田頭寨水庫大壩壩基地質(zhì)條件探查及其防滲處理

(1.新疆兵團(tuán)勘測設(shè)計(jì)院(集團(tuán))有限責(zé)任公司云南分院，云南 昆明 650217；2.云南魯布革顧問有限公司，云南 昆明 650051)

破碎帶、喀斯特等不良地質(zhì)現(xiàn)象對水庫大壩地基防滲處理影響較大，甚至起到控制性作用[1]。需采用多種合理、可靠勘察手段查清其發(fā)育規(guī)律、分布特征，相應(yīng)制定處理措施，才能確保水庫正常蓄水、安全運(yùn)行。探查范圍廣、精度高、成本低的工程物探技術(shù)[2-3]，以及針對性的地質(zhì)鉆探，非常適合中小型水庫勘察設(shè)計(jì)。

1 工程概況

田頭寨水庫位于云南省臨滄市，大壩為黏土心墻壩，最大壩高50m，壩軸線長220m，為Ⅳ等?、判退畮?，總庫容232.65萬m3。壩址區(qū)出露巖層為侏羅系中統(tǒng)稅房街組(J2S)礫巖與含礫粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖互層，還發(fā)育多條擠壓破碎帶。綜合采用高密度電法、鉆孔聲波測試、鉆孔全景圖像測試等物探方法，結(jié)合地質(zhì)鉆探，基本查清了覆蓋層、巖性、破碎帶、喀斯特等的分布范圍和特征，為壩基防滲設(shè)計(jì)提供了翔實(shí)的數(shù)據(jù)支持。本文擬對其勘察設(shè)計(jì)成果進(jìn)行分析和探討，以期為類似工程提供有益的啟示。

2 物探簡介及本工程應(yīng)用

2.1 高密度電法

2.1.1 測試原理

高密度電法是以地下介質(zhì)導(dǎo)電性差異為基礎(chǔ)，通過觀測和研究與這些差異有關(guān)人工電場的分布規(guī)律，達(dá)到查明地層巖性分界、地質(zhì)構(gòu)造和尋找地下電性不均勻體(喀斯特、風(fēng)化夾層、破碎帶等)的一種地球物理勘探方法。

高密度電法有多種電極排列方式，如AMNB溫納四極排列、ABMN偶極排列、ρsAB聯(lián)合三極排列、微分排列等[4]。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)，田頭寨水庫采用穩(wěn)定性較好的AMNB溫納裝置。同時(shí)，考慮地形、地質(zhì)條件和目標(biāo)層埋深，選用4m電極距，每個(gè)排列布置電極60根。

2.1.2 數(shù)據(jù)處理分析

高密度電法現(xiàn)場所測視電阻率，經(jīng)數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)預(yù)處理、地形校正、正演和反演計(jì)算后，得到視電阻成像色譜圖，據(jù)此進(jìn)行地質(zhì)解釋和分析。

具體步驟如下：一是將轉(zhuǎn)換格式的視電阻率，經(jīng)數(shù)據(jù)預(yù)處理、消除壞點(diǎn)(如圖1中紅色標(biāo)記的4個(gè)點(diǎn))，保留較一致的數(shù)據(jù)點(diǎn)，并結(jié)合現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)和與其他資料對比分析，選擇正演、反演計(jì)算參數(shù)。二是將預(yù)處理后的數(shù)據(jù)經(jīng)地形校正，按剖面樁號為X軸、層數(shù)為Y軸，繪成測試原始數(shù)據(jù)視電阻率成像色譜圖(見圖2)。再采用最小二乘法進(jìn)行正演計(jì)算，得到正演成像色譜圖(見圖3)。三是進(jìn)行反演計(jì)算分析，目的是由正演視電阻率觀測數(shù)據(jù)，定量推斷該剖面下的地電斷面，確定地下巖體的真電阻率分布。反演采用最佳擬合法，給定一個(gè)初始地電斷面，在該斷面上計(jì)算視電阻率的理論曲線，將理論曲線與實(shí)測曲線作對比(擬合)，通過調(diào)整參數(shù)獲得最佳擬合效果。圖4為反演擬合所得成像色譜圖。

