某小(1)型水庫除險加固中地質評價及病害分析

陶永貴

(蘭州交通大學工程檢測有限公司，甘肅 蘭州 730000)

1 工程概況

某小(1)型水庫建于20 世紀80 年代，大壩為均質土壩，壩高32.0 m，總庫容320.5 萬m3。大壩基礎在施工時進行了開挖，形成截水槽，然后進行壩體回填。大壩填筑分兩期進行，第一期填筑壩體高度24 m，歷時7 年時間完成，第二期填筑壩體高度8 m，原壩軸線不變，在原壩上、下游壩坡進行培厚加高，壩料均取用左壩肩緩坡地帶的全強風化砂泥巖，壩體碾壓采用人力或蓄力拉石碾進行碾壓。由于當時技術力量薄弱，大壩未進行系統的技術設計及施工試驗，對壩體碾壓質量要求不夠，使壩體碾壓質量差，一期平均壓實度僅為91.5%，二期平均壓實度為84.3%，壩體滲透系數較一期壩體更大。目前大壩存在壩坡不穩定，壩體、壩基滲透系數較大，滲漏嚴重等方面問題，影響大壩安全運行，對大壩進行除險加固勢在必行[1]。

2 壩址工程地質評價

2.1 基本地質條件

2.1.1地形地貌及物理地質現象

筑壩地段原始河谷呈“U”型，河谷較開闊，左岸地形坡度約15°～18°，右岸地形坡度33°～38°，上部山坡陡達40°以上。河流由NW 向SE 流，河道相對平直，河水面在下游寬約15 m～20 m，一級階地寬約8 m～10 m。區內物理地質現象不甚發育，僅在左岸壩址下游坡腳50 m 處發育兩個堆積層滑坡，溢洪道左岸中段也有兩個堆積層滑坡，滑坡寬約10 m～40 m，高約10 m，堆積物厚約3 m～6 m。

2.1.2地層巖性

樞紐區出露地層較單一，主要分布有三迭系上統大箐組下段(T3dq1)薄層狀粉砂質泥巖、泥巖夾粉細砂巖、長石石英砂巖。根據其巖性組合情況可分為七個小層，其次為第四系松散層。現將地層巖性從新到老分述如下:

(1)第四系全新統(Qh)

洪沖積(Qhpal):淺灰色、褐灰色砂卵礫石層，局部夾砂礫石層，頂部普遍有厚1 m 左右的含礫砂壤土，較松散，厚2 m～6 m，分布于河谷及庫盆。

坡洪積(Qhdpl):褐灰色、灰褐色壤土、砂壤土混15%左右碎礫石，稍密實，厚4 m～7 m，分布于壩址左岸下游40 m處山坡上。

(2)第四系更新統(Qp)

為冰水堆積，上部為黃紅、淺黃、灰白色砂壤土混15%的強風化碎礫石，中—密實，厚1 m～2 m;下部為砂壤土混30%～60%強風化碎礫石、卵石、孤石，較密實，厚4 m～6 m，分布于壩址左岸緩坡臺地上。

(3)三迭系上統大箐組下段(T3dq1)

第七小層(T3dq1-7):黃灰色、深灰色薄至中層狀粉砂質泥巖、泥巖夾灰白、黃灰色中粗粒長石石英砂巖，厚>50 m。

第六小層(T3dq1-6):灰白色、黃灰色中層狀長石石英砂巖夾粉砂質泥巖，厚約4 m。

第五小層(T3dq1-5):黃灰、綠灰、深灰色薄至中層狀粉砂質泥巖夾粉細砂巖、炭質頁巖，厚約40 m。

第四小層(T3dq1-4):灰白、黃灰色中層狀中細粒長石石英砂巖夾粉砂質泥巖，厚約4 m。

第三小層(T3dq1-3):黃灰、綠灰、深灰色薄至中層狀粉砂質泥巖、泥巖夾粉細砂巖、炭質頁巖及一層灰黑色煤線，厚約35 m。

第二小層(T3dq1-2):灰白、黃灰色中層狀中細粒長石石英砂巖夾粉砂質泥巖，厚約4 m。

第一小層(T3dq1-1):黃灰、綠灰色薄至中層狀粉砂質泥巖、泥巖夾灰白、黃灰色中細粒長石石英砂巖、粉砂巖、頁巖，厚>40 m。

2.2 壩址工程地質評價

(1)左壩肩:主要為三迭系上統大箐組下段第三小層(T3

dq1-3)黃灰、綠灰、深灰色薄至中層狀粉砂質泥巖、泥巖夾粉細砂巖、炭質頁巖及一層灰黑色煤線。巖石呈薄層狀，較破碎。q=30 Lu，屬中等透水層，透水層平均厚度27 m。

