何家溝水庫(kù)大壩復(fù)雜地質(zhì)分析及處理建議

徐宇琪,張廷華,石建勛,張忠智

(1.寧夏六盤(pán)山水務(wù)有限公司,寧夏 固原 756000;2.西北民族大學(xué)土木工程學(xué)院,蘭州 730030)

0 引 言

中國(guó)現(xiàn)有部分在役水利大壩由于建設(shè)時(shí)期特殊、加之相關(guān)的勘察資料和規(guī)范缺少、以及建設(shè)經(jīng)驗(yàn)不足,致使存在諸多的風(fēng)險(xiǎn)和安全隱患,其中,復(fù)雜地質(zhì)因素不明尤為嚴(yán)重,導(dǎo)致大壩壩基滲漏事故的發(fā)生在國(guó)內(nèi)外時(shí)有發(fā)生[1-3]。中國(guó)自20世紀(jì)以來(lái),隨著科技的進(jìn)步,利用物探、地質(zhì)雷達(dá)紅外探測(cè)等手段在大壩地質(zhì)勘察中發(fā)揮了巨大的作用,同時(shí)也積累了大量的經(jīng)驗(yàn)[3-6]。本研究以何家溝水庫(kù)大壩復(fù)雜地質(zhì)為例,對(duì)水庫(kù)區(qū)工程地質(zhì)、大壩壩基地質(zhì)、進(jìn)水建筑物地質(zhì)、輸泄水工程地質(zhì)以及泵站工程地質(zhì)進(jìn)行了分析,同時(shí)提出相應(yīng)的建議,為類(lèi)似工程提供可借鑒的經(jīng)驗(yàn),為同類(lèi)工程勘察設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程概況

何家溝水庫(kù)壩址區(qū)原有一座水庫(kù),且?guī)靺^(qū)有較厚淤積層。在壩體建基面開(kāi)挖過(guò)程中,將淤積層清除后,揭示出非常復(fù)雜的地形和地質(zhì)情況,溝谷內(nèi)兩條古河道交匯后從壩體中心繞至壩軸線偏右壩肩側(cè),古河道深度約8～12m,且?guī)r面浸泡軟化較為嚴(yán)重。右壩肩點(diǎn)位置向上游適當(dāng)調(diào)整;右壩肩泥巖存在裂隙型滲漏,局部5Lu線深度達(dá)30.0m,將右壩肩帷幕灌漿基礎(chǔ)處理方式調(diào)整為塑性混凝土防滲墻,左壩肩膠結(jié)差的礫巖存在孔隙型滲漏,將塑性混凝土防滲墻深度由按5Lu控制局部調(diào)整為穿透膠結(jié)差的礫巖層;大壩建基面古河道內(nèi)為松散的角礫和礫石,全部挖除后采取寬級(jí)配土回填;大壩建基面軟化狀態(tài)泥巖全部挖除,表層裂隙發(fā)育的泥巖和夾有大量植物根系的泥巖全部挖除,并將建基面基本開(kāi)挖為同一高程。

庫(kù)區(qū)河谷大體呈NW-SE方向展布,河谷呈“V”型,河谷兩側(cè)發(fā)育有較連續(xù)的階段,階地地面高程1720～1770m,左岸寬約100～180m,右岸寬約50～70m。庫(kù)區(qū)左岸發(fā)育有2條沖溝,溝底寬3～10m,長(zhǎng)500～700m;右岸發(fā)育有2條沖溝,長(zhǎng)700～1500m,溝底寬2～10m,下游出口段寬約15～30m。溝底地面高程1695～1697m。庫(kù)區(qū)內(nèi)岸坡一般40～50°,有近似垂直的陡坎呈階梯狀分布。庫(kù)區(qū)壩址區(qū)兩側(cè)山體上部為黃土,匯水山谷中沖溝、落水洞比較發(fā)育,呈串狀,直徑1～4m,深1～2m,多為不規(guī)則形,局部呈圓形,直徑可達(dá)10～20m,深5～8m。

