水库地质分析

工程地质工程概况一家人水库位于腾长市柏祥镇蛾咀村，所在河流为新墙河支流，其担负着下游1200人口，1500多亩耕地的防洪保安任务，水库加固前正常蓄水位77.80m，死水位72.00m。设计灌溉下游农田1000亩，是一座以灌溉为主，兼有防洪、养殖等功能的年调节型水库。一家人水库集雨面积1.1km2，干流长度1.38km，干流平均坡降为102。水库工程主要由大坝、输水低涵、输水高涵、溢洪道等建筑物组成。本工程等别为等、小（2）型，主要建筑物级别为5级，次要建筑物级别为5级。设计洪水标准重现期为30年，校核洪水标准重现期为300年，溢洪道消能防冲设施洪水标准重现期为20年。1）大坝一家人水库主坝为均质土坝，坝顶高程为80.00m，坝顶宽4.5m，坝轴线长190m，最大坝高10.0m。上游坝坡为一级，上游坝坡坡比自上而下为13.0，下游坝坡分二级，下游有宽9.00m的平台，下游坝坡坡比自上而下分别为12.1、10.5。上、下游坝坡均无护坡。2）溢洪道位于坝体右侧，山体开挖而成，全风化岩石基础；控制段为双孔砼拱涵，堰顶高程为77.80m。5）输水高涵：位于坝左端坝下、取水卧管，输水涵涵身渗漏，渗水浑浊且带泥沙混凝土剥落、破损，有裂缝.进口底板高程75.00m，出口底板高程74.50m，设计流量0.10m3/s。砼圆涵，断面尺寸400mm。6）输水低涵：输水低涵位于坝右端坝下、扇格式闸门取水、涵管运行多年，漏水严重.进口底板高程72.00m，出口底板高程71.59m，设计流量0.10m3/s。条石盖板涵，断面尺寸300400mm。一家人水库设计灌溉面积1000亩。3.1 区域及水库库区地质条件工程区地处新华夏系第二沉降带中部，西面为洞庭湖断陷盆地，东南侧为NNE向岳阳湘阴断裂带。地貌属构造剥蚀“红岩”低丘岗地地貌单元。库区周围连绵不断的丘陵、岗地，海拔高程在60.080.0m之间，水库大坝处在低丘谷地，地貌大致呈狭长“V”字型，库区植被良好，草木茂盛。大坝下游为人民居住、生产、耕作及养殖地。枢纽工程区内水文地质条件简单，地下水类型主要有第四系孔隙潜水、基岩裂隙水两种类型。区域上属相对贫水区，第四系孔隙潜水主要赋存于枢纽工程区下游溪谷平原中的低液限粘土冲积层或残坡积层中，接受大气降水及库水的补给，地下水由高势能向低势能运移，径流条件一般较好，地下水向河流或冲沟低洼处排泄，且随季节而变化，其水量较弱贫乏；基岩裂隙水主要赋存于库区内基岩风化裂隙中，由于岩石风化作用较发育，基岩裂隙发育不均一，地下水一般呈网状分布，埋藏较深，主要接受大气降水和地表水补给，因裂隙连通性较差，地下水的径流条件一般，含弱基岩裂隙水，透水性较弱中等，水量贫乏。根据岳阳市历史地震资料统计，从10451918年间，先后发生16次有感地震，其中1556年发生过5.5级地震。1972年1月9日，鹿角发生2.8级地震，同年5月5日，在营田发生1.6级地震。枢纽工程区内晚近期新构造运动以缓慢间歇性上升掀斜运动为主，尽管区内新构造运动较发育，但不具备孕育大地震的构造条件，为较稳定洞庭凹陷边缘，仍属相对稳定区。根据国家质量技术监督局2001年发布的中国地震动参数区划图（GB18306-2001），枢纽工程区地震动峰值加速度为0.05g，地震动反应谱特征周期为0.35s。相应于中国地震烈度区划图（1990年版）（1：400万）地震基本烈度为度区，设计地震分组为第一组。根据水工建筑物抗震设计规范（DL50732000）有关规定，该坝不需作抗震安全复核分析计算。3.2 坝址工程地质、水文地质条件3.2.1 地形地貌工程区地处新华夏系第二沉降带中部，西面为洞庭湖断陷盆地，东南侧为NNE向岳阳湘阴断裂带。地貌属构造剥蚀“红岩”低丘岗地地貌单元。库周为连绵不断的丘陵、岗地，海拔高程在60.080.0m之间，水库大坝处在低丘谷地，地貌大致呈狭长“V”字型。