砾岩基础上修建刚性坝存在问题分析

2022-08-12黄华龙

建材发展导向 2022年15期

关键词：砾岩基岩坝基

黄华龙

（贵州省水利工程建设质量与安全中心，贵州贵阳 550001）

余庆县团结水库工程任务以防洪为主，兼有发电、人饮、灌溉、养殖等综合功能；主要建筑物包括大坝、泄水建筑物、取水建筑物、渠系建筑物和电站等。大坝设计为定圆心、定外径、拱端局部加厚的砌石重力拱坝，最大坝高37.4m，坝顶弧长161m。

文章对工程质量评价、结构安全评价、渗流安全评价、抗震安全、金属结构安全评价等工作，进行了分析和评价。

1 工程概况

余庆县团结水库位于余庆县城南西约5.3km，属长江流域乌江水系左岸支流余庆河中游带。 2017 年5月进行了安全评价相关工作。通过地质测绘、钻探、物探及取样试验等综合勘察手段，查明坝体结构情况和渗漏情况，查明坝基、坝肩岩 (土) 体工程地质及水文地质条件，通过勘察资料、试验数据及调查资料分析坝体、坝基 (肩) 及近坝岸坡稳定情况，并作出评价。

2 大坝工程地质分析

2.1 地质概况

大坝区河床高程575 ～578m，河谷宽30 ～60m，河谷为608m以下基本对称， 608m以上不对称的宽缓“U” 型河谷；左岸为一低矮单薄的山脊地形，山脊高程为609.5m，山脊后沟谷底高程为599 ～603m，地形坡度约35 ～45°；右岸为一河湾地块，河湾段山脊高程为625m，地形坡度约30 ～45°；大坝区两岸相对高差 30 ～50m，正常蓄水位 605.0m 时，河床宽144m。坝区河流流向为 S21°E转 N61°E，转点位于发电厂房处，河床较平缓，两岸无冲沟发育，岸坡大部分基岩裸露，少部分为覆盖层覆盖，河床高程575 ～578m，河床平均比降为2%，属低山河谷地貌。

2.2 地层岩性

坝区地层岩性单一，为下第三系 (E) 第一旋廻的底部地层，岩性为砾岩，两岸平缓地带为第四系残破积层 (Qedl) 红褐色黏土，河床为第四系冲洪积(Qedl) 沙卵石层，人工堆积层 (Qr)。根据勘察情况，坝区岩性描述如下。

2.3 地质构造

坝址河谷为横向谷，岩层缓倾上游，倾角15°左右，产状变化不大。根据设计及施工资料，坝址区发育六条陡倾角的断层 (f1 ～f6)，集中于坝基左侧至左坝肩一带。 f1、 f3、 f5 呈近南北向延伸， f2、 f4、 f6 呈N40 ～45°E延伸。其中规模较大的f1 断层从左坝肩横穿河床向右坝肩下游延伸，破碎带宽1 ～5m，左岸宽，右岸窄。岩层产状为 N22 ～40°E/NW∠10 ～15°。

坝址区除上述断层外还发育有4 组构造裂隙，其特点是: 密度小，深度及长度大，主要有 N10 ～20°E及N50 ～60°E两组与测区断层所受应力相吻合。

2.4 水文地质条件

坝址区地层岩性为紫红色砾岩，含水性较单一，根据大坝区钻孔压水试验，弱风化及以下岩体透水率在1 ～3Lu，岩层透水性小，主要为基岩裂隙含水层，新鲜岩体为相对隔水层。根据大坝钻孔水位观测，钻孔 ZK1 稳定水位为10m，钻孔ZK2 稳定水位为9.4m，钻孔 ZK3 稳定水位为7.2m，钻孔 ZK4 稳定水位为12.4m，孔口高程在 607.75 ～607.9m，两坝肩地下水位略低于库水位。对坝区调查时库水位在602.4m高程，坝址及库区两岸多处有基岩裂隙泉流出，部分泉点高于正常蓄水位605.0m，根据钻孔及调查发现，坝区岩体为相对隔水层，两岸地下水位主要位于岩层强风化至弱风化带附件，该带裂隙发育连通性好，往下基岩裂隙不发育，连通性也差，靠河床附近地下水位低、往两岸坡分水岭地带，地下水位逐渐抬升。坝区地下水以基岩裂隙水为主，其次为松散孔隙水，无岩溶现象发育，岩体透水性弱。

3 大坝勘探及岩体物理力学参数影响分析

3.1 钻探

坝址为厚层块状岩体结构，岩性为紫红色砾岩，在大坝上共布置了4 个钻孔，左坝肩段两个，溢流坝段一个，右坝肩2#裂缝处一个。钻探完成后对钻孔进行孔内电视及钻孔声波检测。

