南方城水庫滲漏問題分析

李 琳，劉文妙，張 磊，馬若燕

（1.天津市引灤工程宜興埠管理處，天津 300402；2.天津市水利勘測設(shè)計院，天津 300204；3.河北省水利水電勘測設(shè)計研究院，天津 300250；4.水利部海河水利委員會，天津 300170）

南方城水庫位于河北省張家口市蔚縣宋家莊鎮(zhèn)南方城村西，距蔚縣縣城6 km，控制流域面積5.5 km2，總庫容100 萬m3，興利庫容86.4 萬m3，死庫容6.6 萬m3，是一座以防洪、農(nóng)田灌溉為主結(jié)合養(yǎng)殖等綜合利用的?。?）型水庫。水庫由攔河壩、放水洞、泄洪洞及溢洪道組成。主、副壩壩型均為黏土斜墻式，壩頂高程107.4 m，壩頂寬4 m，主壩長277 m，最大壩高16.4 m；副壩長288 m，最大壩高16.64 m，主壩和副壩迎水面均為干砌石護坡。

南方城水庫于1958年建成，經(jīng)過多年運行，年久失修，基礎(chǔ)設(shè)施損毀、老化嚴重，加之施工質(zhì)量不佳，目前存在滲漏問題，尤其高水位運行時水庫滲漏導(dǎo)致上下游水頭差加大，在長時間作用下沿滲漏帶形成貫通上下游的滲漏通道，容易導(dǎo)致水庫發(fā)生險情，嚴重影響水庫的防洪功效。

1 地質(zhì)條件

1.1 地貌特征

庫區(qū)地貌為低山丘陵區(qū)，溝谷發(fā)育。主壩區(qū)地面高程91.5～110.0m，副壩區(qū)地面高程87.4～119.7 m。水庫緊靠山體而建，目前庫區(qū)僅副壩殘留部分存水?，F(xiàn)河床高程主壩區(qū)88.0～91.5 m、副壩區(qū)87.0～92.8 m，河流兩岸為太古界三屯營組片麻巖。

1.2 地層巖性

根據(jù)1：1 000 地質(zhì)測繪成果和勘探資料，工程區(qū)地表出露及鉆孔揭露的地層巖性主要有第四系全新統(tǒng)人工堆積（rQ）填土，第四系全新統(tǒng)沖洪積（a1+p1Q4）含壤土碎石、粗砂及沖積（a1Q4）含壤土碎石，太古界遷西群三屯營組（Ars）片麻巖等。

1.3 地質(zhì)構(gòu)造與地震

近場區(qū)未發(fā)現(xiàn)大的地質(zhì)構(gòu)造。根據(jù)中國地震局制定、國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局發(fā)布的《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》（GB18306-2001）劃分，該區(qū)地震動峰值加速度為0.15g，地震動反應(yīng)譜特征周期0.40s，相當(dāng)于地震基本烈度Ⅶ度區(qū)。

1.4 水文地質(zhì)條件

本地區(qū)處于暖溫帶亞濕潤氣候區(qū)，四季分明，春季溫涼少雨，夏季炎熱多雨，秋季干濕相間，冬季寒冷干燥。多年平均氣溫10.7℃，7月平均氣溫25 ℃，1月平均氣溫-6.4 ℃。年均降水量706.3 mm，最多降水量1 092 mm （1953年），最少降水量323 mm（1982年）。年均風(fēng)速2.4 m/s，最大風(fēng)速17 m/s。本區(qū)有季節(jié)性凍土，凍土期為11月一次年3月份，標(biāo)準(zhǔn)凍土深度0.88 m。

庫區(qū)地下水位埋藏較深，主要是靠大氣降水補給。2010年勘探期間地下水埋深7.9～11.5 m，地下水位87.02～92.28 m。以第四系地層孔隙潛水和基巖裂隙水兩種形式存在。目前水庫僅副壩區(qū)殘留部分存水。

2010年勘探期間取庫水、民井中地下水各1 組水樣進行了水質(zhì)簡分析，庫水、地下水均屬重碳酸硫酸鈣鎂型水，呈弱堿性，水質(zhì)較好。

根據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（GB50487-2008）對環(huán)境水腐蝕判定標(biāo)準(zhǔn)判定地表水、地下水的HCO3-、pH、CO32-、Mg2+和SO42-5 項指標(biāo)均未達到腐蝕性標(biāo)準(zhǔn)，對混凝土不具腐蝕性；地表水、地下水在干濕交替情況下對混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋不具腐蝕性，對鋼結(jié)構(gòu)具弱腐蝕性。

2 主壩壩址區(qū)工程地質(zhì)條件及評價

2.1 地質(zhì)條件

根據(jù)鉆孔資料，主壩壩址區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)屬土巖多層結(jié)構(gòu)，按地層時代、巖性及空間分布特征將建筑物區(qū)地層劃分為3 個工程地質(zhì)層，由上至下分述如下：

