某小(1)型水庫(kù)大壩壩基巖體滲透性分析

司海寶，李 會(huì)

(安徽工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，安徽馬鞍山243032)

據(jù)統(tǒng)計(jì)我國(guó)修建的8.5萬座中小型水庫(kù)中，絕大部分為土石壩體，其蓄水后上下游水頭差引起水流透過壩體、壩基以及庫(kù)區(qū)兩岸壩肩向下游滲流的工程隱患。劉杰[1]指出土石壩遭到破壞和失事等事故的40%是由滲透破壞造成，因而土石壩的滲透性分析是新建水庫(kù)勘察階段的重要內(nèi)容?，F(xiàn)場(chǎng)壓水試驗(yàn)利用勘探鉆孔率定水庫(kù)影響區(qū)域巖土體滲透性的參數(shù)，為評(píng)價(jià)巖土體的滲透性和防滲措施設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。佟長(zhǎng)江[2]指出不同壓水試驗(yàn)方法對(duì)壩基防滲設(shè)計(jì)的影響，并給出了初步改進(jìn)意見。王丹微[3]、蔡海榮等[4]給出了壓水試驗(yàn)確定巖體裂隙的發(fā)育情況和透水性等級(jí)。羅長(zhǎng)軍等[5]、張帆等[6]、張立杰等[7]指出大壩滲流的危險(xiǎn)性，并結(jié)合工程設(shè)計(jì)給出了合理的防滲建議。袁莉[8]系統(tǒng)地介紹了病險(xiǎn)土石壩加固前后壩體滲透性，并采用平衡法分析壩體穩(wěn)定性。馬鋒[9]針對(duì)庫(kù)區(qū)玄武巖節(jié)理裂隙，采用固結(jié)灌漿處理措施分析處理前后巖體的滲透性與變形。李炳蔚[10]考慮防滲墻的幾何特征，給出防滲墻鉆孔壓水試驗(yàn)滲流流量表達(dá)式的使用條件。上述研究表明，采取有效的勘察方法，做好庫(kù)區(qū)地質(zhì)勘察工作，對(duì)興建水庫(kù)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。某水庫(kù)大壩分布區(qū)域巖土體為灰綠色厚層礫巖，局部夾薄層砂礫巖、粉砂巖及粉砂質(zhì)泥巖，巖體表層呈強(qiáng)風(fēng)化特征?；诳碧姐@孔內(nèi)進(jìn)行巖體原位滲透試驗(yàn)，是庫(kù)區(qū)勘察重要手段。文中針對(duì)庫(kù)區(qū)巖土體開展現(xiàn)場(chǎng)壓水試驗(yàn)，對(duì)巖土體滲透性進(jìn)行評(píng)價(jià)，為水庫(kù)設(shè)計(jì)、施工提供重要參數(shù)。

1 工程概況

某水庫(kù)庫(kù)區(qū)位于六安市金安區(qū)橫塘崗鄉(xiāng)楊巖村境內(nèi)，庫(kù)區(qū)河谷在開闊區(qū)域呈現(xiàn)“U”形地貌，水源源頭局部為“V”形地貌，工程規(guī)模為小(1)型，以城鄉(xiāng)居民生活供水為主，兼顧農(nóng)業(yè)灌溉、生態(tài)、旅游、防洪、發(fā)電等綜合功能。水庫(kù)流域面積約16.5 km2。水庫(kù)樞紐工程由大壩、溢洪道、隧洞等組成。水庫(kù)墊底庫(kù)容為33.8×104m3，正常庫(kù)容為823×104m3，洪水位的相應(yīng)庫(kù)容為938×104m3，校核洪水位的相應(yīng)總庫(kù)容為993×104m3，樞紐布置示意如圖1。