2 水庫(kù)區(qū)工程地質(zhì)分析及建議

本次采用挖機(jī)開(kāi)挖探槽的方式在落水洞底部進(jìn)行了勘探,底部黃土1.0～1.5m以下呈堅(jiān)硬狀態(tài),落水洞未向下延伸。大氣降水在落水洞處匯集后,在濕陷性黃土層中向下游排泄,到非濕陷性土層后,沿著邊坡處的卸荷裂隙向沖溝內(nèi)排泄,卸荷裂隙主要分布于邊坡表層0.5～0.8m之間,非濕陷性土層中的落水洞主要分布于該范圍,未向下延伸。

庫(kù)區(qū)地處中低山地貌單元,兩岸山體高聳且寬厚,高出壩頂很多。上游山體以弱透水的泥巖和黃土為主,按照蓄水位高程1751m計(jì),左側(cè)分水嶺寬度>1000m,分水嶺頂高程1801～1957m;右側(cè)分水嶺寬度600～1000m,分水嶺頂高程1777～1836m。在左壩肩壩軸線兩側(cè)各分部有一條沖溝,兩沖溝間分水嶺寬度80～100m,長(zhǎng)度約120m,分水嶺較為單薄。未發(fā)現(xiàn)有貫穿庫(kù)區(qū)的活動(dòng)斷裂及不良構(gòu)造,對(duì)于干河溝組水平泥巖與陡傾角紅柳溝組泥巖的接觸帶,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)探槽揭露,未發(fā)現(xiàn)有不良地質(zhì)構(gòu)造引起的破碎帶,紅柳溝組強(qiáng)風(fēng)化泥巖已形成古風(fēng)化殼,鉆孔壓水試驗(yàn)透水率0.5～4.7Lu,為弱透水層。因此產(chǎn)生庫(kù)區(qū)滲漏的可能性較小。

1)建議對(duì)濕陷性黃土進(jìn)行處理[6-8],壩基可放置到非濕陷性黃土層中;左岸下部的礫巖層,右壩肩及主溝道的強(qiáng)風(fēng)化泥巖層均為中等透水層,建議對(duì)中等透水層進(jìn)行防滲處理,處理至下部相對(duì)隔水層上。

2)主溝道和左右壩肩基巖高差35～49m,左壩肩下部為非濕陷性黃土,且左右岸邊坡較陡(坡角40°～55°),巖土體分布不均一,巖土體變形特征復(fù)雜,建壩后上覆填土厚度不均勻,產(chǎn)生的應(yīng)力不均勻,可產(chǎn)生不均勻變形?？梢酝ㄟ^(guò)削坡處理,建議根據(jù)壩體沉降計(jì)算,確定基巖開(kāi)挖邊坡。

3 大壩工程地質(zhì)分析及建議

根據(jù)現(xiàn)狀開(kāi)挖斷面可以看出圖,泥巖節(jié)理裂隙走向玫瑰花圖,見(jiàn)圖1?；鶐r以干河溝組泥巖為主,泥巖中裂隙較為發(fā)育,裂隙以剪節(jié)理為主,裂隙寬度自臨空面向內(nèi)側(cè)逐漸變窄,外部裂隙寬度1～6mm,間距0.3～0.6m,4～6條/m,裂隙面光滑,未充填,根據(jù)壓水試驗(yàn)可以看出主要以沖蝕型為主。內(nèi)部裂隙寬度很窄,根據(jù)壓水試驗(yàn)可以看出主要以充填型為主。干河溝組泥巖中的裂隙按照走向也可分為3組,分別為340°～360°、0°～20°、50°～70°、290°～315°,傾角20°～30°、50°～90°。節(jié)理裂隙中有一組主要裂隙走向50°～70°,河道與該裂隙小角度相交,不利于水庫(kù)的防滲[9]。

1)建議左右壩肩上部為濕陷性黃土,厚度5.0～20.0m,建壩后上部濕陷性黃土處理或換填后自重壓力大于先期自重壓力,迅速填壩后會(huì)使得左右壩肩下部的土層產(chǎn)生不均勻沉降,對(duì)該區(qū)域的施工不易過(guò)快。

