田头寨水库大坝坝基地质条件探查及其防渗处理

(1.新疆兵团勘测设计院(集团)有限责任公司云南分院，云南 昆明 650217；2.云南鲁布革顾问有限公司，云南 昆明 650051)

破碎带、喀斯特等不良地质现象对水库大坝地基防渗处理影响较大，甚至起到控制性作用[1]。需采用多种合理、可靠勘察手段查清其发育规律、分布特征，相应制定处理措施，才能确保水库正常蓄水、安全运行。探查范围广、精度高、成本低的工程物探技术[2-3]，以及针对性的地质钻探，非常适合中小型水库勘察设计。

1 工程概况

田头寨水库位于云南省临沧市，大坝为黏土心墙坝，最大坝高50m，坝轴线长220m，为Ⅳ等小⑴型水库，总库容232.65万m3。坝址区出露岩层为侏罗系中统税房街组(J2S)砾岩与含砾粉砂质泥岩、泥质粉砂岩互层，还发育多条挤压破碎带。综合采用高密度电法、钻孔声波测试、钻孔全景图像测试等物探方法，结合地质钻探，基本查清了覆盖层、岩性、破碎带、喀斯特等的分布范围和特征，为坝基防渗设计提供了翔实的数据支持。本文拟对其勘察设计成果进行分析和探讨，以期为类似工程提供有益的启示。

2 物探简介及本工程应用

2.1 高密度电法

2.1.1 测试原理

高密度电法是以地下介质导电性差异为基础，通过观测和研究与这些差异有关人工电场的分布规律，达到查明地层岩性分界、地质构造和寻找地下电性不均匀体(喀斯特、风化夹层、破碎带等)的一种地球物理勘探方法。

高密度电法有多种电极排列方式，如AMNB温纳四极排列、ABMN偶极排列、ρsAB联合三极排列、微分排列等[4]。根据现场实验，田头寨水库采用稳定性较好的AMNB温纳装置。同时，考虑地形、地质条件和目标层埋深，选用4m电极距，每个排列布置电极60根。

2.1.2 数据处理分析

高密度电法现场所测视电阻率，经数据格式转换、数据预处理、地形校正、正演和反演计算后，得到视电阻成像色谱图，据此进行地质解释和分析。

具体步骤如下：一是将转换格式的视电阻率，经数据预处理、消除坏点(如图1中红色标记的4个点)，保留较一致的数据点，并结合现场实验和与其他资料对比分析，选择正演、反演计算参数。二是将预处理后的数据经地形校正，按剖面桩号为X轴、层数为Y轴，绘成测试原始数据视电阻率成像色谱图(见图2)。再采用最小二乘法进行正演计算，得到正演成像色谱图(见图3)。三是进行反演计算分析，目的是由正演视电阻率观测数据，定量推断该剖面下的地电断面，确定地下岩体的真电阻率分布。反演采用最佳拟合法，给定一个初始地电断面，在该断面上计算视电阻率的理论曲线，将理论曲线与实测曲线作对比(拟合)，通过调整参数获得最佳拟合效果。图4为反演拟合所得成像色谱图。

图1 原始数据示意图

图2 原始数据色谱

图3 正演成像色谱

图4 反演成像色谱

2.2 钻孔声波测试法

钻孔声波测试法建立在固体介质中弹性波传播理论基础上，以人工激振方法向介质发射声波，在一定空间距离上接收被测介质的传播速度、振幅、频率等声波参数，经数据处理与分析，了解沿孔深方向岩体的质量、破碎带、喀斯特等的空间分布，是一种轻便、灵活、快捷、高效的检测方法。

2.3 钻孔全景图像测试法

钻孔电视利用井下摄像探头将孔壁图像信息经电缆传送至控制器和电脑，可实现探头全景摄像，图像清晰逼真、剖面实时自动提取、方位及深度自动准确校准，具有观测直观、定位准确、操作简单、精度高、效率高(观测提升速度最高可达0.20m/s)、分析功能强、图像自动保存及拼接等优点，非常适合对裂隙或不连续面的埋深、倾向、倾角、宽度、粗糙度、充填物等性质的观察和分析。

2.4 物探布置简介

田头寨水库坝址区布设高密度电法剖面11条(顺河向6条，横河向5条，编号WTZ1～WTZ6、WTH1～WTH5)，合计5642m；布设钻孔声波测试3孔(坝轴线左岸ZK04、河床中部ZK06、右岸ZK08)，合计225.4m；布设钻孔全景图像测试2孔(坝轴线河床中部ZK06、右岸ZK08)，合计78.4m。探查范围涵盖了坝址附近区域。

