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南坪水庫大壩安全鑒定工程地質(zhì)分析

李明福董承山

摘要南坪水庫建成蓄水后壩體出現(xiàn)較大裂縫，通過勘探、室內(nèi)試驗(yàn)，分析了壩體裂縫特征、大壩質(zhì)量現(xiàn)狀、壩體產(chǎn)生滲漏的原因，論述了壩基變形、出現(xiàn)裂縫及對大壩土體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞的機(jī)理。

關(guān)鍵詞壩體質(zhì)量壩體裂縫濕陷變形土體結(jié)構(gòu)南坪水庫

南坪水庫位于寧夏海原縣南坪村以西的溝谷中，水庫大壩為碾壓式均質(zhì)土壩，壩頂高程1 603.0 m，壩頂長495 m，最大壩高42.0 m，壩頂寬8 m。水庫大壩于2008年起進(jìn)行施工，2009 年9月開始蓄水。由于運(yùn)行期間壩體出現(xiàn)裂縫、滲漏等現(xiàn)象，對大壩進(jìn)行了安全鑒定地質(zhì)勘察，本文擬對勘察資料進(jìn)行初步整理分析，以了解壩體質(zhì)量和其變形機(jī)理，為施工處理提供依據(jù)。

1　基本地質(zhì)概況

庫區(qū)屬于構(gòu)造剝蝕丘陵地貌單元，地面高程在1 575～1 800 m，地形起伏較大，溝谷發(fā)育，水土流失較為嚴(yán)重。水庫所處溝谷呈不對稱V形，南北向展布。壩址右岸巖體裸露，坡度較大；左岸發(fā)育Ⅰ級階地，寬度400 m左右，地形向溝底方向傾斜，坡降13%，其上面小沖溝發(fā)育，地面植被不發(fā)育，為侵蝕基座階地。壩址出露的地層有第三系漸新統(tǒng)清水營組 （E3q）泥質(zhì)砂巖及砂巖；第四系全新統(tǒng)沖積 （Q41al）壤土；第四系全新統(tǒng)（Q4m）馬蘭黃土等。

近場區(qū)范圍內(nèi)分布有清水河大斷裂，總體走向NW335°、長約百余千米，距離南坪水庫以東10 km。在左壩肩下游存在1條右旋走滑斷層，推測為清水河斷層的分支斷層，走向近SN，沿斷面充填2～4 cm厚的石膏。總體上壩址區(qū)構(gòu)造不甚發(fā)育，基巖產(chǎn)狀較平緩。

寧夏地震工程研究院對南坪水庫場區(qū)地震安全評價結(jié)論為：庫區(qū)屬抗震不利地段；50年超越概率10%水準(zhǔn)下，本區(qū)的地震動峰值加速度0.28g，地震基本烈度為8度。

壩區(qū)地下水類型主要有孔隙潛水和基巖裂隙水。前者水量較少，只賦存于粗砂層中，并沒有形成連續(xù)的地下水位，由大氣降水補(bǔ)給，排泄于溝谷。第三系砂巖層中有基巖裂隙水，略具承壓性質(zhì)，由大氣降水補(bǔ)給，以下降泉的形式沿溝谷砂巖露頭排泄于河床中，流量僅0.5～0.7 L/min。地下水水化學(xué)類型為SO42--Cl--Na+，對混凝土及鋼結(jié)構(gòu)均具有腐蝕性。

2　壩體工程地質(zhì)特征

2.1壩體結(jié)構(gòu)

壩體填筑土主要由3種土料組成，巖性較復(fù)雜，土質(zhì)不均勻，大部呈堅硬—硬塑狀態(tài)，具中低壓縮性。壩體結(jié)構(gòu)特征及（巖）土層分布情況見圖1。

