吳昌旺
摘要:本文結(jié)合了某水庫(kù)大壩發(fā)生輕微滲漏,需要安全鑒定,前期進(jìn)行的工程勘察,著重介紹了在夾雜塊石厚填土壩基進(jìn)行工程勘察的難點(diǎn),經(jīng)過(guò)勘察論證和分析,查明了大壩的滲漏強(qiáng)度及壩體和壩體后填土的顆粒組成,為工程堵漏及安全鑒定提供了重要的支撐,確保了水庫(kù)大壩的穩(wěn)定與運(yùn)行。
關(guān)鍵詞:水庫(kù)大壩;滲漏;工程勘察;安全鑒定
1.前言
水庫(kù)大壩常用的壩體類型有混凝土大壩、土石大壩[1],壩體形式的選擇應(yīng)根據(jù)具體工程、壩體材料運(yùn)輸?shù)谋憬菪约皡^(qū)域地質(zhì)條件進(jìn)行,否則大壩壩體會(huì)出現(xiàn)不同的問(wèn)題,為大壩的運(yùn)行埋下安全隱患。本文著重從已發(fā)生滲漏的水庫(kù)大壩、壩體后堆填有厚填土的素填土,作為工程勘察的難點(diǎn)分析,為同類工程提供類似經(jīng)驗(yàn)。
2.工程實(shí)例
某水庫(kù)位于廣州市,是以防洪為主,結(jié)合灌溉、除澇、水土保持等綜合利用的?。?)型水庫(kù),集雨面積為10.01km2,水庫(kù)水面面積約66.67hm2(1000畝),總庫(kù)容為806×104m,水庫(kù)大壩為均質(zhì)土壩,水庫(kù)原有建筑物有主壩、副壩、溢洪道等,主壩高21m,壩軸線長(zhǎng)120m、副壩高17m,壩軸線長(zhǎng)60m;溢洪道為開(kāi)敞式寬頂堰,溢洪凈寬20m;后期增加了水庫(kù)背水側(cè)填土。據(jù)了解,因水庫(kù)附近某省道修建產(chǎn)生大量土石方,部分土體回填至壩體背水側(cè),壩體背水側(cè)填土寬約60m~80m。本項(xiàng)目主壩壩頂距某省道約140m,與其有水泥路相連。
因水庫(kù)壩體長(zhǎng)時(shí)間沒(méi)進(jìn)行加固,且背后填土出現(xiàn)滲漏點(diǎn),故需對(duì)壩體進(jìn)行前期工程勘察的安全鑒定工作。
3.庫(kù)區(qū)區(qū)域地質(zhì)概況
(1)地形地貌及地層巖性
庫(kù)區(qū)為低山地形,均由混合巖組成,地表為混合巖風(fēng)化土,厚度較厚,山體多呈渾圓狀。因受雨水作用,沖溝較發(fā)育,沖溝寬度一般為10m~50m,水流量不大。山體植被發(fā)育。山谷地貌主要為山麓緩坡地帶之沖洪積堆積帶。
山麓緩坡發(fā)育沖積層(Qal)和殘積層(Qel)。殘積物主要為砂質(zhì)黏性土?;鶐r為混合巖(Z)及后期侵入的石英脈等。
(2)地質(zhì)構(gòu)造
根據(jù)相關(guān)區(qū)域地質(zhì)圖,工程區(qū)內(nèi)沒(méi)有大的構(gòu)造單元通過(guò),但工程區(qū)周邊存在斷裂構(gòu)造,主要為東西向斷層F1及北西向斷層F2。
東西向斷層F1發(fā)育于加里東構(gòu)造層中,斷層面多往南傾,傾角緩(15°~30°),早期為逆斷層(具韌性),晚期為正斷層(具脆性),傾角較陡(50°~60°),構(gòu)造巖類型復(fù)雜,早起為糜棱巖和硅化巖,晚期則多形成構(gòu)造角礫巖和硅化碎裂巖,斷層兩側(cè)往往具有早期的糜棱巖和硅化現(xiàn)象,斷層距離主壩約2.0km,對(duì)主壩穩(wěn)定性影響不大;
北西向斷層F2發(fā)育在燕山構(gòu)造層中,斷層走向300°~340°,傾向西南,傾角一般較陡(60°~75°部分40°~50°),構(gòu)造巖以硅化巖為主,其次為破碎硅化巖和硅化角礫巖,斷層多為壓扭性和張扭性,是調(diào)查區(qū)內(nèi)形成較晚的斷層,且往往是含水性斷層,斷層距離主壩約2.1km,對(duì)主壩穩(wěn)定性影響不大。
(3)水文地質(zhì)條件
