水库建设-工程地质与工程质量

PAGE27- 3工程地质与工程质量3.1坝址区工程地质条件及水文地质条件3.1.1地形地貌坝址右岸为构造侵蚀中低山丘陵地形，于134m高程左右为管塘梅水库的引水渠，120～134m高程山坡坡度为22°，134m高程以上山坡坡度为38°左右。左岸为岩溶地貌，特别是溢洪道一带，形态上以溶丘洼地为主，左岸山顶高程为145m左右。3.1.2地层岩性坝址主要分布地层为第四系全新统松散堆积物及二迭系上统石灰岩，分别叙述如下：(1)第四系全新统松散堆积层，区内广泛分布：全新统残坡积层(Q4el-pl)，主要分布于山顶、山坡部位，岩性主要为粘土，含有大量的石灰岩碎块、碎屑，粒径2～5cm，棱角状，碎石含量至基岩面附近更为集中，一般含量在30～40%左右，左岸坝肩厚1.9m，右岸坝肩厚达8.5m。全新统冲积层(Q4al-pll)，主要分布于河滩部位，灰～灰黄色，主要为壤土夹较多的灰岩碎屑，局部含有粗砂，岩质软弱，取心较为困难。其中zk5孔与基岩接触面为灰黑色，见有烂木屑，该层层厚3.7～3.9m，层底高程110.94～111.53m。洞穴堆积，主要见于zk2、zk3孔的岩溶洞穴中，多为灰黄色砂状、灰岩碎屑及粘土等，土层松软，自动钻进，层厚0.5～1.8m。(2)二迭系上统茅口阶石灰岩(p1m)，分布于坝区及库内，青灰色，岩质坚硬，岩心多呈长柱状，中～厚层状，左岸地表基岩多见溶孔，呈蜂窝状，该层岩溶较为发育。本次勘探时于zk2、zk3孔见有多层小溶洞。其中zk2孔的基岩面高程为111.02m，于108.12～109.92m、106.12～107.12m、104.32～105.22m高程见有三层溶洞，最大洞深为1.8m，多为泥质充填，自动钻进，该孔的线岩溶率高达52.8%；zk3孔的基岩面高程为134.13m，于127.64～128.14m、126.74～127.14m、125.54～126.34m、124.14～124.84m、121.94～122.44m高程见有五层小溶洞，多为泥质充填，该孔的线岩溶率为23.6%。3.1.3地质构造及地震烈度区内位于雪峰山-九岭山-天目山巨大隆起带的中部，区内的构造主体主要为一系列北东-南西的褶皱、挤压性和压扭性断裂组成，属于华夏构造体系。坝址区的岩层产状为NE70°/SE∠20°，主要发育的裂隙有2组：(1)NE20°/SE∠70°，张裂隙，延伸长，多被石灰岩碎屑块充填。(2)NE30°/SW∠40°，张裂隙根据《中国地震动参数区划图》(GB18306-2001)的界定，本区地震动峰值加速度小于0.05g，区域稳定。.3.1.4水文地质条件(1)地下水的类型坝址区地下水的类型较复杂，主要为第四系松散岩层孔隙潜水、基岩裂隙水及岩溶水。孔隙潜水主要赋存于冲积层中，水量较丰富且大坝坝基覆盖层主要为粘土及壤土层，粘土层主要分布于两岸坝肩，左右两岸厚度分别为1.9m、8.5m；壤土层主要分布于坝基老河床部位，层厚3.7-3.9m，层底高程110.94-111.53m。沿老河床断面连续分布。根据试验成果，粘土层的粘粒含量为14.7%，室内定名细粒土质砂，其主要物理力学试验指标如下：含水量18.0％，湿密度1.84g/cm3，干密度1.56g/cm3，比重2.67，孔隙比0.712，压缩系数0.29Mpa-1，压缩模量5.83Mpa，凝聚力25kpa，内摩擦角25度。粘土层的室内k值为2.03×10-4cm/s，钻孔注水试验为2.96×10-3cm/s、2.7×10-3cm/s，由于该层土中含有大量的石灰岩碎块、碎屑，特别于基岩面附近，石灰岩碎屑、碎块的含量更多，做注水试验时抬不起水位，建议粘土层的渗透系数为2.03×10-4cm/s；壤土层的粘粒含量为15%，室内定名低液限粘土，其物理力学指标如下：含水量30.30％，湿密度1.93g/cm3，干密度1.48g/cm3，比重2..69，孔隙比0.82，压缩系数0.38Mpa-1，压缩模量4.75Mpa，凝聚力18kpa，内摩擦角16.5度。