库区植被良好，草木茂盛。大坝下游为人民居住、生产、耕作及养殖地。2.2地层岩性经现场勘察及钻探揭露，坝址区出露地层主要为下第三系古新统（E12），岩性为褐红色砂岩，其次为第四系人工堆积层，现将岩性自新至老分述如下：人工堆积土层(Qs)：为大坝人工堆积层，褐红色,稍密,稍湿,以残破积物为主要成分,含石英砂砾,约5-25%,粒径1-3mm。层厚2.710.0 m。下第三系古新统（E12）：岩性为褐红色砂岩，泥砂质结构、中厚层状构造，钙泥质胶结，岩石节理裂不发育，岩石抗风化性差，风化作用较发育，岩性较软。根据岩石风化程度不同，可分为以下二个工程地质层：强风化砂岩：褐红色,原岩结构基本破坏,岩石风化作用强烈,节理裂隙发育,岩石破碎,半岩半土状，质量等级级，层厚4.65.2m。弱风化砂岩：褐红色,泥砂质结构,中厚层状构造,钙泥质胶结,岩石节理裂隙较发育,岩石结构破碎-较完整,岩芯多呈碎块状或短柱状,岩质较软，岩石质量等级为类，揭露层厚5.25.6m（该层未揭穿）。以上各地层的分布规律及岩性特征详见工程地质断面图及钻孔柱状图。3.2.2 地质构造根据工程地质调查，枢纽区处于北北东向新华夏系巨型第二沉降带的次一级隆起带湘阴汨罗断陷盆地内，桃林压扭性断裂的东北侧。未见有大的近期区域性活动断裂构造出现，勘察钻孔内亦未见断层破碎带、断层擦痕、断层角砾等断裂构造痕迹。岩体结构较完整，分布较稳定。据工程地质调查，水库区构造较为简单，无区域性断层切割。坝区裂隙以风化裂隙为主，除地表因风化作用不均匀有泥质充填外，其余多呈半张开微闭合状态，由于裂隙相互切割贯通，破坏了岩体整体结构的完整性，透水性弱较强，致使坝基局部漏水严重，但对场地大坝结构稳定性影响不大。3.2.3 水文地质条件坝址区属中亚热带向北亚热带过渡的季风气候区，四季分明，湿润多雨,具有春温变幅大，初夏雨水多，伏秋天热易旱，冬季严寒不多的特点。冬季多为西伯利亚干冷气团控制，气候干燥寒冷；夏季为低纬海洋暖湿气团所盘据，温高湿重。夏季之交，流域正处在冷暖气流交汇的过渡地带，形成阴湿多雨的梅雨天气。4月6月为主汛期，大洪水主要集中在5月7月。根据岳阳气象站19532001年观测的气象站资料统计，多年平均气温为16.9，历年日平均最高气温为29.2，历年日平均最低气温为4.2，极端最高气温为39.3，极端最低气温-11.8；多年平均降水量1390.0mm；多年平均蒸发量为1270.6mm；历年最大风速28m/s，历年最大平均风速14.0m/s。区内地表水系较发育，主要为水库、池塘及溪沟等，地表水以面流方式汇入库区。在勘探深度范围内，坝址区内地下水类型主要有第四系孔隙潜水、基岩裂隙水两种类型。（1）第四系孔隙潜水：主要赋存于大坝填筑土层中，接受大气降水及库区地表水的补给，高库水位时向外坡排泄，低库水位时向内、外坡排泄。（2）基岩裂隙水：主要赋存于库区内基岩风化裂隙带中，接受库水及大气降水的补给，河流或冲沟为排泄区，其补排关系为地下水补给河水。因场地岩石风化深度较大，节理裂隙较发育，裂隙多呈半张开微闭合状态，且多为泥质充填，裂隙连通性较差，地下水循环交替迟缓，径流条件一般较差，含弱基岩裂隙水，以岩层层面、裂隙面为渗流通道，主要以线状流或泉流形式分散排泄于沟谷或河流。该层为相对隔水层，其水量较弱。勘察查明，坝址场地为直接临水的湿润区，综合判定场地环境类别为类。根据库区原有水质分析资料可知，地下水化学类型属HCO3-Ca2+SO42-型，按水利水电工程地质勘察规范（GB5028799)有关水质评价标准判定：该水质在强透水性地层中对砼结构具弱腐蚀性，在弱透水性地层中对砼结构具微腐蚀性。3.2.4 物理地质现象据工程地质调查，坝址区上部第四系覆盖层较薄，岩石风化作用较发育，节理裂隙多呈半张开微闭合状。