八盘峡坝基软弱夹层泥化及大坝安全性分析

刘世煌

(水利部水电水利规划设计总院，北京　100120)



八盘峡坝基软弱夹层泥化及大坝安全性分析

刘世煌

(水利部水电水利规划设计总院，北京100120)

八盘峡水电站坝基为白垩系河口群粉质砂岩及泥岩，受构造运动影响，软弱夹层较为发育，经41 a运行，软弱夹层存在泥化现象。综合分析水质、析出物及安全监测资料，对比盐锅峡、葛洲坝等水电站运行状况认为，八盘峡水电站坝基软弱夹层泥化现象尚未影响大坝安全，但需保持高度关注，视析出范围和析出量的变化，采取相应措施。

软弱夹层；泥化现象；八盘峡水电站；大坝安全

1　八盘峡坝基软弱夹层

八盘峡水电站位于黄河上游，盐锅峡水电站下游18 km。坝轴线处黄河流向NE60°。工程任务为提供保安电源和少量灌溉。库容4 900万m3，枢纽工程由河床式厂房、3孔泄洪闸、4孔溢流坝、2孔非常溢洪道和左右挡水坝段等建筑物组成。重力坝最大坝高33 m，坝顶长396.4 m，河床径流式电站，设计水头18 m，1997年扩机后装机220 MW。工程的地震设防烈度为8度。1969年10月开工，1974年蓄水，至2015年已安全运行41 a。

坝基为白垩系河口群组粉质砂岩、砂质黏土岩和页岩，坝址区以F23和F24为界，岩性和构造特征有明显区别：① F24以左闸坝坝段坝基为紫色砂岩、砂质黏土岩和页岩，呈平缓褶曲状，NW325°，倾NE，22°～30°；岩层走问与河流呈大角度相交，缓倾下游，对稳定不利；② F24以右的厂房坝段坝基以灰白色砂岩为主，其中F23与F24间，因错动，岩层产状NE35°，倾SW，倾角8°～10°；③ F23以右坝基以灰白色砂岩为主，岩层产状NE700，倾NW，倾角50°，见图1。

图1　八盘峡坝轴线地质纵剖面图

表1　八盘峡软弱夹层原物理力学试验成果表

设计采用的计算参数：厂房坝段岩体f=0.6，f＇=0.7，C＇=0.3 MPa。安装间f=0.35，f＇=0.5，C＇=0.1 MPa。溢流坝和泄洪闸坝段f=0.5，f＇=0.6，C＇=0.2 MPa。层面f=0.33，f＇=0.5，C＇=0.1 MPa。

盐锅峡水电站钻孔的芯样资料证实：软弱夹层泥化后抗剪强度迅速降低，从原f=0.35降为f=0.24，软弱夹层泥化是影响八盘峡水电工程安全的重要问题。

为了确保大坝抗滑稳定，延缓软弱夹层泥化进程，建基面开挖后，用草袋铺盖并洒水养护；坝踵附近设4 m深齿槽；机组坝段前铺盖长20 m；河床及闸坝坝段前铺盖长30 m；溢流坝段前铺盖长15 m，所有铺盖厚均为0.5 m；坝基固结灌浆，并设防渗帷幕，帷幕总长283.5 m，灌浆孔距2 m，深入基岩达22 m，帷幕后设排水孔。

施工期间因发现F23、F24破碎带宽2～4 m，出露300 m，岩体切割破碎，部分建筑物置于平缓的夹层泥上，1969年决定将坝轴线上移103 m。施工中因上游左导墙的中段地基被断层与层面组合的双面滑动体截断，向临空面缓慢滑动，不得不将导墙中段改建在上下段的外侧，上下块间用钢筋网支撑。

2　八盘峡坝基软弱夹层泥化现象

1974年水库蓄水，运行10余年后，地下水硫酸盐含量高达6 200 mg/L，左岸坝基廊道排水沟内水位变动部位的混凝土破坏严重，疏松解体，失去强度，同时还发现坝基软弱夹层有恶化趋势，溢流坝段排水孔的水变为红色……,1991年进行了坝基补强工作。

