韓家園水庫(kù)大壩滲漏問(wèn)題淺析

董立龍

【摘 要】本文論述了韓家園水庫(kù)庫(kù)區(qū)的工程地質(zhì)條件，并在此基礎(chǔ)上對(duì)大壩存在的滲漏問(wèn)題及工程參數(shù)進(jìn)行了分析和評(píng)價(jià)。

【關(guān)鍵詞】韓家園水庫(kù)；大壩；滲漏

1 工程地質(zhì)條件概述

1.1 地形地貌

韓家園水庫(kù)位于太行山東麓的洨河二級(jí)支流封龍河上，屬丘陵河谷地貌形態(tài)。地勢(shì)稍有起伏，總體自南西向北東傾斜。封龍河為季節(jié)性河流，自南西向北東流經(jīng)庫(kù)區(qū)，壩址處主河道寬400～450m，河床底高程約70～75m，地面高程100～115m。主壩兩壩頭為低山，左側(cè)山頂高程約250m，右側(cè)山頂高程約160m。

1.2 地層巖性

場(chǎng)地上覆地層主要為第四系全新統(tǒng)人工填土，第四系上更新統(tǒng)坡洪積壤土、含粘土礫石、卵石，下伏基巖主要為下元古界甘陶河群南寺掌組上段千枚巖、下元古界甘陶河群南寺掌組下段石英砂巖。

第四系人全新統(tǒng)人工填土（QS）主要為壩體填筑的壤土，灰黃～棕黃色，層厚5～11m。第四系上更新統(tǒng)坡洪積（Qpdl3）壤土、含粘土礫石、卵石，具馬蘭黃土的一般特征，夾不連續(xù)的砂礫層或透鏡體，層厚3～40米，該層在工程區(qū)廣泛分布，略具豎直節(jié)理，鉆孔深度內(nèi)揭露厚度不大于15m。下元古界甘陶河群南寺掌組上段（Ptn2）千枚巖，全～強(qiáng)風(fēng)化層呈灰綠色～棕黃色，弱風(fēng)化層呈淺灰色，產(chǎn)狀：NW335°～345°SW∠45°～52°，成分主要為絹云母、鈉長(zhǎng)石和綠泥石，絲絹光澤明顯；局部發(fā)育45°和近90°節(jié)理，間距0.5～3m，主壩左側(cè)及副壩均揭露到此層，主壩右側(cè)山包也有出露。下元古界甘陶河群南寺掌組下段（Ptn1）石英砂巖，淺灰～灰黃色，鱗片花崗變晶結(jié)構(gòu)，巖性穩(wěn)定，在主壩壩基右側(cè)有所揭露，30m孔深未揭穿該層。

1.3 地質(zhì)構(gòu)造

從地質(zhì)發(fā)展的歷史過(guò)程總體來(lái)看，本區(qū)可辨認(rèn)三次褶皺運(yùn)動(dòng)，即太古界末的阜平運(yùn)動(dòng)、下元古界末的呂梁運(yùn)動(dòng)、中生界的燕山運(yùn)動(dòng)；一次大規(guī)模的斷裂下陷活動(dòng)，即喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)。其中呂梁運(yùn)動(dòng)形成的構(gòu)造形式為本區(qū)基底構(gòu)造，表現(xiàn)形式以褶皺為主，斷裂為輔。

1.4 地震效應(yīng)

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011-2010）和中國(guó)地震局制定、國(guó)家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局發(fā)布的《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》（GB18306-2001），庫(kù)區(qū)抗震設(shè)防烈度為6度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.05g；地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.40s，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，屬中硬場(chǎng)地。

1966年邢臺(tái)隆堯發(fā)生6.8級(jí)地震，距庫(kù)區(qū)約45km，破壞程度不大。

2 工程地質(zhì)問(wèn)題及評(píng)價(jià)