水庫(kù)地處亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū),雨量豐沛,流域內(nèi)的降水以鋒面雨和臺(tái)風(fēng)雨為主,其次是對(duì)流雨和地形雨,降水有較強(qiáng)的季節(jié)性,并有覆蓋面積廣、強(qiáng)度大的特點(diǎn)。本流域多年平均降水量為1698mm,降水量年內(nèi)分布不均,汛期(4月~9月)降水量約占年降水總量的80%,其中4月~6月為主汛期,7月~9月有臺(tái)風(fēng)雨,10月至翌年3月為枯水期,枯季降水量占20%。庫(kù)區(qū)流域多年平均最大24h降水量為135mm,多年平均最大72h降水量為186mm;實(shí)測(cè)最大24h降水量218mm,實(shí)測(cè)最大72h降水量346mm。
庫(kù)區(qū)地下水類型可劃分為松散巖類孔隙水和基巖裂隙水兩大類,其中基巖裂隙水為塊狀巖類裂隙水。松散巖類孔隙水廣泛賦存于區(qū)內(nèi)第四系土層中,主要含水地層為筑填土及砂質(zhì)黏性土;塊狀巖類裂隙水的含水地層為混合巖層。該水庫(kù)由地下水和溪水等匯聚而成,庫(kù)區(qū)內(nèi)地下水豐富,地下水類型主要為基巖裂隙水和第四系松散堆積層孔隙潛水??紫端饕癫赜跍瞎燃皟砂兜谒南灯路e、沖洪積層中,受大氣降水或基巖裂隙水補(bǔ)給,水量不大。庫(kù)區(qū)基巖裂隙水主要賦存于巖石全、強(qiáng)風(fēng)化帶及基巖破碎帶裂隙中,其透水性除受巖石風(fēng)化程度的影響外,亦受斷層構(gòu)造和裂隙發(fā)育程度的影響,主要受大氣降水補(bǔ)給,并排泄于溝谷中。據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)資料及相關(guān)資料顯示,區(qū)內(nèi)地下水動(dòng)態(tài)隨季節(jié)性變化,主要受降水支配,松散巖類孔隙水在每次暴雨后水位迅速上升,于每年5月~9月處于高水位期,9月以后隨降水減少而緩慢下降,常在1月份出現(xiàn)水位低谷?;鶐r裂隙水由于滲入補(bǔ)給時(shí)間較長(zhǎng),往往具滯后現(xiàn)象。
4.安全鑒定工程勘察的難點(diǎn)分析
(1)大壩壩體所在場(chǎng)地工程地質(zhì)環(huán)境的不斷變化
大壩壩體經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的運(yùn)行和定期的加固注漿處理,壩體素填土的特性發(fā)生了一定的變化,壩體存在的問(wèn)題也日益顯露。該大壩壩體的安全鑒定工程勘察不同于一般的工民建勘察,主要表現(xiàn)于其土體特性是不斷變化的,不但存在壩體土料的流失的問(wèn)題,更體現(xiàn)于加固注漿后其土體特性的變化,故大壩安全鑒定工程勘察的針對(duì)性更強(qiáng),精度要求更高[2]。為防止土壩微小土粒的流失,本水庫(kù)壩體每隔5年會(huì)定期進(jìn)行加固注漿處理,壩體經(jīng)過(guò)加固處理后,其巖土特性不斷變化,想要徹底摸清大壩的地質(zhì)環(huán)境就顯得尤為困難。
(2)沒(méi)法直接判別滲漏點(diǎn)的通道及溢流情況
通過(guò)野外調(diào)查,庫(kù)岸分水嶺地勢(shì)雄厚,岸坡坡度較平緩,大部分20°~35°之間,局部大于50°,表面植被發(fā)育,多為高大樹(shù)木及灌木;庫(kù)周圍基巖為均質(zhì)致密且堅(jiān)硬的混合巖,除沖溝底部及局部陡坡基巖裸露外,其余均為坡積層及風(fēng)化土所覆蓋;在大壩背水側(cè)填土層上截排水溝處有水土流失及小面積崩塌,主壩附近庫(kù)岸見(jiàn)有少量小面積滑塌痕跡外,未見(jiàn)大的滑坡、坍塌等不良地質(zhì)現(xiàn)象發(fā)生,庫(kù)底基巖穩(wěn)固,庫(kù)岸基本穩(wěn)定。庫(kù)區(qū)為極不規(guī)則形狀,庫(kù)區(qū)兩岸為低山地形,坡積層及風(fēng)化土層厚度一般大于5m;庫(kù)區(qū)內(nèi)巖性單一,兩岸山體分水嶺一般高大雄厚;庫(kù)區(qū)內(nèi)未發(fā)現(xiàn)通向庫(kù)外的大斷裂,不存在水庫(kù)永久性滲漏的可能性,但距離水庫(kù)主壩165m處省道外側(cè)有一泉水溢出,流量約為2.633L/s,雨季溢出量稍大,因該泉點(diǎn)已被壩后填土及道路覆蓋,沒(méi)法直接判別該泉點(diǎn)的通道及溢流情況,間接增加了工程勘察的難度。
