八盤峽壩基軟弱夾層泥化及大壩安全性分析

劉世煌

(水利部水電水利規劃設計總院，北京　100120)

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八盤峽壩基軟弱夾層泥化及大壩安全性分析

劉世煌

(水利部水電水利規劃設計總院，北京100120)

八盤峽水電站壩基為白堊系河口群粉質砂巖及泥巖，受構造運動影響，軟弱夾層較為發育，經41 a運行，軟弱夾層存在泥化現象。綜合分析水質、析出物及安全監測資料，對比鹽鍋峽、葛洲壩等水電站運行狀況認為，八盤峽水電站壩基軟弱夾層泥化現象尚未影響大壩安全，但需保持高度關注，視析出范圍和析出量的變化，采取相應措施。

軟弱夾層；泥化現象；八盤峽水電站；大壩安全

1　八盤峽壩基軟弱夾層

八盤峽水電站位于黃河上游，鹽鍋峽水電站下游18 km。壩軸線處黃河流向NE60°。工程任務為提供保安電源和少量灌溉。庫容4 900萬m3，樞紐工程由河床式廠房、3孔泄洪閘、4孔溢流壩、2孔非常溢洪道和左右擋水壩段等建筑物組成。重力壩最大壩高33 m，壩頂長396.4 m，河床徑流式電站，設計水頭18 m，1997年擴機后裝機220 MW。工程的地震設防烈度為8度。1969年10月開工，1974年蓄水，至2015年已安全運行41 a。

壩基為白堊系河口群組粉質砂巖、砂質黏土巖和頁巖，壩址區以F23和F24為界，巖性和構造特征有明顯區別：① F24以左閘壩壩段壩基為紫色砂巖、砂質黏土巖和頁巖，呈平緩褶曲狀，NW325°，傾NE，22°～30°；巖層走問與河流呈大角度相交，緩傾下游，對穩定不利；② F24以右的廠房壩段壩基以灰白色砂巖為主，其中F23與F24間，因錯動，巖層產狀NE35°，傾SW，傾角8°～10°；③ F23以右壩基以灰白色砂巖為主，巖層產狀NE700，傾NW，傾角50°，見圖1。

圖1　八盤峽壩軸線地質縱剖面圖

表1　八盤峽軟弱夾層原物理力學試驗成果表

設計采用的計算參數：廠房壩段巖體f=0.6，f＇=0.7，C＇=0.3 MPa。安裝間f=0.35，f＇=0.5，C＇=0.1 MPa。溢流壩和泄洪閘壩段f=0.5，f＇=0.6，C＇=0.2 MPa。層面f=0.33，f＇=0.5，C＇=0.1 MPa。

鹽鍋峽水電站鉆孔的芯樣資料證實：軟弱夾層泥化后抗剪強度迅速降低，從原f=0.35降為f=0.24，軟弱夾層泥化是影響八盤峽水電工程安全的重要問題。

為了確保大壩抗滑穩定，延緩軟弱夾層泥化進程，建基面開挖后，用草袋鋪蓋并灑水養護；壩踵附近設4 m深齒槽；機組壩段前鋪蓋長20 m；河床及閘壩壩段前鋪蓋長30 m；溢流壩段前鋪蓋長15 m，所有鋪蓋厚均為0.5 m；壩基固結灌漿，并設防滲帷幕，帷幕總長283.5 m，灌漿孔距2 m，深入基巖達22 m，帷幕后設排水孔。

施工期間因發現F23、F24破碎帶寬2～4 m，出露300 m，巖體切割破碎，部分建筑物置于平緩的夾層泥上，1969年決定將壩軸線上移103 m。施工中因上游左導墻的中段地基被斷層與層面組合的雙面滑動體截斷，向臨空面緩慢滑動，不得不將導墻中段改建在上下段的外側，上下塊間用鋼筋網支撐。

2　八盤峽壩基軟弱夾層泥化現象

1974年水庫蓄水，運行10余年后，地下水硫酸鹽含量高達6 200 mg/L，左岸壩基廊道排水溝內水位變動部位的混凝土破壞嚴重，疏松解體，失去強度，同時還發現壩基軟弱夾層有惡化趨勢，溢流壩段排水孔的水變為紅色……,1991年進行了壩基補強工作。