2.1 主壩工程地質(zhì)問(wèn)題

本工程的主要工程地質(zhì)問(wèn)題就是壩體和壩基的滲漏問(wèn)題。綜合分析本次和2004年勘察試驗(yàn)成果可以發(fā)現(xiàn)，主壩壩體中第②工程地質(zhì)單元位于地下水位以下，厚度1.5～2.5m，最厚4m；含水率大，粉粒含量高，孔隙比大，液性指數(shù)均大于0.75，多呈軟塑局部呈流塑狀態(tài)，其滲透系數(shù)建議值為7.5×10-5cm/s，屬弱透水，但接近中等透水；在壩體中形成了一條接近飽和的軟弱帶，不但造成了壩體的滲漏，對(duì)壩體本身的安全也已構(gòu)成嚴(yán)重威脅。

橫向上，樁號(hào)0+145橫剖面上顯示為軟塑的壤土與其下部的卵礫石層共同組成滲透帶；樁號(hào)0+312顯示為軟塑的壤土層與含壤土的粗砂、含粗砂的壤土層共同組成滲透帶。此軟弱帶與壩下游地下水的出露點(diǎn)高程也比較接近。因此可以推斷，因?yàn)榕c庫(kù)水相連，壩體和壩下游戧臺(tái)中的軟弱帶形成了壩體的滲漏通道，致使下游出現(xiàn)了流量約為0.002m3/s的集中滲漏點(diǎn)，并在樁號(hào)0+312附近出現(xiàn)了冒砂現(xiàn)象。

2.2 主壩工程地質(zhì)評(píng)價(jià)

（1）主壩壩體土為壤土，其中位于7～14.5m深度的第②工程地質(zhì)單元相對(duì)軟弱，土體干密度低，粉粒含量高，含水率高，孔隙比大，滲透系數(shù)大，屬弱透水接近中等透水；樁號(hào)0+145附近上部的軟弱土層與其下部的卵礫石層、樁號(hào)0+312附近上部的軟弱土層與其下部的含壤土粗砂層一起，共同組成了與庫(kù)水相連的滲漏通道，在壩下游形成了集中滲漏點(diǎn)。

根據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（GB50487-2008）附錄M及試驗(yàn)成果，對(duì)該部分土體進(jìn)行滲透變形判別：①由試驗(yàn)成果可知，所有土的不均勻系數(shù)均大于5；②由公式df=■ 得出粗細(xì)粒的區(qū)分粒徑，由“顆粒分析試驗(yàn)報(bào)告”查出對(duì)應(yīng)的Pc值；③根據(jù)Pc值的大小進(jìn)行判斷。判別結(jié)果為：其變形型式大部分為管涌，部分為過(guò)渡型（詳見(jiàn)“顆粒分析試驗(yàn)報(bào)告”）。這從樁號(hào)0+312下游出露點(diǎn)形成管涌也得到了印證。

“96.8”洪水期間，引崗渠庫(kù)區(qū)段渠道崩潰，崩潰的引崗渠又將水庫(kù)流域以外的山洪導(dǎo)入水庫(kù)，致使水庫(kù)水位急劇上漲，很快洪水漫過(guò)壩頂，水庫(kù)管理處被迫采取緊急措施，炸開(kāi)左側(cè)部分壩段（長(zhǎng)75m，深6.6m）泄洪，洪水才得以控制。

第②工程地質(zhì)單元的存在已經(jīng)極大地影響了壩體質(zhì)量，如不及時(shí)整治，若再遇“96.8”規(guī)模洪水，庫(kù)水位抬高，其含水率將進(jìn)一步加大，其抗剪強(qiáng)度指標(biāo)Cq=12～14kPa，Φq=18°～20°，均很低，壓縮系數(shù)為0.50～0.54MPa，已屬高壓縮性土，則很容易造成淺層滑動(dòng)。一旦發(fā)生垮壩，對(duì)下游比大壩低50m的石家莊市和京廣鐵路、京珠、石太、青銀高速公路、107國(guó)道勢(shì)必造成嚴(yán)重威脅。因此主壩的除險(xiǎn)加固已刻不容緩。