1992年首轮大坝安全定期检查中除专题研究地下水侵蚀问题外，对软弱夹层泥化问题也十分关注，通过补充钻孔取样试验，提出《水电站挡水建筑物地基运行分析报告》，认为软弱夹层的主要矿物成分为伊利石，黏粒含量在10%以下，含水量较少，结构致密，无明显泥化现象，蓄水后坝基软弱夹层性态无明显变化。

2006年第2次大坝安全定检后发现排水孔口析出物较多，委托河海大学进行试验研究。八盘峡水电站排水廊道54个排水孔中有32个孔有析出物，占总数59.25%。其中有紫红色析出物27个孔，占有析出物排水孔数的84%，其余2个孔为黑色析出物、2个孔为白色析出物、1个孔为土色析出物。对比2000年第1次大坝安全定检，析出物增多了，且以紫红色析出物为主。

表2　析出物及其地质背景、排水量、渗压的分析表

2015年8月第4次大坝安全定检发现，54个排水孔口有52个孔口有析出物，占总孔数的96%，有析出物排水孔数目在增加，析出物几乎成为普遍现象。在52个有析出物排水孔中，紫红色泥状析出物有31孔，白色析出物有16孔、黑色析出物2孔、土黄色析出物3孔。相比2009年监测成果，紫色泥状析出物的孔数增加了4个孔，紫红色析出物排水孔的数量和分布范围有所增加。

对比2006年与2015年析出物钻孔数量和分布，分析相应的地质背景、岩性、排水量、扬压力等，对比分析情况见表2。

由表2可以看出：

(1) 坝基排水廊道内渗水量，1992年为0.011 L/s，2015年增至为0.246 L/s，渗水量虽有所增加，但渗漏量不大，且各排水孔出水均为清水，说明尚未发生明显渗流破坏。

(2) 析出物的颜色以紫红色泥状为多，且与原岩颜色总体对应，相对比较，2015年有紫色析出物的孔数增加了4个，白色析出物的孔数增加了14个，有白色析出物孔数增加比较明显。

(3) 紫色析出物较多的孔集中于左侧闸坝的地基中，其中左安装间B16、16沉点、3号闸B7、2号闸B10、1号闸B16紫色析出物数量较多。

(4) 除黑色析出物有臭味外，其他颜色析出物大多无味，排水孔渗水大多有咸味，部分析出物有絮状物，说明析出物产生过程中不单是物理及化学反应，可能还有微生物的作用。

(5) 除右岸安装间与左副坝段幕后扬压力测值超标外，河床中部闸坝及厂房坝段的坝基内的渗压均低于下游水位；除1、4号厂房坝基渗漏量偏大外，其余排水孔渗水均较小；排水量较多的排水孔，析出物量一般较多。目前尚未看出坝基渗压与析出物数量有明显对应关系。

2004年和2015年分别在排水孔孔口取出紫色、白色、黑色析出物试验，其无机物成分对比见表3。

由表3对比分析可见：

(1) 紫色析出物颗粒较细，化学成分相对单一，以Fe2O3为主，含量可达50%～70.3%；其次，为SiO2、CaO。此类析出物的烧失量比较高(4.44%～29.3%)。

(2) 白色析出物化学成分以CaO为主，合量可达19.5%～50.4%；其次，为SiO2、MgO、Na2O、SO3、Fe2O3。此类析出物的烧失量较少。

(3) 黑色析出物主要矿物成分以SiO2为主；其次为CaO、Al2O3、Fe2O3、K2O、MgO；另外，还含有少量的MnO。烧失量可达35.15%，可能与其间有机物有关。

坝址原岩矿物的化学成分测试见表4。

表3　析出物矿物成分对比表

表4　坝址岩样的化学成分测试结果表

从表4对比原岩矿物成分可见：

(1) 坝址红层岩体的化学成分仍然以硅、铝为主，两者之和SiO2+Al2O3=73.10%～77.20%。Fe2O3含量也比较高，在渗水淋滤及化学潜蚀作用下，析出物与原岩化学成分总体无太大变化，但原岩中部分胶结物溶失，部分比表面积较大的物质悬浮“空化扩容”，原岩中Fe2O3析出富集，紫色析出物中Fe2O3含量增加至50%以上；受地下水溶蚀作用，原岩中的CaO及砂岩中可溶性碳酸盐类胶结性矿物析出，白色析出物的CaO含量也增加至40%～50%，析出物的矿物成分及比例发生了一定变化。