圖1 原始數(shù)據(jù)示意圖

圖2 原始數(shù)據(jù)色譜

圖3 正演成像色譜

圖4 反演成像色譜

2.2 鉆孔聲波測試法

鉆孔聲波測試法建立在固體介質(zhì)中彈性波傳播理論基礎(chǔ)上，以人工激振方法向介質(zhì)發(fā)射聲波，在一定空間距離上接收被測介質(zhì)的傳播速度、振幅、頻率等聲波參數(shù)，經(jīng)數(shù)據(jù)處理與分析，了解沿孔深方向巖體的質(zhì)量、破碎帶、喀斯特等的空間分布，是一種輕便、靈活、快捷、高效的檢測方法。

2.3 鉆孔全景圖像測試法

鉆孔電視利用井下攝像探頭將孔壁圖像信息經(jīng)電纜傳送至控制器和電腦，可實(shí)現(xiàn)探頭全景攝像，圖像清晰逼真、剖面實(shí)時(shí)自動提取、方位及深度自動準(zhǔn)確校準(zhǔn)，具有觀測直觀、定位準(zhǔn)確、操作簡單、精度高、效率高(觀測提升速度最高可達(dá)0.20m/s)、分析功能強(qiáng)、圖像自動保存及拼接等優(yōu)點(diǎn)，非常適合對裂隙或不連續(xù)面的埋深、傾向、傾角、寬度、粗糙度、充填物等性質(zhì)的觀察和分析。

2.4 物探布置簡介

田頭寨水庫壩址區(qū)布設(shè)高密度電法剖面11條(順河向6條，橫河向5條，編號WTZ1～WTZ6、WTH1～WTH5)，合計(jì)5642m；布設(shè)鉆孔聲波測試3孔(壩軸線左岸ZK04、河床中部ZK06、右岸ZK08)，合計(jì)225.4m；布設(shè)鉆孔全景圖像測試2孔(壩軸線河床中部ZK06、右岸ZK08)，合計(jì)78.4m。探查范圍涵蓋了壩址附近區(qū)域。

3 物探成果分析

3.1 高密度電法

3.1.1 總體情況

阿花的聲音很輕，像一縷輕煙，輕輕飄到我耳邊。阿花說，那是一段不堪回首的日子，每每想起來，我就如同掉進(jìn)了深淵。

高密度電法探測結(jié)果揭示，田頭寨水庫壩址區(qū)及上下游覆蓋層主要為含礫粉質(zhì)黏土、局部夾孤塊石，電阻率為50～250Ω·m，左、右岸坡覆蓋層分別厚7～16m、9～12m，河床覆蓋層厚1～30m。下伏基巖主要為含礫粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、礫巖，其中含礫粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖電阻率為200～350Ω·m，礫巖電阻率為400～700Ω·m。同時(shí)，近壩左庫岸存在低阻的擠壓破碎帶(電阻率小于70Ω·m)，單條寬度一般1m左右，累計(jì)總寬度15～20m。

3.1.2 壩址河床中部順河向情況

WTZ4剖面位于河床中部，與壩軸線正交，長670m(探測成果見圖5)。由圖5分析可知：河床中部順河向覆蓋層厚2～30m，主要為含礫粉質(zhì)黏土、局部夾孤塊石。其中在剖面樁號0～140m范圍內(nèi)覆蓋層平均厚約30m，其他部位厚2～10m，電阻率介于50～250Ω·m。下伏基巖在整個(gè)電阻率反演剖面圖橫向上呈現(xiàn)電阻率高低明顯變化的多個(gè)分區(qū)，即存在巖性變化區(qū)域。在剖面樁號135～285m范圍內(nèi)電阻率呈低值反映(200～350Ω·m)，結(jié)合鉆探及地表調(diào)查，推測該區(qū)域分布含礫粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖。在其他位置電阻率呈高值反映(400～700Ω·m)，推測該區(qū)域分布礫巖。在剖面樁號505～537m范圍內(nèi)(近壩左庫岸)，電阻率表現(xiàn)為極低值(小于70Ω·m)，結(jié)合鉆探及地表調(diào)查，推測該區(qū)域?yàn)閿D壓破碎帶，由數(shù)條擠壓帶組成，寬約15～20m，頂部埋深約9m。

