洛惠渠龍首壩加閘過(guò)程中存在的工程地質(zhì)問(wèn)題及處理措施探析

(陜西省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院勘察分院，陜西 咸陽(yáng) 712000)

1 工程概況

洛惠渠是渭南市建設(shè)最早、北洛河流域最大的灌區(qū)。由時(shí)任陜西省主席、愛(ài)國(guó)將領(lǐng)楊虎城倡導(dǎo)，著名水利大師李儀祉主持規(guī)劃，始建于1934年，1950年開(kāi)灌受益，被譽(yù)為“關(guān)中八惠”之一。洛惠渠渠首龍首壩為滾水式弧形重力拱壩，最大底寬22.5 m，頂寬5.0 m，高16.2 m，壩頂高程404.5 m。1935年竣工運(yùn)行至2003年基本正常。

1935年大壩竣工時(shí)壩頂就發(fā)現(xiàn)4條裂縫，到1955年增加到22條，70年代以來(lái)裂縫穩(wěn)定在27條。裂縫產(chǎn)生的主要原因與壩休高溫季節(jié)(1935年6月)封拱有關(guān)。

2003年11月對(duì)原壩體進(jìn)行了加固改造，壩體高程由原來(lái)的404.5 m，加高至現(xiàn)在的405.0 m，并對(duì)漿砌石表面進(jìn)行了外包混凝土加固處理。2006年7月竣工，至今已運(yùn)行了10年多。壩體表面未見(jiàn)裂縫，亦未見(jiàn)滲水現(xiàn)象，說(shuō)明加固處理措施得當(dāng)，效果明顯(圖1)。

圖1 龍首壩拱壩全貌(鏡上上游)

2016年10月，洛惠渠管理局決定對(duì)龍首壩進(jìn)行加閘處理[1]，并將庫(kù)水位高程由現(xiàn)在的405.0 m抬高至412.0 m，增高7.0 m，由此增加庫(kù)容，使其具有調(diào)節(jié)功能，擴(kuò)大灌溉面積。

2 基本地質(zhì)條件

工程區(qū)地處關(guān)中盆地東部、渭河以北。北洛河屬渭河的一級(jí)支流，由北向南進(jìn)入本區(qū)，切割了二級(jí)黃土臺(tái)塬、一級(jí)黃土臺(tái)塬和渭河沖積平原三大地貌單元。

工程區(qū)出露的地層從老至新主要為：(1)奧陶系中統(tǒng)(O2)的灰?guī)r，主要分布于龍首壩壩址及下游地段和庫(kù)尾的黨家灣電站以北；(2)第三系上新統(tǒng)(N2)的紅粘土，出露于河谷岸邊及庫(kù)盆下部，覆蓋于灰?guī)r上部；(3)第四系(Q)松散堆積層，黃土、黃土狀壤土、砂及砂卵石等。

工程區(qū)位于汾渭斷陷盆地的北部邊緣與鄂爾多斯低臺(tái)交匯地帶，受祁呂賀山字型構(gòu)造體系的影響，發(fā)育了一系列北東向和近東西向的斷裂，如惠家河—雷家洼斷層、富平—韓城活動(dòng)斷裂帶和三原—東王活動(dòng)斷裂等，一般距工程區(qū)較遠(yuǎn)，對(duì)工程安全運(yùn)行影響較小。

工程區(qū)地下水主要為基巖巖溶水和第四系松散孔隙水兩大類(lèi)。其中基巖巖溶水，主要埋藏于奧陶系灰?guī)r中，水位高程374.00 m左右，水量豐富，連通性較好，水力坡度平緩，受大氣降水及上覆第四系松散孔隙水的補(bǔ)給，在洛河河谷以上升泉形式排泄；第四系松散孔隙水：主要埋藏于第四系松散堆積物中，含水層為第四系沖積砂卵石及粉細(xì)砂、砂壤土，受大氣降水補(bǔ)給，排向洛河或下伏灰?guī)r。

