何家沟水库大坝复杂地质分析及处理建议

徐宇琪,张廷华,石建勋,张忠智

(1.宁夏六盘山水务有限公司,宁夏 固原 756000;2.西北民族大学土木工程学院,兰州 730030)

0 引 言

中国现有部分在役水利大坝由于建设时期特殊、加之相关的勘察资料和规范缺少、以及建设经验不足,致使存在诸多的风险和安全隐患,其中,复杂地质因素不明尤为严重,导致大坝坝基渗漏事故的发生在国内外时有发生[1-3]。中国自20世纪以来,随着科技的进步,利用物探、地质雷达红外探测等手段在大坝地质勘察中发挥了巨大的作用,同时也积累了大量的经验[3-6]。本研究以何家沟水库大坝复杂地质为例,对水库区工程地质、大坝坝基地质、进水建筑物地质、输泄水工程地质以及泵站工程地质进行了分析,同时提出相应的建议,为类似工程提供可借鉴的经验,为同类工程勘察设计提供参考。

1 工程概况

何家沟水库坝址区原有一座水库,且库区有较厚淤积层。在坝体建基面开挖过程中,将淤积层清除后,揭示出非常复杂的地形和地质情况,沟谷内两条古河道交汇后从坝体中心绕至坝轴线偏右坝肩侧,古河道深度约8～12m,且岩面浸泡软化较为严重。右坝肩点位置向上游适当调整;右坝肩泥岩存在裂隙型渗漏,局部5Lu线深度达30.0m,将右坝肩帷幕灌浆基础处理方式调整为塑性混凝土防渗墙,左坝肩胶结差的砾岩存在孔隙型渗漏,将塑性混凝土防渗墙深度由按5Lu控制局部调整为穿透胶结差的砾岩层;大坝建基面古河道内为松散的角砾和砾石,全部挖除后采取宽级配土回填;大坝建基面软化状态泥岩全部挖除,表层裂隙发育的泥岩和夹有大量植物根系的泥岩全部挖除,并将建基面基本开挖为同一高程。

库区河谷大体呈NW-SE方向展布,河谷呈“V”型,河谷两侧发育有较连续的阶段,阶地地面高程1720～1770m,左岸宽约100～180m,右岸宽约50～70m。库区左岸发育有2条冲沟,沟底宽3～10m,长500～700m;右岸发育有2条冲沟,长700～1500m,沟底宽2～10m,下游出口段宽约15～30m。沟底地面高程1695～1697m。库区内岸坡一般40～50°,有近似垂直的陡坎呈阶梯状分布。库区坝址区两侧山体上部为黄土,汇水山谷中冲沟、落水洞比较发育,呈串状,直径1～4m,深1～2m,多为不规则形,局部呈圆形,直径可达10～20m,深5～8m。

2 水库区工程地质分析及建议

本次采用挖机开挖探槽的方式在落水洞底部进行了勘探,底部黄土1.0～1.5m以下呈坚硬状态,落水洞未向下延伸。大气降水在落水洞处汇集后,在湿陷性黄土层中向下游排泄,到非湿陷性土层后,沿着边坡处的卸荷裂隙向冲沟内排泄,卸荷裂隙主要分布于边坡表层0.5～0.8m之间,非湿陷性土层中的落水洞主要分布于该范围,未向下延伸。

库区地处中低山地貌单元,两岸山体高耸且宽厚,高出坝顶很多。上游山体以弱透水的泥岩和黄土为主,按照蓄水位高程1751m计,左侧分水岭宽度>1000m,分水岭顶高程1801～1957m;右侧分水岭宽度600～1000m,分水岭顶高程1777～1836m。在左坝肩坝轴线两侧各分部有一条冲沟,两冲沟间分水岭宽度80～100m,长度约120m,分水岭较为单薄。未发现有贯穿库区的活动断裂及不良构造,对于干河沟组水平泥岩与陡倾角红柳沟组泥岩的接触带,根据现场探槽揭露,未发现有不良地质构造引起的破碎带,红柳沟组强风化泥岩已形成古风化壳,钻孔压水试验透水率0.5～4.7Lu,为弱透水层。因此产生库区渗漏的可能性较小。

