安全评估--地勘报告

1 前言1.1 工程概况仙岭水库是一座以灌溉为主，兼顾发电、养殖的中型水利工程。枢纽工程位于郴州市南郊12km处，坝址座落于市郊乡和小溪乡交界处的仙岭坳下。水库控制流域面积13km2，大坝为粘土斜墙土石坝，坝高28m，总库容1324104m3，灌溉面积16676亩，电站装机250kw，年发电33.3104kwh。1966年郴州地委、市委为解决郴州郊区水利问题，决定兴建仙岭水库，并指示地、市水电局负责规划、设计，同年7月由市领导带队，地、市水电局工程技术人员组成设计组，进行边勘测、边设计、边施工。于同年10月正式动工，组织6800民工，进行大规模人海战术的施工方法，开工3个月后，因历史原因，工程停止施工，大坝停在17m高度上。以后于1968、1970年分几次间断施工才使大坝完工，1970年关闸蓄水。1.2 运行状况由于该坝采用大规模人海战术的施工方法，施工过程中缺乏有效的施工设备，尤其是碾压设备，靠人工打夯和碾滚来压密坝体，以致填筑质量难以控制，夯压不实，再加上分几次施工，存在多次施工的结合面，施工质量较差。根据仙岭水库大坝运行报告，该坝存在如下几方面的问题：1）坝体沉陷明显，坝面开裂。根据大坝变形观测，大坝累计最大垂直沉陷量为71mm，累计最大水平位移量为25mm；同时，在大坝外坡三级平台以上出现一条长15m，宽35mm的裂缝，坝体存在稳定问题。2）坝身、坝基渗漏问题。因粘土斜墙施工质量差，夯压不密，隔水性较差，尤其是与坝基接触面附近隔水性差，存在坝身渗漏问题；坝基清基不彻底，对坝基未作防渗处理，坝基强风化带岩石断层、裂隙发育，存在强透水层，因此，存在坝身、坝基渗漏问题。根据历年大坝渗漏流量观测资料，在库水位251.5m时，大坝渗漏量已由1994年以前的2.5l/s，增加到目前的14.3l/s，其渗漏量有明显增大的趋势。3）坝肩绕坝渗漏问题。目前，大坝外坡右侧出现散浸和集中漏水点，集中渗漏点渗漏量为23l/s，散浸面积为5.5m2，坝肩绕坝渗漏较严重。1.3 勘测工作简述本次工作，受郴州市北湖区水电局委托，我院承担该坝安全评估的地质勘察工作，其主要任务是：查明坝体、坝基的工程地质、水文地质条件和存在的工程地质问题。为大坝安全评估设计提供有关的地质参数。野外工作于2001年11月12月完成，采用的勘测手段为地质调查、地质测绘、钻探、野外和室内试验。完成的主要工作量如表1。2 坝址工程地质条件2.1 地形地貌水库区位于南岭山系骑田岭北缘丘陵区，地貌上多属岩溶地貌，岩溶洼地、孤丘发育，山岭呈脊状，地面高程一般小于500m，相对高差50150m。区内溪沟发育，其发育的主方向呈NNE走向，地形较陡，山坡坡角2040。河流属湘江水系、耒水支流郴江的支流，因已近源头，河床较窄，纵向坡比较大，河水陡涨陡落，山区河流的特点明显。坝址两岸山顶高程270300m，河床高程为227m，地形较陡，山坡坡角3045。大坝拦截的河流属郴江支流的源头，流量较小，河床较窄，纵坡较陡，具有山区河流的特点。两岸发育级阶地，阶面高于河床1.52.0m，较平坦，阶地宽一般1530m。2.2 地层岩性库坝区及周边出露的地层为上古生界石炭系和二迭系。其中石炭系和二迭系下统均为碳酸盐岩，岩性主要为灰岩、白云质灰岩、白云岩，岩性坚硬，岩溶发育；二迭系上统为砂岩、石英砂岩、页岩、砂质页岩夹炭质页岩，在本区零星分布，是构成坝基的主要隔水层。坝址区出露的基岩为二叠系上统斗岭组（P2dl）砂岩、石英砂岩与页岩、砂质页岩夹炭质页岩和二叠系下统（P1）灰岩、白云质灰岩。