坝址区存在对大坝安全潜在影响的物理地质现象，主要表现为：大坝上游护坡年久失修，局部损毁，下游坝坡草皮护坡，外坡为草皮护坡，坡面较陡，较规整，大坝下游无排水棱体，导致浸润线过高、影响大坝的安全，坝基清基不彻底，坝体与坝基接触部位存在渗漏现象，渗透水浑浊，现分述如下： 大坝上游坝坡混凝土护坡，年久失修，破损严重，下游坝坡草皮护砌，杂草丛生，坝坡局部塌陷、凹凸不平，被水冲刷严重；坝体填筑质量差，碾压不实,坝基清基不彻底，坝体及坝基多处渗漏。坝脚处无排水设施，坝外坡脚渗流溢出点高，影响了大坝稳定性，危及了大坝安全。大坝下游坝趾均未设堆石排水棱体，坝脚软化，导致浸润线过高，大部分范围渗水，危及了大坝安全。大坝坝基局部清基不彻底，坝体底部残留少量松散堆积物，在地下水长期浸泡作用下，呈可软塑状，造成坝体稳定性降低，且坝基与坝体接合程度较差，存在较严重接触渗漏现象且渗透水浑浊。以上物理地质现象严重影响了大坝的稳定性，已危及大坝安全。3.3 大坝坝体填筑土结构特征及质量评价3.3.1 大坝坝体结构特征大坝为均质土坝，坝高10.0m，坝顶高程80.0m，坝顶宽4.5m，长180.0m。上游坝坡为一级坡，坡比为1：1.67，下游坝坡为一级坡，坡比为1：1.69。上游坝坡混凝土护坡，年久失修，破损严重，下游坝坡未护砌，杂草丛生，坝坡局部塌陷、凹凸不平，被水冲刷严重；坝体填筑质量差，碾压不实,坝基清基不彻底，坝体及坝基多处渗漏。坝脚处无排水设施，设有片石堆砌的挡墙，坝外坡脚渗流溢出点高。3.3.2 大坝坝体施工质量评价一家人水库枢纽工程于1964年竣工蓄水运行后，水库基本能按照水库大坝的调度规程合理调度运用，充分发挥了拦洪削峰蓄水作用，缓解了下游防洪压力，较好地解决了灌溉、防洪问题，社会效益较显著。但由于水库建设阶段所处历史环境，施工以群众运动为主，采用土法上马，前期准备工作严重不足，施工仓促，工程设计标准低，资金投入严重不足。大坝填筑时未对坝基进行防渗处理。岸坡清基时只清除了表层冲洪积土和植物根系，表层仍有较多的碎石或碎石夹粘土未清除，也未设防渗齿墙。坝身填筑土的质量不一致，土料为含砂砾低液限粘土，人工填筑不均匀，不密实。大坝施工质量没有达到国家现行规范要求。枢纽工程险情的经常发生已严重威胁到大坝的运行安全。不仅使工程的正常效益得不到充分发挥，而且也严重威胁着下游人民的生命财产的安全。由以上大坝建设过程可知，由于当时施工采用民工大兵团施工，坝体填筑质量差，加上当时的技术条件差，使坝身填土与坝基、两岸山坡基岩结合不紧密，土层填筑厚度和接触面填土料质量很难控制，并且回填夯压时不太密实，接头搭接夯压不到位，导致目前沿坝基、绕坝肩及坝身渗漏严重，为运行后坝体渗漏留下了病弊。3.3.3 大坝坝体填筑土质量评价3.4.3.1大坝分区根据钻探岩芯编录、室内土工试验及大坝施工记录、施工建筑材料，结合坝址工程地质条件，大坝坝体可划分1个区，即：区：为大坝填筑区，褐红色,稍密,稍湿,以残破积物为主要成分,含石英砂砾,约5-25%,粒径1-3mm。层厚2.710.0m。物理力学性质一般较差，局部地段渗水严重，防渗性能差，钻探时渗水明显，根据野外注水试验可知渗透系数平均值K=7.4810-4，属中等透水。3.4.3.2大坝填筑土物理力学性质为查清坝体填筑质量，本次勘察采用了钻探取样、现场原位测试及室内试验等多种手段，对坝体填筑土层的物理力学性质进行综合评价。1）土工试验结果分析本次勘察对水库大坝坝体采取原状土样6组，分别进行室内常规土工试验及渗透变形试验，其中抗剪试验分别为固结快剪与慢剪，分别获得常规物理力学指标6组，固结快剪6组，慢剪6组；其试验结果详见附表5所示，根据试验资料，按规范要求进行岩土物理力学指标统计结果如插表2所示。