(2) 区内紫色矿物中铁(包括锰)元素可相对富集于结构面中，受淋滤作用，此类元素在还原环境下，岩体结构面中的铁或以低价离子态或以低价的游离氧化物进入水溶液中并随之运移。当地下水流出排水孔口而处于氧化环境时，水中的低价铁离子变成高价铁离子，低价氧化物(胶粒)变成高价“难溶”的高铁氢氧化物。

跨文化交际的“修辞转向”具有重要意义，它并不是盲目地去宽容文化差异，而是呼吁对之展开批判性的研究以求最终消除差异。人们既要包容可接受的差异，也要重视培养有助于消除差异的批判性跨文化思考和修辞能力。面对差异，空洞的“和而不同”无助于寻求跨文化交际理论新视角，也无助于解决文化差异造成的分歧。跨文化交际研究可以在“修辞转向”的基础上，通过语言力量的“斗智”，正视分歧，尊重分歧，协调分歧，从而在非武力解决纠纷领域发挥其功效。

(3) 综合上述试验成果认为：白色析出物主要矿物成分为CaO，主要来源于混凝土坝体、防渗帷幕；紫色析出物主要矿物成分为Fe2O3，主要来源于页岩与软弱夹层。

3　八盘峡重力坝坝基浅层抗滑稳定性

(1) 1988年西北勘测设计院在《中国西北大坝和水电站建设》中，汇编了戴尚纯“黄河八盘峡水电站兴建中几个工程地质问题”一文，认为：坝基岩体产状总体平行河流，倾角较陡，但岩体中断裂发育，个别坝段当软弱夹层与斜交河床的NNE向倾上游的结构面组合时，易产生浅层滑动，如3号溢流坝，坝基紫色砂质黏土页岩及软弱夹层(产状NW325°，倾NE，22°～30°)，当与F63组合时，可能沿结构面构成不利结构面组合向下游滑动。

(2) 1998年首轮大坝安全定检时对八盘峡重力坝抗滑稳定性进行复核，认为用赤平透影法分析，八盘峡坝基不存在不利结构面组合，也就不存在因软弱夹层泥化而加重的坝基浅层抗滑稳定问题，同时坝体沿建基面的抗滑稳定安全系数满足规范要求，除右岸副坝(挡5、6、7号)坝踵应力在正常、校核及地震工况下出现拉应力且超标外，其他各坝段坝基应力满足规范要求。

(3) 2015年第4次大坝安全定检认为，坝体水平变位和垂直变位的变化规律正常，坝顶最大水平位移年变幅7.31 mm，坝顶垂直位移年变幅5.01 mm，坝基扬压力折减系数大多小于设计的计算值，坝基渗漏量0.246 L/s。坝基析出物的分析成果表明：八盘峡坝基软弱夹层已出现泥化现象，含紫红色析出物排水孔数占排水孔总数的50%以上。为减少软弱夹层泥化影响，本工程已采取坝前增加水平防渗铺盖、坝踵下设齿槽、坝后加钢筋混凝土护坦等措施，综合分析41年来坝体变形、渗流及渗压等资料，未发现渗流破坏及其他异常现象，初步认为八盘峡坝基紫红色泥状析出物及软弱夹层泥化现象尚未影响大坝安全，但仍需加强监测。

鉴于右副5、6、7号坝段在正常和校核及地震工况下，坝踵部位出现拉应力且超标，渗压及渗流量较大，析出物较多，虽然上述坝段增设了64根锚筋及9根抗滑桩，提高了安全储备，但仍应增加必要的监测措施，对重力坝坝基浅层抗滑稳定问题仍应关注。考虑到目前白色析出物有增多的趋势，对防渗帷幕的防渗效果及渗压和渗流量的变化仍应关注。