3 物探成果分析

3.1 高密度电法

3.1.1 总体情况

阿花的声音很轻，像一缕轻烟，轻轻飘到我耳边。阿花说，那是一段不堪回首的日子，每每想起来，我就如同掉进了深渊。

高密度电法探测结果揭示，田头寨水库坝址区及上下游覆盖层主要为含砾粉质黏土、局部夹孤块石，电阻率为50～250Ω·m，左、右岸坡覆盖层分别厚7～16m、9～12m，河床覆盖层厚1～30m。下伏基岩主要为含砾粉砂质泥岩、泥质粉砂岩、砾岩，其中含砾粉砂质泥岩、泥质粉砂岩电阻率为200～350Ω·m，砾岩电阻率为400～700Ω·m。同时，近坝左库岸存在低阻的挤压破碎带(电阻率小于70Ω·m)，单条宽度一般1m左右，累计总宽度15～20m。

3.1.2 坝址河床中部顺河向情况

WTZ4剖面位于河床中部，与坝轴线正交，长670m(探测成果见图5)。由图5分析可知：河床中部顺河向覆盖层厚2～30m，主要为含砾粉质黏土、局部夹孤块石。其中在剖面桩号0～140m范围内覆盖层平均厚约30m，其他部位厚2～10m，电阻率介于50～250Ω·m。下伏基岩在整个电阻率反演剖面图横向上呈现电阻率高低明显变化的多个分区，即存在岩性变化区域。在剖面桩号135～285m范围内电阻率呈低值反映(200～350Ω·m)，结合钻探及地表调查，推测该区域分布含砾粉砂质泥岩、泥质粉砂岩。在其他位置电阻率呈高值反映(400～700Ω·m)，推测该区域分布砾岩。在剖面桩号505～537m范围内(近坝左库岸)，电阻率表现为极低值(小于70Ω·m)，结合钻探及地表调查，推测该区域为挤压破碎带，由数条挤压带组成，宽约15～20m，顶部埋深约9m。

图5 河床中部顺河向WTZ4剖面成果

3.1.3 坝轴线方向情况

沿坝轴线布设的WTH5剖面(长540m，成果见图6)显示该剖面地形起伏较大，覆盖层厚1～13m，主要为含砾粉质黏土、孤块石等，电阻率50～250Ω·m。下伏基岩在整个电阻率反演剖面图横向上呈现电阻率高低明显变化的分区，即存在岩性变化区域。在剖面桩号90～110m范围内电阻率呈低值反映(200～350Ω·m)，结合钻探及地表调查，推测该区域为含砾粉砂质泥岩、泥质粉砂岩。在其他位置电阻率呈高值反映(400～700Ω·m)，推测该区域分布砾岩。该剖面无破碎带的明显反映特征。

图6 坝轴线WTH5剖面成果

3.2 钻孔声波测试成果

声波速度及其分布规律与地层、岩性、构造、风化卸荷等地质因素密切相关，是衡量岩体质量优劣的重要量化指标[5]。田头寨水库坝址处钻孔声波测试岩体完整性系数Kv与岩体平均波速vp对应情况以及岩体完整性评价见表1、表2。

表1 Kv与vp对应情况

表2 坝轴线方向钻孔岩体声波测试成果

由表1、表2可知：坝轴线钻孔岩体平均波速多在2678～3880m/s之间，随钻孔深度增加，波速均有增大趋势，岩体也从较破碎—完整性差变为较完整。另外，岩体完整程度和风化程度有一定对应关系，总体表现为：强风化岩体破碎—较破碎，弱风化岩体完整性差—较完整，微风化岩体较完整，破碎带岩体构造挤压强烈，岩体破碎。

3.3 钻孔全景图像测试成果

对坝轴线河床中部ZK06、右岸ZK08钻孔进行了全景图像测试，结合钻孔岩芯加以佐证分析(典型图像见表3)。结果表明：ZK06、ZK08钻孔覆盖层分别厚4m、12.4m，测试深度范围内下伏基岩均为砾岩，角砾成分多为砂岩，少量为灰岩。砾岩中未发现溶洞或其他大规模喀斯特现象，仅在灰岩成分的角砾中发现轻微喀斯特现象，多表现为很小很浅的溶坑或溶孔，直径一般0.5～2cm，个别2～6cm，深度一般0.5～2cm，大多无充填，少量充填黏土夹砾石，连通性差。此外，基岩中还发育部分张裂隙，张开宽度一般1～3cm，个别5～8cm，延伸短，充填泥和岩屑。