(3)壩體及壩后填土成分復(fù)雜,需要進(jìn)行粒徑分析
通過(guò)工程勘察及土工試驗(yàn)結(jié)果分析,壩體及壩后填土局部含碎塊石,鉆進(jìn)過(guò)程中出現(xiàn)不同程度的漏水情況,土質(zhì)成分也出現(xiàn)較大的變化,需要對(duì)填土進(jìn)行粒徑分析。
壩體填土主要由混合巖殘積土及風(fēng)化巖回填而成,回填時(shí)間10年以上,壩體頂部含較多混合巖碎巖塊,直徑2cm~20cm,漏水較嚴(yán)重,壩體底部局部含較多混合巖碎石,直徑多為10cm~20cm,輕微漏水。壩體石英質(zhì)顆粒2mm~20mm的含量約0~3.2%,土質(zhì)較純,根據(jù)鉆孔揭露,壩頂填土層最厚24.50m,從大壩兩端到壩中間填土深度逐步加深,壩體填土主要由粉質(zhì)黏土、砂質(zhì)黏性土等組成,粉粒(粒徑d>0.005mm)含量變化較大,多在24.4%~49.8%之間,平均在34.8%左右,土料均一性稍差,主要來(lái)源于附近山坡的混合巖風(fēng)化土;黏粒(粒徑d<0.005mm)含量變化較大,在15.4%~28.7%之間,平均在20.8%左右,土料均一性稍差,其中粒徑在0.075mm 壩后填土主要由混合巖殘積土及風(fēng)化巖回填而成,回填時(shí)間10年以上,填土局部含較多塊石,直徑多為10cm~25cm,漏水較嚴(yán)重,個(gè)別鉆孔沒(méi)有測(cè)得有效地下水位;根據(jù)鉆孔揭露,壩后填土層最厚21.50m,壩后填土主要由粉質(zhì)黏土、砂質(zhì)黏性土等組成,局部夾雜較多碎石、塊石等,粉粒(粒徑d>0.005mm)含量變化較大,多在22.8%~76.7%之間,平均在39.1%左右,土料均一性稍差,主要來(lái)源于附近山坡的混合巖風(fēng)化土、碎石塊等;黏粒(粒徑d<0.005mm)含量變化較大,在7.9%~20.5%之間,平均在13.6%左右,土料均一性稍差,其中粒徑在0.005mm (4)壩體注水試驗(yàn)與室內(nèi)填土樣滲透系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果相差較大 室內(nèi)試驗(yàn)壩體筑填土的垂直滲透系數(shù)為1.77cm/s×10- 5cm/s~1.96cm/s×10- 5cm/s,水平滲透系數(shù)為1.84cm/s×10-5cm/s~2.16cm/s×10-5cm/s,現(xiàn)場(chǎng)注水試驗(yàn)壩間填土的滲透系數(shù)為6.838cm/s×10-5cm/s~9.898cm/s×10-4cm/s,詳見(jiàn)表1、表2。 通過(guò)對(duì)比分析,現(xiàn)場(chǎng)注水試驗(yàn)滲透系數(shù)大于取樣室內(nèi)試驗(yàn)成果,主要是因?yàn)閴误w填土不均勻,密實(shí)度變化較大,室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)定的滲透系數(shù)只能代表取樣位置處的填土,而現(xiàn)場(chǎng)注水試驗(yàn)是代表注水段整段的填土層的透水性,更具代表性。 4.壩體工程地質(zhì)評(píng)價(jià) 大壩為均質(zhì)土壩,主壩高21m,壩軸線長(zhǎng)120m、副壩壩高17m,壩軸線長(zhǎng)60m。根據(jù)鉆孔地質(zhì)資料,壩體主要由混合巖風(fēng)化土填筑而成,土質(zhì)較均勻,含少量礫質(zhì),填土顏色多為褐黃色、肉紅色。 