(2)河床壩基:主要為三迭系上統大箐組下段第五小層(T3dq1-5)黃灰、綠灰、深灰色薄至中層狀粉砂質泥巖夾粉細砂巖、炭質頁巖，巖石呈薄層狀，較破碎。q=8 Lu～15 Lu，屬弱～中等透水層，透水層平均厚度12 m。

(3)右壩肩:第七小層(T3dq1-7)黃灰色、深灰色薄至中層狀粉砂質泥巖、泥巖夾灰白、黃灰色中粗粒長石石英砂巖。巖石呈薄層狀。q=20 Lu～30 Lu，屬中等透水層，透水層平均厚度22 m。

壩址存在壩基及繞壩滲漏，壩基滲漏公式采用Q=BHKT/(2a+T)，K取大值均值，以K=2q/100 進行換算。壩基透水層寬度B=166 m，上下游水頭差H=27.9 m，壩基寬度2a=185 m，壩基透水層滲透系數K=0.3601 m/d，壩基透水層厚度T=12 m。壩基年滲漏量為3.708 萬m3/y。

兩岸繞壩滲漏公式采用Q=0.366KH(h1+h2)lgB/r0。左岸繞壩滲漏采用近似公式Q=KH(h1+h2)(以繞滲無限遠，0.366 lgB/r0=1)，K取均值為0.731 m/d， 上下游水頭差H=27.9 m，h1+h2=27 m，計算出年滲漏量為7.36 萬m3/y;右岸繞壩滲漏采用公式Q=0.366KH(h1+h2)lgB/r0，K取均值為0.4325 m/d，上下游水頭差H=27.9 m，h1+h2=22 m，B=13 m，r0=2 m，計算出年滲漏量為1.12 萬m3/y。

壩基及繞壩滲漏量為12.188 萬m3/y，占總庫容316.5 萬m3的4.29%，滲漏量較大，必須進行防滲帷幕灌漿處理。

2.3 滲流穩定

壩基處最大水頭27.9 m，按最短滲徑185 m 計算，下游壩基將產生0.151 的滲流比降，即J實=0.151。兩岸壩基殘坡積及節理裂隙和卸荷裂隙發育的全強風化層，J允=0.10～0.15，河床洪沖積砂卵礫石層J允=0.14～0.25。由上面數據可以看出，J實已部分超出J允，如未進行截水防滲，河床段壩基洪沖積砂卵礫石層、頂部的含礫砂壤土及兩岸壩基殘坡積，在地下水長期作用下，局部會發生滲透變形，以管涌形式危及大壩安全。

2.4 壩肩、壩基強度及抗滑穩定

(1)左岸坡

山坡坡度16°～20°，基巖基本裸露，為粉砂質泥巖、泥巖夾長石石英砂巖，巖層產狀220°～250°∠15°～25°，強風化，為順向坡。巖層傾向山外略偏向上游，傾角與山坡基本一致，局部小于山坡坡度。此外，泥、頁巖易風化，在不同的巖層面間易形成軟弱的泥化夾層，對山坡抗滑穩定不利。山坡表層零星分布的殘坡積(厚1 m～2 m)及節理裂隙和卸荷裂隙發育的全強風化層(厚1 m 左右)，松散、軟弱，[R]=150 kPa～200 kPa，0.1～0.2=0.25 MPa-1～0.35 MPa-1，為 中等壓縮性土，存在壓縮變形和不均勻沉陷，沿松散層與基巖面間產生滑動。

(2)右岸坡

山坡坡度25°～35°，高程1585m 以上坡度達45°，基巖基本裸露，為粉砂質泥巖、泥巖夾長石石英砂巖，巖層產狀220°～250°∠15°～25°，強風化，為反向坡。節理主要有三組，傾角均大于60°。無明顯的不利結構面。岸坡基本—中等穩定。但山坡表層有厚1 m～3 m 的節理裂隙和卸荷裂隙發育的全強風化層，存在壓縮變形和不均勻沉陷，沿松散層與基巖面間產生滑動。

(3)河床

第四系洪沖積厚2 m～6 m，較松散存在壓縮變形、不均勻沉陷和抗滑不穩定。中下部砂卵礫石層厚1 m～5 m，物理力學指標相對較高，不存在壓縮變形和不均勻沉陷。下部基巖為強風化的粉砂質泥巖、泥巖、頁巖夾砂巖，有一條從左岸斜穿至右岸下游的小斷層，斷層帶窄且陡傾，巖層走向與壩軸線近于直交，無大的不利結構面和臨空面，各項物理力學指標相對較高，不存在壓縮變形和不均勻沉陷，抗滑穩定性較好。