3 加閘的主要工程地質(zhì)問(wèn)題

3.1 庫(kù)區(qū)存在的主要工程地質(zhì)問(wèn)題

3.1.1 滲漏問(wèn)題

現(xiàn)庫(kù)水位條件下已運(yùn)行多年，庫(kù)區(qū)未見(jiàn)滲漏現(xiàn)象，但當(dāng)庫(kù)水太高7.0 m以后，將回水約10.0 km，至庫(kù)尾黨家灣水電站下游。庫(kù)尾出露長(zhǎng)度約200 m的灰?guī)r地段，且灰?guī)r中未見(jiàn)連通性的溶洞或?qū)挻蟮娜芪g裂隙發(fā)育，庫(kù)區(qū)通過(guò)灰?guī)r產(chǎn)生巖溶滲漏問(wèn)題不大，庫(kù)尾滲漏對(duì)水庫(kù)蓄水影響不大；庫(kù)盆下部有一層厚度約10.0 m的第三系上新統(tǒng)(N2)的紅粘土，微透水性，構(gòu)成庫(kù)盆相對(duì)隔水層。因此，加閘后水庫(kù)不會(huì)產(chǎn)生滲漏問(wèn)題[2]。

3.1.2 浸沒(méi)問(wèn)題

庫(kù)岸大部分為洛河兩岸的高漫灘和一級(jí)階地，地層巖性以砂壤土為主，局部為卵石層。根據(jù)野外毛管水上升測(cè)試可知：砂壤土毛管水最大上升高度約2.0 m，卵石層最大上升高度0.1～0.3 m。庫(kù)區(qū)內(nèi)農(nóng)作物以果樹(shù)為主,分布有少量的房屋。水庫(kù)浸沒(méi)影響區(qū)主要位于庫(kù)區(qū)南寺莊和狀頭村以西，麻街村以東及上游黨家灣以南的一級(jí)階地地段，浸沒(méi)影響區(qū)范圍以果樹(shù)為主，面積共計(jì)843.4畝[3]。

3.1.3 淹沒(méi)問(wèn)題

庫(kù)區(qū)無(wú)可開(kāi)采的礦產(chǎn)資源分布,但將淹沒(méi)蘇家河、南寺莊、麻街村的大片耕地及果園，淹沒(méi)面積約1 200畝。

3.1.4 庫(kù)岸穩(wěn)定問(wèn)題

水庫(kù)加閘蓄水后，庫(kù)區(qū)一級(jí)階地的后緣和二、三級(jí)階地前緣的局部高陡黃土斜坡段將出現(xiàn)塌岸。庫(kù)區(qū)塌岸主要位于庫(kù)區(qū)中上段陡坡地段，據(jù)圖解法分析，塌岸寬度9.8～25.2 m，塌岸方量預(yù)計(jì)21.2萬(wàn) m3。

3.2 壩區(qū)存在的主要工程地質(zhì)問(wèn)題

龍首壩加閘建基面的選擇需視現(xiàn)狀漿砌石壩體和下伏基巖的完整性及力學(xué)性質(zhì)而定，查明現(xiàn)狀條件下壩體和壩基的工程地質(zhì)條件尤為重要，為此，在壩軸線上進(jìn)行了鉆探及孔內(nèi)壓水試驗(yàn)和縱波波速測(cè)試等工作，并取漿砌石和下伏巖石樣進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)(圖2)?，F(xiàn)就設(shè)計(jì)關(guān)心的幾個(gè)地質(zhì)問(wèn)題進(jìn)行簡(jiǎn)要分析：

圖2 壩軸線剖面圖

3.2.1 建基面的選擇

壩體漿砌石相當(dāng)于Ⅲ級(jí)工程壩基巖體，滿(mǎn)足作為加閘后基礎(chǔ)的質(zhì)量要求，建議開(kāi)挖掉表面的混凝土層，建基面選擇在高程403.0m左右的漿砌石壩體上。建議基礎(chǔ)漿砌石指標(biāo)按如下選?。猴柡涂箟簭?qiáng)度Rb=15.0 MPa，變形模量Eo=8.0 GPa，泊松比μ=0.28，抗剪斷強(qiáng)度指標(biāo)f＇=0.90 ，c＇=0.70 MPa。

3.2.2 基巖力學(xué)指標(biāo)

壩基灰?guī)r能否滿(mǎn)足作為加閘后的基礎(chǔ)，也是設(shè)計(jì)關(guān)心的地質(zhì)問(wèn)題，為此，需對(duì)其物理力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)。壩基為弱風(fēng)化的奧陶系中統(tǒng)(O2)灰?guī)r,厚度8.5～10.0 m，巖塊的飽和單軸抗壓強(qiáng)度Rb=110～145 Mpa，巖體縱波速度Vp=3 300～3 910 m/s，完整系數(shù)kv=0.44～0.47，巖體基本質(zhì)量指標(biāo)BQ=419～434，基本質(zhì)量級(jí)別為Ⅲ級(jí)[4]?；?guī)r層面抗剪斷強(qiáng)度指標(biāo)：f＇=0.72，c＇=0.2 MPa，裂隙面抗剪斷強(qiáng)度指標(biāo)指標(biāo)：f＇=0.5，c＇=0.1～0.15 MPa。加閘后不存在抗滑穩(wěn)定問(wèn)題，滿(mǎn)足作為加閘基礎(chǔ)的要求。