1992年首輪大壩安全定期檢查中除專題研究地下水侵蝕問題外，對軟弱夾層泥化問題也十分關注，通過補充鉆孔取樣試驗，提出《水電站擋水建筑物地基運行分析報告》，認為軟弱夾層的主要礦物成分為伊利石，黏粒含量在10%以下，含水量較少，結構致密，無明顯泥化現象，蓄水后壩基軟弱夾層性態無明顯變化。

2006年第2次大壩安全定檢后發現排水孔口析出物較多，委托河海大學進行試驗研究。八盤峽水電站排水廊道54個排水孔中有32個孔有析出物，占總數59.25%。其中有紫紅色析出物27個孔，占有析出物排水孔數的84%，其余2個孔為黑色析出物、2個孔為白色析出物、1個孔為土色析出物。對比2000年第1次大壩安全定檢，析出物增多了，且以紫紅色析出物為主。

表2　析出物及其地質背景、排水量、滲壓的分析表

2015年8月第4次大壩安全定檢發現，54個排水孔口有52個孔口有析出物，占總孔數的96%，有析出物排水孔數目在增加，析出物幾乎成為普遍現象。在52個有析出物排水孔中，紫紅色泥狀析出物有31孔，白色析出物有16孔、黑色析出物2孔、土黃色析出物3孔。相比2009年監測成果，紫色泥狀析出物的孔數增加了4個孔，紫紅色析出物排水孔的數量和分布范圍有所增加。

對比2006年與2015年析出物鉆孔數量和分布，分析相應的地質背景、巖性、排水量、揚壓力等，對比分析情況見表2。

由表2可以看出：

(1) 壩基排水廊道內滲水量，1992年為0.011 L/s，2015年增至為0.246 L/s，滲水量雖有所增加，但滲漏量不大，且各排水孔出水均為清水，說明尚未發生明顯滲流破壞。

(2) 析出物的顏色以紫紅色泥狀為多，且與原巖顏色總體對應，相對比較，2015年有紫色析出物的孔數增加了4個，白色析出物的孔數增加了14個，有白色析出物孔數增加比較明顯。

(3) 紫色析出物較多的孔集中于左側閘壩的地基中，其中左安裝間B16、16沉點、3號閘B7、2號閘B10、1號閘B16紫色析出物數量較多。

(4) 除黑色析出物有臭味外，其他顏色析出物大多無味，排水孔滲水大多有咸味，部分析出物有絮狀物，說明析出物產生過程中不單是物理及化學反應，可能還有微生物的作用。

(5) 除右岸安裝間與左副壩段幕后揚壓力測值超標外，河床中部閘壩及廠房壩段的壩基內的滲壓均低于下游水位；除1、4號廠房壩基滲漏量偏大外，其余排水孔滲水均較小；排水量較多的排水孔，析出物量一般較多。目前尚未看出壩基滲壓與析出物數量有明顯對應關系。

2004年和2015年分別在排水孔孔口取出紫色、白色、黑色析出物試驗，其無機物成分對比見表3。

由表3對比分析可見：

(1) 紫色析出物顆粒較細，化學成分相對單一，以Fe2O3為主，含量可達50%～70.3%；其次，為SiO2、CaO。此類析出物的燒失量比較高(4.44%～29.3%)。

(2) 白色析出物化學成分以CaO為主，合量可達19.5%～50.4%；其次，為SiO2、MgO、Na2O、SO3、Fe2O3。此類析出物的燒失量較少。

(3) 黑色析出物主要礦物成分以SiO2為主；其次為CaO、Al2O3、Fe2O3、K2O、MgO；另外，還含有少量的MnO。燒失量可達35.15%，可能與其間有機物有關。

