香山水庫滲漏分析

楊漢良，周 力，李愛國，何 濤，左璽龍

(1.長江巖土工程總公司(武漢)地質(zhì)公司，湖北武漢 430010;2.長江工程職業(yè)技術(shù)學院，湖北武漢 430064)

湖北省崇陽縣香山水庫控制流域面積29 km2，總庫容2 462萬m3，是一座以防洪、灌溉為主，兼顧發(fā)電、養(yǎng)殖等綜合效益的中型水庫。主要建筑物包括大壩、溢洪道、三道輸水管、灌溉發(fā)電隧洞等。其中大壩主體為均質(zhì)土壩，最大壩高30.2 m，壩長150 m，壩頂寬5.5 m，高程107 m，其中高程100.2 m以下為均質(zhì)土壩，以上為粘土心墻壩，粘土心墻頂高程106.0 m。

大壩在幾十年運行過程中，滲漏嚴重。1980年，當庫水位在100 m以上運行時，大壩左壩腳出現(xiàn)嚴重涌水，滲漏量達25～28 L/s;1983年庫水位在102.5 m以上運行時，大壩左岸壩腳滲漏量達30 L/s;2009年和2012年，庫水位分別在95.15 m、99.40 m 運行時，大壩壩腳魚池內(nèi)出現(xiàn)涌水;2013年4月，大壩壩腳左側(cè)魚池出現(xiàn)涌水，水質(zhì)渾濁，最大涌水點形成直徑3 m的圓形滲漏痕跡。

1 壩區(qū)工程地質(zhì)背景

壩區(qū)位于香山溪上游，庫水面寬約170～210 m。兩岸山頂高程164～185 m，斜坡陡峻，坡角一般45°左右。基巖包括碎屑巖和碳酸巖，其中碎屑巖為寒武系下統(tǒng)五里牌組(?1w)含粉砂質(zhì)頁巖和寒武系中統(tǒng)下部高臺組第一層(?2g1－1)灰色—灰黑色含炭質(zhì)頁巖夾泥灰?guī)r透鏡體;碳酸巖為寒武系下統(tǒng)清虛洞組第一層(?1q(1))厚層結(jié)晶白云巖、第二層(?1q(2))厚層角礫狀白云巖、第三層(?1q(3))薄層狀微粒白云巖夾泥質(zhì)條帶和中統(tǒng)下部高臺組第二層(?2g1－2)薄層—中厚層泥灰?guī)r夾頁巖。覆蓋層包括大壩填筑土(Qs)、殘坡積層(Qel+dl)和沖積層()，巖性主要為含礫粉質(zhì)粘土、粉質(zhì)壤土夾碎石、黃色粉質(zhì)粘土、砂和砂礫石層。壩區(qū)位于方山倒轉(zhuǎn)背斜東傾伏端，發(fā)育2條斷層，F(xiàn)1位于壩前，走向與大壩近平行，F(xiàn)3斷層位于左壩肩下游(圖1)。

2 巖溶層組劃分

壩區(qū)共揭露21個溶洞、2個落水洞和33條溶蝕裂隙。溶洞以小型為主，上部多無充填，底部充填粘土與碎石;落水洞洞徑3～6 m，可見深度為2～3 m，底部多為粘土與碎石填充;溶蝕裂隙長1.5～5.0 m，縫寬0.3～1.0 m，局部可與溶洞相連。溶洞發(fā)育下限高程約為87.5 m，溶蝕裂隙發(fā)育下限高程約為71.0 m。

在揭露的56個巖溶中，僅2個發(fā)育于寒武系下統(tǒng)清虛洞組第三層(?1q(3))薄層狀微粒白云巖中，其余均發(fā)育在寒武系下統(tǒng)清虛洞組第二層(?1q(2))厚層角礫狀白云巖內(nèi)，因此可將壩區(qū)碳酸巖劃分為弱、中等、強烈?guī)r溶發(fā)育等3個巖組，其中寒武系中統(tǒng)下部高臺組第二層(?2g1－2)的薄層—中厚層泥灰?guī)r屬巖溶弱或不發(fā)育巖組，寒武系下統(tǒng)清虛洞組第一層(?1q(1))厚層結(jié)晶白云巖和第三層(?1q(3))薄層狀微粒白云巖屬巖溶中等發(fā)育巖組，寒武系下統(tǒng)清虛洞組第二層(?1q(2))厚層角礫狀白云巖屬巖溶強烈發(fā)育巖組。

