吉林某水庫滲漏坍塌致災機理研究

趙玉濱

(中國電建集團 北京勘測設計研究院有限公司,北京 100024)

吉林某水庫滲漏坍塌致災機理研究

趙玉濱

(中國電建集團 北京勘測設計研究院有限公司,北京 100024)

為了給水庫大壩的除險加固工作提供依據,需要確定大壩滲漏原因,明確可能存在的滲漏通道。本研究通過綜合地質勘察,利用地質測繪、勘探、物探、室內與現場試驗等手段,深入探究壩址區喀斯特發育情況,最終確定覆蓋層產生管涌、流土破壞進而導致滲漏,基巖存在的喀斯特及架空通道導致塌陷。

喀斯特;滲漏破壞;壩體坍塌

吉林某水庫是一座以居民生活用水為主,兼顧灌溉和工業園區供水的小(Ⅰ)型水利工程。壩體分為混凝土重力壩段、溢流壩段和均質土壩段。土壩建成后發現壩基局部有架空結構,于是在均質土壩段壩基進行了高壓擺噴灌漿處理。當水庫蓄水至高程540 m左右,導墻西側河道出現涌水,水量較大,泥沙含量較高,同時河道兩側的泉水也出現涌水冒砂現象;土壩上游壩坡出現旋渦,土壩壩段上游側出現橫向裂縫,搶險人員在旋渦處倒入大量的塊石、碎石土,未見效果。旋渦進一步擴大,壩體橫向裂縫進一步發展,壩體上游側出現塌陷,防浪墻倒塌。

水庫建成蓄水后發生了滲漏,壩后河流涌水冒砂,發生了滲透破壞。滲透破壞是較為嚴重的巖土工程問題,是導致大壩破壞的常見形式之一[1],滲透破壞使巖石和土層的力學性質、空間結構發生改變,從而產生變形,嚴重時導致壩體坍塌。病險水庫安全診斷是除險加固的前提與基礎[2],本研究目的是查明該水庫滲漏通道以及壩體坍塌的原因,為水庫除險加固提供指導,保證水庫的安全運行。

1 壩址區工程地質條件

1.1 壩址區地層巖性與地質構造

壩址區巖性較簡單,覆蓋層主要為第四系全新統松散堆積物,基巖巖性主要為石英巖和白云巖。壩址區范圍內發育2條斷層,主要由碎裂巖、構造角礫巖組成?；鶐r中主要發育三組節理裂隙。

1.2 壩址區水文地質條件

在水庫具備了滲漏的巖性、地形地貌、地質構造等條件時,是否發生滲漏還取決于水文地質條件[3]。

1.2.1 巖土體的透水性

壩址區基巖進行了53段壓水試驗,結果表明:基巖表部30 m內喀斯特較為發育,其喀斯特形態有溶洞、溶溝、溶孔、溶隙等,多為中等和強透水地層;30 m以下多為弱透水地層,溶洞發育地段為強透水地層。

1.2.2 壩址區地下喀斯特水

2 喀斯特發育地帶及溶洞分布探究

2.1 壩址區喀斯特發育特征

壩址區勘察研究過程中,鉆探時頻繁出現掉鉆或者基巖中進尺較快等現象,取得的巖芯有溶隙、溶孔等,孔內電視發現巖石中無論白云巖還是石英巖均有溶洞發育,根據施工、本次鉆探巖芯、孔內電視、孔間CT等勘探資料,壩址區喀斯特主要有以下幾種類型。

(1) 溶隙、溶孔:在白云巖和石英巖中均有發現,主要沿巖石原有裂隙,或者沿碎裂狀巖石的基質發生溶蝕現象。現狀不規則,連通性較差,一般寬度<5 mm,壓水試驗段有溶隙、溶孔時呂榮值一般在5～10 Lu。

(2) 溶洞:溶隙、溶孔進一步溶蝕,形成溶洞,孔內電視揭露的溶洞洞徑一般<20 cm,溶洞現狀不規則,主要沿裂隙發育,鉆孔中發生掉鉆的位置分布范圍最多可達1.6 m(見圖1),個別洞內沉積有砂礫石、含碎石粘性土。

圖1 ZK4溶洞Fig.1 ZK4 cave

(3) 溶溝、溶槽、落水洞:在地表水的作用下,地表可溶巖沿斷層裂隙溶蝕,規模逐漸擴大形成溶溝、溶槽、落水洞等,原重力壩溢流壩壩基開挖時多處可見溶溝、溶槽、落水洞。

2.2 壩址區喀斯特發育影響因素

2.2.1 巖性影響喀斯特發育

2.2.2 構造影響喀斯特發育

壩址區喀斯特發育與構造密切相關,壩址區斷層發育破壞了白云巖、石英巖巖體的完整性,較易溶蝕的碎裂巖和碎裂狀巖石就是前期構造運動的產物,巖體的不完整性為地下水的滲流創造了有利條件。在壩址區碎裂巖和碎裂狀巖石與后期形成的裂隙交匯處多發育溶隙溶孔,與斷層交匯處多形成溶洞。本區經歷多次構造運動,構造運動擠壓時產生巨大的能量,為早期白云巖喀斯特發育提供了物理力學氛圍。

