水庫(kù)大壩地質(zhì)條件分析及滲漏量計(jì)算研究

張文雙

(遼寧省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽(yáng) 110000)

水庫(kù)工程作為關(guān)系國(guó)際民生和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的關(guān)鍵性重大工程，在防洪、蓄水供水、水力發(fā)電、航運(yùn)等方面發(fā)揮了重大作用[1]。針對(duì)水庫(kù)大壩的安全性問題，李宗坤等[2]構(gòu)建了與現(xiàn)行安全施工標(biāo)準(zhǔn)銜接的中國(guó)水庫(kù)大壩風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了針對(duì)性的分析論證。陳述平等[3]引入了云架構(gòu)技術(shù)，對(duì)水庫(kù)大壩安全性監(jiān)測(cè)并對(duì)大壩信息化管理提供了借鑒模式。鄭守仁[4]依托三峽工程水庫(kù)大壩，分析了水庫(kù)大壩的穩(wěn)定性、泄洪能力、混凝土耐久性、抗震性等安全指標(biāo)。袁坤等[5]利用系統(tǒng)工程的原理和方法，對(duì)擬建和已有的水庫(kù)大壩工程存在的事故風(fēng)險(xiǎn)和安全性問題進(jìn)行了分析。寸銀川[6]、張通[7]等分別分析了地震、行車荷載對(duì)大壩路面、穩(wěn)定性的影響，提出了提高大壩穩(wěn)定性的施工方法。王凱等[8]以摻氣的滲流監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以及二維有限元模擬對(duì)大壩滲流情況進(jìn)行了分析及應(yīng)用。馬宏新等[9]應(yīng)用探地雷達(dá)和高密度電法等檢測(cè)方式，對(duì)水庫(kù)大壩混凝土防滲墻和帷幕灌漿的防滲效果進(jìn)行了檢測(cè)和分析。寸銀川等[10]通過三維有限元模型分析了水庫(kù)大壩的抗?jié)B性能。

本文基于松茂水庫(kù)大壩工程，對(duì)水庫(kù)大壩的工程地質(zhì)條件進(jìn)行了分析，并結(jié)合示蹤試驗(yàn)及理論計(jì)算，對(duì)大壩滲漏量及安全性進(jìn)行了分析，為大壩的安全運(yùn)行提供依據(jù)。

1 工程概況

松茂水庫(kù)位于呈貢區(qū)東南12km劉家營(yíng)村，屬金沙江流域滇池水系，集水面積30.6km2，多年平均降水量800mm，多年平均徑流量419萬m3。水庫(kù)建于1957年10月，1958年10月主體工程完工，1959—1982年對(duì)工程進(jìn)行除險(xiǎn)、加固、續(xù)修配套。2010年11月完成除險(xiǎn)加固工程。水庫(kù)大壩壩頂長(zhǎng)267.9m，最大壩高29.7m，總庫(kù)容1203.20萬m3。大壩正常庫(kù)容859.08萬m3，相對(duì)應(yīng)的水面面積0.782km2。

大壩壩面為水泥路面，坡面為水泥花磚，較完整，未發(fā)現(xiàn)坡面坍滑，壩體開裂等嚴(yán)重不良現(xiàn)象。在壩腳出現(xiàn)滲流現(xiàn)場(chǎng)，存在多處出水點(diǎn)，長(zhǎng)期流水不間斷，豐水期日溢出量約為213m3。

1.1 庫(kù)區(qū)基本地質(zhì)條件

水庫(kù)壩區(qū)為構(gòu)造斷陷盆地邊緣侵蝕中山地貌，山頂高程2100～2300m，谷底高程1990～2010m，谷底屬條帶狀壩子山谷型。庫(kù)區(qū)內(nèi)主要地層為二疊系上統(tǒng)峨眉山玄武巖組(P2β)，并間夾基性凝灰?guī)r、凝灰角礫巖等。

水庫(kù)庫(kù)區(qū)在壩址存在一條斷層斜穿壩基，屬于構(gòu)造相對(duì)較穩(wěn)定的地段。巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，風(fēng)化強(qiáng)烈。

1.2 水庫(kù)穩(wěn)定性分析

庫(kù)區(qū)地形切割相對(duì)高差小，山坡角度為15°～25°，地表出露地層巖性為全強(qiáng)風(fēng)化玄武巖，岸坡巖土強(qiáng)度較高，穩(wěn)定性較好。水庫(kù)蓄水后，未發(fā)現(xiàn)較大的岸坡坍塌現(xiàn)象，庫(kù)岸穩(wěn)定性較好。

近壩庫(kù)岸兩岸為渾圓狀山包，地形坡度較緩，右岸平均坡度為20°，左岸平均坡度為18°，右岸邊修建有水上運(yùn)動(dòng)觀看臺(tái)。地表主要為碎石土，水庫(kù)下伏全強(qiáng)風(fēng)化玄武巖，未發(fā)現(xiàn)岸坡坍塌現(xiàn)象。