圖5 河床中部順河向WTZ4剖面成果

3.1.3 壩軸線方向情況

沿壩軸線布設(shè)的WTH5剖面(長540m，成果見圖6)顯示該剖面地形起伏較大，覆蓋層厚1～13m，主要為含礫粉質(zhì)黏土、孤塊石等，電阻率50～250Ω·m。下伏基巖在整個(gè)電阻率反演剖面圖橫向上呈現(xiàn)電阻率高低明顯變化的分區(qū)，即存在巖性變化區(qū)域。在剖面樁號90～110m范圍內(nèi)電阻率呈低值反映(200～350Ω·m)，結(jié)合鉆探及地表調(diào)查，推測該區(qū)域?yàn)楹[粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖。在其他位置電阻率呈高值反映(400～700Ω·m)，推測該區(qū)域分布礫巖。該剖面無破碎帶的明顯反映特征。

圖6 壩軸線WTH5剖面成果

3.2 鉆孔聲波測試成果

聲波速度及其分布規(guī)律與地層、巖性、構(gòu)造、風(fēng)化卸荷等地質(zhì)因素密切相關(guān)，是衡量巖體質(zhì)量優(yōu)劣的重要量化指標(biāo)[5]。田頭寨水庫壩址處鉆孔聲波測試巖體完整性系數(shù)Kv與巖體平均波速vp對應(yīng)情況以及巖體完整性評價(jià)見表1、表2。

表1 Kv與vp對應(yīng)情況

表2 壩軸線方向鉆孔巖體聲波測試成果

由表1、表2可知：壩軸線鉆孔巖體平均波速多在2678～3880m/s之間，隨鉆孔深度增加，波速均有增大趨勢，巖體也從較破碎—完整性差變?yōu)檩^完整。另外，巖體完整程度和風(fēng)化程度有一定對應(yīng)關(guān)系，總體表現(xiàn)為：強(qiáng)風(fēng)化巖體破碎—較破碎，弱風(fēng)化巖體完整性差—較完整，微風(fēng)化巖體較完整，破碎帶巖體構(gòu)造擠壓強(qiáng)烈，巖體破碎。

3.3 鉆孔全景圖像測試成果

對壩軸線河床中部ZK06、右岸ZK08鉆孔進(jìn)行了全景圖像測試，結(jié)合鉆孔巖芯加以佐證分析(典型圖像見表3)。結(jié)果表明：ZK06、ZK08鉆孔覆蓋層分別厚4m、12.4m，測試深度范圍內(nèi)下伏基巖均為礫巖，角礫成分多為砂巖，少量為灰?guī)r。礫巖中未發(fā)現(xiàn)溶洞或其他大規(guī)?？λ固噩F(xiàn)象，僅在灰?guī)r成分的角礫中發(fā)現(xiàn)輕微喀斯特現(xiàn)象，多表現(xiàn)為很小很淺的溶坑或溶孔，直徑一般0.5～2cm，個(gè)別2～6cm，深度一般0.5～2cm，大多無充填，少量充填黏土夾礫石，連通性差。此外，基巖中還發(fā)育部分張裂隙，張開寬度一般1～3cm，個(gè)別5～8cm，延伸短，充填泥和巖屑。

表3 鉆孔聲波測試與鉆孔全景圖像典型資料對照

4 地質(zhì)鉆探成果分析

區(qū)域地質(zhì)調(diào)查、地質(zhì)鉆孔及壓注水試驗(yàn)成果如下：.壩址區(qū)出露基巖為侏羅系中統(tǒng)稅房街組(J2S)礫巖與含礫粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖互層，空間上表現(xiàn)為一套粗細(xì)相間的多旋回沉積地層。礫巖泥質(zhì)膠結(jié)，抗風(fēng)化能力弱，屬較軟巖，礫石呈角礫狀，粒徑以1～3mm和2～4cm為主，少量達(dá)8～15cm，母巖以灰?guī)r為主，少量為砂巖、石英巖，礫巖局部有輕微溶蝕現(xiàn)象，以溶坑、溶孔為主，連通性差；含礫粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖巖性軟弱，遇水易軟化，抗風(fēng)化能力弱。

