吉林某水库渗漏坍塌致灾机理研究

赵玉滨

(中国电建集团 北京勘测设计研究院有限公司,北京 100024)

吉林某水库渗漏坍塌致灾机理研究

赵玉滨

(中国电建集团 北京勘测设计研究院有限公司,北京 100024)

为了给水库大坝的除险加固工作提供依据,需要确定大坝渗漏原因,明确可能存在的渗漏通道。本研究通过综合地质勘察,利用地质测绘、勘探、物探、室内与现场试验等手段,深入探究坝址区喀斯特发育情况,最终确定覆盖层产生管涌、流土破坏进而导致渗漏,基岩存在的喀斯特及架空通道导致塌陷。

喀斯特;渗漏破坏;坝体坍塌

吉林某水库是一座以居民生活用水为主,兼顾灌溉和工业园区供水的小(Ⅰ)型水利工程。坝体分为混凝土重力坝段、溢流坝段和均质土坝段。土坝建成后发现坝基局部有架空结构,于是在均质土坝段坝基进行了高压摆喷灌浆处理。当水库蓄水至高程540 m左右,导墙西侧河道出现涌水,水量较大,泥沙含量较高,同时河道两侧的泉水也出现涌水冒砂现象;土坝上游坝坡出现旋涡,土坝坝段上游侧出现横向裂缝,抢险人员在旋涡处倒入大量的块石、碎石土,未见效果。旋涡进一步扩大,坝体横向裂缝进一步发展,坝体上游侧出现塌陷,防浪墙倒塌。

水库建成蓄水后发生了渗漏,坝后河流涌水冒砂,发生了渗透破坏。渗透破坏是较为严重的岩土工程问题,是导致大坝破坏的常见形式之一[1],渗透破坏使岩石和土层的力学性质、空间结构发生改变,从而产生变形,严重时导致坝体坍塌。病险水库安全诊断是除险加固的前提与基础[2],本研究目的是查明该水库渗漏通道以及坝体坍塌的原因,为水库除险加固提供指导,保证水库的安全运行。

1 坝址区工程地质条件

1.1 坝址区地层岩性与地质构造

坝址区岩性较简单,覆盖层主要为第四系全新统松散堆积物,基岩岩性主要为石英岩和白云岩。坝址区范围内发育2条断层,主要由碎裂岩、构造角砾岩组成。基岩中主要发育三组节理裂隙。

1.2 坝址区水文地质条件

在水库具备了渗漏的岩性、地形地貌、地质构造等条件时,是否发生渗漏还取决于水文地质条件[3]。

1.2.1 岩土体的透水性

坝址区基岩进行了53段压水试验,结果表明:基岩表部30 m内喀斯特较为发育,其喀斯特形态有溶洞、溶沟、溶孔、溶隙等,多为中等和强透水地层;30 m以下多为弱透水地层,溶洞发育地段为强透水地层。

1.2.2 坝址区地下喀斯特水

2 喀斯特发育地带及溶洞分布探究

2.1 坝址区喀斯特发育特征

坝址区勘察研究过程中,钻探时频繁出现掉钻或者基岩中进尺较快等现象,取得的岩芯有溶隙、溶孔等,孔内电视发现岩石中无论白云岩还是石英岩均有溶洞发育,根据施工、本次钻探岩芯、孔内电视、孔间CT等勘探资料,坝址区喀斯特主要有以下几种类型。

(1) 溶隙、溶孔:在白云岩和石英岩中均有发现,主要沿岩石原有裂隙,或者沿碎裂状岩石的基质发生溶蚀现象。现状不规则,连通性较差,一般宽度<5 mm,压水试验段有溶隙、溶孔时吕荣值一般在5～10 Lu。

(2) 溶洞:溶隙、溶孔进一步溶蚀,形成溶洞,孔内电视揭露的溶洞洞径一般<20 cm,溶洞现状不规则,主要沿裂隙发育,钻孔中发生掉钻的位置分布范围最多可达1.6 m(见图1),个别洞内沉积有砂砾石、含碎石粘性土。

图1 ZK4溶洞Fig.1 ZK4 cave

(3) 溶沟、溶槽、落水洞:在地表水的作用下,地表可溶岩沿断层裂隙溶蚀,规模逐渐扩大形成溶沟、溶槽、落水洞等,原重力坝溢流坝坝基开挖时多处可见溶沟、溶槽、落水洞。

2.2 坝址区喀斯特发育影响因素

2.2.1 岩性影响喀斯特发育

2.2.2 构造影响喀斯特发育

坝址区喀斯特发育与构造密切相关,坝址区断层发育破坏了白云岩、石英岩岩体的完整性,较易溶蚀的碎裂岩和碎裂状岩石就是前期构造运动的产物,岩体的不完整性为地下水的渗流创造了有利条件。在坝址区碎裂岩和碎裂状岩石与后期形成的裂隙交汇处多发育溶隙溶孔,与断层交汇处多形成溶洞。本区经历多次构造运动,构造运动挤压时产生巨大的能量,为早期白云岩喀斯特发育提供了物理力学氛围。