1.3 水庫(kù)淤積性分析

庫(kù)區(qū)兩岸山體沖溝較發(fā)育，地表巖體風(fēng)化破碎，地表水侵蝕作用較強(qiáng)。庫(kù)岸穩(wěn)定性較好，岸坡未出現(xiàn)崩塌、滑坡現(xiàn)象，支流沖溝中未見嚴(yán)重淤泥沉積。因此，水庫(kù)周邊破碎的風(fēng)化巖體及第四系松散覆蓋層是徑流的主要來源。

壩體填筑前，原覆蓋層地面高程1983～1984m，最低1977.18m。壩前庫(kù)底高程為1987.0m，庫(kù)區(qū)壩前淤積厚度為3～4m，最大淤積厚度大于10m。由此可見，水庫(kù)淤積問題較弱。

水庫(kù)已建成并蓄水多年，運(yùn)行期間按低水位運(yùn)行，無淹沒和浸沒問題。分析水庫(kù)區(qū)地層巖性及實(shí)際情況，庫(kù)區(qū)內(nèi)無含礦地層分布，同時(shí)沒有具有開采價(jià)值的礦產(chǎn)資源或礦點(diǎn)分布，因此不存在庫(kù)區(qū)礦產(chǎn)淹沒問題。

2 水庫(kù)大壩地質(zhì)條件分析

2.1 大壩外觀

大壩壩頂為混凝土路面，路面平整完好，高程2016.0m。壩頂長(zhǎng)267.9m，寬7m，最大壩高29.7m。防浪墻采用C25鋼筋混凝土襯砌，表面采用拉絲面人造石鋪裝，無較大的裂縫。局部出現(xiàn)貼面磚掉落，表面拱起，頂部石材出現(xiàn)細(xì)小裂縫。壩頂下游側(cè)擋墻表面出現(xiàn)細(xì)小裂縫，局部出現(xiàn)不均勻沉降。上游壩坡坡比1∶3，采用C15預(yù)支塊護(hù)坡，無凸起、開裂松動(dòng)現(xiàn)象。下游壩坡坡比1∶3，采用C15混凝土預(yù)支塊空心磚植草護(hù)坡，外觀質(zhì)量較好，坡面整體較為平整，無明顯塌陷、隆起現(xiàn)象。

2.2 壩體填筑土分層

大壩填筑土料由兩壩肩的殘、坡積土料及右岸山體的全強(qiáng)風(fēng)化玄武巖風(fēng)化料填筑。壩體填筑土層土體性狀可塑，局部為軟塑狀和硬塑狀，結(jié)構(gòu)均勻性較差。

2.3 壩基清基質(zhì)量

松茂水庫(kù)大壩基坑開挖與清基處理采用人工開挖。壩體填筑前，河床沖、洪積層和左、右岸壩基殘、坡積層未清除干凈。河床殘留沖、洪積層厚度不均，最厚達(dá)4.0m，向左右岸壩肩方向延伸。左壩肩殘、坡積層厚0.0～3.5m，右壩肩殘、坡積層厚近4.0m。所處地層為中等透水層。清基不徹底為大壩滲漏的原因之一。

3 壩體滲漏分析及計(jì)算

3.1 滲漏現(xiàn)狀分析

壩前蓄水位為2007.20m，蓄水位較低且變幅不大。下游排水棱體前部溝槽出現(xiàn)明流，出水點(diǎn)共分4處，分別為D1、D2、D3及D4，每處均分布多個(gè)出水點(diǎn)，如圖1所示。D1、D4兩處出水量較大，豐水期流量分別為57L/min和48L/min。4處總流量為148L/min。壩體其它部位未發(fā)現(xiàn)浸散區(qū)。

圖1 壩體出水點(diǎn)分布圖

3.2 示蹤試驗(yàn)分析

示蹤試驗(yàn)為向大壩鉆孔內(nèi)投入示蹤劑，并對(duì)壩腳滲水點(diǎn)進(jìn)行取樣，檢測(cè)壩下滲漏水的電導(dǎo)率、鹽度、水中溶解固體總量(TDS)變化情況，并與庫(kù)水指數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析，確定滲漏通道。本次試驗(yàn)共7處取樣點(diǎn)，分別為D1、D2、D3、D4、壩下排水匯總處及左右兩側(cè)庫(kù)水。分別對(duì)7個(gè)投源孔進(jìn)行1～2次示蹤試驗(yàn)，共試驗(yàn)10次。鉆孔施工至設(shè)計(jì)孔深后采取直接投放NaCl鹽水，隨即對(duì)滲漏點(diǎn)取樣檢測(cè)，鹽度、水中溶解性固體總量TDS及電導(dǎo)率檢測(cè)結(jié)果如圖2—4所示。