由插表2中统计结果可知：大坝填筑土（区）土体天然含水量平均值为23.68%，天然密度平均值为1.95g/cm3，干密度平均值为1.577g/cm3，饱和密度平均值为1.99g/cm3，孔隙比平均值为0.724，压缩系数平均值为0.187，具中等压缩性，上述指标变异性较低，说明填筑土体物理力学指标基本均匀；说明土体结构不甚紧密，力学状态不均匀，并以呈可塑状为主；渗透系数在水平方向和垂直方向变异性较大，水平渗透系数大值平均值为kx=6.4910-4cm/s，垂直渗透系数大值平均值为ky=5.0310-4cm/s，为中等透水，说明其渗透性均匀性较差。总的来说，大坝填筑区填筑质量不甚均匀，质量一般较差。2）现场原位试验结果分析标准贯入试验本次勘察对大坝填筑土分别进行了现场标准贯入试验，以确定大坝填筑土体质量，其试验结果如附表2所示，统计结果如表2所示。由表2中统计结果可知：大坝填筑区标准贯入试验实测击数810击，平均值为9.0击，修正击数平均值为8.67击，表明以可塑状为主，其变异性中等，说明大坝填筑区土体不甚均匀，结构不紧密，呈稍密状为主，局部中密状，力学性质一般，局部地段较差。现场注水试验为了解大坝渗透性能，对大坝填筑土层进行了现场注水试验，其试验结果如附图3-8及附表4-1所示，统计结果如表2所示。由表2中统计结果可知：大坝填筑区渗透系数变异性较大，表明大坝填筑区土体透水性不均匀，结构不甚均匀、不紧密，渗透系数大值平均值为k=8.3710-4cm/s，渗透等级为中等透水，其中各钻孔在坝体中渗透系数均为10-4级，且相对较大，具中等透水性，表明与大坝外坡渗漏区具有一定对应关系；另外在坝体底部与坝基接触面，渗透系数亦为10-4级，具中等透水性，表明坝体接触带同样有较严重渗漏现象。3.4.3.3 大坝填筑土质量综合评价根据大坝运行管理及现场调查可知，大坝外坡坝体浸漏主要表现为：大坝坝体局部存在较严重渗漏现象，坝体与山体接触部位存在较严重渗漏，当库水位增高时，漏水量增大，并有湿润面出现，随着库水位升，湿润面不断扩大，有明显渗水析出。根据钻探和施工记录，坝体填筑土体不均一，坝体填筑土料来自于附近山坡的残坡积物，稍密，稍湿潮湿，局部含粗砂，粗砂含量一般为1530%，粗砂成分多为石英。呈软-可塑状。加之碾压质量不高，夯压不密实，填筑质量较差，结构不均匀，是造成大坝外坡坝体浸漏的主要原因。从评价大坝填筑质量两个指标干密度和含水量看，由土工试验统计结果知（如插表2示）：当大坝处于低库水位期间，土粒干密度为1.58g/cm3，为稍密土范畴，含水量平均值为23.68%，处于稍湿状态。由于填筑土具有中等压缩性以及渗透不均匀性，说明坝体防渗性能较差。加之碾压质量不高，造成坝体渗漏量局部较大，渗透不均匀，坝体内浸润线抬高，使得外坡出现不同程度浸漏等现象。由钻探施工情况可知，钻进过程中，局部地段无回水，说明坝体渗漏较为明显（渗透性详见附图：3-1）。综上所述，大坝填筑区渗漏较为严重，其渗透等级为中等透水。大坝下游坡脚无块石排水棱体，中下部漏水较大，导致浸润线过高、影响大坝的安全。3.3.4 大坝坝基（肩）工程地质条件评价3.4.4.1大坝坝基（肩）工程地质条件概况经现场勘察及钻探揭露，坝基持力层为下第三系古新统砂岩砂岩，岩性为褐红色砂岩，上部强风化层，风化较强烈，岩石节理裂隙较发育，多呈张开半张开状，力学性能一般，透水率平均值为q=14.57Lu，透水性能中等。下部为弱风化层，岩石较完整，裂隙不发育，力学性能较好，压水试验表明强风化岩石透水性中等，下部弱风化岩石透水率平均值为q=7.35Lu，为弱透水区。3.4.4.2大坝坝基（肩）现状及处理情况一家人水库工程建设由于受技术的限制，施工质量控制不严，不少施工环节未达到设计要求。根据当年现场施工人员回忆，施工技术力量欠缺，管理工作不规范，施工质量控制不严，不少施工环节未达到设计要求。