4　同类工程分析

软弱夹层的泥化问题是影响重力坝抗滑稳定重要问题之一，盐锅峡、葛洲坝等同类水电站工程均开展过专题研究。

4.1盐锅峡水电站

1958年黄文熙教授指出：盐锅峡坝基存在黏土质页岩软弱夹层泥化及大坝抗滑稳定问题。设计院认为该软弱夹层呈薄透镜体尖灭封闭状存在于坝基中，干密度大，液性指数为负值，排除了坝基软弱夹层泥化问题。为提高大坝抗滑稳定并减少混凝土工程量，挡水坝段内设宽缝，以减少坝基扬压力；坝基固结灌浆，在坝基中设主副帷幕各1道，主帷幕深25 m，副帷幕深12 m，帷幕灌浆孔距3 m，并设坝基排水；坝址下游利用相邻水工建筑物做基岩的覆盖保护，以防缓倾软弱岩层裸露；控制坝址上下游建基面高差，开挖锯齿状建基面，作为抗滑稳定的安全储备；挡Ⅰ～挡Ⅲ坝段坝踵处设齿槽，并设坝基排水。

1964年8月在右坝头6-1号灌浆孔钻进过程中，当钻至S68软弱夹层部位时发生埋钻，地质人员认为是软弱夹层泥化所致。相继在基础灌浆廊道、坝趾及尾水渠左岸钻孔12个，孔径75 mm， 双管单动取芯, 共钻孔267.86 m , 平均孔深20 m 以上;钻孔取芯率90%以上，并进行了压水试验、水质分析、黏土矿物鉴定、X射线衍射、红外光谱、电镜扫描等分析研究工作。结论为：盐锅峡水电站坝基软弱夹层在水库蓄水后发生了变化, 产生了普遍软化和泥化现象，并认为原设计坝基沿软弱夹层抗滑稳定计算中, 取f=0.35、C=0，各种工况下抗滑安全系数均能满足要求，但如果按此次检查的试验结果,按饱和固结快剪值应采用f=0.24，C=0，则除正常运行工况外, 其它工况均不能满足坝基抗滑稳定要求。

1989—1992年大坝首轮安全定期检查，为验证钻孔检查中发现的软弱岩层软化和泥化的真实性, 在10号挡水坝段的宽缝坝基中, 在钻孔检查已发现软弱岩层总数比例较大的地一4号孔和地一5 号孔附近,开挖了1号和2号探井,井深为6 m 和4 m。探井检查表明：在钻孔取得软化和泥化岩芯层位相对应的探井中的软弱夹层, 并没有发现软弱夹层软化、泥化现象。经现场取样测试和试验, 其天然容重、干容重、含水量、塑性指标和液性指数等与初步设计阶段软弱夹层试验成果基本上一致, 且抗剪强度较高(f= 0.42～0.69 )，据此认为：盐锅峡坝基软弱夹层不存在普遍泥化问题，但不排除局部泥化的可能。

2014年8月大坝第4次安全定检，在10号挡水坝段宽缝中看到坝基砂岩和砂质砾岩结构完好，但宽缝内的渗水中发现少量红色泥状物质，2号探井测压管的顶部积有少量红色泥状物质，这似乎说明：20年来，盐锅峡坝基原先不渗水的2号探井目前渗水了，原先无泥化现象的宽缝渗水中出现了红色泥状物，这也说明盐锅峡软弱夹层虽并未普遍泥化，但不能排除局部泥化可能，以前未泥化的软弱夹层，今天可以在渗透水流作用下出现泥化现象。

4.2葛洲坝水电站

葛洲坝坝基岩体为白垩系下统石门组和五龙组碎屑岩，从右至左依次为砾岩、粉砂岩、黏土质粉砂岩、砂岩和黏土岩，其中软弱夹层和软弱夹层剪切带共72条，尤以130号(剪切带总厚0.3～0.5 m，泥厚3～5 mm)，227号(剪切带总厚0.26 m，并有厚1～3 mm的泥化带)等5个层间剪切带，性状差、分布广、力学强度低、承载能力差、容易产生错动和不均匀沉陷，在渗透水流作用下存在渗透破坏的可能性，对坝基的抗滑稳定和不均匀变形影响较大，为此在大坝基础廊道内预留了227号、130号剪切带的观测点，并埋设变位监测仪器。

