 標準值為 E=9.14Gpa， 綜合巖體完整性， 相應巖體彈性模量需值為 E=5 ～8Gpa， 變形模量值為 E0 =3 ～4Gpa。

河床巖體為軟質巖， 根據上階段實驗， 壩基巖體抗沖刷系數為K=1.65 ～1.8， 飽和礫巖需按K=1.8。見表2。

表2 壩基 (肩) 巖體力學參數需值表

鑒于河床段水頭較高， 巖體受水影響較大， 河床段巖體物理力學參數需值在復核計算時需取小值。

4 大壩質量影響分析

4.1 大壩施工質量影響分析

4.1.1 壩體質量

大壩建成經過三年的運行后， 壩身出現裂縫及滲漏， 經現場查看， 大壩已經出現6 條裂縫。 最嚴重的為2#縫。 從壩頂至上、 下游已裂通， 縫寬約2mm， 上游有三盤料石斷裂， 下游滲水。 其次是3#縫， 溢流頭部斷裂， 裂縫寬約1mm， 其余裂縫均為局部性， 未見出水， 裂縫寬均在1mm以下， 4#、 5#裂縫背鈣化覆蓋， 只有左段6#縫， 沿壩腳與上游護岸的塊石混凝土斷裂。 水庫運行初期， 壩身沒有明顯滲漏， 但局部有冒汗現象， 大部分分布高程在590m以上。

4.1.2 大壩除險加固質量

壩體運行20 年后， 大壩壩體質量狀況: 1) 壩體、 壩基、 壩肩產生滲漏， 滲漏量達 21.08L/s。 因壩基被水淹沒， 上述滲漏量為壩體及壩肩滲漏量； 2)壩基及左右壩肩巖體都發生不同程度軟化； 3) 壩體產生六條橫向裂縫， 裂縫寬1 ～5mm， 特別是2#裂縫，壩體下游出現射水， 裂縫相較有明顯的擴大； 4) 壩下游沖刷加重， 沖坑深2.3m。 對壩體進行過除險加固處理， 主要針對壩體、 壩基 (肩)， 經過除險加固后壩體質量為優良， 質量滿足設計及規范要求。

4.2 壩體外觀質量影響分析

對壩基及壩區、 壩體、 廠房、 沖沙管、 取水涵洞等進行了現場檢查， 檢查時水庫水位約為602.0m。對大壩進行檢查時主要針對上次除險加固處理的壩體裂縫， 查看裂縫現狀， 檢查大壩有無新的裂縫， 大壩漏水情況， 兩壩肩接觸帶， 壩基等出現的大壩外觀問題如下。

1) 大壩裂縫: 本次對大壩檢查未發現新的裂縫，對原有裂縫進行檢查， 除2#裂縫外其余裂縫未發現明顯裂紋現象， 針對2#縫進行詳細檢查發現， 在壩上游防浪墻上見對應的小裂紋， 但又無貫穿。 裂縫總體沒有見較明顯的張裂、 漏水現象， 已處理裂縫的外觀也沒有明顯的變化。

2) 壩體滲漏: 此次對大壩進行檢查， 發現有多處滲水， 但總體沒有除險加固時的射流， 主要是一些小的滲流， 浸潤現象， 總體滲水量小； 在鉆孔過程中也有水從大壩上、 下游面滲出現象， 大壩裂縫經處理后效果較好， 現狀未見明顯帶狀滲流或射流現象。 經過十多年的運行， 除2#裂縫在壩頂、 壩身還是有較小的發展外， 其余均未見明顯的裂開現象。 壩身多處出現滲水現象， 但總體滲水量小， 滲水主要為浸潤， 壩體外觀質量總體較好。

4.3 壩體內部質量

在大壩上布置4 個鉆孔， 根據鉆孔資料、 巖芯、孔內電視及聲波等對壩體質量進行檢測。

1) 鉆孔巖芯: 壩體鉆孔巖芯采取率較高， 總體平均采取率為95%， 大多呈長柱狀， 平均 RQD=82%。 總體膠結較好， 局部膠結較差， 特別是左壩肩正常蓄水位以上壩體。

2) 壩體壓水實驗: 此次安全評價對壩體進行了16 段壓水， 根據庫水頭情況， 壩體最大壓力為0.3mpa， 接觸帶壓力為 0.5mpa， 基巖為 1.0mpa。

根據壩體壓水試驗資料顯示， 大壩上部0 ～14.3m，高程為593.5 ～607.8m透水率較大， 部分為注水， 壩體空隙連通性好， 填筑質量稍差， 593.5m以下壩體透水率均小于3Lu， 空隙連通性較差， 填筑質量較好。