3 大壩病險情況

3.1 現場檢查

本次除險加固野外工作中在壩體中進行浸潤線觀測，后壩坡右側浸潤線較左側浸潤線稍高，尤其壩體上部碾壓質量較差，壩體滲透系數較下部壩體大，滲漏問題比下部壩體更為嚴重。以2018 年2 月8 日觀測到的庫水位1583.5 m 下，大壩現場檢查發現下游壩坡上存在滲水點，滲水點分布較散，靠右壩肩相對較多。下游壩坡 1576 m 高程以下出現滲水，TK3一帶有散浸水溢出，面積約570 m2，成片狀潮濕散浸溢出，水庫一直帶病運行。在右壩肩存在繞壩滲漏現象，壩肩局部地帶出現滲水點，高水位運行時，滲漏較為嚴重，局部存在集中滲漏現象，壩體與岸坡接合帶處理基本滿足要求，未發現滲水點。

3.2 壩體質量評述

根據鉆孔及探坑資料，壩料為灰色、褐黃色粘質粉土，含碎石、礫石及塊石，本次勘探在壩體上總共取原狀土樣15組，室內試驗結果:壩土天然容重1.88 g/cm3～2.11 g/cm3，平均1.99 g/cm3，天然含水率17.3%～26.2%，比重2.68～2.73，塑性指數8.5～18.0，孔隙比0.523～0.788，粘粒含量18%～36.7%，平均21.8%，滲透系數5.59×10-8cm/s～1.86×10-6cm/s，壓縮系數0.1～0.2=0.204 MPa-1～0.46 MPa-1，飽和快剪φ=13.17°～24.03°，平均17.78°，C=5.4 kPa～66.0 kPa，平均22.05 kPa。從試驗指標分析，土料試驗指標離散性較大，反應原筑壩土料料性不均勻，壓實亦不均勻，另外壩土的粘粒含量平均僅21.8%，處于規范要求20%～40%的較低水平，粘粒含量及塑性指數均較低，原筑壩土料質量較差;由于當時施工條件較差，基本采用人工施工，壩土的碾壓功能不足，且壓實不均，下部壩土平均壓實度僅為91.5%，上部壩土平均壓實度為84.3%，均低于現行規范96%～98%的壓實度的要求。

大壩壩體從鉆探及坑探揭露情況看，壩體浸潤線較高，壩體滲水嚴重，從滲流穩定方面考慮，其常年帶病運行，對壩體穩定將產生二方面的不利影響，其一，常年滲漏并且限制蓄水低水位運行情況下，滲漏仍無法得到控制，對原施工質量差、土料復雜的壩體，細顆粒成份將會被水流帶走，可能形成滲透變形破壞(管涌)，威脅大壩安全;其二，壩體浸潤線太高，下部壩體長期浸水飽和，對壩體抗滑穩定安全極為不利。

總體來看，大壩質量較差，主要表現在壩體土料滲透系數較大、土料土質不均一，局部形成碎塊石集中，壩體存在滲透問題。另外，由于水庫大壩下游未設倒濾體，未能有效降低下游壩體內水位，導致大壩內水位不易下降而溢出地表，這也是大壩下游浸潤線高的主要原因之一。

3.3 病險處理措施

(1)大壩為已建均質土壩，根據鉆孔及資料知，原截水槽已截穿覆蓋層至基巖內。需對壩基及兩岸繞壩滲漏進行防滲帷幕灌漿處理，防滲帷幕標準按q＜10 Lu，帷幕下限深入到相對隔水層以下3 m，帷幕深12 m～15 m。

(2)左岸由于地下水位較低，根據經驗公式S=(H+C)/3[2]，則左岸繞壩滲漏長度約30 m，帷幕深27 m～30 m;右岸繞壩滲漏長度約13 m，帷幕深22 m～25 m。

(3)對大壩進行加固處理，放緩上游壩坡，加高培厚下游壩坡，使壩坡穩定滿足規范要求。下游河床堆積物應清除，清基深3 m～8 m。

(4)對下游壩坡進行處理，設置排水棱體，以降低壩體內水位，增加大壩的穩定性。

4 結論及建議

該水庫在興建水庫過程中，存在清基不徹底，上壩料料質不均而質量差異較大，高程1578.8 m 以下采用的是人工碾壓，密實度保證性差，高程1578.8 m 以上雖采用機械碾壓，但因是平碾，碾壓質量難以保證。故水庫建成后產生壩體滲漏及壩肩繞壩滲漏，下游壩坡局部成片狀潮濕散浸溢出，浸潤線較高，水庫一直帶病運行。通過該水庫除險加固工程的實施，可以保證水庫安全正常地運行，提高向下游供水的保證率，對下游村莊、人口、起到較好的防洪作用。