其室内k值为2.54×10-4cm/s，钻孔注水试验k值为1.04×10-4～6.94×10-4cm/s，平均值为4.57×10-4cm/s。综合室内、外试验建议壤土层的k值为3.56×10-4cm/s。3.2.4坝基岩体风化情况及其透水性根据钻探揭露，坝基岩体风化较浅，在坝址区揭露的均为弱风化～微新岩体，弱风化岩体厚1.5～2.5m，左岸由于岩溶发育该层厚13.1m，该层裂隙较为发育。弱～微风化岩体岩心多呈长柱状，少量短柱状。透水率一般为0.9～3.9Lu，在岩溶发育部位钻进时多不返水，漏水十分严重。3.2.5基础地质问题(1)坝基(坝肩)稳定及沉陷问题坝基、坝肩持力层大部份为第四系残坡积层及冲积壤土层，下伏基岩为石灰岩。但坝基中部存在冲洪积壤土层，该层较为软弱，夹较多的灰岩碎屑，局部含有粗砂，取心较为困难，其C、Q值为18Kpa，16.5°，坝体填土的C、Q值为17km，22°，其抗剪指标小于坝体填土的抗剪指标，因此坝基中部存在抗滑稳定问题。同时由于坝基zk2孔108.12～109.92m、106.12～107.12m、104.32～105.22m高程见有三层溶洞，最大洞深为1.8m，多为泥质充填，自动钻进，该孔的线岩溶率高达52.8%，因此坝基存在岩溶塌陷问题，实际运行中于左坝端曾多次发生塌陷。(2)近坝库岸及建筑物边坡稳定问题小姑庙水库近坝库岸左岸130.0m高程以上基本为岩质边坡，山坡坡角为45°左右，边坡较稳定；130m高程以下基本为残积粘土边坡，该层土体中含有大量的石灰岩碎块，粒径2～8cm，棱角状，局部为岩土混合边坡，边坡坡为20～25°，边坡较缓，但由于溢洪道一带岩溶十分发育，在125～126m高程附近多次发生地表塌陷，管理单位曾对塌洞进行了开挖封堵。勘探期又见有新的地表塌陷，因此大坝左岸130m高程以下存在岸坡稳定问题。大坝右岸库岸多由石灰岩残坡积层组成，基本为土质边坡，坡角为20°左右，离坝头约50m处由于管塘梅水库的引水渠漏水而冲刷出一条深4～5m，长20m，宽0.5～2.5m左右的深槽，存在局部库岸崩塌隐患。(3)坝基渗漏、绕坝渗漏问题及坝基渗透稳定分析从A-A剖面可以看出，坝基主要由粘土、壤土层及弱～微风化的石灰岩组成，其中粘土层及壤土层的渗透系数分别为2.03×10-4cm/s、3.56×10-4cm/s，均为中等透水层，所以坝基覆盖层存在渗漏问题。坝基中部及溢洪道附近岩溶十分发育，发育有多层小型溶洞，多为泥质充填，透水性较大，因此坝基及左岸坝肩存在喀斯特渗漏问题。实际运行中大坝左岸溢洪道附近，当库水位达120m左右时大坝左岸出现渗漏就与此有关；大坝右岸的渗漏主要为地下水，但其跟库水位有一定关系，当库水位较低时，泉的流量减小，当库水位较高时，泉的流量也较大。本次勘探于坝基粘土层中取有一组土样，根据颗分曲线，求得界限粒径为df=0.057mm，对应的细粒含量ps=43.5%，由于其不均匀系数大于5，ps=43.5%＞35%，所以粘土层为流土破坏，J临=(Gs-1)(1-n)=(2.67-1)(1-0.712/(1-0.712))=0.97，建议J允为0.45，根据颗分曲线，求得壤土层界限粒径为df=0.03mm，对应的细粒含量为ps=38%，由于其不均匀系数大于5，ps=38%＞35%，所以壤土层为流土破坏，J临=(Gs-1)(1-n)=(2.69-1)(1-0.794/(1-0.794))=0.94，建议J允为0.40。3.2.6输、泄水建筑物工程地质条件3.2.6.1输水涵管工程地质条件及评价大坝输水涵管位于大坝左坝端偏中部，为园管，直径30cm，管长约为90m，涵管进出口底板高程为117.95m。整个涵管走向约为南北向，出口接灌溉渠道。根据平面地质测绘，涵管管基座落于粘土层上，承载力可以满足要求。当涵管由于长时间运行老化后产生漏水，在长时间水的作用下可使得涵管基础产生淘空，从而引起涵管的断裂，加剧涵管的漏水。