2.2.3 地下水影響喀斯特發育

地下水較為活躍的地區,喀斯特也較為發育,在地表及一定深度內地表水、地下水相互交替,水活動強烈,形成溶溝、溶槽、落水洞等;斷層、裂隙交匯部位地下水流動速度較快,喀斯特化程度也較高,多形成溶洞。

2.3 喀斯特發育分布

根據孔間電磁波CT解譯和鉆孔鉆探、孔內電視資料,壩址區主要有3處喀斯特較為發育地帶,分別為Ⅰ-Ⅲ號喀斯特發育區,其規模較大,分布范圍見圖2。

圖2 Ⅰ-Ⅲ號喀斯特發育分區分布范圍示意圖Fig.2 Distribution range of Karst Development ZoneⅠ-Ⅲ1.Ⅰ號巖溶發育帶分布范圍及分級;2.Ⅱ號巖溶發育帶分布范圍及分級;3.Ⅲ號巖溶發育帶分布范圍及分級;4.巖溶發育帶編號(分級厚度。

3 大壩滲漏原因分析

3.1 滲漏位置確定

壩址區左側岸坡地形相對較緩,地表出露的巖性為坡洪積碎石土,下伏喀斯特發育的石英巖,碎石土厚度較大,注水試驗表明,滲透性差異較大,具中等透水性,存在繞壩滲漏問題?；鶐r為石英巖,弱風化,構造裂隙發育,巖體破碎,30 m埋深內發育Ⅰ、Ⅱ號喀斯特發育帶,多有溶洞、溶孔、溶隙發育,透水率多>5 Lu,為中等透水—極強透水層,該段存在壩基滲漏問題。

中部壩基為沖積砂礫石,顆粒大小混雜,無分選,厚度2.0～5.5 m,是強透水地層,下伏基巖為白云巖,弱風化,構造裂隙發育,巖體破碎,存在Ⅲ號喀斯特發育帶,壩基多有溶洞發育,透水率多>5 Lu,多為極強透水層,極易發生水庫滲漏問題。

河床右側為混凝土壩基,大壩直接座于基巖之上,基巖為弱風化白云巖,巖體破碎,喀斯特發育,但在建壩過程中進行了帷幕灌漿,在水庫蓄水過程中未見該處有明顯的滲漏問題。本次研究進行了連通試驗,在溢流壩上游的ZK5號孔投入示蹤劑(食鹽),在大壩下游河水及泉水中取樣檢測,觀測近5天時間,未見蹤跡,說明混凝土壩上、下游水力聯系較差,該處壩基滲漏量較少,也不存在繞壩滲漏問題。

圖3 建庫前地下水徑流(左壩肩—壩下游泉水S1方向)示意圖Fig.3 Groundwater runoff before establishment of reservoir(The left dam reaches the downstream S1 direction of dam)

圖4 水庫蓄水地下水徑流(左壩肩—壩下游泉水S1方向)示意圖Fig.4 Groundwater runoff ofreservoir site(The left dam reaches the downstream S1 direction of dam)

3.2 建庫前后地下水徑流特征

根據水文地質條件,建庫前喀斯特地下水在河流兩岸山區接受降雨的補給,沿喀斯特發育地帶向下向河谷方向徑流(見圖3),在河谷部位,其上覆為坡洪積碎石土或者完整基巖,因此喀斯特水具一定的承壓性向河流方向水平徑流,或者在坡腳部位上溢成泉(壩下游泉水),水平徑流部分在該區最低侵蝕基準面的河流部位上溢進入沖積砂卵石中從而補給河水。

現今(壩體開挖后)地下水的徑流條件與建庫前相差不大,主要區別為喀斯特水在水庫滲漏形成的“天窗”部位出露成泉,水位高程在527 m左右,高出河水位6 m左右(見圖4)。說明喀斯特水在河谷一帶的承壓水頭高程在527 m左右。

3.3 水庫滲漏原因總結

水庫建成蓄水后地下水環境發生改變,地下水的徑流也發生了變化?？λ固氐叵滤瑯釉诤恿鲀砂渡絽^接受降雨的補給,沿喀斯特發育地帶向下向河谷方向徑流,在大壩位置,由于水庫建設中未對Ⅲ號喀斯特發育帶進行封堵處理,庫水位540 m大于喀斯特水位的527 m,因此庫水通過覆蓋層的沖積砂卵石強透水層向下補給喀斯特水,而不是建庫前喀斯特水補給覆蓋層孔隙水。喀斯特水在壩體部位繼續向河流方向水平徑流,過壩后上溢進入沖積砂卵石中從而補給河水,由于水頭較高,通過河流后仍有部分喀斯特水繼續前行在坡腳部位上溢補給泉水(壩下游泉水),這也就是水庫產生滲漏的原因。