根据声波资料，坝体混凝土的波速一般较高大于4000m/s，坝基砾岩总体波速较低 (详见钻孔声波测试成果图)，一般为3000 ～3500m/s，局部坝基接触带软化现象明显，比如ZK3 钻孔坝基接触带平均波速2383m/s。根据室内试验，大坝区岩体芯样声波值差异较大，当紫红色泥质含量较高时，岩块的波速较低为2872m/s，当泥质含量少，且胶结较好时，岩块波速较大，为3920m/s，岩块平均声波值3700m/s左右。

3.2 物理力学参数

室内岩石物理力学试验共取了4 组样进行室内试验，两组岩样及两组混凝土样，通过水中称量法、纵波速度测试、单轴抗压、劈裂法、电阻片法与剪切试验等方法，对所取岩石样进行了岩石常规试验及直接试验。通过试验砾岩饱和抗压强度最大值为21.77Mpa，最低值为 17.8Mpa，平均值为 19.77Mpa，标准值为16.78Mpa。

根据混凝土及岩石直剪试验及常规试成果资料对几组比较重要的参数进行统计，统计结果如下表1。

表1 岩石 (体) 物理力学参数试验值统计表

3.3 物理力学参数取值

根据岩体试验资料、声波、电视、钻孔实施情况及基坑开挖情况，大坝基岩钻孔取芯多呈块状及散体状，特别是基础以下2 ～5m最为严重，钻孔总体RQD<50%，接触带附近平均RQD孔壁电视显示，该段孔壁也较粗糙。基岩为厚层块状，产状为N22 ～40°E/NW∠10 ～15°，层面倾向上游偏左岸，层面连通率为100%，坝基及附近共发育6 条小断层，受断层影响坝址裂隙一般发育，连通率60%，坝基岩体完整性相对较差，岩石为软质岩。

承载力fK: 砾岩单轴饱和抗压强度Rb =17 ～22MPa，平均值 19.77MPa，标准值 16.78MPa，根据《水利水电工程地质勘察规范》 GB50487—2008，软质岩允许承载力可按单轴饱和抗压强度的1/10 ～1/5取值，结合坝址区岩性结构特及完整性，坝基允许承载力按0.1 ～0.15 倍取值，相应允许承载力为fa=1.6～2.5Mpa。

变形模量E0: 室内试验资料得到，新鲜砾岩芯样弹性模量最大值为 E=18.62Gpa，最小值为 E=12.32Gpa，平均值为 E=14.5Gpa，标准值为 E=9.14Gpa，综合岩体完整性，相应岩体弹性模量需值为 E=5 ～8Gpa，变形模量值为 E0 =3 ～4Gpa。

河床岩体为软质岩，根据上阶段实验，坝基岩体抗冲刷系数为K=1.65 ～1.8，饱和砾岩需按K=1.8。见表2。

表2 坝基 (肩) 岩体力学参数需值表

鉴于河床段水头较高，岩体受水影响较大，河床段岩体物理力学参数需值在复核计算时需取小值。

4 大坝质量影响分析

4.1 大坝施工质量影响分析

4.1.1 坝体质量

大坝建成经过三年的运行后，坝身出现裂缝及渗漏，经现场查看，大坝已经出现6 条裂缝。最严重的为2#缝。从坝顶至上、下游已裂通，缝宽约2mm，上游有三盘料石断裂，下游渗水。其次是3#缝，溢流头部断裂，裂缝宽约1mm，其余裂缝均为局部性，未见出水，裂缝宽均在1mm以下， 4#、 5#裂缝背钙化覆盖，只有左段6#缝，沿坝脚与上游护岸的块石混凝土断裂。水库运行初期，坝身没有明显渗漏，但局部有冒汗现象，大部分分布高程在590m以上。

4.1.2 大坝除险加固质量

坝体运行20 年后，大坝坝体质量状况: 1) 坝体、坝基、坝肩产生渗漏，渗漏量达 21.08L/s。因坝基被水淹没，上述渗漏量为坝体及坝肩渗漏量； 2)坝基及左右坝肩岩体都发生不同程度软化； 3) 坝体产生六条横向裂缝，裂缝宽1 ～5mm，特别是2#裂缝，坝体下游出现射水，裂缝相较有明显的扩大； 4) 坝下游冲刷加重，冲坑深2.3m。对坝体进行过除险加固处理，主要针对坝体、坝基 (肩)，经过除险加固后坝体质量为优良，质量满足设计及规范要求。

4.2 坝体外观质量影响分析

对坝基及坝区、坝体、厂房、冲沙管、取水涵洞等进行了现场检查，检查时水库水位约为602.0m。对大坝进行检查时主要针对上次除险加固处理的坝体裂缝，查看裂缝现状，检查大坝有无新的裂缝，大坝漏水情况，两坝肩接触带，坝基等出现的大坝外观问题如下。

