益塘水库拦河坝主要工程地质问题

李佳文

(广东省水利电力勘察设计研究院，广州510170)

1 工程概况

益塘水库位于五华县北部潭下、转水两镇镜内，距县城约20 km。是以防洪为主，保证灌溉、结合发电及综合利用的大(2)型水利工程。益塘水库拦河坝位于潭下镇上围村，为均质土坝，坝顶长度约620 m，最大坝高为22 m，坝顶宽为6.3 m，坝顶高程为159.80 m。迎水面平均坡比为1∶2.43，护坡形式采用干砌石护坡。背水护坡形式为草皮，平均坡比为1∶2.40。坝后设置排水棱体。大坝右侧设有内径为1.0 m放水涵管一条，进口底板高程为146.0 m;溢洪道位于大坝左侧，堰顶高程为148.0 m，宽约32 m。水库正常高水位为153.00 m，设计洪水位为155.54 m，校核洪水位为157.52 m。工程于1971年开工，1974年建成蓄水运行。

2 工程地质条件

坝址区地貌以中低山地形为主，最大高程428 m，一般高程200 ～270 m，相对高差≤70 m，坡角较缓，一般20° ～30°。坝址区主要分布侏罗系下统蓝塘群上亚群(J1lnc)地层，此外有少量第四系洪冲积层(Qpal)及第四系人工填土层(QS)。为进一步了解坝址区工程地质问题，根据坝型分别在坝体的前坡、坝顶、后坝布置了勘探孔23个(1 条横剖面，4 条纵剖面)，合计完成钻孔552.0 m，现场注水试验59段，标准贯入试验78 次，取样46 组土样(砂)等工作。根据钻孔揭露及工程地质测绘，坝址区工程地质情况如下:

1)坝体填土(QS):紫红色，主要由粉砂岩风化土组成，局部夹卵石、黏土及强风化岩块，粉砂岩风化土呈砂质黏土状，黏性一般，稍压实。厚度2.80m(Zkt1)～22.20m (Zkt2)，底板高程137.60 ～157.00 m。共做标准贯入试验43 次，范围值N=2 ～15 击，其小值平均值N =6.0 击。根据坝体填土层所取37 组土样，其主要的物理力学性质指标值为:天然含水量平均值27.1%;天然密度平均值1.91 g/cm3。为中压缩性土。其中8 组土样做三轴固结不排水剪，其抗剪强度平均值30.0 kPa，内摩擦角平均值22.9°;有效应力平均值27.3 kPa，内摩擦角平均值27.1°。29 组土样做饱和快剪试验，其抗剪强度Csq平均值20.4 kPa;摩擦角φsq平均值18.6°。室内渗透系数k20平均值5.99 ×10－6cm/s。

2)反滤层:根据施工资料及坑槽探可知，反滤层不符合要求，与排水体直接相连，排水体成份以粗砂夹卵砾石为主，级配较好，含泥量约4.3%，渗透性为强透水。

3)排水体:该坝采用褥垫层和棱体综合式排水，根据施工资料及坑槽探可知，排水棱体为块状紫红色弱风化粉砂岩、石英砂岩及河卵砾石，拦河坝左半部份厚5.00 ～6.00 m，右半部份厚约3.00 m。经钻孔zkt9 揭露，139.90 ～144.40 m为坝体褥垫层，主要由灰白色砂砾石组成，经室内试验其渗透系数为1.42 ×10－2cm/s，具有强透水性。

4)坝基:根据坝体所布钻孔及地质测绘坝基大部份为侏罗系下统蓝塘群上亚群(J1lnc)地层，其余为第四系洪冲积层(Qpal)，现分述如下。

根据钻孔揭露，将第四系洪冲积层(Qpal)分为3个亚层:

②－1 层:为青灰色黏土及淤泥质土，局部夹 薄层灰褐色含砾粉质黏土或粉砂，湿，软塑，质纯，黏性好。仅有Zktc5、Zktc6、Zkt4 及Zkt5 四孔有揭露，层底高程143.80 ～151.30 m，层厚0.20 ～3.70 m。弱透水性。

