李家梁水库渗漏地质原因分析

2023-11-01高庆锋

黑龙江水利科技 2023年10期

关键词：细砂坝基渗透系数

高庆锋,高丽

(榆阳区尤家峁水库服务中心,陕西榆林 719000)

李家梁水库位于毛乌素沙漠东南边,水库自2006年10月蓄水运行以来,坝后出现多处不同程度的集中渗流问题,为了除险加固提供科学依据,需对水库地质问题进行分析。

1 概况

李家梁水库位于榆林市西北约40km的孟家湾乡曹家梁附近圪求河上,是一座以工业和城市供水为主,兼顾灌溉的中型水利工程[1]。水库大坝为均质砂坝,筑坝材料均为圪求河两岸风积砂层,大坝上游坡面采用复合土工膜防渗,下游坡脚设计有反滤及排水体结构。

2 库区工程地质分析

2.1 地质概况

李家梁库区地貌形态属沙漠滩地区。库区河谷宽阔平坦,河谷呈宽缓“U”型谷,宽度400m～600m,蓄水后两岸高处正常蓄水位15m～20m。库区地下水主要为第四系孔隙潜水,受大气降水补给,以渗流形式向圪求河排泄。

2.2 库岸稳定性评价

库区处于沙漠滩地区,岸坡平缓稳定性较好,据调查水库运行13a来未发生较大岸坡再造和变形问题,因此,现状库岸整体是稳定的。

2.3 水库浸没及淤积问题

库区岩性以透水性较强的松散砂层为主,含水层深厚,地下水水流畅通,不存在浸没问题。水库库区地形平坦,河流比降小泥砂携带能力较弱,水库淤积物源主要为风积砂。根据本次地下水位测量跟前期水下地形相比,淤积抬升30～50cm,库尾80～150cm,已淤积140万m3,淤积量占总库容的6%。

3 坝址区工程地质条件

3.1 地层岩性形

坝址区河流为SE向,轴线处河谷宽650m,两岸坝肩处微小冲沟发育,多为NE向,延伸一般30～80m不等,高差20～30m,区内阶地不发育。坝区揭露的地层岩性由老至新为:上更新统湖积层(Q3l)、风积(Q4eol)细砂层、冲积(Q4al)细砂层、上更新统—全新统风积(Q3-4eol)细砂层、上更新统湖积(Q3l)细砂～粉细砂层。

3.2 水文地质条件

3.3 物理地质现象

坝址区地处风沙区,坡度较缓(一般10°～25°),坡高5～30m不等,砂层渗透系数较大,地表径流发育较少,因此,坝址区不存在滑坡、泥石流等不良地质现象。工程区风速17m/s。冻土深度1.48m。

4 坝体、坝基土结构及工程特性

4.1 坝体、坝基土结构

坝基分别为上更新统湖积层(Q3l)、上更新统-全新统风积层(Q3-4eol)、河床冲积层(Q4al)及风积层(Q4eol)[2],岩性均以细～中砂为主,次为粉细砂,在湖积层中少量分布有砂壤土透镜体。土质均匀,黏粒含量极少或无黏粒含量,岩芯呈散体状,其中水位线以上3m～5m段较潮湿、疏松,地下水位以下呈饱和状态,结构松散,渗透性好。坝体填筑料均来自两岸风积砂,其砂粒含量占98%～100%,粉粒含量占0%～2%,黏粒含量极少,属中细砂。

4.2 坝体物理力学指标

为了解坝体物理力学工程特性,本阶段对坝体砂层分别进行了颗分、室内岩土物理力学性质试验,现场原位试验,注水试验。

4.2.1 颗分试验

经过颗分试验,结果显示,组成坝基土的主要粒组为0.25～0.075m颗粒,含量为46.8%～55.7%,平均53.5%;其次为0.5～0.25m颗粒,含量为30.6%～45.1%,平均37.3%;<0.075m颗粒含量为2.5%～8.7%,平均5.7%,为无黏粒含量细砂,属级配不良且不连续砂。

4.2.2 岩土体物理力学性质

从坝体不同深度不同部位取样10组,进行室内岩石物理力学性质试验,结果显示,坝体土的比重为2.65～2.66g/cm3,平均2.66g/cm3;孔隙率为37.1%～48.7%,平均45.5%;渗透系数2.89×10-3～7.9×10-3cm/s,平均4.89×10-3cm/s。含水率20.3%～9.7%,平均值为12.68%。

4.2.3 标贯试验

本次勘探在坝体6个钻孔中共进行了21点标贯试验。试验结果显示,坝体(Q4ml)层中贯入30cm的标贯锤击数通过修正后,最大击数为45.4击,最小只有4.6击,标准差9.66,变异系数为0.55,相差较大,平均17.7击。根据《建筑地基基础设计规范》中规定,可知平均值对应的承载力fk为325Kpa,压缩模量Es23.3MPa。

4.2.4 注水试验

1)坝体土Q4ml中砂～细砂层中,共进行了8段常水头钻孔注水试验,试验土层渗透系数计算:

K=16.67Q/AH

(1)

式中:K为试验岩土层的渗透系数,cm/s;Q为注入流量,L/min;H为试验水头,cm;等于试验水位与地下水位之差;A为形状系数,cm。

2)当试段位于地下水位以上,且50

K=(7.05Q/Lh)lg(2l/r)

(2)