壩址原巖礦物的化學成分測試見表4。

表3　析出物礦物成分對比表

表4　壩址巖樣的化學成分測試結果表

從表4對比原巖礦物成分可見：

(1) 壩址紅層巖體的化學成分仍然以硅、鋁為主，兩者之和SiO2+Al2O3=73.10%～77.20%。Fe2O3含量也比較高，在滲水淋濾及化學潛蝕作用下，析出物與原巖化學成分總體無太大變化，但原巖中部分膠結物溶失，部分比表面積較大的物質懸浮“空化擴容”，原巖中Fe2O3析出富集，紫色析出物中Fe2O3含量增加至50%以上；受地下水溶蝕作用，原巖中的CaO及砂巖中可溶性碳酸鹽類膠結性礦物析出，白色析出物的CaO含量也增加至40%～50%，析出物的礦物成分及比例發生了一定變化。

(2) 區內紫色礦物中鐵(包括錳)元素可相對富集于結構面中，受淋濾作用，此類元素在還原環境下，巖體結構面中的鐵或以低價離子態或以低價的游離氧化物進入水溶液中并隨之運移。當地下水流出排水孔口而處于氧化環境時，水中的低價鐵離子變成高價鐵離子，低價氧化物(膠粒)變成高價“難溶”的高鐵氫氧化物。

跨文化交際的“修辭轉向”具有重要意義，它并不是盲目地去寬容文化差異，而是呼吁對之展開批判性的研究以求最終消除差異。人們既要包容可接受的差異，也要重視培養有助于消除差異的批判性跨文化思考和修辭能力。面對差異，空洞的“和而不同”無助于尋求跨文化交際理論新視角，也無助于解決文化差異造成的分歧。跨文化交際研究可以在“修辭轉向”的基礎上，通過語言力量的“斗智”，正視分歧，尊重分歧，協調分歧，從而在非武力解決糾紛領域發揮其功效。

(3) 綜合上述試驗成果認為：白色析出物主要礦物成分為CaO，主要來源于混凝土壩體、防滲帷幕；紫色析出物主要礦物成分為Fe2O3，主要來源于頁巖與軟弱夾層。

3　八盤峽重力壩壩基淺層抗滑穩定性

(1) 1988年西北勘測設計院在《中國西北大壩和水電站建設》中，匯編了戴尚純“黃河八盤峽水電站興建中幾個工程地質問題”一文，認為：壩基巖體產狀總體平行河流，傾角較陡，但巖體中斷裂發育，個別壩段當軟弱夾層與斜交河床的NNE向傾上游的結構面組合時，易產生淺層滑動，如3號溢流壩，壩基紫色砂質黏土頁巖及軟弱夾層(產狀NW325°，傾NE，22°～30°)，當與F63組合時，可能沿結構面構成不利結構面組合向下游滑動。

(2) 1998年首輪大壩安全定檢時對八盤峽重力壩抗滑穩定性進行復核，認為用赤平透影法分析，八盤峽壩基不存在不利結構面組合，也就不存在因軟弱夾層泥化而加重的壩基淺層抗滑穩定問題，同時壩體沿建基面的抗滑穩定安全系數滿足規范要求，除右岸副壩(擋5、6、7號)壩踵應力在正常、校核及地震工況下出現拉應力且超標外，其他各壩段壩基應力滿足規范要求。

(3) 2015年第4次大壩安全定檢認為，壩體水平變位和垂直變位的變化規律正常，壩頂最大水平位移年變幅7.31 mm，壩頂垂直位移年變幅5.01 mm，壩基揚壓力折減系數大多小于設計的計算值，壩基滲漏量0.246 L/s。壩基析出物的分析成果表明：八盤峽壩基軟弱夾層已出現泥化現象，含紫紅色析出物排水孔數占排水孔總數的50%以上。為減少軟弱夾層泥化影響，本工程已采取壩前增加水平防滲鋪蓋、壩踵下設齒槽、壩后加鋼筋混凝土護坦等措施，綜合分析41年來壩體變形、滲流及滲壓等資料，未發現滲流破壞及其他異常現象，初步認為八盤峽壩基紫紅色泥狀析出物及軟弱夾層泥化現象尚未影響大壩安全，但仍需加強監測。

