益塘水庫攔河壩主要工程地質問題

李佳文

(廣東省水利電力勘察設計研究院，廣州510170)

1 工程概況

益塘水庫位于五華縣北部潭下、轉水兩鎮(zhèn)鏡內(nèi)，距縣城約20 km。是以防洪為主，保證灌溉、結合發(fā)電及綜合利用的大(2)型水利工程。益塘水庫攔河壩位于潭下鎮(zhèn)上圍村，為均質土壩，壩頂長度約620 m，最大壩高為22 m，壩頂寬為6.3 m，壩頂高程為159.80 m。迎水面平均坡比為1∶2.43，護坡形式采用干砌石護坡。背水護坡形式為草皮，平均坡比為1∶2.40。壩后設置排水棱體。大壩右側設有內(nèi)徑為1.0 m放水涵管一條，進口底板高程為146.0 m;溢洪道位于大壩左側，堰頂高程為148.0 m，寬約32 m。水庫正常高水位為153.00 m，設計洪水位為155.54 m，校核洪水位為157.52 m。工程于1971年開工，1974年建成蓄水運行。

2 工程地質條件

壩址區(qū)地貌以中低山地形為主，最大高程428 m，一般高程200 ～270 m，相對高差≤70 m，坡角較緩，一般20° ～30°。壩址區(qū)主要分布侏羅系下統(tǒng)藍塘群上亞群(J1lnc)地層，此外有少量第四系洪沖積層(Qpal)及第四系人工填土層(QS)。為進一步了解壩址區(qū)工程地質問題，根據(jù)壩型分別在壩體的前坡、壩頂、后壩布置了勘探孔23個(1 條橫剖面，4 條縱剖面)，合計完成鉆孔552.0 m，現(xiàn)場注水試驗59段，標準貫入試驗78 次，取樣46 組土樣(砂)等工作。根據(jù)鉆孔揭露及工程地質測繪，壩址區(qū)工程地質情況如下:

1)壩體填土(QS):紫紅色，主要由粉砂巖風化土組成，局部夾卵石、黏土及強風化巖塊，粉砂巖風化土呈砂質黏土狀，黏性一般，稍壓實。厚度2.80m(Zkt1)～22.20m (Zkt2)，底板高程137.60 ～157.00 m。共做標準貫入試驗43 次，范圍值N=2 ～15 擊，其小值平均值N =6.0 擊。根據(jù)壩體填土層所取37 組土樣，其主要的物理力學性質指標值為:天然含水量平均值27.1%;天然密度平均值1.91 g/cm3。為中壓縮性土。其中8 組土樣做三軸固結不排水剪，其抗剪強度平均值30.0 kPa，內(nèi)摩擦角平均值22.9°;有效應力平均值27.3 kPa，內(nèi)摩擦角平均值27.1°。29 組土樣做飽和快剪試驗，其抗剪強度Csq平均值20.4 kPa;摩擦角φsq平均值18.6°。室內(nèi)滲透系數(shù)k20平均值5.99 ×10－6cm/s。

2)反濾層:根據(jù)施工資料及坑槽探可知，反濾層不符合要求，與排水體直接相連，排水體成份以粗砂夾卵礫石為主，級配較好，含泥量約4.3%，滲透性為強透水。

3)排水體:該壩采用褥墊層和棱體綜合式排水，根據(jù)施工資料及坑槽探可知，排水棱體為塊狀紫紅色弱風化粉砂巖、石英砂巖及河卵礫石，攔河壩左半部份厚5.00 ～6.00 m，右半部份厚約3.00 m。經(jīng)鉆孔zkt9 揭露，139.90 ～144.40 m為壩體褥墊層，主要由灰白色砂礫石組成，經(jīng)室內(nèi)試驗其滲透系數(shù)為1.42 ×10－2cm/s，具有強透水性。

4)壩基:根據(jù)壩體所布鉆孔及地質測繪壩基大部份為侏羅系下統(tǒng)藍塘群上亞群(J1lnc)地層，其余為第四系洪沖積層(Qpal)，現(xiàn)分述如下。

根據(jù)鉆孔揭露，將第四系洪沖積層(Qpal)分為3個亞層:

②－1 層:為青灰色黏土及淤泥質土，局部夾 薄層灰褐色含礫粉質黏土或粉砂，濕，軟塑，質純，黏性好。僅有Zktc5、Zktc6、Zkt4 及Zkt5 四孔有揭露，層底高程143.80 ～151.30 m，層厚0.20 ～3.70 m。弱透水性。