圖1　水庫大壩標(biāo)準(zhǔn)斷面圖

（1）區(qū)為褐黃色間淺紅色壤土和粉質(zhì)黏土，土層中可見少量石膏，具有分散性；（2）區(qū)為褐黃色壤土，其間可見少量石膏；（3）區(qū)為改良性土，即壤土中摻入約0.7%的熟石灰。壩基持力層由第四系沖積 （Q41al）壤土和第三系（E3q）紫紅色泥質(zhì)砂巖及砂巖組成。另外，靠近左壩頭埋有一壩下輸水管道。

2.2壩體裂縫發(fā)育情況

水庫蓄水后，近左壩頭埋管處壩體產(chǎn)生一條橫向裂縫及上下游壩坡各產(chǎn)生一條縱向裂縫，橫向裂縫貫通整個壩體，裂縫寬度10～60 mm，裂縫深度可能達(dá)到壩基，可使庫水由此通道產(chǎn)生滲流及管涌；縱向裂縫基本貫通，裂縫上部土體有向下滑移跡象，裂縫寬度5～20 mm，進(jìn)一步發(fā)展會造成壩坡蠕變甚至滑坡，嚴(yán)重危及大壩運(yùn)行安全，于是2011年2月至6月對壩體裂縫進(jìn)行了灌漿處理，達(dá)到了一定的預(yù)期效果。

2013年5月對大壩安全鑒定勘察中發(fā)現(xiàn)，在上游壩坡沿壩體走向斷續(xù)地存在不同程度的裂縫，主要分布在1 593 m混凝土馬道上，裂縫一般寬5～15 mm，延伸長度6～42 m；在下游壩坡及壩頂裂縫則零散分布，多順坡向（橫向）發(fā)育，裂縫寬5～20 cm，延伸長度一般6 m左右，最長20 m。個別裂縫已被水流沖刷成落水洞。由于下游壩坡排水不暢通，沿裂縫在下游1 593 m和1 583 m馬道出現(xiàn)幾處塌坑。壩體下游坡腳處滲漏痕跡明顯。

2.3壩體質(zhì)量現(xiàn)狀

對壩體填筑土取樣和進(jìn)行物理力學(xué)試驗(yàn)，統(tǒng)計指標(biāo)見表1。此外對填土進(jìn)行了擊實(shí)試驗(yàn)，其最大干密度在1.87～1.89 g/cm3之間，最優(yōu)含水率為13.5%～14.3%。

從試驗(yàn)成果看，壩體填土干密度在1.67～1.76 g/cm3之間，按地震基本烈度8度，筑壩時設(shè)計壓實(shí)度為0.98，與其對應(yīng)的最大干密度為1.83～1.85 g/cm3之間，而采取的原狀樣無一組達(dá)到該指標(biāo)；孔隙比為0.534～0.617，沒有達(dá)到設(shè)計密實(shí)狀態(tài)；壩體水平滲透系數(shù)1.8×10-4～6.6×10-4cm/s，滲透系數(shù)均大于1.0×10-4cm/s，壩體具弱—中等透水性。總之，與原壩體填筑時的土體指標(biāo)相差較大，壩體現(xiàn)狀質(zhì)量較差。

表1　填土物理力學(xué)指標(biāo)匯總表

3　壩基變形分析

3.1壩基地層及處理情況

壩基地層主要為第三系清水營組（E3q）泥質(zhì)砂巖和第四系全新統(tǒng)沖積（Q41al）壤土。泥質(zhì)砂巖，厚層狀，泥質(zhì)膠結(jié)，局部夾有石膏層，自由膨脹率為41.0%～50.0%，具弱膨脹潛勢。主要出露于右岸，表部強(qiáng)風(fēng)化層厚1.0～1.5 m。沖積壤土，褐黃色，黏粒含量超過18%，夾有粉質(zhì)黏土層，具水平層理，主要分布于水庫左岸階地，厚度6～11 m。

壩基處理措施為：先將河床部位含礫壤土及粗砂清除，截滲槽開挖至（E3q）泥質(zhì)砂巖頂部，寬7～8 m；壩體大部坐落于（Q41al）壤土地基上，對（Q41al）壤土層采取了強(qiáng)夯處理。溝底區(qū)域夯實(shí)效果較好，影響深度約1.5 m，而斜坡部位夯實(shí)效果較差，影響深度僅達(dá)到1.0 m左右。