經(jīng)勘探該水庫(kù)庫(kù)區(qū)地層屬大別山地層分區(qū)北淮陽(yáng)地層小區(qū)，區(qū)域內(nèi)分布地層從老到新依次為：侏羅系上統(tǒng)鳳凰臺(tái)組(J3f)，主要巖性為淺紫紅色、灰褐色，分別為巨厚層礫巖、夾薄層砂礫巖、粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖及透鏡體；侏羅系上統(tǒng)毛坦廠組(J3m)，主要以安山巖為主，次為火山熔巖，夾粉砂質(zhì)泥巖、泥巖，系陸相火山噴發(fā)作用的產(chǎn)物；白堊系上統(tǒng)三尖鋪組(K2s)，主要巖性為淺紫紅色、灰褐色，巨厚層礫巖；第四系(Q)，主要由河流沖積相、殘坡積相粘土、粉土、砂土及卵礫石組成。區(qū)域地質(zhì)資料及現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)測(cè)繪結(jié)果表明，壩址區(qū)域未發(fā)現(xiàn)斷層，區(qū)域構(gòu)造較為穩(wěn)定，壩址區(qū)地下水主要類型為基巖孔隙裂隙水和第四系松散沉積物孔隙水。

圖1 水庫(kù)樞紐工程Fig.1 Key project of reservoir

2 現(xiàn)場(chǎng)壓水試驗(yàn)

2.1 壩基區(qū)域壓水試驗(yàn)

鉆孔壓水試驗(yàn)為在鉆孔中進(jìn)行的原位滲透測(cè)試，用以定量了解地下不同深度處巖體的相對(duì)滲透性和裂隙發(fā)育程度，為巖層的完整性和透水性評(píng)定提供依據(jù)。壩基巖體的透水性不僅取決于巖體巖性，還與區(qū)域構(gòu)造發(fā)育情況及所處地貌單元等因素有關(guān)。為勘查壩址壩基區(qū)域巖體的透水性，依據(jù)《水利水電工程鉆孔壓水試驗(yàn)規(guī)程》[11]開展鉆孔壓水試驗(yàn)。

為了全面評(píng)價(jià)壩址區(qū)域巖土體滲透性特征，沿壩軸線布置XZK01～XZK04號(hào)孔，沿大壩下游布置XZK05、XZK06、XZK12號(hào)孔，沿大壩上游布置XZK07、XZK08、XZK11號(hào)孔，沿引水隧洞軸線布置XZK10、XZK13號(hào)孔。鉆孔位置如圖2。

圖2 壩址區(qū)域壓水試驗(yàn)鉆孔分布Fig.2 Borehole distribution of reservoir dams for water pressure test

現(xiàn)場(chǎng)采用XY-100型地質(zhì)勘探鉆機(jī)鉆探，開孔口徑為130 mm，終孔口徑為91 mm。在鉆探過程中，每次進(jìn)尺為1.5～2.0 m，全孔取巖芯。

壓水試驗(yàn)所用設(shè)備主要由壓水系統(tǒng)、量測(cè)系統(tǒng)和止水系統(tǒng)3部分組成。壓水系統(tǒng)包括水箱、水位計(jì)和水泵；量測(cè)系統(tǒng)包括壓力表和流量計(jì)；止水系統(tǒng)為止水栓塞。自上而下分段壓水，試驗(yàn)段長(zhǎng)度取5 m左右，止水方式采用單管頂壓式栓塞，由進(jìn)水管、止水膠塞和工作管組成。分別采用p1=0.3 MPa，p2=0.6 MPa，p3=1.0 MPa，p4=0.6 MPa，p5=0.3 MPa 3級(jí)壓力5個(gè)階段在鉆孔各段中進(jìn)行壓水試驗(yàn)。首先采用壓水法清洗鉆孔直至滿足試驗(yàn)要求，通過出水管調(diào)節(jié)送水壓力，待壓力值穩(wěn)定5～10 min后開始觀測(cè)流量，每隔1～2 min記錄一次流量。當(dāng)流量無持續(xù)增大趨勢(shì)，且連續(xù)五次流量數(shù)據(jù)中最大值與最小值之差小于最終值的10%或最大值與最小值之差小于1 L/min時(shí)，中止本階段試驗(yàn)，取終值作為計(jì)算值。將試驗(yàn)段壓力調(diào)整到新的預(yù)定值，重復(fù)上述過程，直到完成全部試驗(yàn)，結(jié)束壓水試驗(yàn)后24 h連續(xù)觀測(cè)測(cè)量孔內(nèi)水位。

