何家溝水庫大壩復雜地質分析及處理建議

徐宇琪,張廷華,石建勛,張忠智

(1.寧夏六盤山水務有限公司,寧夏 固原 756000;2.西北民族大學土木工程學院,蘭州 730030)

0 引 言

中國現有部分在役水利大壩由于建設時期特殊、加之相關的勘察資料和規范缺少、以及建設經驗不足,致使存在諸多的風險和安全隱患,其中,復雜地質因素不明尤為嚴重,導致大壩壩基滲漏事故的發生在國內外時有發生[1-3]。中國自20世紀以來,隨著科技的進步,利用物探、地質雷達紅外探測等手段在大壩地質勘察中發揮了巨大的作用,同時也積累了大量的經驗[3-6]。本研究以何家溝水庫大壩復雜地質為例,對水庫區工程地質、大壩壩基地質、進水建筑物地質、輸泄水工程地質以及泵站工程地質進行了分析,同時提出相應的建議,為類似工程提供可借鑒的經驗,為同類工程勘察設計提供參考。

1 工程概況

何家溝水庫壩址區原有一座水庫,且庫區有較厚淤積層。在壩體建基面開挖過程中,將淤積層清除后,揭示出非常復雜的地形和地質情況,溝谷內兩條古河道交匯后從壩體中心繞至壩軸線偏右壩肩側,古河道深度約8～12m,且巖面浸泡軟化較為嚴重。右壩肩點位置向上游適當調整;右壩肩泥巖存在裂隙型滲漏,局部5Lu線深度達30.0m,將右壩肩帷幕灌漿基礎處理方式調整為塑性混凝土防滲墻,左壩肩膠結差的礫巖存在孔隙型滲漏,將塑性混凝土防滲墻深度由按5Lu控制局部調整為穿透膠結差的礫巖層;大壩建基面古河道內為松散的角礫和礫石,全部挖除后采取寬級配土回填;大壩建基面軟化狀態泥巖全部挖除,表層裂隙發育的泥巖和夾有大量植物根系的泥巖全部挖除,并將建基面基本開挖為同一高程。

庫區河谷大體呈NW-SE方向展布,河谷呈“V”型,河谷兩側發育有較連續的階段,階地地面高程1720～1770m,左岸寬約100～180m,右岸寬約50～70m。庫區左岸發育有2條沖溝,溝底寬3～10m,長500～700m;右岸發育有2條沖溝,長700～1500m,溝底寬2～10m,下游出口段寬約15～30m。溝底地面高程1695～1697m。庫區內岸坡一般40～50°,有近似垂直的陡坎呈階梯狀分布。庫區壩址區兩側山體上部為黃土,匯水山谷中沖溝、落水洞比較發育,呈串狀,直徑1～4m,深1～2m,多為不規則形,局部呈圓形,直徑可達10～20m,深5～8m。

2 水庫區工程地質分析及建議

本次采用挖機開挖探槽的方式在落水洞底部進行了勘探,底部黃土1.0～1.5m以下呈堅硬狀態,落水洞未向下延伸。大氣降水在落水洞處匯集后,在濕陷性黃土層中向下游排泄,到非濕陷性土層后,沿著邊坡處的卸荷裂隙向沖溝內排泄,卸荷裂隙主要分布于邊坡表層0.5～0.8m之間,非濕陷性土層中的落水洞主要分布于該范圍,未向下延伸。

庫區地處中低山地貌單元,兩岸山體高聳且寬厚,高出壩頂很多。上游山體以弱透水的泥巖和黃土為主,按照蓄水位高程1751m計,左側分水嶺寬度>1000m,分水嶺頂高程1801～1957m;右側分水嶺寬度600～1000m,分水嶺頂高程1777～1836m。在左壩肩壩軸線兩側各分部有一條沖溝,兩沖溝間分水嶺寬度80～100m,長度約120m,分水嶺較為單薄。未發現有貫穿庫區的活動斷裂及不良構造,對于干河溝組水平泥巖與陡傾角紅柳溝組泥巖的接觸帶,根據現場探槽揭露,未發現有不良地質構造引起的破碎帶,紅柳溝組強風化泥巖已形成古風化殼,鉆孔壓水試驗透水率0.5～4.7Lu,為弱透水層。因此產生庫區滲漏的可能性較小。

