董寨子水库工程地质问题分析

2015-12-15张磊

海河水利 2015年1期

关键词：水洞心墙壤土

张磊

（河北省水利水电勘测设计研究院，天津300250）

董寨子水库工程地质问题分析

张磊

（河北省水利水电勘测设计研究院，天津300250）

董寨子水库投入运行30多年来，在防洪、灌溉方面发挥了一定作用。目前，坝址区及库区存在地质问题，水库渗漏、坝体坝基质量、溢洪道和放水洞等存在的问题都是影响水库正常运行的问题。通过对以上工程地质问题的研究，进一步深化了场地的工程地质评价，对工程设计、施工有重要作用。

水库；地质问题；地质评价

董寨子水库位于河北省滦县油榨镇董寨子村，在滦河支流上，1975年建成，流域面积0.98 km2，设计标准20年一遇，校核标准300年一遇，属小（2）型水库，总库容17.07万m3，死库容1.4万m3，是一座以防洪、灌溉为主，兼顾养鱼等综合效益的枢纽工程。大坝坝型为黏土心墙坝，最大坝高9 m，坝顶长128 m，坝顶高程17.0 m。溢洪道位于大坝的左侧，为岸边开敞型，堰顶高程14.96 m，堰顶宽度8 m，现状宽度5 m，现状最大泄量17.51 m3/s。放水洞位于大坝左侧，为钢筋混凝土圆管，洞径0.4 m，最大放水量为0.6 m3/s。

董寨子水库运行至今已有30多年，但一直没有经历过设计及以上标准洪水考验。由于建库时期施工条件、技术力量及资金的限制，工程质量较差，大坝迎水坡护坡石已变形走样，部分滑动脱落；下游坝坡出逸点偏高，未设排水措施，致使2011年汛期蓄水5万m3时大坝背水坡坡脚处出现严重渗漏，直接危及大坝安全。大坝渗漏问题成为影响水库发挥功效的主要工程地质问题。

1 地质条件

1.1 地形地貌

工程场区地貌属于冀东低山河谷地貌，地形起伏较为平缓，山脉走向基本为东西向。两坝肩山体相对较为陡峭，且植被较发育。水库坝体走向为NW357°，坝顶高程16.62～17.48 m，勘察期间库区仅局部水深1.6 m。

1.2 地层岩性

根据1∶1 000地质测绘成果和勘探资料，该工程场区地层岩性主要有人工堆积（rQ）素填土（坝体土），第四系全新统冲洪积（al+plQ4）壤土、砂壤土、含碎石壤土，第四系上更新统冲洪积（al+plQ3）壤土，燕山期侵入体（γ）花岗岩。

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0.10 g，地震动反应谱特征周期为0.40 s，相当于地震基本烈度7度。

1.4 水文地质条件

2012年7月勘察期间，大坝勘探孔DZ1、DZ2未见地下水，仅在库区上游坝脚钻孔DZ3实测地下水埋深为2.8 m，水位高程7.22 m。

工程场区的地下水以孔隙潜水和基岩裂隙水两种形式分布。其中，孔隙潜水主要赋存于第四系壤土、砂壤土、含碎石壤土层的孔隙中，壤土、砂壤土、含碎石壤土层分布广泛，透水性差，主要靠大气降水和库水补给，排泄方式主要为地下径流，水量不丰富；基岩裂隙水主要分布在两坝肩山体和坝基的岩体节理、裂隙中，主要靠库水补给，排泄方式以地下径流为主，全风化花岗岩致密坚硬，根据现场注水、压水试验，透水性较小，库水渗漏量很小，故基岩裂隙水补给量较小。

为了解坝体、坝基岩体的透水性，2012年7月勘探期间对2个钻孔进行压（注）水试验3段，坝基岩体压（注）水试验结果见表1－2。

表1 坝基岩体压水试验结果

表2 坝基岩体注水试验结果

由表1—2可知，全风化花岗岩渗透系数为3.56×10-5cm/s，透水率为5.6 Lu，属弱透水；含碎石壤土渗透系数为1.41×10-5cm/s，属弱透水。

2 坝址区工程地质条件及评价

2.1 大坝坝体

大坝坝型为黏土心墙坝，最大坝高9 m，坝顶长128 m，坝顶高程17.0 m。钻孔揭露及室内试验成果表明：坝体芯墙为①层壤土，黏粒含量18.8%～25.7%，天然含水率14.3%～18.0%，塑限16.9%～19.5%，天然密度2.03～2.13 g/cm3，干密度1.74～1.83 g/cm3；塑性指数10.4～13.2，满足规范要求；渗透系数1.7×10-7～1.6×10-5cm/s，坝体土渗透性满足规范要求，压缩系数0.129～0.221 MPa-1，具中等压缩性。勘察过程中，心墙内未发现地下水。经综合分析，该层壤土对黏土心墙来说黏粒含量偏低，但干密度、渗透系数还是不错的，坝体心墙大部分质量较好。在大坝运行及勘探过程中出现如下两点问题：

（1）2011年汛期，水库库容17.07万m3、蓄水5万m3时，坝下游坡脚（放水洞右侧约15 m，高程约9.0 m处）出现溢水点，发生渗漏现象，应采取必要的排水等有效保护措施。

（2）勘探期间在坝体右侧钻孔DZ2中进行注水试验，0～3.1 m吃水量约50 L/min，经分析心墙坝体局部存在薄弱部位。

根据以上分析，认为水库迎水面护坡带病运行多年，不能满足护坡要求，建议将该护坡进行翻修、整理；背水坡无任何防护措施，建议采取适宜的护坡措施；对背水坡坡脚明显渗漏部位采取排水措施，以保证坝体渗漏稳定；干砌石防浪墙局部有开裂、脱落等现象，建议进行修缮。