壩體填土土料來(lái)源主要來(lái)源于附近山體的混合巖風(fēng)化土和坡積土,土質(zhì)為砂質(zhì)黏性土和含砂低液限黏性土,含礫質(zhì)和強(qiáng)風(fēng)化碎塊石。根據(jù)土工試驗(yàn),填筑土的干密度ρd=1.64g/cm3~1.74g/cm3,平均值為1.69g/cm3,填筑土的密實(shí)度相差較大,天然含水量w=20.8%~26.5%,平均值為23.65%,最優(yōu)含水率為16.2%~17.1%,平均值為16.65%;根據(jù)標(biāo)貫試驗(yàn)成果(壩身填土標(biāo)貫擊數(shù)為11~17擊,標(biāo)準(zhǔn)值為13.2擊;壩后填土標(biāo)貫擊數(shù)為8~14擊,標(biāo)準(zhǔn)值為9.8擊),壩體筑填土屬稍密狀,局部中密狀,壩后筑填土屬松散—稍密狀,密實(shí)度一般—較差。壩體筑填土擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果最大干密度為1.64g/cm3,最優(yōu)含水率為17.1%,計(jì)算得出壓實(shí)度為91.62%,壩后筑填土擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果校正后最大干密度為1.78g/cm3,最優(yōu)含水率為15.3%,計(jì)算得出壓實(shí)度為86.10%。填土壓實(shí)度偏低,未達(dá)到《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》DL/T9395-2007的要求。 根據(jù)壩體筑填土各組土樣顆分試驗(yàn)的平均值的粒徑分布曲線,見(jiàn)圖2,壩體填土的平均細(xì)粒含量Pc=59.5%,易發(fā)生的滲透破壞類型為流土型,由臨界水力比降Jcr=(Gs-1)×(1-n)公式計(jì)算得出臨界水力比降Jcr=0.937,安全系數(shù)取2.0,允許水力比降J允許=0.469。 壩體混合巖風(fēng)化土筑填土的滲透系數(shù),根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)注水試驗(yàn)結(jié)果K(最大值)=9.898m/s×10-4m/s,室內(nèi)試驗(yàn)垂直滲透系數(shù)K20(最大值)=1.96cm/s×10-5cm/s,水平滲透系數(shù)K20(最大值)=2.16cm/s×10-5cm/s,表明壩體填土層多為弱透水性土,局部存在中等透水性土可能。 大壩壩前坡面以水泥漿抹面保護(hù),水面上坡面以混凝土空心塊護(hù)面,前坡坡度約20°~22°,壩后坡面以草皮保護(hù),后坡坡度約25°~30°,在壩后坡底部筑石護(hù)坡,對(duì)防止雨水沖刷及保證坡體穩(wěn)定有較好的作用,未發(fā)現(xiàn)大壩壩頂或壩坡裂縫。 5.結(jié)論 本工程壩體石英質(zhì)顆粒粒徑一般2mm~20mm左右,含量約0~3.2%,土質(zhì)較純,從壩肩到壩體中部填土深度逐步加深,壩體填土主要由粉、黏粒組成,黏粒(粒徑d﹤0.005mm)含量變化較大,在15.4%~28.7%之間,平均在20.8%左右;對(duì)壩體滲漏現(xiàn)象,建議對(duì)滲漏點(diǎn)開(kāi)展專項(xiàng)研討工作,可結(jié)合勘察、物探等綜合方法對(duì)其漏水情況進(jìn)一步觀測(cè)和研究。本工程通過(guò)對(duì)壩體土料填筑質(zhì)量、滲漏穩(wěn)定性、壩體滲透系數(shù)及工程地質(zhì)條件等進(jìn)行初步分析評(píng)價(jià),為同類工程堵漏及安全鑒定提供了重要的支撐借鑒作用。 參考文獻(xiàn): [1]周咸秀.淺談土石壩壩體填筑施工方法[J].江西建材, 2015. [2]曹春.淺談水庫(kù)大壩工程加固的地質(zhì)勘察及其施工要點(diǎn)[J].防護(hù)工程, 2018.