3.2壩基濕陷變形特征

為了解壩基土層濕陷性，在左右岸壩后坡腳強(qiáng)夯區(qū)內(nèi)各布置探井、取原狀土樣進(jìn)行試驗(yàn)，壤土物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見表2。

表2　壩基壤土物理力學(xué)指標(biāo)匯總表

試驗(yàn)結(jié)果表明，右岸壩腳強(qiáng)夯區(qū)內(nèi)的壤土層厚度10.5 m，自重濕陷量Δzs=136.8 mm，濕陷量Δs=678.5 mm，屬于Ⅲ級自重（嚴(yán)重）濕陷場地；左岸壩腳強(qiáng)夯區(qū)內(nèi)的壤土層厚度6.0 m，自重濕陷量Δzs=280.8 mm，濕陷量Δs=808.5 mm，屬于Ⅲ級自重（嚴(yán)重）濕陷場地。另外壩基壤土中均含有石膏，具有一定的溶蝕性。對壩體下部承受附加荷載預(yù)壓的壤土層土樣進(jìn)行試驗(yàn)，其物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見表2。將壩下和壩后強(qiáng)夯區(qū)的壤土層指標(biāo)進(jìn)行比較表明，壩下壤土層密度高于壩后土，且更密實(shí)，透水性相對弱，而壩下壤土層屬非濕陷性土。上述數(shù)據(jù)充分說明大壩運(yùn)行期間壩基在地下水和荷載預(yù)壓作用下發(fā)生了濕陷沉降變形。

3.3壩體裂縫及土體結(jié)構(gòu)變化機(jī)理分析

在壩體鉆孔中進(jìn)行了注水試驗(yàn)，其成果如表3所示。

表3　鉆孔注水試驗(yàn)成果一覽表

成果表明，各鉆孔之間、同一鉆孔的不同深度滲透系數(shù)差別很大，表明壩體內(nèi)部可能存在裂隙及孔洞等滲漏通道。

前已所述，大壩填筑以前，對壩基（Q41al）壤土層進(jìn)行了強(qiáng)夯處理，而對于土層厚度大于6 m的壩基和斜坡部位，顯然夯實(shí)效果很有限，未完全消除土體濕陷性。初步分析，由于水庫蓄水運(yùn)行后壩基滲流條件的改變，以及承受壩體荷載的條件下，壩基產(chǎn)生以濕陷變形為主的不均勻沉降，并導(dǎo)致壩體拉裂。由于壩體變形及出現(xiàn)裂縫對原有的土體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞，壓實(shí)度降低，土體孔隙比變大，進(jìn)而改變了土體的滲透性。受水庫水位漲落、土體干濕變化及土料內(nèi)石膏等易溶鹽溶蝕因素影響下，又使新的裂縫繼續(xù)產(chǎn)生，從而擴(kuò)大了分布范圍。

4　結(jié)語

通過對壩體裂縫和質(zhì)量現(xiàn)狀勘察資料的整理分析，認(rèn)為壩體內(nèi)存在較大的裂隙和孔洞，壩體沉降變形較明顯，壩體滲透系數(shù)偏大，易產(chǎn)生滲透破壞，威脅大壩安全。

施工期未完全消除壩基濕陷性，導(dǎo)致壩基變形嚴(yán)重，這也是壩體產(chǎn)生不均勻沉降變形、裂縫和質(zhì)量降低的主要原因。為保證水庫壩體的安全運(yùn)行，必須對現(xiàn)壩基、壩體進(jìn)行適宜的防滲及加固處理。

參考文獻(xiàn)

［1］SL 258—2000水庫大壩安全評價導(dǎo)則［s］.

中圖分類號TV698

文獻(xiàn)標(biāo)識碼B

文章編號1007-6980（2016）01-0046-03

作者簡介

李明福男高級工程師中水北方勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司天津300222

董承山男高級工程師中水北方勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司天津300222

收稿日期（2015-11-11）