1)建議對濕陷性黃土進行處理[6-8],壩基可放置到非濕陷性黃土層中;左岸下部的礫巖層,右壩肩及主溝道的強風化泥巖層均為中等透水層,建議對中等透水層進行防滲處理,處理至下部相對隔水層上。

2)主溝道和左右壩肩基巖高差35～49m,左壩肩下部為非濕陷性黃土,且左右岸邊坡較陡(坡角40°～55°),巖土體分布不均一,巖土體變形特征復雜,建壩后上覆填土厚度不均勻,產生的應力不均勻,可產生不均勻變形。可以通過削坡處理,建議根據壩體沉降計算,確定基巖開挖邊坡。

3 大壩工程地質分析及建議

根據現狀開挖斷面可以看出圖,泥巖節理裂隙走向玫瑰花圖,見圖1。基巖以干河溝組泥巖為主,泥巖中裂隙較為發育,裂隙以剪節理為主,裂隙寬度自臨空面向內側逐漸變窄,外部裂隙寬度1～6mm,間距0.3～0.6m,4～6條/m,裂隙面光滑,未充填,根據壓水試驗可以看出主要以沖蝕型為主。內部裂隙寬度很窄,根據壓水試驗可以看出主要以充填型為主。干河溝組泥巖中的裂隙按照走向也可分為3組,分別為340°～360°、0°～20°、50°～70°、290°～315°,傾角20°～30°、50°～90°。節理裂隙中有一組主要裂隙走向50°～70°,河道與該裂隙小角度相交,不利于水庫的防滲[9]。

1)建議左右壩肩上部為濕陷性黃土,厚度5.0～20.0m,建壩后上部濕陷性黃土處理或換填后自重壓力大于先期自重壓力,迅速填壩后會使得左右壩肩下部的土層產生不均勻沉降,對該區域的施工不易過快。

2)主溝道與右壩肩階地處泥巖高差17m,右壩肩階地處截槽樁號0+363-0+445段與西側溝底泥巖高差17～20m,且岸邊坡較陡(坡角40°～55°),巖體分布高程不均一,巖土體變形特征復雜,建壩后上覆填土厚度不均勻,且泥巖和填土的壓縮模量存在差異,可產生不均勻變形。邊坡處泥巖遇水易軟化,由于應力的不均勻使得填土易沿著坡面向下游滑動。建議對邊坡進行削坡或錯臺處理。

4 進水建筑物工程地質分析

勘察期間,階地下部存在地下水,水位高程1714.4～1703.0m,主要為孔隙潛水,上部礫巖膠結差,礫巖底部泥巖頂部存在孔隙潛水,孔隙潛水沿著階地前緣向溝道內排泄,補給地表水。地下水水化學類型SO42--Mg2+-Ca2+-Na+,礦化度1.6g/L。

巖(土)物理力學性質進水陡槽段地層主要有第四系上更新統馬蘭組(Q3eol)黃土,第四系中更新統 (Q2eol)黃土、(Q2apl)壤土,第四系上更新統(Q3eol)黃土、(Q3apl)壤土,新近系上新統干河溝組(N2g)礫巖、泥巖。進水陡槽的地層主要有第四系上更新統馬蘭組(Q3eol)黃土,第四系中更新統 (Q2eol)黃土、(Q2apl)壤土,第四系上更新統(Q3eol)黃土、(Q3apl)壤土,新近系上新統干河溝組(N2g)礫巖、泥巖。

建議建議對下部階地的邊坡進行削坡和砌護處理,隧洞出口邊坡按照卡丘金法預測塌岸提供的水上水下坡角進行削坡處理[9-10],隧洞出口處建議設置抗滑樁,保證隧洞出口處邊坡的穩定性,邊坡下部不存在軟弱結構面,抗滑樁進入下部不塌岸穩定地層一定的深度即可。