3) 聲波測試: 對所有四個鉆孔進行孔內聲波試驗，壩體聲波值在 3015 ～6494， 主要集中在 4000 ～5000， 密實度低的帶， 聲波值偏低， 聲波值在3000 ～3500， 部分灰巖塊體部分聲波值偏大， 聲波值5500 ～6494.通過聲波反應情況， 壩體總體密實度較好， 上壩段部分帶密實度較差。

4.4 壩體質量評價

4.4.1 壩體裂縫成因分析

大壩建成以來， 發育有6 條裂縫， 均為橫向縫，最大的裂縫為2#縫， 位于大壩右壩肩段， 貫穿大壩上下游。 1979 年大壩建成至2000 年間壩體裂縫不斷發育， 2000 年除險加固對壩基 (肩) 進行帷幕灌漿、固結灌漿及對壩體進行補強灌漿后， 至今原有分裂縫未見明顯發育擴張現象， 未見新裂縫發育， 但2#裂縫壩頂及防浪墻見小裂紋現象， 但未貫徹， 存在較緩慢開裂現象。

因壩基 (肩) 巖體為軟質巖， 巖體強度低， 作為剛性壩基礎， 且大壩為重力式拱壩， 引起大壩產生裂縫的原因較為復雜。 可能是壩基不同壩高段地基受力差異， 長期運行情況下， 產生不同流變沉降量， 引起不同壩段不均勻沉降而產生開裂； 或因壩肩巖體長期在高應力作用下運行， 部分強度不夠， 產生壓縮變形引起； 又或是因壩體為混凝土埋塊石、 沙卵石， 因溫度變化引發混凝土伸縮， 引發的伸縮裂縫產生； 或是三者共同作用的結果。 需設計根據壩基 (肩) 應力情況， 結合壩基巖體允許體承載力及變形模量， 計算復核壩基 (肩) 壓縮變形問題。

4.5 壩基質量評價

1) 壩基現狀: 現場檢查壩基未見漏水， 滑動、鼓出等現象， 鉆孔資料顯示， 壩基接觸帶巖體較破碎， 取芯為散體狀， 孔壁較粗糙， 壩基巖體平均采取率<50%， 接觸帶3 ～5m段RQD<10%， 但壓水透水率較低， 透水率 1 ～3Lu， 屬弱透水層。

2) 壩基質量評價: 壩基巖體總體強度較低， 屬軟質巖體， 浸水后易軟化.除險加固進行過防滲帷幕灌漿及固結灌漿處理， 現狀基巖壓水透水率低， 但接觸帶巖體有受力壓縮沉降現象， 礫巖體中膠結物主要為泥質， 膠結物有與礫體有分開現象， 且礫巖體相對均勻度較差， 當泥質含量稍高時強度變低， 泥質含量少且礫分布均勻膠結較好時， 強度增大。

5 大壩工程地質處理措施

5.1 壩基 （肩） 開挖及處理

斷層裂隙處理， 壩基有六條小斷層通過， 主要集中于溢流壩段至左壩肩一帶， f3 分布于右壩肩至溢流壩段壩基， 一般裂縫寬在30cm以內， 裂縫內夾粘土，具體的處理方法是: ①沿縫開挖楔形槽， 并進行深挖， 深度為斷層寬的1.5 ～2.0 倍， 然后回填混凝土塞； ②深挖。 如導流底孔出口是f3 斷層， 破碎帶寬10 ～30cm， 深挖達 4m； ③用混凝土封閉。 如左壩肩f1 與f4 相交處的壓扭性斷層， 一直回填護砌至壩頂；④壓水槍沖洗。

5.2 建基面承載力及壓縮變形處理

壩址河谷兩岸及河床為單一巖層， 巖性為紫紅色厚層塊狀礫巖， 壩基建于基巖上， 軟質巖體允許承載力可按單軸飽和抗壓強度的1/10 ～1/5 取值， 結合壩址區巖性結構特及完整性， 壩基允許承載力需按0.1～0.15 倍取值， 相應允許承載力為 fa=1.6 ～2.5Mpa。

巖體遇水易軟化， 軟化系數為0.65 ～0.80， 大壩為重力式拱壩， 最大壩高為37.4m， 壩基巖體壓縮模量 E0 =1.5 ～2.0Gpa。

5.3 壩基 （肩） 抗滑穩定處理

河床壩基風化層開挖1 ～1.5m， 壩肩挖至弱風化巖體， 左壩肩水平開挖深2 ～5m； 右壩基巖開挖深3～8m， 壩肩壩體嵌深較淺 (特別是左壩肩)， 壩下游抗滑巖體單薄， 對壩肩抗滑穩定不利； 竣工總結為新鮮巖體， 根據工程經驗， 此類軟質巖強風化深3 ～5m， 弱風化深5 ～8m， 鉆孔資料顯示接觸帶都有不同程度的軟化情況， 根據施工情況壩基巖體可能為弱風化上部或頂部， 巖體取芯多成散體狀， 孔壁粗糙。 根據兩壩肩及壩基鉆孔孔壁電視反應， 壩區地層巖性為中厚層至塊狀礫巖， 層面連續性差， 部分膠結。