2)主溝道與右壩肩階地處泥巖高差17m,右壩肩階地處截槽樁號(hào)0+363-0+445段與西側(cè)溝底泥巖高差17～20m,且岸邊坡較陡(坡角40°～55°),巖體分布高程不均一,巖土體變形特征復(fù)雜,建壩后上覆填土厚度不均勻,且泥巖和填土的壓縮模量存在差異,可產(chǎn)生不均勻變形。邊坡處泥巖遇水易軟化,由于應(yīng)力的不均勻使得填土易沿著坡面向下游滑動(dòng)。建議對(duì)邊坡進(jìn)行削坡或錯(cuò)臺(tái)處理。

4 進(jìn)水建筑物工程地質(zhì)分析

勘察期間,階地下部存在地下水,水位高程1714.4～1703.0m,主要為孔隙潛水,上部礫巖膠結(jié)差,礫巖底部泥巖頂部存在孔隙潛水,孔隙潛水沿著階地前緣向溝道內(nèi)排泄,補(bǔ)給地表水。地下水水化學(xué)類(lèi)型SO42--Mg2+-Ca2+-Na+,礦化度1.6g/L。

巖(土)物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)水陡槽段地層主要有第四系上更新統(tǒng)馬蘭組(Q3eol)黃土,第四系中更新統(tǒng) (Q2eol)黃土、(Q2apl)壤土,第四系上更新統(tǒng)(Q3eol)黃土、(Q3apl)壤土,新近系上新統(tǒng)干河溝組(N2g)礫巖、泥巖。進(jìn)水陡槽的地層主要有第四系上更新統(tǒng)馬蘭組(Q3eol)黃土,第四系中更新統(tǒng) (Q2eol)黃土、(Q2apl)壤土,第四系上更新統(tǒng)(Q3eol)黃土、(Q3apl)壤土,新近系上新統(tǒng)干河溝組(N2g)礫巖、泥巖。

建議建議對(duì)下部階地的邊坡進(jìn)行削坡和砌護(hù)處理,隧洞出口邊坡按照卡丘金法預(yù)測(cè)塌岸提供的水上水下坡角進(jìn)行削坡處理[9-10],隧洞出口處建議設(shè)置抗滑樁,保證隧洞出口處邊坡的穩(wěn)定性,邊坡下部不存在軟弱結(jié)構(gòu)面,抗滑樁進(jìn)入下部不塌岸穩(wěn)定地層一定的深度即可。

5 輸、泄水工程地質(zhì)分析及建議

5.1 引水洞工程地質(zhì)分析及建議

引水洞位于取水塔前部,洞身均位于泥巖(N2g)中,洞身泥巖屬于極軟巖、巨厚層狀,巖體完整程度屬于較完整,節(jié)理裂隙不發(fā)育,圍巖分類(lèi)屬于Ⅴ1類(lèi)圍巖(極不穩(wěn)定),極易引起塑性變形,難于自穩(wěn),拱頂易坍塌變形,邊墻有失穩(wěn)現(xiàn)象,成洞條件差,開(kāi)挖需支護(hù)緊跟或超前支護(hù),加強(qiáng)初期支護(hù)剛度,建議采用鋼拱架支護(hù)。

隧洞進(jìn)出口均位于坡腳處,進(jìn)口段上部25.0m為黃土,下部為新近系泥巖,屬于混合邊坡,邊坡破壞的形式主要是黃土局部濕陷、張裂、坍塌。因此必須對(duì)黃土進(jìn)行削坡處理,黃土建議邊坡比1∶1.5。泥巖邊坡破壞的形式主要是風(fēng)化松弛引起坍塌,建議表面噴混凝土,作好排水,泥巖開(kāi)挖邊坡比1∶1.0。場(chǎng)地環(huán)境類(lèi)別為Ⅲ類(lèi)。場(chǎng)地處的泥巖對(duì)混凝土具硫酸鹽型微-弱腐蝕性,對(duì)鋼筋混凝土中的鋼筋具有微腐蝕性,對(duì)鋼結(jié)構(gòu)具有微腐蝕性。