1) 大坝裂缝: 本次对大坝检查未发现新的裂缝，对原有裂缝进行检查，除2#裂缝外其余裂缝未发现明显裂纹现象，针对2#缝进行详细检查发现，在坝上游防浪墙上见对应的小裂纹，但又无贯穿。裂缝总体没有见较明显的张裂、漏水现象，已处理裂缝的外观也没有明显的变化。

2) 坝体渗漏: 此次对大坝进行检查，发现有多处渗水，但总体没有除险加固时的射流，主要是一些小的渗流，浸润现象，总体渗水量小；在钻孔过程中也有水从大坝上、下游面渗出现象，大坝裂缝经处理后效果较好，现状未见明显带状渗流或射流现象。经过十多年的运行，除2#裂缝在坝顶、坝身还是有较小的发展外，其余均未见明显的裂开现象。坝身多处出现渗水现象，但总体渗水量小，渗水主要为浸润，坝体外观质量总体较好。

4.3 坝体内部质量

在大坝上布置4 个钻孔，根据钻孔资料、岩芯、孔内电视及声波等对坝体质量进行检测。

1) 钻孔岩芯: 坝体钻孔岩芯采取率较高，总体平均采取率为95%，大多呈长柱状，平均 RQD=82%。总体胶结较好，局部胶结较差，特别是左坝肩正常蓄水位以上坝体。

2) 坝体压水实验: 此次安全评价对坝体进行了16 段压水，根据库水头情况，坝体最大压力为0.3mpa，接触带压力为 0.5mpa，基岩为 1.0mpa。

根据坝体压水试验资料显示，大坝上部0 ～14.3m，高程为593.5 ～607.8m透水率较大，部分为注水，坝体空隙连通性好，填筑质量稍差， 593.5m以下坝体透水率均小于3Lu，空隙连通性较差，填筑质量较好。

3) 声波测试: 对所有四个钻孔进行孔内声波试验，坝体声波值在 3015 ～6494，主要集中在 4000 ～5000，密实度低的带，声波值偏低，声波值在3000 ～3500，部分灰岩块体部分声波值偏大，声波值5500 ～6494.通过声波反应情况，坝体总体密实度较好，上坝段部分带密实度较差。

4.4 坝体质量评价

4.4.1 坝体裂缝成因分析

大坝建成以来，发育有6 条裂缝，均为横向缝，最大的裂缝为2#缝，位于大坝右坝肩段，贯穿大坝上下游。 1979 年大坝建成至2000 年间坝体裂缝不断发育， 2000 年除险加固对坝基 (肩) 进行帷幕灌浆、固结灌浆及对坝体进行补强灌浆后，至今原有分裂缝未见明显发育扩张现象，未见新裂缝发育，但2#裂缝坝顶及防浪墙见小裂纹现象，但未贯彻，存在较缓慢开裂现象。

因坝基 (肩) 岩体为软质岩，岩体强度低，作为刚性坝基础，且大坝为重力式拱坝，引起大坝产生裂缝的原因较为复杂。可能是坝基不同坝高段地基受力差异，长期运行情况下，产生不同流变沉降量，引起不同坝段不均匀沉降而产生开裂；或因坝肩岩体长期在高应力作用下运行，部分强度不够，产生压缩变形引起；又或是因坝体为混凝土埋块石、沙卵石，因温度变化引发混凝土伸缩，引发的伸缩裂缝产生；或是三者共同作用的结果。需设计根据坝基 (肩) 应力情况，结合坝基岩体允许体承载力及变形模量，计算复核坝基 (肩) 压缩变形问题。

4.5 坝基质量评价

1) 坝基现状: 现场检查坝基未见漏水，滑动、鼓出等现象，钻孔资料显示，坝基接触带岩体较破碎，取芯为散体状，孔壁较粗糙，坝基岩体平均采取率<50%，接触带3 ～5m段RQD<10%，但压水透水率较低，透水率 1 ～3Lu，属弱透水层。

2) 坝基质量评价: 坝基岩体总体强度较低，属软质岩体，浸水后易软化.除险加固进行过防渗帷幕灌浆及固结灌浆处理，现状基岩压水透水率低，但接触带岩体有受力压缩沉降现象，砾岩体中胶结物主要为泥质，胶结物有与砾体有分开现象，且砾岩体相对均匀度较差，当泥质含量稍高时强度变低，泥质含量少且砾分布均匀胶结较好时，强度增大。

5 大坝工程地质处理措施

5.1 坝基（肩）开挖及处理

断层裂隙处理，坝基有六条小断层通过，主要集中于溢流坝段至左坝肩一带， f3 分布于右坝肩至溢流坝段坝基，一般裂缝宽在30cm以内，裂缝内夹粘土，具体的处理方法是: ①沿缝开挖楔形槽，并进行深挖，深度为断层宽的1.5 ～2.0 倍，然后回填混凝土塞； ②深挖。如导流底孔出口是f3 断层，破碎带宽10 ～30cm，深挖达 4m； ③用混凝土封闭。如左坝肩f1 与f4 相交处的压扭性断层，一直回填护砌至坝顶；④压水枪冲洗。