2.2.3 地下水影响喀斯特发育

地下水较为活跃的地区,喀斯特也较为发育,在地表及一定深度内地表水、地下水相互交替,水活动强烈,形成溶沟、溶槽、落水洞等;断层、裂隙交汇部位地下水流动速度较快,喀斯特化程度也较高,多形成溶洞。

2.3 喀斯特发育分布

根据孔间电磁波CT解译和钻孔钻探、孔内电视资料,坝址区主要有3处喀斯特较为发育地带,分别为Ⅰ-Ⅲ号喀斯特发育区,其规模较大,分布范围见图2。

图2 Ⅰ-Ⅲ号喀斯特发育分区分布范围示意图Fig.2 Distribution range of Karst Development ZoneⅠ-Ⅲ1.Ⅰ号岩溶发育带分布范围及分级;2.Ⅱ号岩溶发育带分布范围及分级;3.Ⅲ号岩溶发育带分布范围及分级;4.岩溶发育带编号(分级厚度。

3 大坝渗漏原因分析

3.1 渗漏位置确定

坝址区左侧岸坡地形相对较缓,地表出露的岩性为坡洪积碎石土,下伏喀斯特发育的石英岩,碎石土厚度较大,注水试验表明,渗透性差异较大,具中等透水性,存在绕坝渗漏问题。基岩为石英岩,弱风化,构造裂隙发育,岩体破碎,30 m埋深内发育Ⅰ、Ⅱ号喀斯特发育带,多有溶洞、溶孔、溶隙发育,透水率多>5 Lu,为中等透水—极强透水层,该段存在坝基渗漏问题。

中部坝基为冲积砂砾石,颗粒大小混杂,无分选,厚度2.0～5.5 m,是强透水地层,下伏基岩为白云岩,弱风化,构造裂隙发育,岩体破碎,存在Ⅲ号喀斯特发育带,坝基多有溶洞发育,透水率多>5 Lu,多为极强透水层,极易发生水库渗漏问题。

河床右侧为混凝土坝基,大坝直接座于基岩之上,基岩为弱风化白云岩,岩体破碎,喀斯特发育,但在建坝过程中进行了帷幕灌浆,在水库蓄水过程中未见该处有明显的渗漏问题。本次研究进行了连通试验,在溢流坝上游的ZK5号孔投入示踪剂(食盐),在大坝下游河水及泉水中取样检测,观测近5天时间,未见踪迹,说明混凝土坝上、下游水力联系较差,该处坝基渗漏量较少,也不存在绕坝渗漏问题。

图3 建库前地下水径流(左坝肩—坝下游泉水S1方向)示意图Fig.3 Groundwater runoff before establishment of reservoir(The left dam reaches the downstream S1 direction of dam)

图4 水库蓄水地下水径流(左坝肩—坝下游泉水S1方向)示意图Fig.4 Groundwater runoff ofreservoir site(The left dam reaches the downstream S1 direction of dam)

3.2 建库前后地下水径流特征

根据水文地质条件,建库前喀斯特地下水在河流两岸山区接受降雨的补给,沿喀斯特发育地带向下向河谷方向径流(见图3),在河谷部位,其上覆为坡洪积碎石土或者完整基岩,因此喀斯特水具一定的承压性向河流方向水平径流,或者在坡脚部位上溢成泉(坝下游泉水),水平径流部分在该区最低侵蚀基准面的河流部位上溢进入冲积砂卵石中从而补给河水。

现今(坝体开挖后)地下水的径流条件与建库前相差不大,主要区别为喀斯特水在水库渗漏形成的“天窗”部位出露成泉,水位高程在527 m左右,高出河水位6 m左右(见图4)。说明喀斯特水在河谷一带的承压水头高程在527 m左右。

3.3 水库渗漏原因总结

水库建成蓄水后地下水环境发生改变,地下水的径流也发生了变化。喀斯特地下水同样在河流两岸山区接受降雨的补给,沿喀斯特发育地带向下向河谷方向径流,在大坝位置,由于水库建设中未对Ⅲ号喀斯特发育带进行封堵处理,库水位540 m大于喀斯特水位的527 m,因此库水通过覆盖层的冲积砂卵石强透水层向下补给喀斯特水,而不是建库前喀斯特水补给覆盖层孔隙水。喀斯特水在坝体部位继续向河流方向水平径流,过坝后上溢进入冲积砂卵石中从而补给河水,由于水头较高,通过河流后仍有部分喀斯特水继续前行在坡脚部位上溢补给泉水(坝下游泉水),这也就是水库产生渗漏的原因。