②－2 层:为杂色、浅黄色及灰白色砂卵砾石，局部夹粉砂及含少量泥质，饱和，稍密－中密，主要由中粗砂及卵石组成，磨圆度及分选性一般，卵石成份以石英及砂岩为主，卵石直径一般为2 ～4 cm ，少量5 ～9 cm。分布在老河床中，属河床冲积物，仅有Zktc2、Zktc3、Zktc4、Zktc6、Zkt2、Zkt3、Zkt5、Zkt7、Zkt9 钻孔有揭露，层底高程133.00 ～142.60 m，层厚2.00 ～8.00 m。透水性强。

③层:为浅黄、棕黄夹紫色坡积粉质黏土，稍湿－湿，可塑－硬塑。Zkt11、zk 补1、zk 补2、zk 补3 等4个钻孔有揭露，层底高程138.80 ～142.10 m，层厚3.50 ～7.30 m。标准贯入校正范围值°N° =6.9 ～27.7，平均值17.4。根据室内试验成果其主要的物理力学指标值为:天然含水量W =29.0%，天然密度ρ =1.82g/cm3，孔隙比e =0.85，压缩系数av1－2=0.68MPa－1，为高压缩性土。饱和快剪试验值为Csq=22.0 kPa，φsq=22.2°。

侏罗系下统蓝塘群上亚群(J1lnc)地层:岩性主要为粉砂岩，分布在坝体两侧的山体，左岸岩层产状N35°W/NE∠25°，右岸岩层产状N50°W/NE∠25 °，根据岩石风化程度，划分为全风化带、强风化带及弱风化带，从上到下分述如下:

全风化带(Ⅴ):只在zktc1、Zktc5、Zktc6、Zkt1、Zkt2、Zkt4、Zkt6、Zkt8、Zkt10 孔中有出露，紫红色、浅黄色、灰绿色，风化不均一，遇水易崩解，局部夹强风化岩块，已风化呈砂质黏土状，硬塑～坚硬。层底高程为135.60 ～148.80 m，层厚1.60 ～11.10 m。根据室内试验成果其主要的物理力学性质指标平均值为:天然含水量 W = 21.5%，天 然密度 ρ =1.94 g/cm3，孔隙比e = 0.729，压缩系数av1－2=0.25MPa－1，为中压缩性土。

强风化带(Ⅳ):紫红色、浅黄色、青灰色，中厚层，岩质软，裂隙发育，裂面附铁锰质，完整性差，局部夹全风化岩，岩芯多呈碎块状，少量柱状。底板高程为127.40 ～139.60 m，揭露层厚1.20 ～14.30 m。

弱风化带(Ⅲ):青灰色、浅黄色、紫红色，中厚层，岩质稍硬，完整性差，裂隙发育，裂面附铁锰质，岩芯呈块状，少量柱状。该层揭露层厚为0.90～7.00 m。

根据该区域工程地质资料及坝址区工程地质测绘，坝址区附近未发现对坝体有影响的断层经过坝址区。

3 工程地质评价

3.1 坝体填土质量

拦河坝填土主要由粉砂岩风化土组成，局部夹卵石、黏土及强风化岩块，土质不均匀，呈粉质黏土～砂质黏土状。根据室内土工试验成果资料，土质主要由含砂低液限黏土及低液限黏土等组成，土的干密度一般在1.40 g/cm3～1.64 g/cm3，平均值为1.51 g/cm3。平均压实度为0.91，尚未达到《碾压式土石坝设计规范》(SL274—2001)规范规定2 级坝压实度为0.98 ～1.00 的要求。标贯试验资料范围值N=2 ～15 击，坝身填土呈可塑状，欠压实，不密实。