鑒于右副5、6、7號壩段在正常和校核及地震工況下，壩踵部位出現拉應力且超標，滲壓及滲流量較大，析出物較多，雖然上述壩段增設了64根錨筋及9根抗滑樁，提高了安全儲備，但仍應增加必要的監測措施，對重力壩壩基淺層抗滑穩定問題仍應關注。考慮到目前白色析出物有增多的趨勢，對防滲帷幕的防滲效果及滲壓和滲流量的變化仍應關注。

4　同類工程分析

軟弱夾層的泥化問題是影響重力壩抗滑穩定重要問題之一，鹽鍋峽、葛洲壩等同類水電站工程均開展過專題研究。

4.1鹽鍋峽水電站

1958年黃文熙教授指出：鹽鍋峽壩基存在黏土質頁巖軟弱夾層泥化及大壩抗滑穩定問題。設計院認為該軟弱夾層呈薄透鏡體尖滅封閉狀存在于壩基中，干密度大，液性指數為負值，排除了壩基軟弱夾層泥化問題。為提高大壩抗滑穩定并減少混凝土工程量，擋水壩段內設寬縫，以減少壩基揚壓力；壩基固結灌漿，在壩基中設主副帷幕各1道，主帷幕深25 m，副帷幕深12 m，帷幕灌漿孔距3 m，并設壩基排水；壩址下游利用相鄰水工建筑物做基巖的覆蓋保護，以防緩傾軟弱巖層裸露；控制壩址上下游建基面高差，開挖鋸齒狀建基面，作為抗滑穩定的安全儲備；擋Ⅰ～擋Ⅲ壩段壩踵處設齒槽，并設壩基排水。

1964年8月在右壩頭6-1號灌漿孔鉆進過程中，當鉆至S68軟弱夾層部位時發生埋鉆，地質人員認為是軟弱夾層泥化所致。相繼在基礎灌漿廊道、壩趾及尾水渠左岸鉆孔12個，孔徑75 mm， 雙管單動取芯, 共鉆孔267.86 m , 平均孔深20 m 以上;鉆孔取芯率90%以上，并進行了壓水試驗、水質分析、黏土礦物鑒定、X射線衍射、紅外光譜、電鏡掃描等分析研究工作。結論為：鹽鍋峽水電站壩基軟弱夾層在水庫蓄水后發生了變化, 產生了普遍軟化和泥化現象，并認為原設計壩基沿軟弱夾層抗滑穩定計算中, 取f=0.35、C=0，各種工況下抗滑安全系數均能滿足要求，但如果按此次檢查的試驗結果,按飽和固結快剪值應采用f=0.24，C=0，則除正常運行工況外, 其它工況均不能滿足壩基抗滑穩定要求。

1989—1992年大壩首輪安全定期檢查，為驗證鉆孔檢查中發現的軟弱巖層軟化和泥化的真實性, 在10號擋水壩段的寬縫壩基中, 在鉆孔檢查已發現軟弱巖層總數比例較大的地一4號孔和地一5 號孔附近,開挖了1號和2號探井,井深為6 m 和4 m。探井檢查表明：在鉆孔取得軟化和泥化巖芯層位相對應的探井中的軟弱夾層, 并沒有發現軟弱夾層軟化、泥化現象。經現場取樣測試和試驗, 其天然容重、干容重、含水量、塑性指標和液性指數等與初步設計階段軟弱夾層試驗成果基本上一致, 且抗剪強度較高(f= 0.42～0.69 )，據此認為：鹽鍋峽壩基軟弱夾層不存在普遍泥化問題，但不排除局部泥化的可能。

2014年8月大壩第4次安全定檢，在10號擋水壩段寬縫中看到壩基砂巖和砂質礫巖結構完好，但寬縫內的滲水中發現少量紅色泥狀物質，2號探井測壓管的頂部積有少量紅色泥狀物質，這似乎說明：20年來，鹽鍋峽壩基原先不滲水的2號探井目前滲水了，原先無泥化現象的寬縫滲水中出現了紅色泥狀物，這也說明鹽鍋峽軟弱夾層雖并未普遍泥化，但不能排除局部泥化可能，以前未泥化的軟弱夾層，今天可以在滲透水流作用下出現泥化現象。