第①工程地質(zhì)層：壤土（rQ），紅褐色，稍濕-濕，硬塑-可塑，含5%～15%的礫石，塊徑0.5～1.5 cm，成分主要為片麻巖。層厚5.3～7.8 m，底板高程90.88～100.14 m。黏土斜墻及壩體填筑土，分布普遍。

第②工程地質(zhì)層：含壤土碎石（a1+p1Q4），灰黃-灰褐色，濕，可塑，中密，碎石含量約65%～80%，塊徑一般3～8 cm，最大14 cm，成分為片麻巖，含20%～35%的壤土，局部夾壤土、粗砂透鏡體。層厚2.6～3.5 m，底板高程87.58～89.41 m。主要分布于壩體填土底部及庫區(qū)。

第③工程地質(zhì)層：片麻巖（Ars），灰黃色、青灰色，中粒變晶結(jié)構(gòu)，片麻狀構(gòu)造，礦物成分主要為石英、長石及角閃石等，巖石混合巖化強烈，多有石英巖脈侵入。全風(fēng)化巖芯多呈塊狀夾泥狀，碎塊手可掰碎，厚3.5～7.2 m，底板高程84.38～94.04 m；強風(fēng)化巖芯多呈塊狀，局部呈短柱狀，一般塊徑1～5 cm，厚2.0～6.0 m，局部大于8m，未揭穿；弱風(fēng)化巖芯多呈柱狀，局部呈短柱狀，一般柱長4～10 cm，最大達21 cm，勘探深度內(nèi)未揭穿。壩址區(qū)分布普遍。

2.2 地質(zhì)評價

2.2.1 壩體黏土斜墻

（1）室內(nèi)試驗成果表明，黏土斜墻巖性為中、重粉質(zhì)壤土，黏粒含量22.2%，天然含水率19.3%，干密度1.63 g/cm3，液性指數(shù)0.12，呈硬塑狀，壓縮系數(shù)0.34 MPa-1，具中等壓縮性，最優(yōu)含水量18.0%，滲透系數(shù)建議值為6.0×10-5cm/s，具弱透水性，以上數(shù)據(jù)表明壩體土質(zhì)量較好。

（2）根據(jù)本次勘察結(jié)果分析，黏土斜墻填筑土料上部成分較雜，多含有角礫，局部含有碎石和風(fēng)化砂粒，斜墻填筑土料質(zhì)量不均。

2.2.2 壩體土

下游壩坡探坑資料顯示，壩體填筑土巖性主要為壤土，成分較雜，均含有碎石及風(fēng)化砂粒，為壤土夾全風(fēng)化巖混合料碾壓而成。下游壩坡排水棱體多處破損。

2.2.3 庫岸

水庫庫岸山體寬厚，無大的貫通性構(gòu)造發(fā)育，節(jié)理裂隙輕-中度發(fā)育，巖體較為完整，不存在庫岸滲漏問題。

2.2.4 壩基

通過對主壩壩體黏土斜墻、壩體土、庫岸的詳細的地質(zhì)調(diào)查與勘察工作，發(fā)現(xiàn)壩體黏土斜墻、壩體土、庫岸巖土體工程地質(zhì)性質(zhì)較好，均不存在滲漏問題。據(jù)此，可以認為南方城水庫滲漏問題的根源為壩基及壩肩滲漏。

鉆孔壓水試驗成果表明，主壩壩基全風(fēng)化片麻巖透水率16.37 Lu，屬中等透水；強風(fēng)化片麻巖透水率9.62 Lu，局部達17Lu，屬弱-中透水；弱風(fēng)化片麻巖透水率2.2 Lu，屬弱透水。壩基巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，尤其是全風(fēng)化片麻巖透水率大，鉆進過程中漏水嚴重。經(jīng)綜合分析，全、強風(fēng)化片麻巖是滲漏的主要通道。

壩基基巖頂部以上分布厚度2.6～3.5 m 的含壤土碎石層，層底高程87.58～89.41 m；粗砂層層底高程90.22 m。滲透系數(shù)建議值分別為3.0×10-3、2.5×10-2cm/s，透水性較強，是壩基滲漏的主要通道之一。

綜上所述，壩基含碎石壤土層、粗砂層及全、強風(fēng)化片麻巖是壩基滲漏的主要通道，壩基滲漏范圍廣，滲漏層厚度大，建議對壩基進行防滲處理。

2.2.5 壩肩

左壩肩巖頂部以上分布厚3m 的粗砂透鏡體，層頂高程約93.22 m，滲透系數(shù)2.5×10-2cm/s，透水性強，左壩肩壩基全風(fēng)化片麻巖透水率15 Lu，屬中等透水。根據(jù)現(xiàn)場勘察，左壩肩基巖裸露，地表多為全風(fēng)化片麻巖，多呈砂狀。綜上分析，左壩肩部位全風(fēng)化片麻巖及粗砂透鏡體為繞壩滲漏的主要通道。

