甘竹雙曲拱壩除險加固中大壩地質(zhì)評價分析

吳洪武

（漳州市水利水電勘測設計有限公司，福建 漳州 363000）

1 工程概況

下樟甘竹坪水電站位于云霄縣和平農(nóng)場甘埔作業(yè)區(qū)，廠房建于甘樹埔自然村南面約200 m的塔仔溪左岸，距云霄縣城10 km。水庫建于塔仔溪上游距電站約4 km的苦竹坪。水庫正常蓄水庫容為469.38萬m3，水庫正常水位150.00 m，水庫洪水標準原設計為30年一遇設計、200年一遇校核。甘竹坪水電站工程由大壩、隧洞、壓力管道、發(fā)電廠和升壓站等組成。攔河大壩采用細石混凝土砌塊石雙曲線拱壩，壩頂寬度3.4 m，壩頂長202 m，底寬8.1 m，最大壩高40.7 m，厚度比1∶0.199，采用壩頂溢洪，挑流消能。水電站于1994年建設完成，2012年對水庫進行安全鑒定[1]，本文主要了解大壩水文地質(zhì)和工程地質(zhì)條件，調(diào)查壩體和壩基滲漏情況，調(diào)查壩體與基巖接觸狀況，對壩基、壩肩穩(wěn)定不利的斷層破碎帶、軟弱夾層等的分布情況，調(diào)查近壩庫區(qū)邊坡的穩(wěn)定狀況等，從而對大壩進行地質(zhì)評價分析，指導大壩安全鑒定與加固設計。

2 拱壩工程地質(zhì)條件

2.1 地形地貌

大壩位于塔仔溪上游河谷中，河谷呈上部開闊的“V”字型。河流的流向自上游N60°E轉向下游為正東向。大壩左右壩肩已開挖至和壩頂高程一樣的高度，大壩左壩肩山體雄厚，右壩肩山體較單薄，右壩肩有條從外圍引水至水庫的引水渠道，左右壩肩山體都有進行人工放坡，坡角約為60°～80°，坡高約10 m～40 m。左側山體雄厚。大壩頂高程151.9 m左右，河床高程114 m左右，大壩區(qū)內(nèi)屬侵蝕低山地貌。

2.2 大壩壩體組成及砌筑質(zhì)量

大壩壩體主要以條(塊)石為骨架，骨架間以水泥和砂卵石等粗細骨料組成的混凝土填充[1]。條(塊)石為花崗巖巖性成分，弱風化～微風化，條(塊)石巖芯以短柱狀～長柱狀為主，局部條塊石表面風化較劇烈，巖性較差。大部分條塊石間填充物(混凝土)水泥漿很少，施工時水泥漿漏漿較嚴重，混凝土柱面呈麻面、蜂窩狀較普遍，局部混凝土呈碎塊狀，大壩整體砌筑質(zhì)量較差。本次勘探共在拱壩壩頂布置鉆孔3個，其中BK2-1孔和BK2-2孔未能有效揭露壩體厚度，BK3孔揭露壩體的垂直厚度為38.3 m，鉆孔巖芯揭露壩體砌筑情況見圖1。

圖1 鉆孔巖芯揭露壩體砌筑情況圖

2.3 壩基地層巖性

為了了解壩址的地質(zhì)條件，采用地質(zhì)地表測繪、收集《云霄縣甘竹坪水電站工程地質(zhì)勘察報告》[2]和《云霄縣甘竹坪水電站壩基鉆探工程地質(zhì)勘察報告》[3]并在壩頂左右兩側進行鉆探等方法手段進行勘察。

壩基主要為弱～微風化花崗巖分布，左右壩肩山體岸坡以上主要以全風化花崗巖為主，呈黃灰色～灰色，硬塑，稍濕，以粉粘粒為主，含砂量較高。大壩下游河床和河岸均有弱～微風化花崗巖出入。根據(jù)野外鉆探結合地表測繪成果，大壩壩肩、壩基巖土體自上而下分述如下:

全風化花崗巖①1（γ52(3)d）:呈黃灰色～灰色，硬塑，巖石風化劇烈，長石已風化成高嶺土，主要呈砂質(zhì)粘性土狀。主要分布在左右壩肩壩頂高程以上的山體，揭露層厚9m～18m。

強風化花崗巖①2（γ52(3)d）:呈黃灰色～灰色，堅硬，巖芯呈碎塊狀，裂隙發(fā)育，巖性不新鮮，層頂高程在153.54 m～161.93 m，鉆孔揭露層厚5.55 m～7.77 m。

弱風化花崗巖①3（γ52(3)d）:中粗粒花崗結構，塊狀構造，呈淺黃色～灰白色，堅硬，巖芯呈短柱狀，裂隙發(fā)育～較發(fā)育，巖性較新鮮，主要分布在壩基及壩址下游岸坡和河床，，層頂高程在117.70 m～112.50 m，鉆孔揭露層厚為11.7 m～15.20 m。

微風化花崗巖①4（γ52(3)d）:中粗粒花崗結構，塊狀構造，呈灰白色。巖心呈短柱～長柱狀，裂隙較發(fā)育，裂隙面以中高傾角為主，裂隙面無充填物，巖性新鮮，整體巖體質(zhì)量較好，層頂高程為106.00 m，主要分布在壩基和兩岸壩肩。

2.4 地質(zhì)構造

大壩附近未發(fā)現(xiàn)大的地質(zhì)構造，地質(zhì)構造不發(fā)育，主要在大壩下游左岸有兩條規(guī)模較小的斷裂構造，斷層構造帶內(nèi)一般為碎塊巖和巖屑。主要斷層產(chǎn)狀如下:

F1斷層產(chǎn)狀為 N60°E，SE∠78°，寬 0.2 m～0.3 m，向深有變寬的趨勢。

F2斷層產(chǎn)狀為N45°E，NW∠75°，寬0.2 m～0.3 m。在大壩西北部沖溝旁，推測順河方向可能有一條斷層破碎帶F3，產(chǎn)狀為N80°ENW∠70°～80°。

大壩附近出露的巖石節(jié)理裂隙發(fā)育，主要在大壩下游沿河床兩邊山坡腳一帶，主要裂隙以高傾角為主，主要節(jié)理裂隙如下:

①N75°E，NW∠80°～85°，間距 0.2 m～0.3 m，長約 50 m，與JC1相互切割。

②JC2周邊緩裂隙發(fā)育，主要緩裂隙走向NE，傾向SE，傾角 10°～15°。

③N45°E，NW∠70°～80°，間距 0.1 m～0.2 m，向深度閉合，裂隙中有泉水流出。

④JC4周邊緩裂隙發(fā)育，主要緩裂隙走向NW，傾向SW，傾角 5°～10°。

2.5 水文地質(zhì)

2.5.1 地下水類型

地下水賦存介質(zhì)類型主要為第四系堆積孔隙水和基巖裂隙水。

①孔隙性潛水:主要存儲于第四系殘坡積、沖洪堆積層中，如庫岸緩坡、山腳附近的坡積層，主要接受大氣降水的補給，一般殘坡積、沖洪堆積層中地下水儲量有限，土體滲透性較弱。

②裂隙性潛水:分布于斷裂破碎帶及基巖裂隙中，地下水富水程度受節(jié)理裂隙發(fā)育規(guī)模、連通性制約，主要接受孔隙水、水庫水的補給，透水性隨深度增加而減弱，在山坡、山腳處以裂隙性泉水流出地表。

2.5.2 巖土體透水性

BK1和BK2-2孔壩體現(xiàn)場壓水試驗透水率值為0.97 Lu～3.78 Lu，均值為2.23 Lu，具弱透水性；BK2-1孔壩體現(xiàn)場壓水試驗透水率值為8.10 Lu～17.00 Lu，均值為11.78 Lu，具中等透水性；壩體與壩基接觸位置現(xiàn)場壓水試驗透水率值為2.75 Lu～7.80 Lu，均值為5.28 Lu，具弱透水性；壩基現(xiàn)場壓水試驗透水率值為0.88 Lu～10.1 Lu，均值為3.85 Lu，具中～弱透水性。