5.2 輸水塔工程地質(zhì)分析及建議

輸水塔基底位于泥巖(N2g)中。場(chǎng)地環(huán)境類(lèi)別為Ⅲ類(lèi)。場(chǎng)地處的泥巖對(duì)混凝土具硫酸鹽型微-弱腐蝕性,對(duì)鋼筋混凝土中的鋼筋具有微腐蝕性,對(duì)鋼結(jié)構(gòu)具有微腐蝕性。水塔位于岸坡上部,該位置預(yù)測(cè)塌岸寬度180m,建議對(duì)上部塌岸土層作為上壩土料使用,挖除后再進(jìn)行水塔的施工。水塔處泥巖面基本水平,泥巖產(chǎn)狀近于水平,對(duì)水塔基礎(chǔ)的穩(wěn)定性影響較小。輸水塔基礎(chǔ)底高程以下均為泥巖,塌岸土層挖除后建議采用淺基礎(chǔ),將基礎(chǔ)直接放置在泥巖中。

5.3 輸水隧洞工程地質(zhì)分析及建議

輸水隧洞全長(zhǎng)360m,樁號(hào)0+044.5～0+310為泥巖(N2g)段,長(zhǎng)265.5m,占輸水隧洞全長(zhǎng)的73.8%;0+310～0+404.5為非濕陷性黃土(Q2eol)段,長(zhǎng)94.5m,占輸水隧洞全長(zhǎng)的26.2%。隧洞場(chǎng)地上部均為黃土覆蓋,洞身出口段為黃土,中間段分布泥巖,泥巖產(chǎn)狀近于水平。泥巖、黃土均為弱透水層,泥巖具有弱膨脹性潛勢(shì)。新近系上新統(tǒng)干河溝組(N2g)泥巖,為極軟巖,且遇水易于軟化,水的作用對(duì)其力學(xué)強(qiáng)度影響明顯;巖石具有遇水崩解,失水干裂的特性。巖體屬于極軟巖,巨厚層狀,巖體完整程度屬于較完整,節(jié)理裂隙不發(fā)育,圍巖分類(lèi)屬于Ⅴ1類(lèi)圍巖(極不穩(wěn)定),極易引起塑性變形,難于自穩(wěn),拱頂易坍塌變形,邊墻有失穩(wěn)現(xiàn)象,成洞條件差,開(kāi)挖需支護(hù)緊跟或超前支護(hù),建議采用鋼拱架支護(hù)黃土段洞身黃土屬于丙類(lèi)黃土,土體易沿節(jié)理方向張開(kāi)剪斷,較難形成承載拱,開(kāi)挖應(yīng)力釋放后易崩解剝落,處理不當(dāng)會(huì)造成溜坍乃至塌方,拱頂?shù)貙右资苁┕_動(dòng)開(kāi)裂,圍巖分類(lèi)屬于Ⅴ3類(lèi)圍巖(極不穩(wěn)定)。施工時(shí)先要采用鋼拱架支護(hù)。在第一次開(kāi)挖完成后,隧洞斷面位移速度最大,應(yīng)及時(shí)施做施工支護(hù)?？辈炱陂g,勘探深度內(nèi)未見(jiàn)地下水。

場(chǎng)地環(huán)境類(lèi)別為Ⅲ類(lèi)。場(chǎng)地處的黃土、泥巖對(duì)混凝土具硫酸鹽型微-弱腐蝕性,對(duì)鋼筋混凝土中的鋼筋具有微腐蝕性,對(duì)鋼結(jié)構(gòu)具有微腐蝕性。

