南坪水库大坝安全鉴定工程地质分析

2016-07-16李明福董承山

水利水电工程设计 2016年1期

关键词：南坪壤土坝基

李明福　董承山

南坪水库大坝安全鉴定工程地质分析

李明福董承山

摘要南坪水库建成蓄水后坝体出现较大裂缝，通过勘探、室内试验，分析了坝体裂缝特征、大坝质量现状、坝体产生渗漏的原因，论述了坝基变形、出现裂缝及对大坝土体结构产生破坏的机理。

关键词坝体质量坝体裂缝湿陷变形土体结构南坪水库

南坪水库位于宁夏海原县南坪村以西的沟谷中，水库大坝为碾压式均质土坝，坝顶高程1 603.0 m，坝顶长495 m，最大坝高42.0 m，坝顶宽8 m。水库大坝于2008年起进行施工，2009 年9月开始蓄水。由于运行期间坝体出现裂缝、渗漏等现象，对大坝进行了安全鉴定地质勘察，本文拟对勘察资料进行初步整理分析，以了解坝体质量和其变形机理，为施工处理提供依据。

1　基本地质概况

库区属于构造剥蚀丘陵地貌单元，地面高程在1 575～1 800 m，地形起伏较大，沟谷发育，水土流失较为严重。水库所处沟谷呈不对称V形，南北向展布。坝址右岸岩体裸露，坡度较大；左岸发育Ⅰ级阶地，宽度400 m左右，地形向沟底方向倾斜，坡降13%，其上面小冲沟发育，地面植被不发育，为侵蚀基座阶地。坝址出露的地层有第三系渐新统清水营组（E3q）泥质砂岩及砂岩；第四系全新统冲积（Q41al）壤土；第四系全新统（Q4m）马兰黄土等。

近场区范围内分布有清水河大断裂，总体走向NW335°、长约百余千米，距离南坪水库以东10 km。在左坝肩下游存在1条右旋走滑断层，推测为清水河断层的分支断层，走向近SN，沿断面充填2～4 cm厚的石膏。总体上坝址区构造不甚发育，基岩产状较平缓。

宁夏地震工程研究院对南坪水库场区地震安全评价结论为：库区属抗震不利地段；50年超越概率10%水准下，本区的地震动峰值加速度0.28g，地震基本烈度为8度。

坝区地下水类型主要有孔隙潜水和基岩裂隙水。前者水量较少，只赋存于粗砂层中，并没有形成连续的地下水位，由大气降水补给，排泄于沟谷。第三系砂岩层中有基岩裂隙水，略具承压性质，由大气降水补给，以下降泉的形式沿沟谷砂岩露头排泄于河床中，流量仅0.5～0.7 L/min。地下水水化学类型为SO42--Cl--Na+，对混凝土及钢结构均具有腐蚀性。

2　坝体工程地质特征

2.1坝体结构

坝体填筑土主要由3种土料组成，岩性较复杂，土质不均匀，大部呈坚硬—硬塑状态，具中低压缩性。坝体结构特征及（岩）土层分布情况见图1。

图1　水库大坝标准断面图

（1）区为褐黄色间浅红色壤土和粉质黏土，土层中可见少量石膏，具有分散性；（2）区为褐黄色壤土，其间可见少量石膏；（3）区为改良性土，即壤土中掺入约0.7%的熟石灰。坝基持力层由第四系冲积（Q41al）壤土和第三系（E3q）紫红色泥质砂岩及砂岩组成。另外，靠近左坝头埋有一坝下输水管道。

2.2坝体裂缝发育情况

水库蓄水后，近左坝头埋管处坝体产生一条横向裂缝及上下游坝坡各产生一条纵向裂缝，横向裂缝贯通整个坝体，裂缝宽度10～60 mm，裂缝深度可能达到坝基，可使库水由此通道产生渗流及管涌；纵向裂缝基本贯通，裂缝上部土体有向下滑移迹象，裂缝宽度5～20 mm，进一步发展会造成坝坡蠕变甚至滑坡，严重危及大坝运行安全，于是2011年2月至6月对坝体裂缝进行了灌浆处理，达到了一定的预期效果。

