南方城水库渗漏问题分析

2012-04-10刘文妙马若燕

海河水利 2012年2期

李琳，刘文妙，张磊，马若燕

（1.天津市引滦工程宜兴埠管理处，天津 300402；2.天津市水利勘测设计院，天津 300204；3.河北省水利水电勘测设计研究院，天津 300250；4.水利部海河水利委员会，天津 300170）

南方城水库位于河北省张家口市蔚县宋家庄镇南方城村西，距蔚县县城6 km，控制流域面积5.5 km2，总库容100 万m3，兴利库容86.4 万m3，死库容6.6 万m3，是一座以防洪、农田灌溉为主结合养殖等综合利用的小（1）型水库。水库由拦河坝、放水洞、泄洪洞及溢洪道组成。主、副坝坝型均为黏土斜墙式，坝顶高程107.4 m，坝顶宽4 m，主坝长277 m，最大坝高16.4 m；副坝长288 m，最大坝高16.64 m，主坝和副坝迎水面均为干砌石护坡。

南方城水库于1958年建成，经过多年运行，年久失修，基础设施损毁、老化严重，加之施工质量不佳，目前存在渗漏问题，尤其高水位运行时水库渗漏导致上下游水头差加大，在长时间作用下沿渗漏带形成贯通上下游的渗漏通道，容易导致水库发生险情，严重影响水库的防洪功效。

1 地质条件

1.1 地貌特征

库区地貌为低山丘陵区，沟谷发育。主坝区地面高程91.5～110.0m，副坝区地面高程87.4～119.7 m。水库紧靠山体而建，目前库区仅副坝残留部分存水。现河床高程主坝区88.0～91.5 m、副坝区87.0～92.8 m，河流两岸为太古界三屯营组片麻岩。

1.2 地层岩性

根据1：1 000 地质测绘成果和勘探资料，工程区地表出露及钻孔揭露的地层岩性主要有第四系全新统人工堆积（rQ）填土，第四系全新统冲洪积（a1+p1Q4）含壤土碎石、粗砂及冲积（a1Q4）含壤土碎石，太古界迁西群三屯营组（Ars）片麻岩等。

1.3 地质构造与地震

近场区未发现大的地质构造。根据中国地震局制定、国家质量技术监督局发布的《中国地震动参数区划图》（GB18306-2001）划分，该区地震动峰值加速度为0.15g，地震动反应谱特征周期0.40s，相当于地震基本烈度Ⅶ度区。

1.4 水文地质条件

本地区处于暖温带亚湿润气候区，四季分明，春季温凉少雨，夏季炎热多雨，秋季干湿相间，冬季寒冷干燥。多年平均气温10.7℃，7月平均气温25 ℃，1月平均气温-6.4 ℃。年均降水量706.3 mm，最多降水量1 092 mm （1953年），最少降水量323 mm（1982年）。年均风速2.4 m/s，最大风速17 m/s。本区有季节性冻土，冻土期为11月一次年3月份，标准冻土深度0.88 m。

库区地下水位埋藏较深，主要是靠大气降水补给。2010年勘探期间地下水埋深7.9～11.5 m，地下水位87.02～92.28 m。以第四系地层孔隙潜水和基岩裂隙水两种形式存在。目前水库仅副坝区残留部分存水。

2010年勘探期间取库水、民井中地下水各1 组水样进行了水质简分析，库水、地下水均属重碳酸硫酸钙镁型水，呈弱碱性，水质较好。

根据《水利水电工程地质勘察规范》（GB50487-2008）对环境水腐蚀判定标准判定地表水、地下水的HCO3-、pH、CO32-、Mg2+和SO42-5 项指标均未达到腐蚀性标准，对混凝土不具腐蚀性；地表水、地下水在干湿交替情况下对混凝土结构中的钢筋不具腐蚀性，对钢结构具弱腐蚀性。

2 主坝坝址区工程地质条件及评价

2.1 地质条件

根据钻孔资料，主坝坝址区地质结构属土岩多层结构，按地层时代、岩性及空间分布特征将建筑物区地层划分为3 个工程地质层，由上至下分述如下：

第①工程地质层：壤土（rQ），红褐色，稍湿-湿，硬塑-可塑，含5%～15%的砾石，块径0.5～1.5 cm，成分主要为片麻岩。层厚5.3～7.8 m，底板高程90.88～100.14 m。黏土斜墙及坝体填筑土，分布普遍。

第②工程地质层：含壤土碎石（a1+p1Q4），灰黄-灰褐色，湿，可塑，中密，碎石含量约65%～80%，块径一般3～8 cm，最大14 cm，成分为片麻岩，含20%～35%的壤土，局部夹壤土、粗砂透镜体。层厚2.6～3.5 m，底板高程87.58～89.41 m。主要分布于坝体填土底部及库区。

第③工程地质层：片麻岩（Ars），灰黄色、青灰色，中粒变晶结构，片麻状构造，矿物成分主要为石英、长石及角闪石等，岩石混合岩化强烈，多有石英岩脉侵入。全风化岩芯多呈块状夹泥状，碎块手可掰碎，厚3.5～7.2 m，底板高程84.38～94.04 m；强风化岩芯多呈块状，局部呈短柱状，一般块径1～5 cm，厚2.0～6.0 m，局部大于8m，未揭穿；弱风化岩芯多呈柱状，局部呈短柱状，一般柱长4～10 cm，最大达21 cm，勘探深度内未揭穿。坝址区分布普遍。

2.2 地质评价

2.2.1 坝体黏土斜墙

（1）室内试验成果表明，黏土斜墙岩性为中、重粉质壤土，黏粒含量22.2%，天然含水率19.3%，干密度1.63 g/cm3，液性指数0.12，呈硬塑状，压缩系数0.34 MPa-1，具中等压缩性，最优含水量18.0%，渗透系数建议值为6.0×10-5cm/s，具弱透水性，以上数据表明坝体土质量较好。