表3 钻孔声波测试与钻孔全景图像典型资料对照

4 地质钻探成果分析

区域地质调查、地质钻孔及压注水试验成果如下：.坝址区出露基岩为侏罗系中统税房街组(J2S)砾岩与含砾粉砂质泥岩、泥质粉砂岩互层，空间上表现为一套粗细相间的多旋回沉积地层。砾岩泥质胶结，抗风化能力弱，属较软岩，砾石呈角砾状，粒径以1～3mm和2～4cm为主，少量达8～15cm，母岩以灰岩为主，少量为砂岩、石英岩，砾岩局部有轻微溶蚀现象，以溶坑、溶孔为主，连通性差；含砾粉砂质泥岩、泥质粉砂岩岩性软弱，遇水易软化，抗风化能力弱。

坝址左坝肩顺河向发育多条沿大田沟—库盆—左坝肩延展的挤压破碎带，延伸长度大于300m，单条宽度1m左右，深度在基岩面以下30～60m，累计破碎带总宽度15～20m。破碎带在含砾粉砂质泥岩部位多见挤压擦痕。总体产状为N5°～30°E/NW∠50°～60°。岩芯多呈碎块、岩屑，局部呈泥状。透水率q一般10～50Lu，为中等透水；但局部钻孔垮孔严重，无法进行压水试验，推测透水率应大于50Lu，为中等—强透水；存在渗漏问题。

根据钻孔压水试验，坝址区岩体透水性主要受岩体风化程度、构造挤压及贯通性节理的发育程度控制，透水率q整体上随深度增加而减小。其中，左岸岩体q小于10Lu埋深一般在基岩面以下25～30m，河床岩体q小于10Lu埋深在基岩面以下15～20m，右岸岩体q小于10Lu埋深一般在基岩面以下50～60m(见图7)。

图7 挤压破碎带岩芯及挤压擦痕

5 防渗设计

物探、地质钻孔以及原位测试等较为全面客观地查明了坝基地质条件，左坝肩挤压破碎带宽度和深度有限，未发现规模较大喀斯特通道，坝基防渗处理难度不大。经综合比选，设计采用帷幕灌浆防渗处理，防渗边界为正常蓄水位1362.80m与地下水位相交处，防渗底界为弱透水层(q≤10Lu)以下5m。具体如下：

左岸坡坝基段：基础灌浆盖板坐落在弱风化层上部，挤压破碎带帷幕灌浆设2排，孔排距均为1.5m，其余部位设1排，孔距1.5m，最大灌浆深度79m。河床坝基段：基础灌浆盖板坐落在弱风化层上部，坝基帷幕灌浆设1排，孔距1.5m，最大灌浆深度21m。右岸坡坝基段：基础灌浆盖板坐落在弱风化层上部，坝基帷幕灌浆设1排，孔距1.5m，最大灌浆深度61m。

心墙截水槽部位建基面置于弱风化基岩上部，为保证心墙坝基形成完整承载体，避免出现不均匀沉降造成应力集中而导致心墙开裂，对心墙截水槽部位进行固结灌浆处理。在帷幕灌浆轴线及帷幕灌浆上、下游各设1排常规固结灌浆孔，孔排距1.5m。灌浆深度5m，分Ⅱ序错孔布置。

6 结 语

采用高密度电法对田头寨水库坝址区进行全面探查，结合重要部位的钻孔声波测试、钻孔全景图像测试，以及区域地质调查、地质钻孔和原位测试综合分析，较全面查清了坝址区的地质条件，未发现规模较大喀斯特通道，仅局部存在小而浅的溶坑或溶孔，连通性差，左坝肩挤压破碎带深度和宽度有限，为坝基防渗处理方案的制定提供了技术依据。

综合物探方法和地质钻孔等相互印证，克服了单一物探方法存在的专业缺陷，极大地提高了勘探精度和可信度。鉴于田头寨水库大坝地基防渗的重要性以及左岸存在挤压破碎带，建议在施工过程中，根据开挖揭示的地质情况和现场灌浆试验，及时优化调整设计，并严格控制灌浆质量。