1)建议对湿陷性黄土进行处理[6-8],坝基可放置到非湿陷性黄土层中;左岸下部的砾岩层,右坝肩及主沟道的强风化泥岩层均为中等透水层,建议对中等透水层进行防渗处理,处理至下部相对隔水层上。

2)主沟道和左右坝肩基岩高差35～49m,左坝肩下部为非湿陷性黄土,且左右岸边坡较陡(坡角40°～55°),岩土体分布不均一,岩土体变形特征复杂,建坝后上覆填土厚度不均匀,产生的应力不均匀,可产生不均匀变形。可以通过削坡处理,建议根据坝体沉降计算,确定基岩开挖边坡。

3 大坝工程地质分析及建议

根据现状开挖断面可以看出图,泥岩节理裂隙走向玫瑰花图,见图1。基岩以干河沟组泥岩为主,泥岩中裂隙较为发育,裂隙以剪节理为主,裂隙宽度自临空面向内侧逐渐变窄,外部裂隙宽度1～6mm,间距0.3～0.6m,4～6条/m,裂隙面光滑,未充填,根据压水试验可以看出主要以冲蚀型为主。内部裂隙宽度很窄,根据压水试验可以看出主要以充填型为主。干河沟组泥岩中的裂隙按照走向也可分为3组,分别为340°～360°、0°～20°、50°～70°、290°～315°,倾角20°～30°、50°～90°。节理裂隙中有一组主要裂隙走向50°～70°,河道与该裂隙小角度相交,不利于水库的防渗[9]。

1)建议左右坝肩上部为湿陷性黄土,厚度5.0～20.0m,建坝后上部湿陷性黄土处理或换填后自重压力大于先期自重压力,迅速填坝后会使得左右坝肩下部的土层产生不均匀沉降,对该区域的施工不易过快。

2)主沟道与右坝肩阶地处泥岩高差17m,右坝肩阶地处截槽桩号0+363-0+445段与西侧沟底泥岩高差17～20m,且岸边坡较陡(坡角40°～55°),岩体分布高程不均一,岩土体变形特征复杂,建坝后上覆填土厚度不均匀,且泥岩和填土的压缩模量存在差异,可产生不均匀变形。边坡处泥岩遇水易软化,由于应力的不均匀使得填土易沿着坡面向下游滑动。建议对边坡进行削坡或错台处理。

4 进水建筑物工程地质分析

勘察期间,阶地下部存在地下水,水位高程1714.4～1703.0m,主要为孔隙潜水,上部砾岩胶结差,砾岩底部泥岩顶部存在孔隙潜水,孔隙潜水沿着阶地前缘向沟道内排泄,补给地表水。地下水水化学类型SO42--Mg2+-Ca2+-Na+,矿化度1.6g/L。

岩(土)物理力学性质进水陡槽段地层主要有第四系上更新统马兰组(Q3eol)黄土,第四系中更新统 (Q2eol)黄土、(Q2apl)壤土,第四系上更新统(Q3eol)黄土、(Q3apl)壤土,新近系上新统干河沟组(N2g)砾岩、泥岩。进水陡槽的地层主要有第四系上更新统马兰组(Q3eol)黄土,第四系中更新统 (Q2eol)黄土、(Q2apl)壤土,第四系上更新统(Q3eol)黄土、(Q3apl)壤土,新近系上新统干河沟组(N2g)砾岩、泥岩。

建议建议对下部阶地的边坡进行削坡和砌护处理,隧洞出口边坡按照卡丘金法预测塌岸提供的水上水下坡角进行削坡处理[9-10],隧洞出口处建议设置抗滑桩,保证隧洞出口处边坡的稳定性,边坡下部不存在软弱结构面,抗滑桩进入下部不塌岸稳定地层一定的深度即可。