②－2 層:為雜色、淺黃色及灰白色砂卵礫石，局部夾粉砂及含少量泥質，飽和，稍密－中密，主要由中粗砂及卵石組成，磨圓度及分選性一般，卵石成份以石英及砂巖為主，卵石直徑一般為2 ～4 cm ，少量5 ～9 cm。分布在老河床中，屬河床沖積物，僅有Zktc2、Zktc3、Zktc4、Zktc6、Zkt2、Zkt3、Zkt5、Zkt7、Zkt9 鉆孔有揭露，層底高程133.00 ～142.60 m，層厚2.00 ～8.00 m。透水性強。

③層:為淺黃、棕黃夾紫色坡積粉質黏土，稍濕－濕，可塑－硬塑。Zkt11、zk 補1、zk 補2、zk 補3 等4個鉆孔有揭露，層底高程138.80 ～142.10 m，層厚3.50 ～7.30 m。標準貫入校正范圍值°N° =6.9 ～27.7，平均值17.4。根據(jù)室內(nèi)試驗成果其主要的物理力學指標值為:天然含水量W =29.0%，天然密度ρ =1.82g/cm3，孔隙比e =0.85，壓縮系數(shù)av1－2=0.68MPa－1，為高壓縮性土。飽和快剪試驗值為Csq=22.0 kPa，φsq=22.2°。

侏羅系下統(tǒng)藍塘群上亞群(J1lnc)地層:巖性主要為粉砂巖，分布在壩體兩側的山體，左岸巖層產(chǎn)狀N35°W/NE∠25°，右岸巖層產(chǎn)狀N50°W/NE∠25 °，根據(jù)巖石風化程度，劃分為全風化帶、強風化帶及弱風化帶，從上到下分述如下:

全風化帶(Ⅴ):只在zktc1、Zktc5、Zktc6、Zkt1、Zkt2、Zkt4、Zkt6、Zkt8、Zkt10 孔中有出露，紫紅色、淺黃色、灰綠色，風化不均一，遇水易崩解，局部夾強風化巖塊，已風化呈砂質黏土狀，硬塑～堅硬。層底高程為135.60 ～148.80 m，層厚1.60 ～11.10 m。根據(jù)室內(nèi)試驗成果其主要的物理力學性質指標平均值為:天然含水量 W = 21.5%，天 然密度 ρ =1.94 g/cm3，孔隙比e = 0.729，壓縮系數(shù)av1－2=0.25MPa－1，為中壓縮性土。

強風化帶(Ⅳ):紫紅色、淺黃色、青灰色，中厚層，巖質軟，裂隙發(fā)育，裂面附鐵錳質，完整性差，局部夾全風化巖，巖芯多呈碎塊狀，少量柱狀。底板高程為127.40 ～139.60 m，揭露層厚1.20 ～14.30 m。

弱風化帶(Ⅲ):青灰色、淺黃色、紫紅色，中厚層，巖質稍硬，完整性差，裂隙發(fā)育，裂面附鐵錳質，巖芯呈塊狀，少量柱狀。該層揭露層厚為0.90～7.00 m。

根據(jù)該區(qū)域工程地質資料及壩址區(qū)工程地質測繪，壩址區(qū)附近未發(fā)現(xiàn)對壩體有影響的斷層經(jīng)過壩址區(qū)。

3 工程地質評價

3.1 壩體填土質量

攔河壩填土主要由粉砂巖風化土組成，局部夾卵石、黏土及強風化巖塊，土質不均勻，呈粉質黏土～砂質黏土狀。根據(jù)室內(nèi)土工試驗成果資料，土質主要由含砂低液限黏土及低液限黏土等組成，土的干密度一般在1.40 g/cm3～1.64 g/cm3，平均值為1.51 g/cm3。平均壓實度為0.91，尚未達到《碾壓式土石壩設計規(guī)范》(SL274—2001)規(guī)范規(guī)定2 級壩壓實度為0.98 ～1.00 的要求。標貫試驗資料范圍值N=2 ～15 擊，壩身填土呈可塑狀，欠壓實，不密實。

3.2 壩體填土的滲透性

攔河壩壩身的填筑土主要為粉砂巖風化成的砂質黏土，共做31 段注水試驗，分壩前坡和壩后坡統(tǒng)計。其中Zkt2 孔17.2 m處鉆進時無回水，土層中夾有較多塊石。