其中P2dl砂岩、石英砂岩岩性坚硬，节理裂隙发育，页岩、炭质页岩岩性软弱，易碎，钻进中容易塌孔；P1灰岩、白云质灰岩坝址区地表无露头，仅在ZK5钻孔和水库管理局生活水井中见到，岩性较坚硬，岩溶较发育，含承压水。第四系为残坡积堆积（Qedl）和冲积堆积（Q4al）。残坡积堆积（Qedl）为含碎石粘土、壤土，可塑状态，碎石含量10%15%，直径0.55cm，厚216m，坝址区均有分布；冲积堆积（Q4al）分布于河床及级阶地，级阶地具二元结构，上部浅黄色含砾粘土，可塑状，砾石含量约5%10%，厚2.02.5m，下部为砂砾石，中密，厚0.30.5m。2.3 地质构造在区域构造上，本区位于桂阳临武南北向构造带东侧，构造形迹以NNE向为主，受骑田岭花岗岩体侵入挤压的影响，褶皱、断层方向多发生向东的偏转(见构造纲要图)。与工程区有关的主要构造为：仙岭向斜，轴向N2050E，两翼倾角5070，核部地层为二迭系上统斗岭组（P2dl）砂页岩，出露于坝址；龙广洞断层，延伸长约30km，南段走向N20E，北段偏转至N5070E，倾向SE，倾角80，在坝址的下游通过；小溪断层，近南北走向，断层顺河流发育，从坝址通过，该断层在坝址下游被龙广洞断层错段，断层破碎带宽23m，充填角砾岩和断层泥，是构成坝基渗漏的主要通道。由于水库区无活动性断层通过，属相对稳定地块。根据中国地震局1990年版1/400万中国地震基本烈度区划图，本区地震基本烈度为度区。坝址区位于仙岭向斜的NW翼，岩层单斜，岩层产状变化较大，为N4070E，SE5070，局部见次级小褶皱，如进坝公路附近，见一背斜，产状由N50E，SE52，变为N70W，NE30。顺河向区域性断层小溪断层通过坝基，坝址区该断层走向近南北，倾向西，倾角7080，破碎带宽约2m，为角砾岩、断层泥充填，断层断距较大，在坝址下游侧将二迭系下统（P1）灰黑色灰岩、白云质灰岩错断后向上抬升，ZK5钻孔遇到该断层，断层破碎带风化后呈砂质粘土状，该断层导水性较好，含承压水，是坝基的渗漏通道。坝址区主要发育两组节理。产状N1020E，SE或NW5575,节理较发育，延伸长310m，面平直，一般闭合微张，密度0.51.0条/m，右岸沿该组节理卸荷张开，形成卸荷裂隙带，岩体卸荷后，岩石透水张开，透水性好，是导致坝肩渗漏的主要岩体；产状N5065W，NE或SW6585,节理较发育，延伸长13m，面起伏，一般张开13mm，多有泥质成分充填，密度0.31.0条/m。2.4 水文地质条件区域上地下水类型主要为碳酸盐岩岩溶水和基岩裂隙水。岩溶水分布于可溶岩地区，大气降水补给，排泄于河床或直接以泉水出露，地下水位埋藏一般较深，水量丰富；基岩裂隙水多分布于砂、页岩地区，地下水位埋藏较深，水量贫乏。此外，工程区沿断层发育深部热水，如坝址下游500800m范围内，沿小溪断层有热水出露，农田附近露头的热水，水温为2530，郴州市某公司打有一热水井，水温达到3540，地下热水具有承压性。坝址区地下水类型主要为第四系孔隙潜水、基岩裂隙水和断层构造带承压水。第四系孔隙潜水分布于残坡积层和冲积层中，大气降水补给，排泄于河床，水量中等贫乏，地下水位埋深1.55.0m；基岩裂隙水分布于P2dl砂页岩中，大气降水或库水补给，排泄于河床，水量中等，地下水位埋深25m；断层构造带承压水分布于F1断层带及附近地层中，上部隔水层为第四系残坡积层和冲积层，水量丰富，承压水位237.2237.7m，地下水位高于河床1.52.0m，如水库管理所生活水井，井口高于地面0.5m，井水仍能自溢，水井流量与库水位具有明显的相关性，即库水位增高，水井流量明显增大。沿断层带岩石导水性好，是坝基渗漏的主要通道。