圖1 壩址區(qū)工程地質(zhì)圖Fig.1 Engineering geological map of dam area

圖2 壩體工程地質(zhì)縱剖面圖Fig.2 Geological longitudinal plan of dam engineering

3 壩址區(qū)滲漏分析

3.1 壩體滲漏

通過勘探，大壩主要由含礫粉質(zhì)粘土組成，物理分區(qū)不明顯，可近似為均質(zhì)土壩(圖2)。于壩體進行注水試驗共23段，取壩體土進行室內(nèi)滲透試驗31組，滲透系數(shù) 2.43 ×10－8～2.20 ×10－3cm/s，其中 ＜1 ×10－4cm/s個數(shù)為27組，占總數(shù)的52.9%，其余均 ＞1×10－4cm/s，占總數(shù)的 47.1%，平均值 3.91 × 10－4cm/s，表明大壩存在滲漏缺陷。

根據(jù)大壩物質(zhì)組成，滲漏量估算采用圖3模型和下述公式［1－2］:

式中:Q為水庫滲漏量(m3/s);B為滲漏寬度(m);K為滲透系數(shù)(m/s);H1選取勘察期間實測水庫運行水位(m);H2為壩后滲水點水位(m);h1為在H1庫水位時相對應(yīng)的壩前壩體含水層厚度(m);h2為壩后壩體含水層厚度;L為庫水位至滲漏點的水平距離(m)。

根據(jù)以上公式估算，沿壩體滲漏量約1.2 L/s，估算值遠小于險情發(fā)生時出現(xiàn)的30 L/s滲漏量，表明雖然壩體防滲體存在缺陷，但其滲漏并非主要原因。

3.2 壩下埋管滲漏分析

香山水庫壩下埋管共3條，分別為東高輸水管、西高輸水管及西低輸水管。

東高輸水管位于左壩肩山體東側(cè)，長約76 m，進口底板高程92.2 m，出口底板高程91.62 m，內(nèi)徑0.75 m，為預(yù)制鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)置于基巖上，雖有破損存在一定滲漏，但由于進口底板較低，長期置于庫水中，若為主要滲漏通道，與只有庫水位在100 m以上運行時滲漏量增大至30 L/s的情況不符。

西高、西低輸水管位于右壩肩壩體內(nèi)，長分別為66 m 和96 m，進口底板高程為92.91 m、86.28 m，內(nèi)徑Φ0.45 m、Φ0.8 m，為預(yù)制鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。該兩條壩下埋管已于2003年進行封堵，不存在大的滲漏問題。

3.3 壩基及繞壩滲漏

3.3.1 清基質(zhì)量及覆蓋層壩基滲漏分析

壩基可分為四段:第一段(樁號K0+000～K0+011)，壩基清至清虛洞組第二層(?1q(2))厚層角礫狀白云巖，不存在壩體與壩基接觸滲漏問題。第二段(樁號K0+011～K0+069)清基不徹底，大壩坐落在第四系殘坡積(Qel+dl)粉質(zhì)壤土夾碎石上，厚度0.3～1.2 m，主要分布在壩軸線上游壩基下，下游壩基處已基本清除，基本不存在沿該層向下游滲漏的可能。第三段(樁號K0+069～K0+095)清基不徹底，壩基坐落在第四系沖積()含泥砂礫石層，厚度0.6 ～3.2 m，滲透系數(shù)達7×10－3cm/s，屬中等透水性，存在壩基滲漏問題，根據(jù)估算，沿該層滲漏量最大僅為0.9 L/s，并非滲漏的主要原因。第四段(樁號K0+095～K0+150)清基不徹底，大壩坐落在第四系殘坡積(Qel+dl)粉質(zhì)壤土夾碎石上，厚度0.2～1.1 m，層薄且透水性相對較差，非滲漏的主要通道。

3.3.2 壩基碎屑巖體滲漏分析

樁號K0+037～K0+150壩基及右岸山體為寒武系下統(tǒng)五里牌組(?1w)頁巖，屬相對隔水巖組，巖體透水性主要受風化程度及裂隙發(fā)育程度控制，強風化巖體透水率q為3.0～59.5 Lu，以中等透水性為主;弱風化巖體透水率1.03～11.4 Lu，屬弱透水性。沿強風化帶發(fā)生滲漏的可能性存在，根據(jù)鉆進情況和壓水試驗［3］，強風化巖體與壩下游出滲點不存在明顯水力聯(lián)系，因此強風化巖體也不是滲漏的主要通道。

3.3.3 左壩肩及左岸山體巖溶滲漏

樁號K0+000～K0+037壩基以及左岸山體基巖為寒武系下統(tǒng)清虛洞組第一、二層(?1q1、?1q2)可溶巖，巖體透水性主要受巖溶發(fā)育程度控制。

(1)巖溶發(fā)育特征。據(jù)鉆孔揭露和地表出露巖溶發(fā)育情況，左岸巖溶發(fā)育具有如下特征:

①巖性控制影響 地表調(diào)查和鉆孔揭露的23個溶洞、落水洞中22個發(fā)育于寒武系下統(tǒng)清虛洞組第二層(?1q2)的角礫狀白云巖中;寒武系下統(tǒng)清虛洞組第一層(?1q1)的泥質(zhì)白云巖和寒武系中統(tǒng)下部高臺組(?2g1)的泥灰?guī)r巖溶不發(fā)育。

②垂向巖溶分布特征 壩區(qū)左岸經(jīng)歷過兩期巖溶發(fā)育階段:第一期巖溶分布在高程102.39～108.13 m之間，距大壩較近的共探測到6個，壩軸線上游1個，壩肩4個，壩軸線下游1個;洞高0.2～3 m不等，多由粉質(zhì)粘土為主夾碎石充填，僅1個無充填。第二期分布在高程87.51～95.37 m之間，共探測到8個，壩軸線上游2個，壩肩4個，壩軸線下游2個;洞高0.3～4.5 m，其中無填充的5個，砂礫石或碎石土充填的2個，僅1個為粉質(zhì)粘土充填。

(2)地表水和地下水補給排泄。勘探期間，水庫運行水位約97.61 m時，右壩肩碎屑巖裂隙水水位約98.31 m，高于水庫運行水位，而左岸巖溶裂隙水水位為78.03～89.63 m，遠低于水庫運行水位。因此右岸基巖裂隙水多接受大氣降水補給，向庫內(nèi)排泄為主，而左岸地下水則接受庫水補給，向下游排泄。

(3)連通性。巖溶不甚發(fā)育的清虛洞組第一層(?1q1)的泥質(zhì)白云巖于庫內(nèi)出露高程92～96.6 m，巖溶發(fā)育的清虛洞組第二層(?1q2)的角礫狀白云巖于庫內(nèi)出露最低高程約96.6 m。因此當水庫高水位運行時，巖溶發(fā)育的角礫狀白云巖淹沒于庫水中，有利于庫水向左岸補給。

表1 左壩肩發(fā)育溶洞特征表Table 1 Feature table of development cave of left abutment

圖4 左岸巖溶滲漏路徑示意圖Fig.4 Schematic diagram of seepage path at the left bank

位于左壩肩的ZK5鉆孔于高程93.13～88.43 m段揭露的第二期3個溶洞，為一個大的溶洞系統(tǒng)，僅底部0.5 m充填含泥粗砂夾卵石，卵石成分為頁巖，具一定磨圓，為河流沖積相堆積物，表明該溶洞曾與香山溪連通;位于壩軸線上游的ZK19鉆孔也在高程90.07～95.37 m之間發(fā)育2個溶洞;地表調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在壩軸線下游的50 m和60 m處88～92 m高程之間也發(fā)育2個溶洞。另外位于左壩段的ZK4鉆孔高程87.51～87.86 m之間揭露溶洞，該孔在高程90.96 m以下的角礫狀白云巖鉆進過程中，當采用清水鉆進時，下游壩腳魚池內(nèi)出現(xiàn)多處涌水點，水質(zhì)渾濁，涌水量大。

綜上所述，高程87.51～95.37 m之間發(fā)育的第二期巖溶與上游庫水和壩下游出滲點存在明顯的水力聯(lián)系，可確定為壩后滲漏的主要通道。

4 結(jié)語

(1)香山水庫大壩主要由含礫粉質(zhì)粘土組成，物理分區(qū)不明顯，可定為均質(zhì)土壩，壩體屬中等透水性，不滿足規(guī)范要求，存在壩體滲漏問題;壩下埋管3條，存在一定滲漏問題;壩基清基不徹底，也未進行防滲處理，存在滲漏問題，但均非導(dǎo)致壩后嚴重滲漏的主要原因。

(2)壩址區(qū)左岸分布可溶巖，且出露于庫水之下，發(fā)育兩期巖溶，第一期分布在高程102.39～108.13 m之間，第二期分布在高程87.51～95.37 m之間，巖溶裂隙水或溶洞水水位遠低于庫水位，水力聯(lián)系密切，長期接受庫水補給，向下游排泄，是壩后滲漏的主要通道。

(3)在以往的病險水庫安全鑒定和除險加固階段勘察中，主要注重查明壩體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，大量的勘探工作多布置在壩體結(jié)構(gòu)上，而忽略了工程地質(zhì)環(huán)境和主要工程地質(zhì)問題，勘探布置缺乏針對性。通過對香山水庫滲漏原因分析，表明在以后勘察過程中，勘探工作的布置要根據(jù)地質(zhì)條件布置，尤其是在可溶巖發(fā)育的地區(qū)，對巖溶發(fā)育情況的調(diào)查至關(guān)重要。

［1］ SL 55—2005，中小型水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范［S］.

［2］ SL 274—2001，碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范［S］.

［3］ SL 31—2003，水利水電工程鉆水壓水試驗規(guī)范［S］.