根據(jù)現(xiàn)場注水試驗壩前坡(上部0 ～9.5 m)及(下部9.5 m ～壩基)的平均滲透系數(shù)為1.47 ×10－3cm/s 及8.19 ×10－5cm/s，壩后坡的平均滲透系數(shù)為1.62 ×10－3cm/s，其中壩前坡(0 ～9.5 m)不滿足《碾壓式土石壩設計規(guī)范》要求，壩前坡滲透系數(shù)小于壩后坡滲透系數(shù)，利于壩體穩(wěn)定，雖然在1978年、1980年間進行過黏土充填灌漿，但效果不是很理想，壩體上部及下部局部仍不滿足規(guī)范要求。因所取土樣多為細顆粒土，室內(nèi)滲透試驗的平均滲透系數(shù)為5.99×10－6cm/s?？紤]水庫正常蓄水位為152.60 m，攔河壩壩頂(Zkt2)地下水位146.30 m，壩后坡孔(Zkt9)地下水位142.50 m，及益塘水庫攔河壩第一排測壓管觀測資料可知，壩體浸潤線基本正常。壩體填土的臨界水力比降:J =(Gs－1)(1－n)，其中Gs為比重，n 為孔隙率，計算得出臨界水力比降為0.961，建議安全系數(shù)為2，允許水力比降J允許為0.481。

3.3 壩基滲透性

壩基主要為侏羅系下統(tǒng)藍塘群上亞群(J1lnc)全～強風化粉砂巖，少部份為第四系洪沖積層(Qpal)，靠近老河床壩基位置為砂卵礫石層，砂層呈稍密－中密狀，根據(jù)室內(nèi)試驗成果，滲透系數(shù)范圍值為5.32×10－3cm/s ～7.52 × 10－2cm/s，平均滲透系數(shù)為2.46 ×10－2cm/s，為強透水層，經(jīng)壩后排水棱體三角堰測得壩后滲漏量約70 ～100 L/min，滲漏量一般隨著庫水位升高而增加。說明黏土鋪蓋或截水槽施工未能完全隔斷透水層，為防止壩基產(chǎn)生滲透破壞，根據(jù)工程類比，建議砂卵礫石層允許水力比降J允許為0.13 ～0.16。左右岸壩基基巖為全～強風化粉砂巖，基巖裂隙稍發(fā)育，根據(jù)現(xiàn)場注水試驗，全風化巖層的平均滲透系數(shù)為1.09 ×10－4cm/s，屬中等透水層;強風化巖層的平均滲透系數(shù)為8.81 ×10－5cm/s，透水性較差，為弱透水層。建議灌漿深度進入全風化巖層10 m。

3.4 繞壩滲漏

水庫工程基本完工蓄水后，在1978年、1980年對攔河壩及壩肩結合處分別進行了充填灌漿處理。根據(jù)左右壩肩Zkt1、Zkt6 鉆孔測壓管觀測資料，左壩頭Zkt1 孔的地下水位高程為145.10 m，遠低于勘測時水庫正常高水位152.30 m，且向左側延伸為中等～弱透水的山體，存在繞壩滲漏問題，主要原因是基巖裂隙發(fā)育及斷裂構造(Zkt1)影響，造成透水性增大，建議灌漿范圍向左壩端延伸15 ～20 m。右壩頭Zkt6 孔的地下水位高程為153.30 m，高于水庫正常高水位，為右側山體地下水向Zkt6 孔補充，且右側山體多為弱透水層，山體較雄厚，不存在繞壩滲漏［1］。

3.5 反濾層及排水棱體

根據(jù)施工資料及坑槽探可知，反濾層不符合要求;在排水棱體中干砌石護坡為紫紅色弱風化粉砂巖或石英砂巖，其中粉砂巖抗風化能力較弱;經(jīng)排水棱體流出地下水為清水，不渾濁。但由于護坡巖石抗風化能力較弱，風化后容易堵塞排水棱體中的孔隙，造成壩體排水不暢，引起浸潤線抬高，不利壩體穩(wěn)定。建議將此位置排水棱體采用抗風化能力較強的花崗巖重新?lián)Q填處理。

3.6 巖土物理力學參數(shù)建議

根據(jù)原位、室內(nèi)試驗成果，以及工程類比資料，攔河壩及壩基各土層主要物理力學指標建議值見表1 和表2。

表1 地質參數(shù)建議值表

表2 壩基巖土主要力學指標

4 結 論

通過本次地質勘察，基本查明了攔河壩壩體填土物理力學性質指標;壩基河床段清基不良，存在較厚的洪沖積砂卵石強透水層;左壩頭存在繞壩滲漏等問題。

該壩加固工程從2009年11月開始動工，對原河床存在砂卵石層采取了相應的塑性混凝土連續(xù)墻進行壩體防滲等處理技術，工程于2012年3月得于順利竣工，至今已經(jīng)過兩年多的蓄水運行考驗，運行期間未發(fā)現(xiàn)不良問題。以上證明本次對攔河壩存在工程地質問題的勘察分析全面，提供參數(shù)合理，加固改造建議可行，施工進展順利，完成效杲良好。

［1］高至國，邴志海. 理正軟件在烏斯渾河四合段堤防滲流分析中的應用［J］. 黑龍江水利科技，2014，42(03):177－178.