4.2葛洲壩水電站

葛洲壩壩基巖體為白堊系下統石門組和五龍組碎屑巖，從右至左依次為礫巖、粉砂巖、黏土質粉砂巖、砂巖和黏土巖，其中軟弱夾層和軟弱夾層剪切帶共72條，尤以130號(剪切帶總厚0.3～0.5 m，泥厚3～5 mm)，227號(剪切帶總厚0.26 m，并有厚1～3 mm的泥化帶)等5個層間剪切帶，性狀差、分布廣、力學強度低、承載能力差、容易產生錯動和不均勻沉陷，在滲透水流作用下存在滲透破壞的可能性，對壩基的抗滑穩定和不均勻變形影響較大，為此在大壩基礎廊道內預留了227號、130號剪切帶的觀測點，并埋設變位監測儀器。

施工中二江泄水閘7號閘段開挖至26.826 m時，沿層面剪切帶及緩傾裂隙面拉開，壩基卸荷回彈13.6 mm，同時剪切帶出現側向位移，其中202，212剪切帶最大側向位移達80 mm 。1981年蓄水后壩基沉降5～10 mm，最大達20.83 mm。蓄水后還發現2號船閘出現紅水。

2006年，130號剪切帶觀測點壁面清理前與過去沒有明顯變化，表面很潮濕，泥化帶表面稀軟，出水主要集中于壁面上部的礫巖中，并在礫巖底板形成7處滴水，總水量約10 mL/min。向里掘進0.2 m后，軟弱夾層仍較為完整，很少見到有水滲出，泥化帶已不再稀軟，恢復為可塑及硬塑的常態， 23 d后，挖面陸續出現出水點，其中礫巖有4處，總水量約14 mL/min；另外4處滲水均出自泥化帶上面的鱗片狀劈理帶中，水量約3 mL/min。由于受滲水的浸潤，泥化帶局部變軟，呈軟塑狀。

227號剪切帶觀測點壁面在清理前，壁面外側堆積有大量自壁面脫落的黏土巖小塊體，總量約15 kg，已變得異常松軟。將227號剪切帶表部10 cm厚的松動巖塊清除后，里面的巖石性狀變好，已接近新鮮狀態。觀測壁面左上角原有6處出水點已不滲水，但右上角的W9水量有所增大，可以明顯見到滲水流動，出水點以下的一大片巖壁(面積約0.25 m2)變得很潮濕；出露于227號剪切帶底面右側的W10，水量相對較大，流量約20 mL/min。向里掘進0.8 m，新壁面新鮮完整，很少見出水，23 d后，出水點逐漸增至7處，有3處出露于227號剪切帶以上粉砂巖，另4處出露于鱗片狀劈理帶，水量均很小。由于受劈理帶外滲水流的浸潤和人工擾動，劈理帶下部已泥化、軟化，致使泥化帶增厚到2～3 cm。右側壁有一出水點W1，出水量為164滴/min。壁面現已變得較潮濕。

130、227號剪切帶觀測壁面宏觀變化觀測記錄表明：自葛洲壩工程投運40多年來，觀測點壁面的宏觀變化僅限于滲水點附近，常表現為泥化帶表面稀軟、壁面掉塊等現象，均不涉及剪切帶本身性態的變化。當沿觀測壁面向里挖掘數10 cm后，新的壁面仍十分新鮮完整，說明剪切帶性狀整體并未發生變化。

5　結　語

(1) 軟弱夾層的泥化問題是影響重力壩抗滑穩定重要問題之一，對此問題應予以足夠重視。該問題包含軟弱夾層是否存在泥化現象和泥化后對大壩安全的影響2個問題。泥化現象是黏土礦物中親水性物質在水的物理化學和微生物等作用下流塑的現象，判別軟弱夾層泥化，可以采用鉆孔取芯，開鑿探井，也可以采用析出物分析等方法。