式中:r为钻孔内半径,cm;L为试段长度,cm;其余符合意义同(1)式。

计算成果见表1。

表1 坝体钻孔注水试验成果表

4.3 坝基土物理力学指标

同样,对坝体砂层分别进行颗分、室内岩土物理力学性质试验,现场原位试验,注水试验。

4.3.1 颗分试验

本次勘察对坝基和两岸坝肩砂土取样共14组,进行颗分试验,结果显示,组成坝基土的主要粒组为0.25～0.075mm颗粒,含量为48.3%～82.8%,平均69.1%;其次为0.5mm～0.25mm颗粒,含量为3.2%～26.4%,平均15.1%;<0.075m颗粒含量为5.0%～38.3%,平均13.7%,为细砂或粉砂,不均匀系数平均值为Cu=4.5,平均曲率系数Cc=1.5,属于配不良砂。

4.3.2 岩土体物理力学性质

本阶段对不同部位不同成因的岩土的各取样5组,共计10组,进行室内岩土物理力学性质试验,结果显示,坝基细砂层(Q4eol)的比重为2.65～2.66g/cm3,平均2.66,孔隙率为44.1%～47.4%,平均46.1%,渗透系数范围值7.11×10-3～1.54×10-2cm/s,平均1.23×10-2cm/s。坝基土风积层(Q3-4eol)的比重为2.65～2.66g/cm3,平均2.65g/cm3,孔隙率为43.8%～48.7%,平均46.4%,渗透系数1.7×10-3～6.5×10-3cm/s,平均4.1×10-3cm/s。

4.3.3 标贯试验

本次勘探在左、右岸坝肩和河床坝基8个钻孔中共进行了21点标贯试验,现按不同成因地层,分别进行整理,试验结果显示,坝体(Q4eol)风积(Q4eol)细砂层贯入30cm的标贯锤击数修正后最大击数为22.4击,最小只有4.5击,标准差5.6,变异系数为0.48,相差较大,平均11.6击,小值平均值为7.08击,计算可得平均值对应的承载力fk为243.8kPa,压缩模量Es为15.8MPa,小值平均值对应的承载力fk为187.2Kpa,压缩模量Es10.2MPa。

坝体(Q4al)河床冲积(Q4al)细砂层中,贯入30cm的标贯锤击数修正后最大击数为22.4击,最小只有18.2击,标准差1.48,变异系数为0.08,相差不大,平均19.5击,小值平均值为18.6击,计算可得平均值对应的承载力fk为375kPa,压缩模量Es15.8MPa,小值平均值对应的承载力fk为355kPa,压缩模量Es24.7MPa。

坝基(Q3-4eol)细砂层中,贯入30cm的标贯锤击数修正后最大击数为31.4击,最小只有15.6击,标准差4.6,变异系数为0.21,相差不大,平均22.5击,小值平均值为19.2击,计算可得平均值对应的承载力fk为399.8kPa,压缩模量Es36.2MPa,小值平均值对应的承载力fk为352.5kPa,压缩模量Es31.6MPa。

综合上述试验成果可知,分布于两岸坝肩的Q4eol细砂层,除少部分坝肩表部为松散层外,其余大部分为稍密～中密。河床坝基Q4al细砂层和两岸及坝肩较深部位的Q3-4eol细砂层属中密。

4.3.4 注水试验

本阶段勘察,两岸坝肩和坝基土中不同成因的中砂～细砂层中,共进行了15段常水头钻孔注水试验。试验结果显示,坝体填筑中细砂的渗透变形属流士型破坏。

4.4 坝体及坝基工程地质评价

4.4.1 坝体填筑质量评价

李家梁水库大坝为砂坝,坝体填筑量为148.48万m3,填筑料均来自两岸风积砂,主要为中细砂。根据试验结果其砂粒含量占91%～97%,粉粒含量占2.5%～8.7%,无黏粒含量。根据《水利水电工程天然建筑材料勘察规程》对坝体填筑土料要求,粉粒含量10%～30%为宜,坝体填筑料属无黏性土,所以不符合土料质量技术要求。

4.4.2 施工质量控制

大坝建成于2006年,修建时,两岸未削坡清基,无结合槽,土质虽均匀,但因用水冲填砂土,未经人工夯实,坝体形态及坝体质量控制差。经过坝体相对密度的标贯实验,坝体砂土相对密实度为0.33～0.67,而《碾压式土石坝设计规范》要求密实度要>0.7,所以坝体填筑质量未达到规范对砂土填筑相对密度的标准要求。

根据坝体10组样品分析结果表明,坝体土平均干密度为1.46g/cm3,按水中填土坝的土料设计施工标准,坝体最终干密度应>1.5g/cm3,可见坝体填筑干密度未达到设计要求:由于坝体实测锤击数差别较大,坝体填筑不同高程和不同部位的密实程度差别亦较大,说明坝体土填筑不均匀,钻孔深0～20m范围内坝体填筑土修正后的平均标准贯入锤击数为17.7击,坝体处于中等密实状态。因此,坝体填筑质量未达到设计和规范要求,坝体填筑质量较差,且存在不均匀性。

4.4.3 坝基工程地质问题及评价

根据勘探揭露,坝基主要由上更新统湖积层(Q3l),上更新统-全新统风积层(Q3-4eol),冲积层(Q4al)及风积层(Q4eol)等不同成因的细砂～粉细砂层,厚度>100m,期间夹有少量中砂层,局部分布有砂壤土层,分布不连续,均以透镜体发育。根据《水利水电工程地质勘察规范》判别,位于坝基的Q4eol、Q4al和坝基部位的细砂和中、下部Q3l细砂～粉细砂渗透变形均属流土型破坏,流士型破坏的土层允许水力比降计算方法同3.5节,计算结果上部Q4eol细砂和中部Q4al细砂层J允=0.21,下部Q3-4eol细砂层J允=0.24,Q3l细砂层～粉细砂J允=0.25。两岸坝肩无地下分水岭,存在坝基渗漏和绕坝渗漏问题。