5.3.1 壩基抗滑穩定性分析

壩基巖體呈厚層塊狀結構， 巖性單一， 為第三系紫紅色礫巖， 壩基巖層緩傾向上游偏左岸， 巖層傾角較緩為10 ～15°。 礫巖為軟質巖， 巖體強度較低。 大壩區發育有6 條斷層及4 組裂隙， 斷層f4、 裂隙L1、L2、 L3 與層面的組合對壩基抗滑穩定不利， 斷層、裂隙及大壩相對走向示意圖如圖1。

圖1 壩區斷層分布及主要幾組裂隙產狀組合圖

壩基在f4 斷層及三組裂隙存在的情況下， 壩基可能存在兩種滑動模式， 滑動模式分析如下。

1) 淺層接觸帶滑動: 壩基為軟質巖， 巖體強度較低， 抗滑抗變形能力弱， 高應力作用下可能發生沿大壩基礎與基巖的接觸帶產生剪裂， 形成大壩基礎與基巖接觸帶剪切滑動 (如圖2)。

圖2 壩基滑動模式示意圖

2) 層面及夾層面滑動: 壩基為軟質巖體， 巖層緩傾上游偏左岸， 層面與f4 斷層、 L1 裂隙及左岸L2、右岸L3 的組合對壩基抗滑穩定不利， 可能形成以層面為滑動面， 上游斷層面或L1 裂隙面為剪裂面， 向下游滑動

5.3.2 壩肩抗滑穩定分析

結合勘察揭露情況， 左壩肩下游廠房一帶發育有沖溝， 左壩肩下游抗滑巖體相對較單薄， 且壩肩發育有三組裂隙， 層面也較平緩， 層面、 L、 L及下游河床臨空面的組合對壩肩抗滑穩定不利； 大壩為單曲拱壩不同拱圈段會形成以層面為底滑面， L為剪切側滑面， L為上游拉裂面， 下游河床臨空面為滑出面的滑動模式， 需設計復核計算壩肩抗滑穩定。

5.4 壩肩邊坡穩定分析

左岸大壩與山脊高程相當， 無壩頂以上邊坡問題， 壩體上游附近邊坡為漿砌石處理過， 現狀未見塌陷、 開裂等現象， 總體穩定， 下游帶邊坡基巖裸露，且為橫向坡， 坡度較陡， 經調查未發現有失穩現象，現狀邊坡總體穩定。 大壩運行30 多年來， 未發生大壩左岸邊坡失穩現象。

5.5 大壩下游沖刷穩定性分析

大壩自建成以來， 下游沖坑均未進行過工程處理， 上次除險加固對礫巖進行抗沖刷試驗， 試驗顯示礫巖抗沖刷系數為1.65 ～1.8， 抗沖刷能力弱。 根據大壩竣工圖件， 大壩建成初期， 溢洪道下游河床消能坑位于溢洪道中部， 沖坑最低處高程為576.4m， 坑深3.8m， 至大壩距離20m， 整個沖坑沿壩軸線呈葫蘆狀略偏左岸。

大壩下游沖刷較嚴重， 溢洪道中心附近段， 壩腳沖刷深已低于大壩中心線建基面高程， 壩腳基巖有明顯沖斷現象， 對大壩基礎抗滑穩定不利， 長期發展下去可能威脅大壩安全， 對下游沖坑進行處理， 飽和礫巖抗沖刷系數需值K=1.8。

6 結語

通過調查及測區內未見活動斷裂分布， 區域構造穩定性較好， 帷幕灌漿及固結灌漿除險加固取得了良好的效果， 波速有所提高， 透水率大大減小， 鉆探揭露大壩與基巖接觸帶巖體部分較破碎， 波速較低， 壩基存在不同程度的軟化問題， 對大壩存在安全隱患，需枯水期觀測壩基河床部分是否漏水。

大壩質量缺陷， 目前尚不嚴重影響大壩安全， 壩體總體質量基本合格， 考慮大壩長期運行穩定需對壩體605m高程以上作補強灌漿處理。

壩基暴露出的缺陷， 目前尚不嚴重影響工程安全， 考慮大壩長期運行穩定， 需對壩基 (肩) 接觸帶進行化學灌漿處理。