2.2 壓水試驗(yàn)p-Q曲線類型

壓水試驗(yàn)時(shí)試段壓力p(MPa)由壓力計(jì)指示壓力pp和水頭壓力pZ兩部分組成，壓力計(jì)指示壓力可以直接從試驗(yàn)段連通的測(cè)壓管壓力計(jì)讀取，水頭壓力指壓力計(jì)中心至壓力計(jì)算零線的水柱壓力，試段透水率采用第3階段的壓力(p3)和流量(Q3)按式(1)計(jì)算。

式中：q為試段的透水率，Lu；L為試段長(zhǎng)度，m。

在不同試段壓力作用下，巖體裂隙內(nèi)的滲流狀態(tài)不同，巖體裂隙的狀態(tài)(開度、充填物的位置等)會(huì)發(fā)生變化，因而其滲透性也會(huì)發(fā)生變化。

根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)程，壩體布置12個(gè)鉆孔65段壓水試驗(yàn)，根據(jù)壓水試驗(yàn)分析3級(jí)壓力與流量之間的關(guān)系繪制p-Q曲線。p-Q曲線分為5種類型，分別為A型(層流型)曲線、B型(紊流型)曲線、C型(擴(kuò)容型)曲線、D型(沖蝕型)曲線、E型(充填型)曲線。此水庫(kù)現(xiàn)場(chǎng)壓水試驗(yàn)p-Q曲線類型以D型、E型為主，其中D型約占64.6%，E型約占33.8%，XZK12在7.20～11.00 m段發(fā)生漏水?，F(xiàn)場(chǎng)壓水試驗(yàn)p-Q曲線D型和E型類型特點(diǎn)如表1。

表1 壓水試驗(yàn)p-Q曲線類型Tab.1 p-Q curve type of water pressure test

壓水試驗(yàn)p-Q曲線D型階段，巖體裂隙在試驗(yàn)壓力作用下原有裂隙加寬，隱裂隙劈裂，或充填物有沖刷破壞，巖體滲透性增大，流量增大且減壓后部分或全部不能恢復(fù)原狀，在試驗(yàn)壓力作用下隱裂隙易劈裂并且與原有裂隙相通，裂隙中的填充物也容易被沖蝕。p-Q曲線E型階段，巖體裂隙短小，裂隙之間的連通性不強(qiáng)，有部分是閉合狀態(tài)，或裂隙內(nèi)充填物松散，在試驗(yàn)水頭壓力作用下移動(dòng)，破碎帶縫隙被固體顆粒充填或半封閉裂隙被水充填，從而導(dǎo)致降壓階段流量減小。

2.3 相對(duì)不透水層上限分析

相對(duì)不透水層是指庫(kù)區(qū)巖土層透水率小于工程要求透水率的地層，依據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》[12]，小(1)型水庫(kù)一般以5 Lu為界，相對(duì)不透水層處在弱風(fēng)化巖體中。12個(gè)鉆孔65段壓水試驗(yàn)透水率及相對(duì)不透水層上限埋深如表2。

左岸分布鉆孔1個(gè)，為XZK01。從壓水實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，透水率不大于5 Lu的巖體所占比例較大，鉆孔中相對(duì)不透水層上限最大埋深為13.80 m，相對(duì)不透水層上限最低高程為91.21 m。右岸分布鉆孔5個(gè)，分別為XZK04，XZK10，XZK11，XZK12，XZK13，從鉆孔壓水試驗(yàn)成果看，右岸巖體透水率與左岸基本一致。透水率不大于5 Lu的巖體所占比例較大，在5個(gè)鉆孔中相對(duì)不透水層上限最大埋深為15.20 m，相對(duì)不透水層上限最低高程為70.38 m，與左岸相比，右岸巖體相對(duì)不透水層上限埋深要略深，最低高程比左岸略低。河床分布鉆孔XZK02，XZK03，XZK05，XZK06，XZK07，XZK08，在6個(gè)河床鉆孔壓水試驗(yàn)數(shù)據(jù)中，透水率不大于5 Lu的巖體所占比例較大，相對(duì)不透水層上限最大埋深為16.20 m，相對(duì)不透水層上限最低高程為49.78 m。與左右兩岸相比，河床透水巖體厚度明顯增大，相對(duì)不透水層上限最低高程也比較低。試驗(yàn)結(jié)果表明，壩基區(qū)域發(fā)育厚度11.0～16.2 m強(qiáng)風(fēng)化礫巖層。