（2）第①、③工程地質(zhì)單元的土體干密度多大于1.55g/cm3，粘粒含量為13.8%～24.6%，滿足《水利水電工程天然建筑材料勘察規(guī)程》（SL251-2000）中10%～30%的要求（僅主ZK10孔14.5～14.7m的粘粒含量為31.2%，略高于規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，但位于下游戧臺(tái)部位）；塑性指數(shù)7.9～13.0，滿足7～17的要求；滲透系數(shù)1×10-7～1.4×10-5cm/s，滿足碾壓后<10-4cm/s的要求。但樁號(hào)0+200處的主ZK4孔0.5～4m段孔隙比很大，而且很可能存在小規(guī)模土洞。

（3）壩基地層主要為全強(qiáng)風(fēng)化的千枚巖和石英砂巖，埋深10～14m，透水率值一般為2.16～5.3Lu，屬弱透水層；樁號(hào)0+200處的主ZK4孔18.8～20.3m深度基巖中存在破碎帶，其透水率值為90Lu，屬中等透水。此段巖芯均呈塊狀，分析認(rèn)為可能是一條破碎帶，但上游該層上部被相對(duì)隔水層覆蓋，因此現(xiàn)狀條件下不會(huì)產(chǎn)生滲漏。

樁號(hào)0+050和0+145附近壩體土以下、基巖以上分布卵礫石透鏡體，現(xiàn)場(chǎng)注水試驗(yàn)顯示其滲透系數(shù)為9.8×10-5cm/s，屬弱透水；該層曲率系數(shù)Cc=0.75，不均勻系數(shù)Cu=4.4，屬級(jí)配不良。綜合考慮級(jí)配及現(xiàn)場(chǎng)條件，當(dāng)細(xì)顆粒逐漸被地下水帶走后，其滲透系數(shù)將達(dá)到6.5×10-3cm/s，此層在垂直壩軸線方向亦構(gòu)成滲漏通道。

（4）壩基土、巖承載力均滿足建筑物應(yīng)力要求。

（5）本區(qū)抗震設(shè)防烈度屬6度區(qū)，地層不存在地震液化問(wèn)題。

2.3 副壩工程地質(zhì)問(wèn)題

本工程的主要工程地質(zhì)問(wèn)題就是壩體和壩基的滲漏問(wèn)題。綜合分析本次鉆探、物探、試驗(yàn)和2004年勘察試驗(yàn)成果可以發(fā)現(xiàn)，第③工程地質(zhì)單元位于地下水位以下，含水率大，粉粒含量高，孔隙比大，液性指數(shù)平均值0.88，最大1.13，大于0.75，多呈軟塑局部呈流塑狀態(tài)，其滲透系數(shù)建議值為8.2×10-5cm/s，屬弱透水，接近中等透水；在壩體中形成了一條接近飽和的軟弱帶，造成了壩體的滲漏，并在下游形成了流量約為0.0085m3/s的集中出露點(diǎn)，給當(dāng)?shù)剞r(nóng)田帶來(lái)了不利影響。

從副壩Ⅵ-Ⅵ′工程地質(zhì)橫剖面圖看，下部的砂卵石層橫貫壩體，但副壩下游地下水的出露點(diǎn)高于此層，因此推斷，雖然此砂卵石層未直接造成下游的集中滲漏，但仍可能形成滲漏通道，使庫(kù)水沿此滲漏通道向下游潛流。

2.4 副壩工程地質(zhì)評(píng)價(jià)

（1）副壩壩體土為壤土，第③工程地質(zhì)單元位于地下水位以下，含水率大，粉粒含量高，孔隙比大，液性指數(shù)平均值0.88，最大1.13，大于0.75，多呈軟塑局部呈流塑狀態(tài)，滲透系數(shù)建議值為8.2×10-5cm/s，屬弱透水，接近中等透水；造成了壩體的滲漏，并在下游形成了集中出露點(diǎn)，給當(dāng)?shù)剞r(nóng)田帶來(lái)了不利影響。