4 坝体渗漏塌陷计算分析

冲积砂卵石渗透破坏形式为管涌,允许水力坡降为0.1～0.15;坡洪积碎石土的渗透破坏形式同样为管涌,其临界水力比降按下式计算:

Icr=(Gs-1)×(1-n)

(1)

式中:Icr为碎石土的临界水力比降;Gs为土粒比重;n为碎石土的孔隙率,此处n为35.9%。

计算结果碎石土的临界水力比降为1.08,取安全系数为2,则碎石土的允许水力比降为0.54。由于该层土土质不均匀,在一定条件下可发生管涌,按《水力发电工程地质手册》级配不连续土(缺砂)其管涌型允许水力比降为0.15～0.20。

根据勘察,本区的坝体填筑土5 m左右,下伏覆盖层10.2～14.5 m,岩性有冲积砂卵石和坡洪积碎石土。水库建成蓄水后,库水向下径流补给Ⅲ号喀斯特发育带的喀斯特水,按库水位540 m,喀斯特水水头527 m,库水向下径流补给Ⅲ号喀斯特发育带的喀斯特水这一段的水力坡降计算公式为:

J=(H1-H2)/S

(2)

式中:J为水力坡降;H1、H2分别为库水位和喀斯特水水位;S为下伏岩层厚度。

计算J=0.67～0.85大于砂卵石和碎石土的允许比降0.1～0.15,因此在该处覆盖层发生了管涌渗透破坏。初步估算在喀斯特水上溢进入砂卵石补给河水段,水力比降0.25～0.5,大于砂卵石的允许水力比降,因此在喀斯特发育的基岩和砂卵石接触面一带也发生了接触冲刷。这两种渗透破坏将大量覆盖层中的细颗粒带走进入喀斯特管道中,进而在坝后涌出。

随着覆盖层中细颗粒的减少,覆盖层仅残留粗颗粒的卵砾石,形成架空结构,并发生沉陷,坝基的沉陷造成坝体结构破坏,产生横向裂缝,库水沿这些裂缝向下径流进入覆盖层补给喀斯特水,同时也带走了大量的坝体土,引起坝体塌陷,造成坝体破坏防浪墙倒塌,这就是坝体塌陷的原因。

5 结论

本水库蓄水后地下水环境发生改变,地下水的径流也发生了变化。库水位540 m大于喀斯特水的527 m,因此库水通过覆盖层的砂卵石层向下补给喀斯特水,而不是建库前的喀斯特水补给覆盖层孔隙水。喀斯特水过坝后上溢进入冲积砂卵石中从而补给河水,这就是水库产生渗漏的机理。库水渗漏过程中,在库水向下补给喀斯特水段,其水力比降计算为0.67～0.85,远大于覆盖层砂卵石和碎石土的允许比降,易形成管涌;在上溢段沿喀斯特发育的基岩表面和覆盖层接触部位,发生接触冲刷。这些渗透破坏造成覆盖层沉陷成架空结构,上覆坝体塌陷。

综合上述,水库土坝坝基渗漏问题较为严重,渗漏通道为砂卵石、碎石土和喀斯特发育带,砂卵石、碎石土可全部挖除,碎石土可采用旋喷灌浆处理,基岩表部30 m内喀斯特较为发育地带,可整体帷幕灌浆处理,另外建议对深部孤立喀斯特管道,进行单独灌浆处理。

[1] 曹卫平.土力学[M].北京:北京大学出版社,2011.

[2] 韦廷秋.病险水库安全诊断与除险加固新技术[J].建筑工程技术与设计,2016(31):2332.

[3] 陆兆溱.工程地质学[M].北京:中国水利水电出版社,2001.

(责任编辑：于继红)

Study on Mechanism of Seepage and Collapse of a Reservoir in Jilin

ZHAO Yubin

(PowerChinaBeijingEngineeringCo.,Ltd,BeijingChina100024)

In order to provide basis for reinforcement work of dam,it is necessary to determine the cause of dam leakage and identify the possible leakage channels.Through comprehensive geological investigation in this study,geological survey,exploration,geophysical exploration,indoor and field tests are carried out to explore the development of Karst in dam site area,finally,the reasons of piping,flowing soil damage,the existence of bedrock Karst and collapse of aerial channels are determined.

Karst; seepage damage; dam collapse

2017-06-20;改回日期:2017-07-04

赵玉滨(1981-),男,高级工程师,地质工程专业,从事水利水电勘测设计工作。E-mail:zhaoyb@bhidi.com

TV697.3+2

A

1671-1211(2017)04-0416-04

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2017.04.014

数字出版网址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20170622.1655.012.html 数字出版日期:2017-06-22 16:55