3.2.3 壩基的滲透穩(wěn)定

壩體中部，即高程388～389.5 m段裂隙發(fā)育，壓水試驗(yàn)數(shù)值大于15 Lu，致使?jié){砌石體相當(dāng)于Ⅳ級(jí)工程壩基巖體，說(shuō)明壩體漿砌石質(zhì)量存在不均一性；下伏基巖段弱風(fēng)化巖體透水率q=16～20 Lu，屬中等透水；微風(fēng)化巖體透水率q=1.3～30 Lu，產(chǎn)生這種變異較大現(xiàn)象的原因與巖體內(nèi)溶蝕孔洞的發(fā)育和裂隙發(fā)育有關(guān)。

3.2.4 壩基的抗滑穩(wěn)定

龍首壩加閘工作是在原有壩體上進(jìn)行的，因此，需考慮加閘后壩基的抗滑穩(wěn)定問(wèn)題，還需考慮原壩基抗滑穩(wěn)定的問(wèn)題，即整體穩(wěn)定性。從地質(zhì)角度來(lái)說(shuō)，更關(guān)心整體穩(wěn)定性的問(wèn)題?，F(xiàn)壩基為奧陶系中統(tǒng)弱風(fēng)化的灰?guī)r，巖層傾向上游,傾向20°～30°，傾角10°～20°， 巖體中裂隙不發(fā)育，不存在影響抗滑穩(wěn)定的緩傾角裂隙和軟弱夾層，因此，壩基不存在抗滑穩(wěn)定問(wèn)題。

3.2.5 壩基沖刷問(wèn)題

龍首壩經(jīng)過(guò)多年的運(yùn)行，壩下游河道內(nèi)灰?guī)r裸露，順河向存在多處沖刷坑，較大的有兩處：一處坑長(zhǎng)約8.0 m，寬4～5 m，深0.3～0.5 m；另一處坑長(zhǎng)約7.0 m，寬約3.5 m，深0.8～1.0 m?？觾?nèi)基巖面高低不平，并形成跌水的陡坎，對(duì)大壩的抗滑和變形穩(wěn)定均存在影響。

4 處理措施

4.1 庫(kù)區(qū)的工程處理措施

針對(duì)庫(kù)區(qū)存在較大范圍的淹沒(méi)及浸沒(méi)問(wèn)題，地質(zhì)建議進(jìn)行庫(kù)岸防護(hù)處理，共防護(hù)4段，總長(zhǎng)度約4.5 km，可保護(hù)現(xiàn)狀條件下大片的農(nóng)田。防護(hù)工程以堤防的形式沿一級(jí)階地前緣布設(shè)，從而達(dá)到降低防護(hù)處理的高度和基礎(chǔ)的埋置深度等問(wèn)題。

4.2 壩區(qū)的工程處理措施

針對(duì)壩基存在滲漏穩(wěn)定及軟弱層的地質(zhì)問(wèn)題，漿砌石段壩基進(jìn)行固結(jié)灌漿，以提高整體穩(wěn)定性和強(qiáng)度；基巖段進(jìn)行帷幕灌漿處理，處理下限至高程375.0 m，防止產(chǎn)生巖溶裂隙型的滲漏可能；針對(duì)壩下游出現(xiàn)的沖刷坑，對(duì)沖刷坑進(jìn)行回填砼處理即可。

5 結(jié)語(yǔ)

洛惠渠龍首壩加閘后，庫(kù)區(qū)浸沒(méi)和淹沒(méi)問(wèn)題較為嚴(yán)重，需進(jìn)行防護(hù)處理；

壩基基礎(chǔ)存在局部透水性較大，質(zhì)量較差的問(wèn)題，需進(jìn)行針對(duì)性的固結(jié)灌漿或帷幕灌漿處理；壩下游存在多處沖刷坑，影響壩基抗滑和變形穩(wěn)定，需回填砼處理。