5.4 輸水管線工程地質(zhì)分析及建議

輸水管線全長(zhǎng)345.5m,其中0+404.5～0+550段為黃土(Q2eol)段,長(zhǎng)145.5m;0+550～0+640段為濕陷性壤土(Q3apl)段,長(zhǎng)90m;0+640～0+705段為角礫(Q3apl)段,長(zhǎng)65m;0+705～0+752段為角礫(Q2apl)段,長(zhǎng)47m。管線前段勘探范圍內(nèi)未發(fā)現(xiàn)有地下水,末端主溝道內(nèi)存在地下水和地表水,地表水補(bǔ)給地下水,水位高于管底0.5m,水頭較小,因此不需考慮管道的抗浮穩(wěn)定問(wèn)題。。地表水對(duì)混凝土有硫酸鹽型強(qiáng)腐蝕性,對(duì)混凝土中的鋼筋都具有弱腐蝕性,對(duì)鋼結(jié)構(gòu)具有中等腐蝕性。場(chǎng)地環(huán)境類(lèi)別為Ⅲ類(lèi)。場(chǎng)地處的黃土、壤土對(duì)混凝土具硫酸鹽型微-弱腐蝕性,對(duì)鋼筋混凝土中的鋼筋具有微腐蝕性,對(duì)鋼結(jié)構(gòu)具有微腐蝕性。濕陷性壤土(Q3apl)管床地基土層需要進(jìn)行翻夯或換填處理;其它管段為分濕陷性土段,可作為管床基礎(chǔ)。各巖性間物理力學(xué)性質(zhì)多具較大差異,在巖性突變段可能會(huì)發(fā)生地基的不均勻沉降。

6 取水泵站工程地質(zhì)分析及建議

泵站基底下部濕陷厚度7.0～7.6m,均為Ⅰ級(jí)非自重(輕微)濕陷性場(chǎng)地,最大自重濕陷量18.4mm,濕陷量69.0～92.55mm,建議采用樁基(干作業(yè)鉆孔樁),樁長(zhǎng)10～15m。中性點(diǎn)以上③-1層濕陷性壤土樁的極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值qsik=-15kPa,中性點(diǎn)以下③-1層濕陷性壤土樁的極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值qsik=60kPa,③-2層非濕陷壤土樁極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值qsik=63kPa,角礫層樁極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值qsik=120kPa,③-2層非濕陷壤土樁極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值qpk=900kPa,角礫層樁極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值qpk=4500kPa?？踊A(chǔ)底高程下部均為非濕陷性土層,但非濕陷性土層由于含水量較高,孔隙比較大,建議上部采取必要的換填處理,避免由于上部土層含水量的變化產(chǎn)生不均勻沉降。

建議優(yōu)先選用干作業(yè)鉆孔樁(側(cè)阻及端阻較大,樁長(zhǎng)較短,造價(jià)較低),若干作業(yè)鉆孔樁施工困難時(shí)也可采用泥漿護(hù)壁鉆孔灌注樁,中性點(diǎn)以上③-1層濕陷性壤土樁的極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值qsik=-15kPa,中性點(diǎn)以下③-1層濕陷性壤土樁的極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值qsik=90kPa,③-2層非濕陷壤土樁極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值qsik=96kPa,角礫層樁極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值qsik=140kPa,③-2層非濕陷壤土樁極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值qpk=900kPa,樁長(zhǎng)<15m時(shí)角礫層樁極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值qpk=2000kPa,樁長(zhǎng)>15m時(shí)角礫層樁極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值qpk=2500kPa。

7 結(jié) 論

1)文章主要對(duì)何家溝水庫(kù)大壩的地質(zhì)進(jìn)行了分析,同時(shí)針對(duì)水庫(kù)區(qū)、大壩工程、進(jìn)水建筑、輸、泄水工程、取水泵站工程地質(zhì)情況相應(yīng)的提出建議。

2)根據(jù)基巖為新近系泥巖,地層較穩(wěn)定,透水性相對(duì)較弱,就地形地質(zhì)條件,建議壩線上移;古河道部位砂礫石較松散,與兩側(cè)基巖存在較大差異,為防止不均勻變形,建議進(jìn)行工程處理。

3)充分利用右岸泥巖臺(tái)地作為防滲體,相應(yīng)調(diào)整防滲體的長(zhǎng)度,并穿透左岸未膠結(jié)礫石層,防滲墻深度標(biāo)準(zhǔn)建議按5Lu控制;建議對(duì)壩基區(qū)的古河道區(qū)域進(jìn)行挖除并回填礫石土,下游側(cè)褥墊排水范圍可換填級(jí)配良好的砂礫石;建議根據(jù)土料的實(shí)際情況,對(duì)壩體進(jìn)行適當(dāng)分區(qū),對(duì)壩體中部核心防滲區(qū)域適當(dāng)提高壓實(shí)指標(biāo)和防滲指標(biāo),并與壩基防滲墻有效連接形成整體防滲體系,保證大壩防滲體安全可靠。