壩址左壩肩順河向發(fā)育多條沿大田溝—庫盆—左壩肩延展的擠壓破碎帶，延伸長度大于300m，單條寬度1m左右，深度在基巖面以下30～60m，累計(jì)破碎帶總寬度15～20m。破碎帶在含礫粉砂質(zhì)泥巖部位多見擠壓擦痕。總體產(chǎn)狀為N5°～30°E/NW∠50°～60°。巖芯多呈碎塊、巖屑，局部呈泥狀。透水率q一般10～50Lu，為中等透水；但局部鉆孔垮孔嚴(yán)重，無法進(jìn)行壓水試驗(yàn)，推測透水率應(yīng)大于50Lu，為中等—強(qiáng)透水；存在滲漏問題。

根據(jù)鉆孔壓水試驗(yàn)，壩址區(qū)巖體透水性主要受巖體風(fēng)化程度、構(gòu)造擠壓及貫通性節(jié)理的發(fā)育程度控制，透水率q整體上隨深度增加而減小。其中，左岸巖體q小于10Lu埋深一般在基巖面以下25～30m，河床巖體q小于10Lu埋深在基巖面以下15～20m，右岸巖體q小于10Lu埋深一般在基巖面以下50～60m(見圖7)。

圖7 擠壓破碎帶巖芯及擠壓擦痕

5 防滲設(shè)計(jì)

物探、地質(zhì)鉆孔以及原位測試等較為全面客觀地查明了壩基地質(zhì)條件，左壩肩擠壓破碎帶寬度和深度有限，未發(fā)現(xiàn)規(guī)模較大喀斯特通道，壩基防滲處理難度不大。經(jīng)綜合比選，設(shè)計(jì)采用帷幕灌漿防滲處理，防滲邊界為正常蓄水位1362.80m與地下水位相交處，防滲底界為弱透水層(q≤10Lu)以下5m。具體如下：

左岸坡壩基段：基礎(chǔ)灌漿蓋板坐落在弱風(fēng)化層上部，擠壓破碎帶帷幕灌漿設(shè)2排，孔排距均為1.5m，其余部位設(shè)1排，孔距1.5m，最大灌漿深度79m。河床壩基段：基礎(chǔ)灌漿蓋板坐落在弱風(fēng)化層上部，壩基帷幕灌漿設(shè)1排，孔距1.5m，最大灌漿深度21m。右岸坡壩基段：基礎(chǔ)灌漿蓋板坐落在弱風(fēng)化層上部，壩基帷幕灌漿設(shè)1排，孔距1.5m，最大灌漿深度61m。

心墻截水槽部位建基面置于弱風(fēng)化基巖上部，為保證心墻壩基形成完整承載體，避免出現(xiàn)不均勻沉降造成應(yīng)力集中而導(dǎo)致心墻開裂，對心墻截水槽部位進(jìn)行固結(jié)灌漿處理。在帷幕灌漿軸線及帷幕灌漿上、下游各設(shè)1排常規(guī)固結(jié)灌漿孔，孔排距1.5m。灌漿深度5m，分Ⅱ序錯(cuò)孔布置。

6 結(jié) 語

采用高密度電法對田頭寨水庫壩址區(qū)進(jìn)行全面探查，結(jié)合重要部位的鉆孔聲波測試、鉆孔全景圖像測試，以及區(qū)域地質(zhì)調(diào)查、地質(zhì)鉆孔和原位測試綜合分析，較全面查清了壩址區(qū)的地質(zhì)條件，未發(fā)現(xiàn)規(guī)模較大喀斯特通道，僅局部存在小而淺的溶坑或溶孔，連通性差，左壩肩擠壓破碎帶深度和寬度有限，為壩基防滲處理方案的制定提供了技術(shù)依據(jù)。

綜合物探方法和地質(zhì)鉆孔等相互印證，克服了單一物探方法存在的專業(yè)缺陷，極大地提高了勘探精度和可信度。鑒于田頭寨水庫大壩地基防滲的重要性以及左岸存在擠壓破碎帶，建議在施工過程中，根據(jù)開挖揭示的地質(zhì)情況和現(xiàn)場灌漿試驗(yàn)，及時(shí)優(yōu)化調(diào)整設(shè)計(jì)，并嚴(yán)格控制灌漿質(zhì)量。