第四系冲积层上部含砾粘土属微弱透水层，透水性较差，渗透系数k=210-5510-5cm/s；下部砂砾石层，含粘土，属弱透水层，透水性较好，渗透系数k=510-4510-3cm/s；第四系残坡积含碎石粉质粘土，属微弱透水层，透水性较差，渗透系数k=510-5cm/s；P2dl砂页岩强风化带和弱风化带上部裂隙、卸荷带岩体属较严重透水带，压水试验q=10.252.6Lu，坝基埋深1420m，该带右岸坝肩上部强风化岩体为反向坡，沿走向N1020节理发育卸荷裂隙带，裂隙张开，岩体透水性强，钻孔注水试验渗透系数达9.0510-3cm/s；中等透水带位于坝基弱风化带内，坝基以下埋深1925m，压水试验q=510Lu；以下为微透水带，压水试验q5Lu，可作为本工程的防渗下限；断层破碎带透水性较好，属较严重透水带。2.5 坝基岩石风化特征坝基岩石为P2dl砂岩、石英砂岩、页岩、砂质页岩夹炭质页岩，岩性软硬相间，其中砂岩、石英砂岩岩性坚硬，抗风化能力强，风化带凸起；页岩、砂质页岩和炭质页岩，岩性软弱，抗风化能力弱，风化带凹进。由于坝基岩石风化随岩性变化，因此，强风化带下限线起伏较大，坝基以下埋深为312m，但断层带及其附近岩体埋深增大到2025m。3 大坝基础开挖与处理3.1 斜墙由于大坝属边勘测、边设计、边施工的工程，再加上施工时采用人海战术，缺乏有效的开挖和碾压设备，清基工作马虎，斜墙除河床部位设有齿槽外，两岸及其余坝为均未设齿槽，仅清除表面覆盖层，强风化带强透水的裂隙岩体均未清除，亦未对坝基基岩作任何处理。3.2 坝壳坝壳部位，坝基沿坝轴线设有深23m的齿槽，齿槽部位清楚了覆盖层，其余部位清基深度为0.50.8m，仅清除了地表根植层，对坝基、坝肩未作任何处理。4 岩土分区和坝体填筑质量及评价4.1 坝体形态与坝址岩土分区1）坝体形态大坝为斜墙坝，斜墙位于坝体上游侧，坝高28m，坝顶高程255.98m，顶宽5m。大坝内、外坡各设有三级平台。内坡高程由下至上分别为240.97、244.72和250.22m，坡比分别为1:3.5、1:3.5、1:3.0和1:2.55；外坡高程由下至上分别为236.46、239.83和248.56m，坡比分别为1:2.11（压载体）、1:2.13、1:2.27和1:1.77；其中反滤体平台埋于坝后堆石体之下。溢洪道位于左岸，引水涵和灌溉渠道位于右岸。2）坝址岩土分区根据坝址岩土体的成因类型和岩土结构，将坝址岩土体分为8个区：区：为坝壳区，系人工填土，以砾质粉质粘土为主，夹砾质粘土和砾质壤土；区：斜墙区，人工填土，为黄红色粘土，可塑状，结构松散；区：坝顶区，为人工填土，上部为坝顶公路路面混凝土，下部为干砌石，厚22.5m；区：基岩区，主要为砂岩、石英砂岩与页岩、砂质页岩夹炭质页岩；区：反滤体，人工填土，为砂、砂砾石等；区：坝后堆石区，为干砌石；区：冲积层，上部为黄色含砾粘土，下部为砂砾石；区：残坡积层，为含碎石粘土、壤土。4.2 斜墙斜墙（区）填土为黄红色粘土，呈可塑状态，由于填筑过程中夯压欠密，土层结构较松散，取原状样进行室内试验，土的干密度偏低（rd=1.181.25g/cm3），孔隙比大（e=1.21.3）。室内渗透试验和现场注水试验，土的渗透系数分别为5.2510-5cm/s2.0510-4cm/s，属微弱弱透水性。根据施工质量和大坝运行报告，斜墙与坝基接触带由于采用人海战术施工，施工过程中缺乏有效的碾压设备，接触带地面起伏，一些地段靠人工打夯来压密填土，质量难以保证，以致土层松散，透水性好，渗漏较较严重。从坝基渗漏量观测亦表明（见表4.2），在库水位251.5m时，由1994年以前的2.5l/s，增加到2001年的14.3l/s，渗漏量明显呈上升趋势，因此，斜墙存在渗漏问题l/s，。