5 輸、泄水工程地質分析及建議

5.1 引水洞工程地質分析及建議

引水洞位于取水塔前部,洞身均位于泥巖(N2g)中,洞身泥巖屬于極軟巖、巨厚層狀,巖體完整程度屬于較完整,節理裂隙不發育,圍巖分類屬于Ⅴ1類圍巖(極不穩定),極易引起塑性變形,難于自穩,拱頂易坍塌變形,邊墻有失穩現象,成洞條件差,開挖需支護緊跟或超前支護,加強初期支護剛度,建議采用鋼拱架支護。

隧洞進出口均位于坡腳處,進口段上部25.0m為黃土,下部為新近系泥巖,屬于混合邊坡,邊坡破壞的形式主要是黃土局部濕陷、張裂、坍塌。因此必須對黃土進行削坡處理,黃土建議邊坡比1∶1.5。泥巖邊坡破壞的形式主要是風化松弛引起坍塌,建議表面噴混凝土,作好排水,泥巖開挖邊坡比1∶1.0。場地環境類別為Ⅲ類。場地處的泥巖對混凝土具硫酸鹽型微-弱腐蝕性,對鋼筋混凝土中的鋼筋具有微腐蝕性,對鋼結構具有微腐蝕性。

5.2 輸水塔工程地質分析及建議

輸水塔基底位于泥巖(N2g)中。場地環境類別為Ⅲ類。場地處的泥巖對混凝土具硫酸鹽型微-弱腐蝕性,對鋼筋混凝土中的鋼筋具有微腐蝕性,對鋼結構具有微腐蝕性。水塔位于岸坡上部,該位置預測塌岸寬度180m,建議對上部塌岸土層作為上壩土料使用,挖除后再進行水塔的施工。水塔處泥巖面基本水平,泥巖產狀近于水平,對水塔基礎的穩定性影響較小。輸水塔基礎底高程以下均為泥巖,塌岸土層挖除后建議采用淺基礎,將基礎直接放置在泥巖中。

5.3 輸水隧洞工程地質分析及建議

輸水隧洞全長360m,樁號0+044.5～0+310為泥巖(N2g)段,長265.5m,占輸水隧洞全長的73.8%;0+310～0+404.5為非濕陷性黃土(Q2eol)段,長94.5m,占輸水隧洞全長的26.2%。隧洞場地上部均為黃土覆蓋,洞身出口段為黃土,中間段分布泥巖,泥巖產狀近于水平。泥巖、黃土均為弱透水層,泥巖具有弱膨脹性潛勢。新近系上新統干河溝組(N2g)泥巖,為極軟巖,且遇水易于軟化,水的作用對其力學強度影響明顯;巖石具有遇水崩解,失水干裂的特性。巖體屬于極軟巖,巨厚層狀,巖體完整程度屬于較完整,節理裂隙不發育,圍巖分類屬于Ⅴ1類圍巖(極不穩定),極易引起塑性變形,難于自穩,拱頂易坍塌變形,邊墻有失穩現象,成洞條件差,開挖需支護緊跟或超前支護,建議采用鋼拱架支護黃土段洞身黃土屬于丙類黃土,土體易沿節理方向張開剪斷,較難形成承載拱,開挖應力釋放后易崩解剝落,處理不當會造成溜坍乃至塌方,拱頂地層易受施工擾動開裂,圍巖分類屬于Ⅴ3類圍巖(極不穩定)。施工時先要采用鋼拱架支護。在第一次開挖完成后,隧洞斷面位移速度最大,應及時施做施工支護。勘察期間,勘探深度內未見地下水。