表1 現(xiàn)場壓水試驗成果一覽表

綜合現(xiàn)場壓水試驗，堰頂附近鉆孔BK1和BK2-2具弱透水性；而在靠近壩肩位置的BK2-1孔具中等透水性，BK2-1孔中有條從壩頂貫整個壩身的裂縫構成了滲透通道；拱壩壩體砌筑質(zhì)量良莠不齊，整體具中等～弱透水性；壩體與壩基接觸的位置具弱透水性，不存在滲漏通道；壩基具弱透水性。

3 大壩工程地質(zhì)綜合評價

3.1 大壩壩體質(zhì)量評價

3.1.1 大壩壩體外觀質(zhì)量評價

大壩為雙曲線砌石拱壩，自大壩建成蓄水發(fā)電以來，大壩未發(fā)現(xiàn)明顯變形和沉降問題，僅在下游壩面接縫中局部有少量滲水痕跡。但分別在壩頂左右兩側發(fā)現(xiàn)有裂縫貫穿整個壩頂并向壩基方向延伸在大壩與山體接觸處尖滅，其中右側壩體裂縫較大，約2 mm～3 mm寬，左側壩體共有裂縫兩處約1 mm～2 mm寬，裂縫在庫水處于高水位時受庫水的推力會變小，據(jù)電站工作人員介紹裂縫在建壩運行3年～4年后出現(xiàn)，自裂縫出現(xiàn)以來未發(fā)現(xiàn)變大的跡象，大壩目前總體處于穩(wěn)定的狀態(tài)。裂縫情況見圖2。

圖2 大壩壩體外觀情況圖

3.1.2 大壩壩體質(zhì)量評價

拱壩壩體主要為水泥砂和條(塊)石組成，條塊石為花崗巖巖性成分，弱風化～微風化狀，局部條石巖性較差，表面風化劇烈，鉆孔揭露的條塊石砌體膠結較差，漿砌石體間見有較多的麻面或空隙，水泥漿流失嚴重；RQD值和巖采率在局部位置都偏低。在鉆進過程中BK1、BK2-1分別在孔深27.5 m和6.5 m處下游壩面出現(xiàn)滲漏現(xiàn)象。

拱壩壩體共進行13段壓水試驗，其中BK1和BK2-2孔壓水試驗的透水率值為0.97 Lu～3.78 Lu，均值為2.23 Lu，具弱透水性，BK2-1孔壓水試驗透水率值為8.10 Lu～16.95 Lu，均值為11.78 Lu，具中等透水性；由此可見:壩體總體具弱透水性，在壩體裂縫附近位置透水率較大具中等透水性。

3.2 大壩壩肩穩(wěn)定性評價

左壩肩山體處強風化～弱風化狀態(tài)，山體雄厚，強風化巖層厚2 m～3 m，弱風化揭露的比較早，壩肩無斷層和軟弱夾層存在，壩肩下游巖體裂隙較發(fā)育，但是裂隙延伸長度較短加之巖體整體完整性較好，不具構成滑移面的條件，所以左壩肩巖土體穩(wěn)定性較好。

根據(jù)地表測繪，右壩肩山體處全風化～弱風化狀態(tài)，壩肩山體右側基巖出露的深度較深，高程約在125 m～130 m，山體表面主要以砂質(zhì)土為主加上壩肩處有條引水渠，經(jīng)過長時間沖刷，壩肩右側已經(jīng)有水土流失的現(xiàn)象。壩肩右側有一條近南北向的大沖溝使得右壩肩山體較單薄，受水庫庫水的推力右側極易存在臨空面，對右壩肩的抗滑穩(wěn)定性不利。