大坝土料填筑不均匀，坝体分层填筑时松紧不一致，分层填土上部密实，下部疏松，形成水平渗水带；分段进行填筑时，上升速度不一致，相邻两段结合部分可能出现少压或漏压现象，导致大坝散浸严重；土坝与山坡结合部分的坡面过陡，清基不彻底，又未设防渗墙，形成接触渗漏。3.4.4.3大坝坝基分区根据钻探岩芯编录及大坝施工记录，结合坝基工程地质条件，坝基可分为1个区（详见附图312）：即II区：为基岩（砂岩）区，坝基岩石风化作用较发育，钻探表明为强弱风化层，岩性较软，其中强风化层透水性较好，现场压水试验结果表明：上部基岩（强风化），层厚4.65.2m，岩体透水率q=13.9015.60Lu之间，平均值q=13.25Lu，属中等透水区，下部基岩（弱风化）岩体，揭露层厚5.25.5m，透水率q=5.907.90Lu之间，平均值q=7.35Lu，属弱透水区，为相对不透水层。3.4.4.4大坝坝基岩土物理力学性质地质勘察表明：大坝直接座落于下第三系古新统砂岩上，岩性为强风化砂岩。坝基下伏岩层为下第三系古新统砂岩，据钻孔揭露，上部为强风化层，上部岩石破碎，钻探岩芯多呈半岩半土状、碎块状，并有泥质充填，他们之间连接性极差，渗漏明显，钻探过程中局部地段漏水。下部为弱风化岩体，岩石结构稍完整，岩芯多呈短柱状或柱状，裂隙欠发育，透水性较弱。根据钻孔基岩压水试验，上部岩体透水率q=13.9015.60Lu之间，平均值q=14.57Lu，属中等透水区，下部岩体透水率q=5.907.90Lu之间，平均值q=7.35Lu，属弱透水区，为相对不透水层。以上表明，坝基强风化上部岩层为坝基及两岸坝肩渗漏的主要通道。3.4.4.5大坝坝基（肩）主要工程地质问题评价1）坝体与坝基接触带渗漏问题评价根据大坝运行管理及现场调查,并结合钻探资料可知，坝体与基岩接触带渗漏主要表现为：大坝左肩、右肩接触带渗漏；大坝坝体与坝基接触带渗漏。根据钻探资料、土工试验资料和现场原位试验统计分析结果，大坝坝体填筑区填筑材料不均匀，主要成分为局部含粗砂的残破积土，较混杂，形成架空现象，为大坝接触渗漏提供了通道。同时大坝施工过程中，坝体与坝基接头搭接夯压不到位，夯压不密实，结构不均匀，大坝坝基在两岸山坡及河床部位均未清基干净，大坝直接座落于强风化砂岩层上，局部残留腐殖质或岩石碎屑，结构构散，坝基下伏基岩节理裂隙较发育，左、右坝肩岩石裂隙亦发育，且基础未作任何特殊处理，为大坝接触渗漏提供了有利条件，从而导致了坝体与坝基、两岸坝肩接触带渗漏严重。2）坝基及绕坝渗漏问题评价现场工程地质调查表明：大坝基础局部渗漏，随着库水位上升，渗漏也逐渐增大，渗漏现象更趋恶化。勘察资料表明：水库坝址基础为砂岩层，强风化砂岩为中等透水层。坝基为下第三系古新统砂岩，根据钻探编录及现场压水试验可知：坝基在建基面以下26m左右岩石破碎，地下水活动痕迹较明显，透水率均大于10lu，为中等透水区带，坝基在建基面大于6m以下岩石结构相对较为完整，节理裂隙局部发育，地下水活动痕迹不明显，透水率均小于10lu，为弱透水区，在库水压力长期作用下，地下水仍与坝基基岩相互贯通，造成坝基局部渗漏严重。3.4 大坝岩土物理力学参数建议值根据现场工程地质调查与试验、岩土实验室测试结果以及类似工程的勘测经验综合分析，提出大坝坝体各分区岩土层主要物理力学参数推荐值如表3。 大坝各分区岩土体物理力学指标推荐值表 表3指标分区天然含水量(%)天然密度(g/cm3)干密度(g/cm3)饱 和密 度(g/cm3)凝聚力C(kpa)内摩擦角（）渗透系数k(10-4cm/s)备注固结快剪慢剪固结快剪慢剪kxky25.431.961.5932.0032.025.317.3322.06.495.03大坝填筑区强风化密度r=2.25g/cm3 岩体/岩体： 抗剪f=0.40基岩区弱风化密度r=2.45/cm3 岩体/岩体：抗剪f=0.45基岩区3.5 溢洪道工程地质条件评价溢洪道位于大坝左侧山体，溢洪道结构形式为宽浅开敞式堰型，堰顶高程