3.2.6.2大坝左岸溢洪道工程地质条件及评价左岸溢洪道位于大坝左岸坝端，为1982年根据河南75.8暴雨需要而建，结构型式为开敞式宽顶堰，堰顶高程132.60m，堰宽10m。整个溢洪道堰顶部份均为山体开挖而成，未设置消力池，陡槽段以下未完建。目前陡槽段两侧为浆砌块石挡墙。本次勘探在溢洪道没有布置钻孔，仅于溢洪道右侧布置有zk3孔，据钻孔揭露，0～1.9m为粘土，红黄色，为灰岩残坡积层，粘结性较好，含较多的灰岩风化碎屑，1.9m以下为弱风化石灰岩。根据zk3孔资料及平面测绘，堰顶底板基础为弱风化石灰岩，陡槽段末端基础为粘土层，承载力可以满足要求。建议砼与粘土层的摩察系数为f=0.40，粘土层的抗冲流速取V=0.6～0.8m/s。其目前存在的主要问题有：未设置消力池及尾水渠。3.2.6.3大坝右岸溢洪道工程地质条件及评价大坝右岸溢洪道长约140m，宽5m，底高程为132.60m，其右边墙为管塘梅水库的引水渠，边墙均为浆砌块石挡墙，目前该溢洪道仅为上坝公路使用，由于堰高代于坝顶，成为防洪缺口。根据A-A剖面及平面测绘，溢洪道底板基础为粘土层，含有较多的石灰岩风化碎屑，局部地段有石灰岩出露，承载力可以满足要求，建议砼与粘土层的摩察系数为f=0.40，粘土层的抗冲流速取V=0.6～0.8m/s。3.3工程现状质量检查与评价3.3.1坝体概况小姑庙水库大坝设计为一均质坝，现有坝高为21m，坝顶高程135.20～136.04m，坝顶长134m，宽3.8～4.0m，大坝上游坡为块石护坡，下游坡为草坡坡。目前整个上游坡坡面长有较多杂草，坡率为1:2.56，下游坡面较平整，于128.5m高程设有一马道，马道宽2m，其上坡率为1：2.41，马道以下坡率为1：2.6～1:2.79，坝脚为反滤棱体，棱体顶高程为118.52m。3.3.2坝体填土的构成情况据施工回忆，大坝填土多来源于大坝两侧山坡，均为石灰岩风化残坡积层。据本次勘探，大坝填土多红黄色含砾粘土，土层粘结性中，含有大量的石灰岩碎块及碎屑，可塑状，室内定名为细粒土质砂。3.3.3坝体填土压实情况及物理力学指标为了解坝体填土的密实程度，在钻孔中共进行了标贯试给共10次，范围值为5～9击/30cm，平均值为6.8击/30cm，标准差为1.31，变异系数为0.19。从土工试验总表中可以看出，坝体填土的干密度为1.40～1.72g/cm3，孔隙比为0.716，压缩系数为0.20～0.71Mpa-1，其

颗分2mm以上的含量一般为30%左右，局部高达46％，从上面分析可以看出，坝体填土土质为含砾粘土，室内定名为细粒土质砂及粘土，呈可塑状态，经过人工压实，但压实不均，部份土体呈高压缩性。本次勘探时于大坝背水坡128.53m高程取有一组扰动样，其最大干密度为1.71g/cm3，按压实度为0.96算得碾压后干密度为1.71×0.96=1.64g/cm3，从土工试验表中可以看出坝体填土干密度有6组小于1.64g/cm3，占统计总数的60%，坝体填土的压实度为1.57/1.71=91.8%，小于均质土坝强制性条文规定的压实度96%的规定。同时为了解坝体填土的物理力学指标，于钻孔中取了10个原状土样，详见土工试验总表，统计结果见表3.2表3.2坝体填土的物理力学指标指标样本数范围值平均值大值平均值小值平均值建议值物理性质指标含水率w%1018.9～27.022.925.320.422.9湿密度ρg/cm3101.76～2.071.931.991.851.93干密度ρdg/cm3101.40～1.721.571.651.501.57比重Gs92.66～2.742.682.702.672.68孔隙比e100.546～0.9200.7160.8060.6270.716饱和度Sr%1076～98.986.494.678.386.4液限WL%1027.9～49.740.845.436.240.8塑限WP%1016～29.521.825.719.221.8抗剪指标凝聚力Ckpa516～3219.017