施工中二江泄水闸7号闸段开挖至26.826 m时，沿层面剪切带及缓倾裂隙面拉开，坝基卸荷回弹13.6 mm，同时剪切带出现侧向位移，其中202，212剪切带最大侧向位移达80 mm 。1981年蓄水后坝基沉降5～10 mm，最大达20.83 mm。蓄水后还发现2号船闸出现红水。

2006年，130号剪切带观测点壁面清理前与过去没有明显变化，表面很潮湿，泥化带表面稀软，出水主要集中于壁面上部的砾岩中，并在砾岩底板形成7处滴水，总水量约10 mL/min。向里掘进0.2 m后，软弱夹层仍较为完整，很少见到有水渗出，泥化带已不再稀软，恢复为可塑及硬塑的常态， 23 d后，挖面陆续出现出水点，其中砾岩有4处，总水量约14 mL/min；另外4处渗水均出自泥化带上面的鳞片状劈理带中，水量约3 mL/min。由于受渗水的浸润，泥化带局部变软，呈软塑状。

227号剪切带观测点壁面在清理前，壁面外侧堆积有大量自壁面脱落的黏土岩小块体，总量约15 kg，已变得异常松软。将227号剪切带表部10 cm厚的松动岩块清除后，里面的岩石性状变好，已接近新鲜状态。观测壁面左上角原有6处出水点已不渗水，但右上角的W9水量有所增大，可以明显见到渗水流动，出水点以下的一大片岩壁(面积约0.25 m2)变得很潮湿；出露于227号剪切带底面右侧的W10，水量相对较大，流量约20 mL/min。向里掘进0.8 m，新壁面新鲜完整，很少见出水，23 d后，出水点逐渐增至7处，有3处出露于227号剪切带以上粉砂岩，另4处出露于鳞片状劈理带，水量均很小。由于受劈理带外渗水流的浸润和人工扰动，劈理带下部已泥化、软化，致使泥化带增厚到2～3 cm。右侧壁有一出水点W1，出水量为164滴/min。壁面现已变得较潮湿。

130、227号剪切带观测壁面宏观变化观测记录表明：自葛洲坝工程投运40多年来，观测点壁面的宏观变化仅限于渗水点附近，常表现为泥化带表面稀软、壁面掉块等现象，均不涉及剪切带本身性态的变化。当沿观测壁面向里挖掘数10 cm后，新的壁面仍十分新鲜完整，说明剪切带性状整体并未发生变化。

5　结　语

(1) 软弱夹层的泥化问题是影响重力坝抗滑稳定重要问题之一，对此问题应予以足够重视。该问题包含软弱夹层是否存在泥化现象和泥化后对大坝安全的影响2个问题。泥化现象是黏土矿物中亲水性物质在水的物理化学和微生物等作用下流塑的现象，判别软弱夹层泥化，可以采用钻孔取芯，开凿探井，也可以采用析出物分析等方法。

(2) 在正常状态下软弱夹层常处于干燥状态，密度大，比重高，液限指数常为负值。蓄水后当软弱夹层存在渗流通道时，在渗透水压和渗透水流作用下，沿渗流通道两侧会发生软化泥化现象，当软弱夹层本身透水性较小时，软弱夹层的软化和泥化过程比较缓慢，可分为早中晚3期，早期一般渗水量不大，携带出来的泥状物不多；随着时间的推移，软弱夹层的软化和泥化会沿渗流通道向纵深方向发展，渗水点增多，渗水量加大，携带出来的泥状物增多，出口会堆积一定的坡积体；当渗量渗压及析出物明显增加并出现浑水时，对工程安全的影响加大，应研究相应的防渗或加固措施。

(3) 软弱夹层软化、泥化发展会使力学参数降低，造成软弱夹层的错动，基底脱空，甚至导致坝体失稳，影响工程安全。坝体失稳不仅与软弱夹层是否泥化有关，还与结构面组合、力学参数变化及诸多外部条件有关，应根据泥化范围、泥化程度、结构面组合、力学参数变化、坝体变位、防渗效果、渗流量和渗压的变化等，综合评判坝体稳定性和工作性态。