5 输、泄水工程地质分析及建议

5.1 引水洞工程地质分析及建议

引水洞位于取水塔前部,洞身均位于泥岩(N2g)中,洞身泥岩属于极软岩、巨厚层状,岩体完整程度属于较完整,节理裂隙不发育,围岩分类属于Ⅴ1类围岩(极不稳定),极易引起塑性变形,难于自稳,拱顶易坍塌变形,边墙有失稳现象,成洞条件差,开挖需支护紧跟或超前支护,加强初期支护刚度,建议采用钢拱架支护。

隧洞进出口均位于坡脚处,进口段上部25.0m为黄土,下部为新近系泥岩,属于混合边坡,边坡破坏的形式主要是黄土局部湿陷、张裂、坍塌。因此必须对黄土进行削坡处理,黄土建议边坡比1∶1.5。泥岩边坡破坏的形式主要是风化松弛引起坍塌,建议表面喷混凝土,作好排水,泥岩开挖边坡比1∶1.0。场地环境类别为Ⅲ类。场地处的泥岩对混凝土具硫酸盐型微-弱腐蚀性,对钢筋混凝土中的钢筋具有微腐蚀性,对钢结构具有微腐蚀性。

5.2 输水塔工程地质分析及建议

输水塔基底位于泥岩(N2g)中。场地环境类别为Ⅲ类。场地处的泥岩对混凝土具硫酸盐型微-弱腐蚀性,对钢筋混凝土中的钢筋具有微腐蚀性,对钢结构具有微腐蚀性。水塔位于岸坡上部,该位置预测塌岸宽度180m,建议对上部塌岸土层作为上坝土料使用,挖除后再进行水塔的施工。水塔处泥岩面基本水平,泥岩产状近于水平,对水塔基础的稳定性影响较小。输水塔基础底高程以下均为泥岩,塌岸土层挖除后建议采用浅基础,将基础直接放置在泥岩中。

5.3 输水隧洞工程地质分析及建议

输水隧洞全长360m,桩号0+044.5～0+310为泥岩(N2g)段,长265.5m,占输水隧洞全长的73.8%;0+310～0+404.5为非湿陷性黄土(Q2eol)段,长94.5m,占输水隧洞全长的26.2%。隧洞场地上部均为黄土覆盖,洞身出口段为黄土,中间段分布泥岩,泥岩产状近于水平。泥岩、黄土均为弱透水层,泥岩具有弱膨胀性潜势。新近系上新统干河沟组(N2g)泥岩,为极软岩,且遇水易于软化,水的作用对其力学强度影响明显;岩石具有遇水崩解,失水干裂的特性。岩体属于极软岩,巨厚层状,岩体完整程度属于较完整,节理裂隙不发育,围岩分类属于Ⅴ1类围岩(极不稳定),极易引起塑性变形,难于自稳,拱顶易坍塌变形,边墙有失稳现象,成洞条件差,开挖需支护紧跟或超前支护,建议采用钢拱架支护黄土段洞身黄土属于丙类黄土,土体易沿节理方向张开剪断,较难形成承载拱,开挖应力释放后易崩解剥落,处理不当会造成溜坍乃至塌方,拱顶地层易受施工扰动开裂,围岩分类属于Ⅴ3类围岩(极不稳定)。施工时先要采用钢拱架支护。在第一次开挖完成后,隧洞断面位移速度最大,应及时施做施工支护。勘察期间,勘探深度内未见地下水。