3 副壩壩址區(qū)工程地質(zhì)條件及評價

3.1 地質(zhì)條件

根據(jù)鉆孔資料，副壩壩址區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)屬土巖多層結(jié)構(gòu)，按地層時代、巖性及空間分布特征將建筑物區(qū)地層劃分為3 個工程地質(zhì)層，由上至下分述如下：

第①工程地質(zhì)層：礫砂（rQ），灰黃色，干燥-稍濕，密實，含25%～35%的碎石，局部碎石含量達45%，塊徑1～4 cm，含少量壤土，巖芯多呈碎塊狀、片狀。層厚6.0～8.5 m，底板高程91.59～93.80 m。大壩填筑料，為全風(fēng)化狀片麻巖碾壓而成。

第②工程地質(zhì)層：壤土（rQ），褐黃色-灰黑色，濕，可塑，土質(zhì)不均，含少量礫石。層厚5.0 m，底板高程88.80 m。黏土斜墻填筑土。

第③工程地質(zhì)層：片麻巖（Ars），灰黃色、青灰色，中粒變晶結(jié)構(gòu)，片麻狀構(gòu)造，礦物成分主要為石英、長石及角閃石等，巖石混合巖化強烈，多有石英巖脈侵入。全風(fēng)化巖芯多呈塊狀夾泥狀，碎塊手可掰碎，厚4.0～10.7 m，底板高程84.57～95.18 m；強風(fēng)化巖芯多呈塊狀，局部呈短柱狀，一般塊徑2～6cm，層厚2.0～3.5 m，局部大于11 m，底板高程82.57～101.19 m；弱風(fēng)化巖芯多呈柱狀，局部呈短柱狀，一般柱長3～13 cm，最大達23 cm，勘探深度內(nèi)未揭穿。壩址區(qū)分布普遍。

3.2 地質(zhì)評價

3.2.1 黏土斜墻

（1）室內(nèi)試驗成果表明，黏土斜墻巖性為礫質(zhì)、含少量礫重壤土，黏粒含量24.1%，天然含水率20.0%，干密度1.65 g/cm3，液性指數(shù)0.16，呈硬塑狀，壓縮系數(shù)0.36 MPa-1，具中等壓縮性，擊實試驗最大干密度1.83g/cm3，最優(yōu)含水量15.9%，滲透系數(shù)建議值為8.3×10-6cm/s，具微透水性，以上數(shù)據(jù)表明壩體土質(zhì)量較好。

（2）根據(jù)本次勘察結(jié)果分析，黏土斜墻填筑土料上部成分較雜，多含有角礫，局部含有碎石和風(fēng)化砂粒，斜墻填筑土料質(zhì)量不均。

3.2.2 壩體土

下游壩坡探坑資料顯示，壩體填筑土巖性主要為礫砂，局部夾壤土薄層，為全風(fēng)化巖碾壓而成。目前下游沒有護坡，表層礫砂沖蝕嚴重。下游壩腳排水棱體多處破損，且沖蝕嚴重。

3.2.3 壩基

通過對副壩壩體黏土斜墻、壩體土的詳細的地質(zhì)調(diào)查與勘察工作，發(fā)現(xiàn)壩體黏土斜墻、壩體土巖土體工程地質(zhì)性質(zhì)較好，均不存在滲漏問題。據(jù)此，可以認為南方城水庫滲漏問題的根源為壩基滲漏。

鉆孔壓水試驗成果表明，壩基分布的第③工程地質(zhì)層全風(fēng)化片麻巖透水率30 Lu，屬中等透水；強風(fēng)化片麻巖透水率22 Lu，屬中等透水；弱風(fēng)化片麻巖透水率10.3 Lu，屬中等透水性。壩基巖體普遍為中等透水性，滲漏比較嚴重，建議采取防滲措施。

4 結(jié)語

（1）主壩、副壩黏土斜墻填筑土料上部成分較雜，多含有角礫，局部含有碎石和風(fēng)化砂粒，斜墻填筑土料質(zhì)量不均。壩體填筑土巖性主要為壤土，成分較雜，均含有碎石及風(fēng)化砂粒，為壤土夾全風(fēng)化巖混合料碾壓而成，總體壩體填筑質(zhì)量較好。

（2）主壩及副壩壩基全、強風(fēng)化巖體是滲漏的主要通道，主壩左壩肩部位全風(fēng)化巖體及粗砂透鏡體為繞壩滲漏的主要通道。建議主壩、副壩壩基進行防滲處理。

（3）作為中小型水庫除險加固的工程地質(zhì)勘察工作，應(yīng)當(dāng)全面察明壩體、壩基的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件，并應(yīng)結(jié)合工程運行期的地質(zhì)調(diào)查作出明確結(jié)論，以便為除險加固的設(shè)計工作提供可靠依據(jù)。

[1]常士驃，張?zhí)K民.工程地質(zhì)手冊[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2007.

[2]GB50487-2008，水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范[S].

[3]GB50011-2001，建筑抗震設(shè)計規(guī)范(2008 版)[S].

[4]SL31-2003，水利水電工程鉆孔壓水試驗規(guī)程[S].