物探結(jié)果顯示：壩軸線樁號(hào)0+000～0+100段、壩下游樁號(hào)0+205～0+275段低電位異常幅度值較大，地下水滲流速度相對(duì)較大。這與本次副ZK1、6孔及2004年的ZK1孔的勘探結(jié)果是相符的，而且與“96.8”期間此段下游出現(xiàn)大面積滲水也是相吻合的。

根據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（GB50287-99）附錄M及試驗(yàn)成果，對(duì)該部分土體進(jìn)行滲透變形判別。判別結(jié)果為：其變形型式大部分為管涌，部分為過(guò)渡型。

該層土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)Cq=8～10kPa，Φq=18°～20°，壓縮系數(shù)為0.30MPa，屬中等壓縮性土。庫(kù)水位升高將對(duì)壩體造成很大的側(cè)向壓力，則壩體極易沿軟弱帶發(fā)生淺層滑動(dòng)，因此副壩的安全穩(wěn)定也存在一定隱患。

（2）第②工程地質(zhì)單元土體干密度多大于1.55g/cm3，粘粒含量為11.0%～28.2%，滿足現(xiàn)行規(guī)范10%～30%的要求；塑性指數(shù)7.0～12，滿足717的要求；滲透系數(shù)3.2×10-7～3.7×10-6cm/s，滿足碾壓后<10-4cm/s的要求。

（3）副壩右側(cè)地基中的粗砂層，滲透系數(shù)為8.5×10-4cm/s，屬弱透水層。卵礫石層均級(jí)配不良，滲透系數(shù)為2.0×10-3cm/s，屬中等透水層，該層上游若與庫(kù)水相連，則必然形成滲漏通道，使庫(kù)水沿此層向下游潛流。

（4）壩基地層主要為全風(fēng)化的千枚巖，埋深約13.5m，透水率2.2Lu～8.0Lu，屬弱透水層，因此淺部基巖本身也存在滲漏問(wèn)題。

（5）壩基土巖承載力均滿足建筑物應(yīng)力要求。

（6）副壩下游滲漏點(diǎn)流量約為0.0085m3/s，則每年的滲漏量約為27萬(wàn)m3，目前已經(jīng)使下游的農(nóng)田無(wú)法正常耕種，給當(dāng)?shù)剞r(nóng)民帶來(lái)了不利影響。水庫(kù)庫(kù)容僅410萬(wàn)m3，若上游不能及時(shí)補(bǔ)充水源，加之主壩的滲漏，則水庫(kù)蓄水量每年損失約50萬(wàn)m3，已經(jīng)嚴(yán)重影響了水庫(kù)的正常運(yùn)用。

（7）本區(qū)抗震設(shè)防烈度屬6度區(qū)，地層不存在地震液化問(wèn)題。

3 建議

（1）搜集前期防滲及加固處理資料，弄清新老防滲體之間的結(jié)合情況，并采取有效方法觀測(cè)主、副壩滲漏量與庫(kù)水位的相關(guān)性。

（2）在主、副壩集中滲漏部位的上游，采取水平防滲和垂直防滲相結(jié)合的方法，如鋪土工膜、壩體防滲灌漿、固結(jié)灌漿或混凝土防滲墻等措施，堵塞滲漏通道。

（3）為解決壩體穩(wěn)定問(wèn)題，建議對(duì)主副壩壩體薄弱部位采用振沖碎石樁或深層攪拌法進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，改善其顆粒級(jí)配，增加其抗剪強(qiáng)度，從而消除安全隱患。

（4）主壩樁號(hào)0+300～0+308段下游發(fā)育的沖溝，寬度3～10m，深度3～6m，系壩下游公路排水溝出水口沖刷而成。建議及早進(jìn)行治理，避免對(duì)壩下游戧臺(tái)造成更大破壞以致影響壩體穩(wěn)定。

（5）因本工程前期地質(zhì)資料較少，建議進(jìn)行庫(kù)區(qū)或壩址區(qū)工程地質(zhì)測(cè)繪，查清區(qū)域地質(zhì)情況，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步分析工程存在的地質(zhì)問(wèn)題。

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[責(zé)任編輯：薛俊歌]