(2) 在正常狀態下軟弱夾層常處于干燥狀態，密度大，比重高，液限指數常為負值。蓄水后當軟弱夾層存在滲流通道時，在滲透水壓和滲透水流作用下，沿滲流通道兩側會發生軟化泥化現象，當軟弱夾層本身透水性較小時，軟弱夾層的軟化和泥化過程比較緩慢，可分為早中晚3期，早期一般滲水量不大，攜帶出來的泥狀物不多；隨著時間的推移，軟弱夾層的軟化和泥化會沿滲流通道向縱深方向發展，滲水點增多，滲水量加大，攜帶出來的泥狀物增多，出口會堆積一定的坡積體；當滲量滲壓及析出物明顯增加并出現渾水時，對工程安全的影響加大，應研究相應的防滲或加固措施。

(3) 軟弱夾層軟化、泥化發展會使力學參數降低，造成軟弱夾層的錯動，基底脫空，甚至導致壩體失穩，影響工程安全。壩體失穩不僅與軟弱夾層是否泥化有關，還與結構面組合、力學參數變化及諸多外部條件有關，應根據泥化范圍、泥化程度、結構面組合、力學參數變化、壩體變位、防滲效果、滲流量和滲壓的變化等，綜合評判壩體穩定性和工作性態。

(4) 析出物是在具有一定侵蝕性環境水的條件下，通過物理化學及生物等作用，將壩體或巖體中的礦物或礦物之間的膠結物或結構面中的充填物等析出的產物。軟弱夾層的軟化泥化與軟弱夾層結構特性、礦物成分、滲透水壓、滲透水流及水質等因素有關，也與工程防滲效果有關。一般劈理發育、蒙脫石含量高、防滲效果差、滲透水流及壓力大，pH>9的堿性水時，軟弱夾層易于軟化、泥化。實驗證明：由于淋濾等物理作用，析出物內無機礦物成分總體未發生變化，但析出物各礦物比例卻明顯變化；通過化學反應，礦物成分可以發生變化；經微生物作用，析出物中會出現一定量的絮狀物質。

(5) 實踐證明：加強壩基垂直防滲有利于切斷滲水來源，有利于降低滲流坡降，也有利于防止和減緩軟弱夾層軟化、泥化。完善的防滲體系，大齒槽、固結灌漿以及必要時的錨固措施，是處理軟弱夾層軟化、泥化問題的較好辦法。

[1]大壩安全監察中心.八盤峽大壩首次安全檢查報告[R].1992.

[2]大壩安全監察中心.八盤峽大壩第二次安全檢查報告[R].2001.

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[4]大壩安全監察中心.八盤峽大壩第四次安全檢查報告[R].2015.

[5]黃河上游水電開發有限責任公司公司隴電分公司.黃河八盤峽水電站大壩運行總結報告[R].2015,5.

[6]黃河上游水電開發有限責任公司公司隴電分公司.八盤峽水質分析報告[R].2015,5.

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Analysis of Argillizaion of Soft and Weak Interlayer in Dam Foundation and Dam Safety,Bapanxia Hydropower Station

LIU Shihuang

(General Institute of Water Resources and Hydropower Planning and Design, Beijing100120,China)

The dam foundation of Bapanxia Hydropower Station is silty sandstone and mudstone of Hekou group of Cretaceous in lithology. Impacted by the tectonic movement, the soft and weak interlayer is developed. After 41-year operation of the station, the interlayer at the dam foundation occurs argillization. Through analysis on water quality, precipitates, and safety monitoring data as well as compared with operation of Yanguoxia and Gezhouba Hydropower Stations, the argillization of the soft and weak interlayer in the dam foundation of Bapan Hydropower Station doesn't impact yet. But more attention shall be paid. Corresponding measures shall be taken according to the precipitate range and quantity. Key words:soft and weak interlayer; argillization phenominon; Bapanxia Hydropower Station; dam safety

1006—2610(2016)04—0008—07

2016-03-04

劉世煌(1941- )，男，江蘇省南京市人，教授級高工，從事水利水電工程勘測、設計、科研、設計審查、咨詢、安全鑒定、安全評價等工作.

TV223

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10.3969/j.issn.1006-2610.2016.04.003