3.3 大壩繞壩滲漏評價

根據(jù)業(yè)主介紹在建壩時和電站運行至今都未對大壩左、右壩肩進行過防滲帷幕處理，從原有的地質(zhì)報告左右壩肩的鉆孔ZK1和ZK5了解，在鉆進過程中ZK1和ZK5分別在孔深21.54 m～21.94 m和23.73 m出現(xiàn)大漏水，相應高程在152.07 m～152.47 m和148.21 m，右岸漏水位置低于水庫的正常蓄水位150 m，具滲漏條件。兩孔地下水位高程分別為146.58 m和135.94 m，其中ZK5的地下水位低于水庫的正常蓄水位（150 m），說明左右岸壩肩在高庫水位運行下，存在滲漏的可能性。

本次勘察在庫水位133 m左右，右壩肩下游巖體在117 m高程處發(fā)現(xiàn)有水從建壩時修建的臺階縫隙中滲出，目測滲流量約1 L/min；左壩肩下游巖體在115 m高程處，巖體沿裂隙面有滲水現(xiàn)象，流量較小，說明庫水可能沿著壩肩巖體裂隙面滲出，在庫水長期作用下，滲漏量可能加大。

3.4 壩基工程地質(zhì)條件及評價

3.4.1 壩基穩(wěn)定

大壩基礎開挖時，已挖至堅硬基巖(弱風化～微風化層)，本次勘察BK1、BK3(在大壩下游靠近大壩的位置)鉆孔穿過壩體和臺階后，直接進入弱風化巖層。壩基基巖巖性新鮮，鉆孔巖芯以短柱～長柱狀為主，本次鉆探過程中未發(fā)現(xiàn)有軟弱夾層及不利壩基穩(wěn)定的斷層存在，壩基巖體裂隙較發(fā)育，但裂隙多以高傾為主，不會產(chǎn)生不利壩基抗滑穩(wěn)定的滑移面，加之巖體整體完整性較好，其抗滑穩(wěn)定性較好；斷層F3經(jīng)過壩基，根據(jù)業(yè)主介紹在建壩時已開挖回填混凝土及固結灌漿處理；大壩壩基目前較穩(wěn)定。

壩腳拱底下未見有砼墊座消能，大壩下游河床受水流沖刷已造成兩個大沖坑，雖對沖坑用砼加碎石的方式填補但是效果較差，隨著水流的下泄還將繼續(xù)加深，對大壩壩基的穩(wěn)定不利。

3.4.2 壩基滲漏

壩基壓水試驗透水率值為0.88 Lu～10.1 Lu，均值為3.83Lu，具中等～弱透水性；甘竹坪水電站大壩壩高最高為42 m，根據(jù)《混凝土拱壩設計規(guī)范》（SL 282-2003）規(guī)定[4]；壩基相對隔水層定為透水率q≤5 Lu，本次勘察壩基共進行6段現(xiàn)場壓水試驗共有兩段壓水試驗透水率（分別為10.1 Lu和7.99 Lu）大于5 Lu，試段都位于壩基基巖上部，壩基存在滲漏現(xiàn)象。

4 結論與建議

本文對大壩工程地質(zhì)評價內(nèi)容進行了較全面的闡述，包括拱壩地質(zhì)條件評價、大壩壩體質(zhì)量評價、壩肩穩(wěn)定性分析和繞壩滲漏、壩基工程地質(zhì)條件評價等四個方面，經(jīng)過地質(zhì)條件綜合評價可知:

（1）大壩整體砌筑質(zhì)量較差，壩頂存在貫穿裂縫，但并未擴展，壩體目前總體處于穩(wěn)定的狀態(tài)，應對壩面采取工程措施處理防止裂縫擴大；

（2）壩體與壩基接觸的位置具弱透性，但不存在滲漏通道，壩基具有弱透性，但不會影響大壩安全，但要采取有效的防滲措施防止?jié)B漏量加大影響壩體穩(wěn)定；

（3）壩基巖體裂隙較發(fā)育，但裂隙多以高傾為主，不會產(chǎn)生不利壩基抗滑穩(wěn)定的滑移面，下游應采取消能措施，否則會影響壩基穩(wěn)定。