4 壩體滲漏塌陷計算分析

沖積砂卵石滲透破壞形式為管涌,允許水力坡降為0.1～0.15;坡洪積碎石土的滲透破壞形式同樣為管涌,其臨界水力比降按下式計算:

Icr=(Gs-1)×(1-n)

(1)

式中:Icr為碎石土的臨界水力比降;Gs為土粒比重;n為碎石土的孔隙率,此處n為35.9%。

計算結果碎石土的臨界水力比降為1.08,取安全系數為2,則碎石土的允許水力比降為0.54。由于該層土土質不均勻,在一定條件下可發生管涌,按《水力發電工程地質手冊》級配不連續土(缺砂)其管涌型允許水力比降為0.15～0.20。

根據勘察,本區的壩體填筑土5 m左右,下伏覆蓋層10.2～14.5 m,巖性有沖積砂卵石和坡洪積碎石土。水庫建成蓄水后,庫水向下徑流補給Ⅲ號喀斯特發育帶的喀斯特水,按庫水位540 m,喀斯特水水頭527 m,庫水向下徑流補給Ⅲ號喀斯特發育帶的喀斯特水這一段的水力坡降計算公式為:

J=(H1-H2)/S

(2)

式中:J為水力坡降;H1、H2分別為庫水位和喀斯特水水位;S為下伏巖層厚度。

計算J=0.67～0.85大于砂卵石和碎石土的允許比降0.1～0.15,因此在該處覆蓋層發生了管涌滲透破壞。初步估算在喀斯特水上溢進入砂卵石補給河水段,水力比降0.25～0.5,大于砂卵石的允許水力比降,因此在喀斯特發育的基巖和砂卵石接觸面一帶也發生了接觸沖刷。這兩種滲透破壞將大量覆蓋層中的細顆粒帶走進入喀斯特管道中,進而在壩后涌出。

隨著覆蓋層中細顆粒的減少,覆蓋層僅殘留粗顆粒的卵礫石,形成架空結構,并發生沉陷,壩基的沉陷造成壩體結構破壞,產生橫向裂縫,庫水沿這些裂縫向下徑流進入覆蓋層補給喀斯特水,同時也帶走了大量的壩體土,引起壩體塌陷,造成壩體破壞防浪墻倒塌,這就是壩體塌陷的原因。

5 結論

本水庫蓄水后地下水環境發生改變,地下水的徑流也發生了變化。庫水位540 m大于喀斯特水的527 m,因此庫水通過覆蓋層的砂卵石層向下補給喀斯特水,而不是建庫前的喀斯特水補給覆蓋層孔隙水?？λ固厮^壩后上溢進入沖積砂卵石中從而補給河水,這就是水庫產生滲漏的機理。庫水滲漏過程中,在庫水向下補給喀斯特水段,其水力比降計算為0.67～0.85,遠大于覆蓋層砂卵石和碎石土的允許比降,易形成管涌;在上溢段沿喀斯特發育的基巖表面和覆蓋層接觸部位,發生接觸沖刷。這些滲透破壞造成覆蓋層沉陷成架空結構,上覆壩體塌陷。

綜合上述,水庫土壩壩基滲漏問題較為嚴重,滲漏通道為砂卵石、碎石土和喀斯特發育帶,砂卵石、碎石土可全部挖除,碎石土可采用旋噴灌漿處理,基巖表部30 m內喀斯特較為發育地帶,可整體帷幕灌漿處理,另外建議對深部孤立喀斯特管道,進行單獨灌漿處理。

[1] 曹衛平.土力學[M].北京:北京大學出版社,2011.

[2] 韋廷秋.病險水庫安全診斷與除險加固新技術[J].建筑工程技術與設計,2016(31):2332.

[3] 陸兆溱.工程地質學[M].北京:中國水利水電出版社,2001.

(責任編輯：于繼紅)

Study on Mechanism of Seepage and Collapse of a Reservoir in Jilin

ZHAO Yubin

(PowerChinaBeijingEngineeringCo.,Ltd,BeijingChina100024)

In order to provide basis for reinforcement work of dam,it is necessary to determine the cause of dam leakage and identify the possible leakage channels.Through comprehensive geological investigation in this study,geological survey,exploration,geophysical exploration,indoor and field tests are carried out to explore the development of Karst in dam site area,finally,the reasons of piping,flowing soil damage,the existence of bedrock Karst and collapse of aerial channels are determined.

Karst; seepage damage; dam collapse

2017-06-20;改回日期:2017-07-04

趙玉濱(1981-),男,高級工程師,地質工程專業,從事水利水電勘測設計工作。E-mail:zhaoyb@bhidi.com

TV697.3+2

A

1671-1211(2017)04-0416-04

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2017.04.014

數字出版網址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20170622.1655.012.html 數字出版日期:2017-06-22 16:55