3.2 坝体填土的渗透性

拦河坝坝身的填筑土主要为粉砂岩风化成的砂质黏土，共做31 段注水试验，分坝前坡和坝后坡统计。其中Zkt2 孔17.2 m处钻进时无回水，土层中夹有较多块石。

根据现场注水试验坝前坡(上部0 ～9.5 m)及(下部9.5 m ～坝基)的平均渗透系数为1.47 ×10－3cm/s 及8.19 ×10－5cm/s，坝后坡的平均渗透系数为1.62 ×10－3cm/s，其中坝前坡(0 ～9.5 m)不满足《碾压式土石坝设计规范》要求，坝前坡渗透系数小于坝后坡渗透系数，利于坝体稳定，虽然在1978年、1980年间进行过黏土充填灌浆，但效果不是很理想，坝体上部及下部局部仍不满足规范要求。因所取土样多为细颗粒土，室内渗透试验的平均渗透系数为5.99×10－6cm/s。考虑水库正常蓄水位为152.60 m，拦河坝坝顶(Zkt2)地下水位146.30 m，坝后坡孔(Zkt9)地下水位142.50 m，及益塘水库拦河坝第一排测压管观测资料可知，坝体浸润线基本正常。坝体填土的临界水力比降:J =(Gs－1)(1－n)，其中Gs为比重，n 为孔隙率，计算得出临界水力比降为0.961，建议安全系数为2，允许水力比降J允许为0.481。

3.3 坝基渗透性

坝基主要为侏罗系下统蓝塘群上亚群(J1lnc)全～强风化粉砂岩，少部份为第四系洪冲积层(Qpal)，靠近老河床坝基位置为砂卵砾石层，砂层呈稍密－中密状，根据室内试验成果，渗透系数范围值为5.32×10－3cm/s ～7.52 × 10－2cm/s，平均渗透系数为2.46 ×10－2cm/s，为强透水层，经坝后排水棱体三角堰测得坝后渗漏量约70 ～100 L/min，渗漏量一般随着库水位升高而增加。说明黏土铺盖或截水槽施工未能完全隔断透水层，为防止坝基产生渗透破坏，根据工程类比，建议砂卵砾石层允许水力比降J允许为0.13 ～0.16。左右岸坝基基岩为全～强风化粉砂岩，基岩裂隙稍发育，根据现场注水试验，全风化岩层的平均渗透系数为1.09 ×10－4cm/s，属中等透水层;强风化岩层的平均渗透系数为8.81 ×10－5cm/s，透水性较差，为弱透水层。建议灌浆深度进入全风化岩层10 m。

3.4 绕坝渗漏

水库工程基本完工蓄水后，在1978年、1980年对拦河坝及坝肩结合处分别进行了充填灌浆处理。根据左右坝肩Zkt1、Zkt6 钻孔测压管观测资料，左坝头Zkt1 孔的地下水位高程为145.10 m，远低于勘测时水库正常高水位152.30 m，且向左侧延伸为中等～弱透水的山体，存在绕坝渗漏问题，主要原因是基岩裂隙发育及断裂构造(Zkt1)影响，造成透水性增大，建议灌浆范围向左坝端延伸15 ～20 m。右坝头Zkt6 孔的地下水位高程为153.30 m，高于水库正常高水位，为右侧山体地下水向Zkt6 孔补充，且右侧山体多为弱透水层，山体较雄厚，不存在绕坝渗漏［1］。

3.5 反滤层及排水棱体

根据施工资料及坑槽探可知，反滤层不符合要求;在排水棱体中干砌石护坡为紫红色弱风化粉砂岩或石英砂岩，其中粉砂岩抗风化能力较弱;经排水棱体流出地下水为清水，不浑浊。但由于护坡岩石抗风化能力较弱，风化后容易堵塞排水棱体中的孔隙，造成坝体排水不畅，引起浸润线抬高，不利坝体稳定。建议将此位置排水棱体采用抗风化能力较强的花岗岩重新换填处理。

3.6 岩土物理力学参数建议

根据原位、室内试验成果，以及工程类比资料，拦河坝及坝基各土层主要物理力学指标建议值见表1 和表2。

表1 地质参数建议值表

表2 坝基岩土主要力学指标

4 结 论

通过本次地质勘察，基本查明了拦河坝坝体填土物理力学性质指标;坝基河床段清基不良，存在较厚的洪冲积砂卵石强透水层;左坝头存在绕坝渗漏等问题。

该坝加固工程从2009年11月开始动工，对原河床存在砂卵石层采取了相应的塑性混凝土连续墙进行坝体防渗等处理技术，工程于2012年3月得于顺利竣工，至今已经过两年多的蓄水运行考验，运行期间未发现不良问题。以上证明本次对拦河坝存在工程地质问题的勘察分析全面，提供参数合理，加固改造建议可行，施工进展顺利，完成效杲良好。

［1］高至国，邴志海. 理正软件在乌斯浑河四合段堤防渗流分析中的应用［J］. 黑龙江水利科技，2014，42(03):177－178.