场地环境类别为Ⅲ类。场地处的黄土、泥岩对混凝土具硫酸盐型微-弱腐蚀性,对钢筋混凝土中的钢筋具有微腐蚀性,对钢结构具有微腐蚀性。

5.4 输水管线工程地质分析及建议

输水管线全长345.5m,其中0+404.5～0+550段为黄土(Q2eol)段,长145.5m;0+550～0+640段为湿陷性壤土(Q3apl)段,长90m;0+640～0+705段为角砾(Q3apl)段,长65m;0+705～0+752段为角砾(Q2apl)段,长47m。管线前段勘探范围内未发现有地下水,末端主沟道内存在地下水和地表水,地表水补给地下水,水位高于管底0.5m,水头较小,因此不需考虑管道的抗浮稳定问题。。地表水对混凝土有硫酸盐型强腐蚀性,对混凝土中的钢筋都具有弱腐蚀性,对钢结构具有中等腐蚀性。场地环境类别为Ⅲ类。场地处的黄土、壤土对混凝土具硫酸盐型微-弱腐蚀性,对钢筋混凝土中的钢筋具有微腐蚀性,对钢结构具有微腐蚀性。湿陷性壤土(Q3apl)管床地基土层需要进行翻夯或换填处理;其它管段为分湿陷性土段,可作为管床基础。各岩性间物理力学性质多具较大差异,在岩性突变段可能会发生地基的不均匀沉降。

6 取水泵站工程地质分析及建议

泵站基底下部湿陷厚度7.0～7.6m,均为Ⅰ级非自重(轻微)湿陷性场地,最大自重湿陷量18.4mm,湿陷量69.0～92.55mm,建议采用桩基(干作业钻孔桩),桩长10～15m。中性点以上③-1层湿陷性壤土桩的极限侧阻力标准值qsik=-15kPa,中性点以下③-1层湿陷性壤土桩的极限侧阻力标准值qsik=60kPa,③-2层非湿陷壤土桩极限侧阻力标准值qsik=63kPa,角砾层桩极限侧阻力标准值qsik=120kPa,③-2层非湿陷壤土桩极限端阻力标准值qpk=900kPa,角砾层桩极限端阻力标准值qpk=4500kPa。坑基础底高程下部均为非湿陷性土层,但非湿陷性土层由于含水量较高,孔隙比较大,建议上部采取必要的换填处理,避免由于上部土层含水量的变化产生不均匀沉降。

建议优先选用干作业钻孔桩(侧阻及端阻较大,桩长较短,造价较低),若干作业钻孔桩施工困难时也可采用泥浆护壁钻孔灌注桩,中性点以上③-1层湿陷性壤土桩的极限侧阻力标准值qsik=-15kPa,中性点以下③-1层湿陷性壤土桩的极限侧阻力标准值qsik=90kPa,③-2层非湿陷壤土桩极限侧阻力标准值qsik=96kPa,角砾层桩极限侧阻力标准值qsik=140kPa,③-2层非湿陷壤土桩极限端阻力标准值qpk=900kPa,桩长<15m时角砾层桩极限端阻力标准值qpk=2000kPa,桩长>15m时角砾层桩极限端阻力标准值qpk=2500kPa。

7 结 论

1)文章主要对何家沟水库大坝的地质进行了分析,同时针对水库区、大坝工程、进水建筑、输、泄水工程、取水泵站工程地质情况相应的提出建议。

2)根据基岩为新近系泥岩,地层较稳定,透水性相对较弱,就地形地质条件,建议坝线上移;古河道部位砂砾石较松散,与两侧基岩存在较大差异,为防止不均匀变形,建议进行工程处理。

3)充分利用右岸泥岩台地作为防渗体,相应调整防渗体的长度,并穿透左岸未胶结砾石层,防渗墙深度标准建议按5Lu控制;建议对坝基区的古河道区域进行挖除并回填砾石土,下游侧褥垫排水范围可换填级配良好的砂砾石;建议根据土料的实际情况,对坝体进行适当分区,对坝体中部核心防渗区域适当提高压实指标和防渗指标,并与坝基防渗墙有效连接形成整体防渗体系,保证大坝防渗体安全可靠。