表2 鉆孔壓水試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Results of water pressure test

從表2可以看出，從孔口到孔底，巖體透水率隨深度逐漸減小。壩址河床部，表層為沖洪積層透水性較強(qiáng)，底層為風(fēng)化礫巖，強(qiáng)風(fēng)化層厚度適中，泥質(zhì)膠結(jié)，部分砂質(zhì)充填，隨深度增加，巖體微裂隙發(fā)育程度減弱，完整性較好，透水性逐漸減弱。壩址兩側(cè)山坡表層為殘坡積層覆蓋，底層為風(fēng)化基巖，淺層巖心較破碎，連通較好，深部為弱風(fēng)化礫巖，完整性較好，透水性較弱?？傮w來說壩址區(qū)域巖體透水性由地表往下呈非線性遞減，壩基相對(duì)不透水層上限均位于弱風(fēng)化帶內(nèi)。

3 壩基防滲設(shè)計(jì)

壓水實(shí)驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表明，壩址左岸高程91.21 m以上相對(duì)不透水層埋深約為13.80 m，穩(wěn)定地下水位埋深為1.9～2.9 m。相對(duì)不透水層及穩(wěn)定地下水位埋深較大，存在繞壩滲漏和壩基滲漏問題的隱患。因此需要對(duì)左岸壩基進(jìn)行防滲處理，防滲深度深入相對(duì)不透水層以下1 m，繞壩防滲沿壩軸線向外延伸，延長(zhǎng)寬度根據(jù)正常蓄水位線與相對(duì)不透水層的交點(diǎn)位置確定。

壩址右岸強(qiáng)風(fēng)化礫巖厚度為0.5～1.6 m，第四系殘坡積土厚度為2.4～7.9 m。壓水試驗(yàn)結(jié)果表明，右岸高程70.38 m以上相對(duì)不透水層埋深一般為15.2 m，穩(wěn)定地下水位埋深為4.4 m左右。相對(duì)不透水層及穩(wěn)定地下水位埋深較大，存在繞壩滲漏和壩基滲漏問題的隱患。對(duì)右岸進(jìn)行繞壩防滲、壩基防滲處理，繞壩防滲沿壩軸線向外延伸，延長(zhǎng)寬度根據(jù)正常蓄水位線與相對(duì)不透水層的交點(diǎn)位置確定，壩基防滲深度深入相對(duì)不透水層1 m。

河床區(qū)域表層為第四系沖洪積相卵礫石層，其下為風(fēng)化礫巖層，強(qiáng)風(fēng)化礫巖厚度3.5～13.8 m。壓水試驗(yàn)結(jié)果表明：河床部相對(duì)不透水層埋深為16.2 m左右，穩(wěn)定地下水位埋深為0.5～2.3 m左右。壩基開挖清基后，由于弱風(fēng)化礫巖頂部可能存在少量微裂隙，雖然透水性較弱，但仍需要進(jìn)行防滲處理，并與左、右岸防滲相連，壩基防滲深度深入相對(duì)不透水層1 m。

4 結(jié) 論

庫(kù)區(qū)巖體滲透性評(píng)價(jià)是水庫(kù)勘察階段重要內(nèi)容，滲透性大小取決于巖體巖性、區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造和地貌單元。針對(duì)水庫(kù)區(qū)域巖體特征，采取鉆孔勘探及壓水試驗(yàn)，查明區(qū)域巖體相對(duì)滲透性、裂隙發(fā)育程度，得出如下結(jié)論：

1)壓水試驗(yàn)p-Q曲線D型約占64.6%，表明巖體裂隙在壓力作用下發(fā)生變化，巖體滲透性增大；E型約占33.8%，表明巖體裂隙連通性不強(qiáng)；

2)壩基巖體透水性由地表往下呈非線性遞減，壩基巖體相對(duì)不透水層上限均位于弱風(fēng)化帶內(nèi)；

3)建議壩基左岸、右岸和河床部防滲深度應(yīng)深入相對(duì)不透水層以下1 m，左右兩岸繞壩防滲應(yīng)沿壩軸線向兩岸延伸，延長(zhǎng)寬度根據(jù)正常蓄水位線與相對(duì)不透水層的交點(diǎn)確定。