内摩擦角φ度516.4～25.423.722压缩性压缩系数γvMpa-180.20～0.740.310.370.250.31压缩模量EsMPa92.58～6.105.286.304.025.28为了解坝体填土的透水性，在坝体填土中共做了10组渗透试验，于坝体中共进行了11段注水试验，其统计结果见表3.3表3.3坝体填土的透水性室内渗透试验(cm/s)钻孔注水试验(cm/s)组数(组)109范围值4.25×10-4～3.33×10-53.17×10-3～1.27×10-4平均值2.06×10-42.32×10-4大值平均值3.55×10-4小值平均值1.06×10-4综合室内、外试验，建议坝体填土的渗透系数为2.94×10-4cm/s。3.3.4排水棱体及上游护坡状况大坝排水棱体位于大坝下游背水坡中段，顶部高程118.52m，长79m，为大坝建设时同期施工。本次勘探为了检查棱体质量，于棱体与坝体土接合部位开挖有一探坑，据探坑揭露，棱体与坝体接合部位未设置反滤过渡料，土体与棱体直接接触，接触部位块石间多被粘土充填，整个棱体均由弱风化～新鲜石灰岩干砌而成，块石块径大小不一，局部地段有缺损现象，从破损处可以看出棱体中充填有较多的泥质。大坝上游坡为干砌石块石护坡，块石为弱风化～新鲜的石灰岩，岩质较好，但块石间间隙较大，局部地段缺损，且整个块石护坡下未设置反滤过渡料。3.3.5坝体存在的主要问题及评价（1）坝体渗漏及渗透稳定问题该坝体为均质土坝，据本次勘探，坝体填土填筑较为松散，其k为2.94×10-4cm/s，为中等透水层，防渗性能未达到现行规范强制性条文要求及设计要求，同时下游排水体与坝体结合部未设置过渡料，石与坝体土直接接触，局部排水体充填有较多没质，在此情况下很可能引起渗流出逸点出现于下游排水体之上，造成流土破坏，直接影响大坝的安全与稳定。根据室内颗分成果分析，坝体土的渗透破坏以流土型为主，经统计，坝体填土允许坡降平均值为0.39，大值平均值为0.41，小值平均值为0.36，建议坝体填土的允许坡降为0.36。（2）坝体变形问题根据勘探，坝基中部zk2孔于108.12～109.92m、106.12～107.12m、104.32～105.22m高程见有三层溶洞，最大洞深为1.8m，多为泥质充填，自动钻进，其基岩面高程为111.02m，溶洞顶板离基岩面仅1.1m，当溶洞出现塌陷时会引起坝体的相应塌陷，从而且危及大坝的安全，因此大坝存在变形问题，建议管理单位对其加强观察。3.3.6输、泄水建筑物的工程质量评价坝下涵管工程质量评价大坝输水涵管位于大坝左坝端偏中部，与大坝同期修建，为预制园管，外包砼，管径30cm，管长约为90m，涵管进出口底板高程为117.95m。整个涵管走向约为南北向，出口接灌溉渠道。涵管原设计为无压管，后由于灌溉底板高程提高，使无压管现变为有压管，给涵管带来隐患。（2）大坝左岸溢洪道工程质量评价左岸溢洪道位于大坝左岸坝端，为1982年根据河南75.8暴雨需要而建，结构型式为开敞式宽顶堰，堰顶高程132.60m，堰宽10m。整个溢洪道堰顶部份均为山体开挖而成，堰顶及陡槽部位底板砼有剥落、冲刷裂缝，两侧边墙为浆砌石挡墙，消能段一侧无边墙，不起消能作用，泄洪渠未开挖。（3）大坝右岸溢洪道工程质量评价大坝右岸溢洪道长约140m，宽5m，底高程为132.60m，左侧为管塘梅水库的引水渠，边墙均为浆砌块石挡墙，目前该溢洪道为上坝公路，陡槽段位于溢洪道的中部，与溢洪道基本成正交，陡槽段起点高程为133.35m，末端高程为120.67m，以下未设置消力池及尾水渠3.3.7金属结构小姑庙水库金属结构仅为进口闸门及启闭机，进口闸门为铸铁盖板门，目前工作正常；启闭机为斜拉启闭机，启闭方式为手动式，目前拉杆弯曲变形，锈蚀严重，启闭不灵，且无启闭机房。3.4结论及建议(1)根据《中国地震动参数区划图》(GB18306-2001)的界定，坝址区地震动峰值加速度小于0.05g，区域稳定。(2)大坝坝基清基不彻底