4.3 坝壳坝壳（区）填土以砾(碎、块石)质粉质粘土为主，夹砾质粘土和砾质壤土，填土中含较多的的块石，土层主要取自P2dl砂页岩区的残坡积层和全强风化岩石，碎石直径一般为0.56cm，最大可达0.4m，母岩岩性为砂岩、石英砂岩与页岩。由于大坝填筑为人海战术的施工方式，又多次停工，坝体夯压欠密，填筑质量较差，尤其是坝体内在、高程存在三个结合面，其施工质量差，原状土样室内试验：土的干密度为rd=1.51g/cm3，孔隙比为e=0.83，该部位坝体变形较大，坝体外坡三级平台（高程248.56m）附近，坡度较陡，坡比达1:1.77，坝体沉陷较大，坝坡开裂。因此，存在坝体抗滑稳定问题，设计上需校核其稳定性。根据现场钻孔注水试验（见表4.3），坝壳渗透系数一般为k=2.310-4 1.310-3 cm/s，坝壳透水性较好，但河床左侧及左岸岸坡下部坝体厚28m的范围渗透系数偏小，k2.010-4cm/s。4.4 排水棱体排水棱体（区）为砂、砂砾石填筑，从地下水位观测所反映的情况来看，棱体附近地下水位高，反滤体透水性不好，导渗效果较差，需要进行处理。5 主要工程地质问题评价5.1 坝基渗漏1）沿坝基强风化裂隙岩体的渗漏钻孔压水试验统计（见表5.1）表明，坝基岩石由于节理、裂隙发育，强风化带裂隙岩体和弱风化带上部岩体透水率q=10.252.6Lu，属较严重透水带，坝基以下埋深1420m。因此，沿该带存在坝基渗漏问题。2） 沿断层带的渗漏坝基F1（小溪）断层，规模较大，破碎带宽23，为角砾岩、断层泥充填，延伸至库内，沿断层地下水具承压性。从水库管理所生活水井的观测表明，它与库水位具有相关性，说明断层受库水补给，而断层导水性较好。因此，坝基存在沿断层的渗漏问题。5.2 坝肩绕坝渗漏右岸岸坡坝肩岩层为反向坡，岩石为砂岩、石英砂岩夹页岩、砂质页岩，受风化和节理及卸荷裂隙切割的影响，岩体中裂隙张开，充填物少，连通性好，施工时又未清除卸荷带，岩石透水性好。钻孔（ZK3）压水试验q=2255lu，顶部卸荷带渗透系数k=9.0510-3cm/s，为较强透水带，由于目前右岸坝体外坡出现集中漏水点和散浸区。因此，右岸坝肩存在绕坝渗漏问题。 另外，坝址右岸溢洪道，堰顶下部岩石为强风化岩体，属较严重透水带，存在堰基渗漏问题。5.3 坝基振动液化问题因本区地震基本烈度为度区，坝基覆盖层为为砾质粘土、砾质粉质粘土和砂砾石层，无可液化的砂基存在，因此，本工程坝基土层振动液化的可能性小。6 坝址岩（土）体物理力学参数6.1 坝体物理力学参数本阶段在坝体中取土样17组，其中坝壳区取样15组，斜墙区取样2组进行室内土工试验，主要试验成果见表6.2.1-1；现场钻孔注水试验11次，试坑注水试验1次，标贯13次。由于坝壳为砾质土，角砾含量高，土的粘性较差，取样比较困难，因而，在取样过程中，有人为压密扰动的特征，因而，其实内试验成果的孔隙比、剪切强度参数会稍偏大，而渗透系数则会偏小。根据室内和现场试验，并考虑到取样扰动的因素，结合其他工程和经验类比，本工程坝体物理力学参数推荐值见表6.2.1-2。6.2 坝基岩石物理力学指标由于斜墙和坝轴线齿槽已嵌入到基岩中，非齿槽部位，坝基多有第四系残坡积层和冲积层存在，对于土坝而言，应力较小，因此，坝基土体强度均能满足设计要求，存在的问题主要是坝基渗漏与渗透变形问题。由于斜墙齿槽已嵌入到基岩，因而，控制坝基渗漏和渗透变形的主要是坝基接触带、坝基强风化带和弱风化带上部岩体和F1断层。本阶段在基岩中做压水试验20段，接触带注水试验5段。根据现场试验和工程类比，本工程坝基岩体物理力学参数推荐值见表6.2.