2013年5月对大坝安全鉴定勘察中发现，在上游坝坡沿坝体走向断续地存在不同程度的裂缝，主要分布在1 593 m混凝土马道上，裂缝一般宽5～15 mm，延伸长度6～42 m；在下游坝坡及坝顶裂缝则零散分布，多顺坡向（横向）发育，裂缝宽5～20 cm，延伸长度一般6 m左右，最长20 m。个别裂缝已被水流冲刷成落水洞。由于下游坝坡排水不畅通，沿裂缝在下游1 593 m和1 583 m马道出现几处塌坑。坝体下游坡脚处渗漏痕迹明显。

2.3坝体质量现状

对坝体填筑土取样和进行物理力学试验，统计指标见表1。此外对填土进行了击实试验，其最大干密度在1.87～1.89 g/cm3之间，最优含水率为13.5%～14.3%。

从试验成果看，坝体填土干密度在1.67～1.76 g/cm3之间，按地震基本烈度8度，筑坝时设计压实度为0.98，与其对应的最大干密度为1.83～1.85 g/cm3之间，而采取的原状样无一组达到该指标；孔隙比为0.534～0.617，没有达到设计密实状态；坝体水平渗透系数1.8×10-4～6.6×10-4cm/s，渗透系数均大于1.0×10-4cm/s，坝体具弱—中等透水性。总之，与原坝体填筑时的土体指标相差较大，坝体现状质量较差。

表1　填土物理力学指标汇总表

3　坝基变形分析

3.1坝基地层及处理情况

坝基地层主要为第三系清水营组（E3q）泥质砂岩和第四系全新统冲积（Q41al）壤土。泥质砂岩，厚层状，泥质胶结，局部夹有石膏层，自由膨胀率为41.0%～50.0%，具弱膨胀潜势。主要出露于右岸，表部强风化层厚1.0～1.5 m。冲积壤土，褐黄色，黏粒含量超过18%，夹有粉质黏土层，具水平层理，主要分布于水库左岸阶地，厚度6～11 m。

坝基处理措施为：先将河床部位含砾壤土及粗砂清除，截渗槽开挖至（E3q）泥质砂岩顶部，宽7～8 m；坝体大部坐落于（Q41al）壤土地基上，对（Q41al）壤土层采取了强夯处理。沟底区域夯实效果较好，影响深度约1.5 m，而斜坡部位夯实效果较差，影响深度仅达到1.0 m左右。

3.2坝基湿陷变形特征

为了解坝基土层湿陷性，在左右岸坝后坡脚强夯区内各布置探井、取原状土样进行试验，壤土物理力学性质指标见表2。

表2　坝基壤土物理力学指标汇总表

试验结果表明，右岸坝脚强夯区内的壤土层厚度10.5 m，自重湿陷量Δzs=136.8 mm，湿陷量Δs=678.5 mm，属于Ⅲ级自重（严重）湿陷场地；左岸坝脚强夯区内的壤土层厚度6.0 m，自重湿陷量Δzs=280.8 mm，湿陷量Δs=808.5 mm，属于Ⅲ级自重（严重）湿陷场地。另外坝基壤土中均含有石膏，具有一定的溶蚀性。对坝体下部承受附加荷载预压的壤土层土样进行试验，其物理力学性质指标见表2。将坝下和坝后强夯区的壤土层指标进行比较表明，坝下壤土层密度高于坝后土，且更密实，透水性相对弱，而坝下壤土层属非湿陷性土。上述数据充分说明大坝运行期间坝基在地下水和荷载预压作用下发生了湿陷沉降变形。

3.3坝体裂缝及土体结构变化机理分析

在坝体钻孔中进行了注水试验，其成果如表3所示。

表3　钻孔注水试验成果一览表

成果表明，各钻孔之间、同一钻孔的不同深度渗透系数差别很大，表明坝体内部可能存在裂隙及孔洞等渗漏通道。

前已所述，大坝填筑以前，对坝基（Q41al）壤土层进行了强夯处理，而对于土层厚度大于6 m的坝基和斜坡部位，显然夯实效果很有限，未完全消除土体湿陷性。初步分析，由于水库蓄水运行后坝基渗流条件的改变，以及承受坝体荷载的条件下，坝基产生以湿陷变形为主的不均匀沉降，并导致坝体拉裂。由于坝体变形及出现裂缝对原有的土体结构产生破坏，压实度降低，土体孔隙比变大，进而改变了土体的渗透性。受水库水位涨落、土体干湿变化及土料内石膏等易溶盐溶蚀因素影响下，又使新的裂缝继续产生，从而扩大了分布范围。