(4) 析出物是在具有一定侵蚀性环境水的条件下，通过物理化学及生物等作用，将坝体或岩体中的矿物或矿物之间的胶结物或结构面中的充填物等析出的产物。软弱夹层的软化泥化与软弱夹层结构特性、矿物成分、渗透水压、渗透水流及水质等因素有关，也与工程防渗效果有关。一般劈理发育、蒙脱石含量高、防渗效果差、渗透水流及压力大，pH>9的碱性水时，软弱夹层易于软化、泥化。实验证明：由于淋滤等物理作用，析出物内无机矿物成分总体未发生变化，但析出物各矿物比例却明显变化；通过化学反应，矿物成分可以发生变化；经微生物作用，析出物中会出现一定量的絮状物质。

(5) 实践证明：加强坝基垂直防渗有利于切断渗水来源，有利于降低渗流坡降，也有利于防止和减缓软弱夹层软化、泥化。完善的防渗体系，大齿槽、固结灌浆以及必要时的锚固措施，是处理软弱夹层软化、泥化问题的较好办法。

[1]大坝安全监察中心.八盘峡大坝首次安全检查报告[R].1992.

[2]大坝安全监察中心.八盘峡大坝第二次安全检查报告[R].2001.

[3]大坝安全监察中心.八盘峡大坝第三次安全检查报告[R].2008.

[4]大坝安全监察中心.八盘峡大坝第四次安全检查报告[R].2015.

[5]黄河上游水电开发有限责任公司公司陇电分公司.黄河八盘峡水电站大坝运行总结报告[R].2015,5.

[6]黄河上游水电开发有限责任公司公司陇电分公司.八盘峡水质分析报告[R].2015,5.

[7]姚仁.盐锅峡大坝坝基软弱岩层性状检查试验成果分析[J].大坝与安全,1994(03):20-28.

[8]西北院志编委会.西北勘测设计研究院志[G].北京：中国电力出版社,2000.

[9]徐瑞春，周建军.红层与大坝 [M].北京：中国地质大学出版社,2010.

[10]曲永新.某水利工程泥化夹层的形成及变化趋势的研究[J].地质科学,1977(04)：61-69.

[11]大坝安全监察中心.湖北葛洲坝水利枢纽大坝安全第二次定期检查报告[R].2006.

[12]西北勘测设计院.中国西北大坝和水电站建设[G].北京：北京水利电力出版社,1988.

[13]宋汉周.黄河八盘峡水电站坝址水质及析出物分析评价报告[R].南京：河海大学,2006.

[14]黄河八盘峡水电站坝址水质及析出物分析评价报告[R].成都：四川大学，1999.

[15]柯少云.新安江大坝2 号、3 号坝段坝基厚层页岩软化泥化机理及趋势分析[J].水电站设计,2005(02)：58-62.

Analysis of Argillizaion of Soft and Weak Interlayer in Dam Foundation and Dam Safety,Bapanxia Hydropower Station

LIU Shihuang

(General Institute of Water Resources and Hydropower Planning and Design, Beijing100120,China)

The dam foundation of Bapanxia Hydropower Station is silty sandstone and mudstone of Hekou group of Cretaceous in lithology. Impacted by the tectonic movement, the soft and weak interlayer is developed. After 41-year operation of the station, the interlayer at the dam foundation occurs argillization. Through analysis on water quality, precipitates, and safety monitoring data as well as compared with operation of Yanguoxia and Gezhouba Hydropower Stations, the argillization of the soft and weak interlayer in the dam foundation of Bapan Hydropower Station doesn't impact yet. But more attention shall be paid. Corresponding measures shall be taken according to the precipitate range and quantity. Key words:soft and weak interlayer; argillization phenominon; Bapanxia Hydropower Station; dam safety

1006—2610(2016)04—0008—07

2016-03-04

刘世煌(1941- )，男，江苏省南京市人，教授级高工，从事水利水电工程勘测、设计、科研、设计审查、咨询、安全鉴定、安全评价等工作.

TV223

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10.3969/j.issn.1006-2610.2016.04.003