5.2 建基面承载力及压缩变形处理

坝址河谷两岸及河床为单一岩层，岩性为紫红色厚层块状砾岩，坝基建于基岩上，软质岩体允许承载力可按单轴饱和抗压强度的1/10 ～1/5 取值，结合坝址区岩性结构特及完整性，坝基允许承载力需按0.1～0.15 倍取值，相应允许承载力为 fa=1.6 ～2.5Mpa。

岩体遇水易软化，软化系数为0.65 ～0.80，大坝为重力式拱坝，最大坝高为37.4m，坝基岩体压缩模量 E0 =1.5 ～2.0Gpa。

5.3 坝基（肩）抗滑稳定处理

河床坝基风化层开挖1 ～1.5m，坝肩挖至弱风化岩体，左坝肩水平开挖深2 ～5m；右坝基岩开挖深3～8m，坝肩坝体嵌深较浅 (特别是左坝肩)，坝下游抗滑岩体单薄，对坝肩抗滑稳定不利；竣工总结为新鲜岩体，根据工程经验，此类软质岩强风化深3 ～5m，弱风化深5 ～8m，钻孔资料显示接触带都有不同程度的软化情况，根据施工情况坝基岩体可能为弱风化上部或顶部，岩体取芯多成散体状，孔壁粗糙。根据两坝肩及坝基钻孔孔壁电视反应，坝区地层岩性为中厚层至块状砾岩，层面连续性差，部分胶结。

5.3.1 坝基抗滑稳定性分析

坝基岩体呈厚层块状结构，岩性单一，为第三系紫红色砾岩，坝基岩层缓倾向上游偏左岸，岩层倾角较缓为10 ～15°。砾岩为软质岩，岩体强度较低。大坝区发育有6 条断层及4 组裂隙，断层f4、裂隙L1、L2、 L3 与层面的组合对坝基抗滑稳定不利，断层、裂隙及大坝相对走向示意图如图1。

图1 坝区断层分布及主要几组裂隙产状组合图

坝基在f4 断层及三组裂隙存在的情况下，坝基可能存在两种滑动模式，滑动模式分析如下。

1) 浅层接触带滑动: 坝基为软质岩，岩体强度较低，抗滑抗变形能力弱，高应力作用下可能发生沿大坝基础与基岩的接触带产生剪裂，形成大坝基础与基岩接触带剪切滑动 (如图2)。

图2 坝基滑动模式示意图

2) 层面及夹层面滑动: 坝基为软质岩体，岩层缓倾上游偏左岸，层面与f4 断层、 L1 裂隙及左岸L2、右岸L3 的组合对坝基抗滑稳定不利，可能形成以层面为滑动面，上游断层面或L1 裂隙面为剪裂面，向下游滑动

5.3.2 坝肩抗滑稳定分析

结合勘察揭露情况，左坝肩下游厂房一带发育有冲沟，左坝肩下游抗滑岩体相对较单薄，且坝肩发育有三组裂隙，层面也较平缓，层面、 L、 L及下游河床临空面的组合对坝肩抗滑稳定不利；大坝为单曲拱坝不同拱圈段会形成以层面为底滑面， L为剪切侧滑面， L为上游拉裂面，下游河床临空面为滑出面的滑动模式，需设计复核计算坝肩抗滑稳定。

5.4 坝肩边坡稳定分析

左岸大坝与山脊高程相当，无坝顶以上边坡问题，坝体上游附近边坡为浆砌石处理过，现状未见塌陷、开裂等现象，总体稳定，下游带边坡基岩裸露，且为横向坡，坡度较陡，经调查未发现有失稳现象，现状边坡总体稳定。大坝运行30 多年来，未发生大坝左岸边坡失稳现象。

5.5 大坝下游冲刷稳定性分析

大坝自建成以来，下游冲坑均未进行过工程处理，上次除险加固对砾岩进行抗冲刷试验，试验显示砾岩抗冲刷系数为1.65 ～1.8，抗冲刷能力弱。根据大坝竣工图件，大坝建成初期，溢洪道下游河床消能坑位于溢洪道中部，冲坑最低处高程为576.4m，坑深3.8m，至大坝距离20m，整个冲坑沿坝轴线呈葫芦状略偏左岸。

大坝下游冲刷较严重，溢洪道中心附近段，坝脚冲刷深已低于大坝中心线建基面高程，坝脚基岩有明显冲断现象，对大坝基础抗滑稳定不利，长期发展下去可能威胁大坝安全，对下游冲坑进行处理，饱和砾岩抗冲刷系数需值K=1.8。