由圖2—4可見，各檢測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)較為穩(wěn)定，不受天氣、水位等因素影響。左右兩側(cè)庫(kù)水3項(xiàng)指標(biāo)基本一致，表明庫(kù)水的均一性。鉆孔投鹽后，壩下4個(gè)取樣點(diǎn)3項(xiàng)指標(biāo)均未檢測(cè)到明顯變化，鉆孔內(nèi)地下水與下游出水點(diǎn)關(guān)聯(lián)度不大。對(duì)壩下4個(gè)取樣點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比，D1、D4點(diǎn)檢測(cè)指標(biāo)比D2、D3點(diǎn)檢測(cè)指標(biāo)小，即兩側(cè)點(diǎn)位地下水鹽離子濃度較中間小，左右岸壩肩地下水存在補(bǔ)給跡象。D1點(diǎn)水體指標(biāo)與庫(kù)水指標(biāo)基本一致，說明D1點(diǎn)位水體與庫(kù)水相近，左側(cè)壩肩可能存在滲漏情況。

圖2 鹽度分析統(tǒng)計(jì)圖

圖3 TDS分析統(tǒng)計(jì)圖

圖4 電導(dǎo)率分析統(tǒng)計(jì)圖

3.3 滲漏量計(jì)算

大壩兩側(cè)壩肩巖體破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，在高程1989m以上透水率介于15.6～83.2Lu，均為中等透水，地下水水位與庫(kù)水位一致，可能與庫(kù)水連通，存在繞壩滲漏問題。根據(jù)《水利水電工程地質(zhì)手冊(cè)》，邊界條件按無壓流、層流計(jì)算，如式(1)所示。

Q=0.336K·H·(H1+H2)·lg(B∕r0)

(1)

式中，Q—滲漏量，m3/d；K—滲透系數(shù)，m/d，以透水率<10Lu作為平面護(hù)底；H—水頭差，m；H1—壩址滲漏層厚度，m；H2—下游滲漏層厚度，m；B—繞滲帶長(zhǎng)度，m；r0—繞滲半徑，m。

計(jì)算結(jié)果見表1，蓄水位2011.80m時(shí)，壩體兩側(cè)繞壩滲漏年滲漏量為3.04萬m3；蓄水位2007.2m時(shí)，壩體兩側(cè)繞壩滲漏年滲漏量為2.48萬m3。由于壩體本身及壩基覆蓋層已設(shè)置防滲墻，因此按不透水考慮。壩基下部基巖巖體呈中等透水層，厚度4～12m不等，因此壩基基巖滲漏透水層厚度采用平均厚度法，如式(2)所示。

表1 繞壩滲漏量估算成果表

Q=B·K·H·M∕(2b+M)

(2)

計(jì)算結(jié)果見表2—3。蓄水位2011.80m時(shí)，總滲漏量為8.80萬m3。水位高程2007.2m時(shí)，年滲漏量為7.17萬m3。壩腳中間部位D2、D3滲漏點(diǎn)年滲漏量為2.26萬m3，兩點(diǎn)位于壩體下游中間部位，該位置滲漏基本為壩基巖體滲漏。

表2 壩基滲漏量估算成果表

水庫(kù)庫(kù)水排干以后，兩側(cè)壩肩山體亦有地下水流出。雨季大壩右岸山體有泉水流出，說明滲漏點(diǎn)溢出水量包括兩岸山體的地下水補(bǔ)給量。鉆孔13m以上巖體為中等透水性，右側(cè)山體地下水存在通過地下滲漏通道向壩體方向排泄的可能。因此，壩腳滲漏明流部分流量是兩側(cè)山體地下水補(bǔ)充。

D1位于壩體下游左壩腳，年滲漏量為3.0萬m3，而左壩肩繞壩滲漏年滲漏量為1.32萬m3，且存在部分滲漏通過地下滲漏流失，該點(diǎn)溢出量明顯高于繞壩滲漏量。因此，該點(diǎn)滲漏量中包含山體地下水補(bǔ)充。

D4位于壩體下游右壩腳，年滲漏量約2.52萬m3，右壩肩繞壩滲漏年滲漏量為1.16萬m3，且存在部分滲漏通過地下滲漏流失，該點(diǎn)溢出量明顯高于繞壩滲漏量。因此，該點(diǎn)滲漏量中包含山體地下水補(bǔ)充。

表3 壩腳滲漏明流滲漏量統(tǒng)計(jì)表

4 結(jié)語

本文依托于松茂水庫(kù)大壩工程，首先對(duì)大壩地質(zhì)條件進(jìn)行了分析，對(duì)壩體外觀、筑填土分層、清基質(zhì)量進(jìn)行了分析，為水庫(kù)大壩穩(wěn)定性影響因素進(jìn)行了總結(jié)。同時(shí)，結(jié)合示蹤試驗(yàn)及滲流量理論計(jì)算，分析得到水庫(kù)大壩左側(cè)壩肩存在滲漏情況。對(duì)不同測(cè)點(diǎn)的滲漏量進(jìn)行了計(jì)算，分析了壩體不同位置存在的滲漏問題及其形成原因。水庫(kù)大壩實(shí)際運(yùn)行過程中，應(yīng)針對(duì)不同壩體水文地質(zhì)條件及周圍環(huán)境的不同，綜合應(yīng)用試驗(yàn)檢測(cè)及理論計(jì)算，對(duì)工程可能存在的滲漏情況進(jìn)行分析，確保水庫(kù)大壩運(yùn)營(yíng)期間的穩(wěn)定性及安全性。