2.2 坝基

通过查阅建坝的原始资料及钻探资料可知，坝体坐落在②1层壤土层上，天然含水率建议值18.2%，天然密度2.00 g/cm3，干密度1.65 g/cm3，天然孔隙比0.639，比重2.71，渗透系数建议值1.1×10-5cm/s，属弱透水层；压缩系数0.337 MPa-1，压缩模量5.14 MPa，为中等压缩性土；饱和固结快剪黏聚力17.5 kPa，内摩擦角18°，该层物理力学性状较好。

坝基以下岩土层为②1层壤土、②2砂壤土（透镜体）、②3含碎石壤土、③壤土、④全风化花岗岩。②1层壤土渗透系数建议值1.1×10-5cm/s，属弱透水层；②2砂壤土透镜体渗透系数1.0×10-4cm/s，属中等透水层；②3含碎石壤土渗透系数1.4×10-5cm/s，属弱透水层；③壤土渗透系数9.4×10-5cm/s，属弱透水层；④全风化花岗岩透水率为5.6 Lu，注水试验渗透系数3.56×10-5cm/s，属弱透水。

综上所述，坝基岩土体多为弱透水性土层，故坝基土体不是水库明显的渗漏通道。

2.3 坝肩

左、右坝肩坐落在两岸山体残积土及强风化花岗岩上，岩土体结构较为完整，水库运行期间未发现有绕坝渗漏现象。

3 溢洪道工程地质条件及评价

溢洪道位于左坝肩部位，为岸边开敞型，由进口段、控制段、陡坡段等组成，采用水流自然消能，堰顶高程14.96 m，堰顶宽度8 m，现状宽度5 m，现状最大泄量17.51 m3/s。

溢洪道左岸为山体，岩性为强风化花岗岩，岩体较完整，抗冲刷能力、边坡稳定性较好。

溢洪道两岸浆砌石挡墙稳定性和抗冲刷能力一般。据现场地质调查，现状溢洪道淤积层厚度约0.2～0.3 m。依据安全鉴定复核结果，溢洪道泄洪量未达到设计要求，应加宽；另依据现场地质调查，溢洪道底部存在淤积现象，建议对溢洪道进行拓宽、清淤。

4 放水洞工程地质条件及评价

放水洞位于大坝左侧，为钢筋混凝土圆管，洞径0.4 m，最大放水量0.6 m3/s。2007年汛期，水库大坝在放水洞位置出现裂缝。

放水洞下游左岸为山体，岩性为强花岗岩，岩体较完整，岩石稳定性及抗冲刷能力较强；右岸为褐黄色壤土，成因为淤积，局部壤土内夹杂砂、砾石。放水洞下游地层岩性为壤土，黄褐色，可塑。

根据安全鉴定结论，结合地质调查、询问当地管理人员，认为放水洞运行基本良好，并达到设计泄洪标准。2011年汛期，水库库容17.07万m3、蓄水5万m3时，坝下游坡脚（放水洞右侧约15 m，高程约9.0 m处）出现溢水点，发生渗漏现象；经初步分析发现，排水洞与坝体土结合部位或排水洞本身质量有问题，建议施工时对排水洞进一步进行检查，采取有针对性的处理措施。

5 结语

（1）坝体心墙黏粒含量偏低，但干密度、渗透系数还是不错的，坝体心墙大部分质量较好。水库库容17.07万m3、蓄水5万m3时，坝下游坡脚（放水洞右侧约15 m，高程约9.0 m处）出现溢水点，发生渗漏现象，应采取必要的排水等有效保护措施。勘探期间在坝体右侧钻孔DZ2中进行注水试验，0～3.1 m吃水量约50 L/min，经分析发现心墙坝体局部存在薄弱部位。

（2）溢洪道左岸为山体，岩性为强风化花岗岩，岩体较完整，抗冲刷能力、边坡稳定性较好。溢洪道右岸为浆砌石垂直挡墙，局部出现掉块、水泥浆脱落和墙体倾斜等问题，其稳定性和抗冲刷能力一般。据现场地质调查，现状溢洪道淤积层厚度约0.2～0.3 m。

（3）左、右坝肩坐落在两岸山体残积土及强风化的花岗岩上，岩土体结构较为完整，水库运行期间未发现有绕坝渗漏现象。

（4）放水洞下游左岸为山体，岩性为强花岗岩，岩体较完整，岩体稳定性及抗冲刷能力较强；右岸为褐黄色壤土，成因为淤积，局部壤土内夹杂砂、砾石。下游河底岩性为壤土，黄褐色，可塑。

（5）作为中小型水库除险加固的工程地质勘察工作，应当全面察明坝体、坝基的工程地质、水文地质条件，并应结合工程运行期的地质调查作出明确结论，以便为工程除险加固的设计工作和设计方案提供可靠依据。

[1]常士骠,张苏民.工程地质手册[M].北京:中国建筑工业出版社，2007.

[2]SL55－2005，中小型水利水电工程地质勘察规范[S].

[3]GB50011－2010,建筑抗震设计规范[S].

[4]SL31－2003，水利水电工程钻孔压水试验规程[S].

[5]GB18306-2001,中国地震动参数区划图[S].

[6]河北省水利水电勘测设计研究院.唐山市滦县董寨子水库除险加固工程初步设计工程地质勘察报告[R].天津:河北省水利水电勘测设计研究院，2012.