場地環境類別為Ⅲ類。場地處的黃土、泥巖對混凝土具硫酸鹽型微-弱腐蝕性,對鋼筋混凝土中的鋼筋具有微腐蝕性,對鋼結構具有微腐蝕性。

5.4 輸水管線工程地質分析及建議

輸水管線全長345.5m,其中0+404.5～0+550段為黃土(Q2eol)段,長145.5m;0+550～0+640段為濕陷性壤土(Q3apl)段,長90m;0+640～0+705段為角礫(Q3apl)段,長65m;0+705～0+752段為角礫(Q2apl)段,長47m。管線前段勘探范圍內未發現有地下水,末端主溝道內存在地下水和地表水,地表水補給地下水,水位高于管底0.5m,水頭較小,因此不需考慮管道的抗浮穩定問題。。地表水對混凝土有硫酸鹽型強腐蝕性,對混凝土中的鋼筋都具有弱腐蝕性,對鋼結構具有中等腐蝕性。場地環境類別為Ⅲ類。場地處的黃土、壤土對混凝土具硫酸鹽型微-弱腐蝕性,對鋼筋混凝土中的鋼筋具有微腐蝕性,對鋼結構具有微腐蝕性。濕陷性壤土(Q3apl)管床地基土層需要進行翻夯或換填處理;其它管段為分濕陷性土段,可作為管床基礎。各巖性間物理力學性質多具較大差異,在巖性突變段可能會發生地基的不均勻沉降。

6 取水泵站工程地質分析及建議

泵站基底下部濕陷厚度7.0～7.6m,均為Ⅰ級非自重(輕微)濕陷性場地,最大自重濕陷量18.4mm,濕陷量69.0～92.55mm,建議采用樁基(干作業鉆孔樁),樁長10～15m。中性點以上③-1層濕陷性壤土樁的極限側阻力標準值qsik=-15kPa,中性點以下③-1層濕陷性壤土樁的極限側阻力標準值qsik=60kPa,③-2層非濕陷壤土樁極限側阻力標準值qsik=63kPa,角礫層樁極限側阻力標準值qsik=120kPa,③-2層非濕陷壤土樁極限端阻力標準值qpk=900kPa,角礫層樁極限端阻力標準值qpk=4500kPa。坑基礎底高程下部均為非濕陷性土層,但非濕陷性土層由于含水量較高,孔隙比較大,建議上部采取必要的換填處理,避免由于上部土層含水量的變化產生不均勻沉降。

建議優先選用干作業鉆孔樁(側阻及端阻較大,樁長較短,造價較低),若干作業鉆孔樁施工困難時也可采用泥漿護壁鉆孔灌注樁,中性點以上③-1層濕陷性壤土樁的極限側阻力標準值qsik=-15kPa,中性點以下③-1層濕陷性壤土樁的極限側阻力標準值qsik=90kPa,③-2層非濕陷壤土樁極限側阻力標準值qsik=96kPa,角礫層樁極限側阻力標準值qsik=140kPa,③-2層非濕陷壤土樁極限端阻力標準值qpk=900kPa,樁長<15m時角礫層樁極限端阻力標準值qpk=2000kPa,樁長>15m時角礫層樁極限端阻力標準值qpk=2500kPa。

7 結 論

1)文章主要對何家溝水庫大壩的地質進行了分析,同時針對水庫區、大壩工程、進水建筑、輸、泄水工程、取水泵站工程地質情況相應的提出建議。

2)根據基巖為新近系泥巖,地層較穩定,透水性相對較弱,就地形地質條件,建議壩線上移;古河道部位砂礫石較松散,與兩側基巖存在較大差異,為防止不均勻變形,建議進行工程處理。

3)充分利用右岸泥巖臺地作為防滲體,相應調整防滲體的長度,并穿透左岸未膠結礫石層,防滲墻深度標準建議按5Lu控制;建議對壩基區的古河道區域進行挖除并回填礫石土,下游側褥墊排水范圍可換填級配良好的砂礫石;建議根據土料的實際情況,對壩體進行適當分區,對壩體中部核心防滲區域適當提高壓實指標和防滲指標,并與壩基防滲墻有效連接形成整體防滲體系,保證大壩防滲體安全可靠。