（2）根据本次勘察结果分析，黏土斜墙填筑土料上部成分较杂，多含有角砾，局部含有碎石和风化砂粒，斜墙填筑土料质量不均。

2.2.2 坝体土

下游坝坡探坑资料显示，坝体填筑土岩性主要为壤土，成分较杂，均含有碎石及风化砂粒，为壤土夹全风化岩混合料碾压而成。下游坝坡排水棱体多处破损。

2.2.3 库岸

水库库岸山体宽厚，无大的贯通性构造发育，节理裂隙轻-中度发育，岩体较为完整，不存在库岸渗漏问题。

2.2.4 坝基

通过对主坝坝体黏土斜墙、坝体土、库岸的详细的地质调查与勘察工作，发现坝体黏土斜墙、坝体土、库岸岩土体工程地质性质较好，均不存在渗漏问题。据此，可以认为南方城水库渗漏问题的根源为坝基及坝肩渗漏。

钻孔压水试验成果表明，主坝坝基全风化片麻岩透水率16.37 Lu，属中等透水；强风化片麻岩透水率9.62 Lu，局部达17Lu，属弱-中透水；弱风化片麻岩透水率2.2 Lu，属弱透水。坝基岩体节理裂隙发育，尤其是全风化片麻岩透水率大，钻进过程中漏水严重。经综合分析，全、强风化片麻岩是渗漏的主要通道。

坝基基岩顶部以上分布厚度2.6～3.5 m 的含壤土碎石层，层底高程87.58～89.41 m；粗砂层层底高程90.22 m。渗透系数建议值分别为3.0×10-3、2.5×10-2cm/s，透水性较强，是坝基渗漏的主要通道之一。

综上所述，坝基含碎石壤土层、粗砂层及全、强风化片麻岩是坝基渗漏的主要通道，坝基渗漏范围广，渗漏层厚度大，建议对坝基进行防渗处理。

2.2.5 坝肩

左坝肩岩顶部以上分布厚3m 的粗砂透镜体，层顶高程约93.22 m，渗透系数2.5×10-2cm/s，透水性强，左坝肩坝基全风化片麻岩透水率15 Lu，属中等透水。根据现场勘察，左坝肩基岩裸露，地表多为全风化片麻岩，多呈砂状。综上分析，左坝肩部位全风化片麻岩及粗砂透镜体为绕坝渗漏的主要通道。

3 副坝坝址区工程地质条件及评价

3.1 地质条件

根据钻孔资料，副坝坝址区地质结构属土岩多层结构，按地层时代、岩性及空间分布特征将建筑物区地层划分为3 个工程地质层，由上至下分述如下：

第①工程地质层：砾砂（rQ），灰黄色，干燥-稍湿，密实，含25%～35%的碎石，局部碎石含量达45%，块径1～4 cm，含少量壤土，岩芯多呈碎块状、片状。层厚6.0～8.5 m，底板高程91.59～93.80 m。大坝填筑料，为全风化状片麻岩碾压而成。

第②工程地质层：壤土（rQ），褐黄色-灰黑色，湿，可塑，土质不均，含少量砾石。层厚5.0 m，底板高程88.80 m。黏土斜墙填筑土。

第③工程地质层：片麻岩（Ars），灰黄色、青灰色，中粒变晶结构，片麻状构造，矿物成分主要为石英、长石及角闪石等，岩石混合岩化强烈，多有石英岩脉侵入。全风化岩芯多呈块状夹泥状，碎块手可掰碎，厚4.0～10.7 m，底板高程84.57～95.18 m；强风化岩芯多呈块状，局部呈短柱状，一般块径2～6cm，层厚2.0～3.5 m，局部大于11 m，底板高程82.57～101.19 m；弱风化岩芯多呈柱状，局部呈短柱状，一般柱长3～13 cm，最大达23 cm，勘探深度内未揭穿。坝址区分布普遍。

3.2 地质评价

3.2.1 黏土斜墙

（1）室内试验成果表明，黏土斜墙岩性为砾质、含少量砾重壤土，黏粒含量24.1%，天然含水率20.0%，干密度1.65 g/cm3，液性指数0.16，呈硬塑状，压缩系数0.36 MPa-1，具中等压缩性，击实试验最大干密度1.83g/cm3，最优含水量15.9%，渗透系数建议值为8.3×10-6cm/s，具微透水性，以上数据表明坝体土质量较好。

（2）根据本次勘察结果分析，黏土斜墙填筑土料上部成分较杂，多含有角砾，局部含有碎石和风化砂粒，斜墙填筑土料质量不均。

3.2.2 坝体土

下游坝坡探坑资料显示，坝体填筑土岩性主要为砾砂，局部夹壤土薄层，为全风化岩碾压而成。目前下游没有护坡，表层砾砂冲蚀严重。下游坝脚排水棱体多处破损，且冲蚀严重。

3.2.3 坝基

通过对副坝坝体黏土斜墙、坝体土的详细的地质调查与勘察工作，发现坝体黏土斜墙、坝体土岩土体工程地质性质较好，均不存在渗漏问题。据此，可以认为南方城水库渗漏问题的根源为坝基渗漏。

钻孔压水试验成果表明，坝基分布的第③工程地质层全风化片麻岩透水率30 Lu，属中等透水；强风化片麻岩透水率22 Lu，属中等透水；弱风化片麻岩透水率10.3 Lu，属中等透水性。坝基岩体普遍为中等透水性，渗漏比较严重，建议采取防渗措施。