茂化水库大坝（水坠坝）工程地质勘察及病险分析_论文发表__58期

所属栏目：自动化论文范文发布时间：2011-02-25浏览量:692

副标题#e#
　　茂化水库大坝（水坠坝）工程地质勘察及病险分析
　　欧阳生
　　广西玉林水利电力勘测设计研究院广西玉林537000
　　　摘要：茂化水库大坝是一座典型的水坠坝，除险加固前存在严重的坝体和坝基渗漏、坝体渗渗稳定及坝体变形等一系列病险。通过对大坝进行工程地质勘察和病险分析，探讨水坠坝作为蓄水建筑物存在的普遍病险及隐患，为除险加固提供具针对性和行之有效的技术措施。
　　关键词：茂化水库；水坠坝；地质勘察；除险加固
　　0引言
　　水坠坝（又称水力冲填坝），是利用水力和重力将高位土场土料冲拌成一定浓度的泥浆引流到坝面，经脱水固结形成的土坝。水坠坝作为水土保持中沟道治理和小型蓄水用水工程的一项工程措施，具拦泥、淤地和短期蓄水效果显著及其工效高、施工机具简单、操作枝术易于撑握等特点，在水保领域得到广泛推广应用。我国在70年代曾兴建一大批水坠坝作为蓄水水库的大坝，起长期蓄水作用，在长期运行过程中产生严重的渗漏、渗透变形和坝体稳定等一系列病险，严重威胁着大坝的安全，近年来在新建水库工程中已基本不允许使用水坠坝坝型（特别是较高水头的中、高坝中更是难见踪迹）。历史遗留下的水坠坝，多年来一般均严重带病运行，是水库除险加固的重点对象。广西北流茂化水库大坝是一座修建于花岗岩地区较典型起蓄水作用的水坠坝，具库大坝高等特点，且多年带病运行，病险类型具普遍性。
　　1工程概况
　　广西北流茂化水库总库容1106.0万m³，大坝为水坠坝，现状坝顶高程224.11~224.50m，最大坝高54.50m，上游坡为干砌石护坡，下游坡为草皮护坡，坝脚设排水棱体，坝体内有排水廊道2条（其中1条兼作施工导流管）、排水带5条、排水竖井6个。水库建成于1980年，2008年5月对大坝进行全面的除险加固，目前大坝除险加固施工已接近完工。大坝安全评价工作于2005年即已开展，除险加固初步设计于2007年开始，至2008年4月获初设批文。大坝除险加固前期工程地质勘察工作主要以钻探、现场注压水试验、室内土工试验和工程地质测绘为主。
　　2坝体填筑质量与评价
　　茂化水库大坝筑坝土料来源于两岸山体表层的花岗片麻岩坡残积和全风化土，采用水力冲填工艺施工，从勘探结果来看，坝体填筑土无明显的按粗细颗粒分区，属均质水坠坝（水力冲填坝）。填筑土主要为粘土质砂（颗分平均值：砾石占5.3％，砂占60.7％，粉粒占18.7％，粘粒占16.2％），但均匀性差，局部土体粘粒含量较高呈粘土透镜体不规则分布于坝体中。具体表现为钻孔岩心粘土段一般很湿、软塑状，捻面光滑，塑性和干强度明显较高。安全评价和初步设计共取43组原状样做室内土工试验，其试验平均值如表1。
　　表1坝体土物理力学指标值表
　　土体名称 天然状态土的物理性指标 液性指数IL 饱和快剪
　　 含水率ω（%） 干密度ρd  内摩擦角φ（度） 凝聚力c（kPa）
　　 最大值 最小值 平均值 最大值 最小值 平均值 平均值 平均值 平均值
　　浸润线以上粘土质砂 28.5 20.6 23.9 1.64 1.17 1.55 0.22 17.2 14.3
　　浸润线以下粘土质砂 30 22.5 26.2 1.62 1.28 1.53 0.42 16.6 15.2
　　粘土透镜体夹层 36.3 38.2 37.3 1.33 1.32 1.33 0.61 11.3 19.4
　　大坝坝体填土本次除险加固勘察时的干密度（亦即经多年运行后的稳定干密度）浸润线以上为1.55g/cm3、浸润线以下为1.53g/cm3,而两岸山坡料场土平均天然干密度1.56g/cm3，表明坝体上部土体排水固结程度略好于下部，但即便经过30年运行期的排水固结，坝体土稳定干密度尚不满足#p#副标题#e#《水坠坝技术规范》（SL302—2004）规定“花岗岩残积土压实干密度不小于料场土的平均天然干密度”的要求。而且坝体存在粘土透镜体夹层，粘土质砂和粘土透镜体夹层性质差异明显。另外，从经多年运行后的稳定含水率的坝体土粘土质砂含水率和干密度分布范围值可看出，其最大值与最小值相差较大，钻探岩心亦发现局部粗颗粒较为集中现象，表明由于料场土颗分组成在不同处或不同深度的差异性及起始含水率、冲填速度的控制差异而导致坝体不同部位存在粗、细颗粒集中和固结程度相差较大现象，坝体均匀性差。
　　钻探现场注水试验（坝体部分）的渗透系数为13.1×10-4cm/s～1.20×10-5cm/s，平均值K＝4.32×10-4cm/s，大值平均值K＝8.82×10-4cm/s，总体属中等透水性，不满足均质土坝规范要求（<10-4cm/s）。
　　从钻探揭露，库水位高程207.5m时，坝顶的钻孔稳定水位高程为205.5m～206.0m，坝外坡钻孔稳定水位高程为178.0m～180.2m。库水位与坝顶钻孔稳定水位的高差为1.5m～2.0m；库水位与外坡钻孔稳定水位的高差为27.3m～29.5m，浸润线前半段较为平缓，后半段较陡。
　　3坝内埋管特征
　　大坝属水力冲填坝，根据收集到的原有设计图纸资料，坝体内存在较完整的施工排水系统：排水廊道二条（其中一条作施工导流管），排水竖井六个,作为排除施工面表水及固结渗透水，排水带五条，作为排除固结渗透水。施工导流管布置于左坝肩坝下，贯穿坝体连通上下游，为浆砌石城门式拱涵，底宽为80cm，高140cm，全长250m，中部与2个排水竖井（2#及3#）相通；排水廊道位于右坝肩上游坝下；2#、3#横向排水带与施工导流管连接；4#横向排水带与排水廊道连接；纵向梯形排水带直接排水至坝下游；六个排水竖井主要分布于坝体中部。又据当时参加施工的水库老职工回忆，现存在坝体内施工排水系统图纸仅为示意图，实际施工与图纸有较大出入，特别是贯穿坝体连通上下游的施工导流管，现状弯弯曲曲，而图纸上则呈直线状，详细具体位置则更无从考证。由于排水竖井崩塌，在大坝竣工前没有采用工程措施对施工导流管进行回填封堵。
　　4坝基（肩）工程地质条件
　　坝基及右坝肩无断裂构造发育，岩性寒武系天堂山超单元古桑单元（∈G）花岗片麻岩。左坝肩风化分带明显，上部发育坡残积层含砂粘土、厚约10m～14m，往下全风化带厚度约3m～5m，强风化带厚度约6m～13.5m，底部为弱风化和微风化岩体。坝基未揭露卵石及砂等河流冲积物，表明建坝时已进行清基，但坝基强风化带强烈发育、厚约23m，下部为弱风化和微风化岩体。左坝肩钻探未揭露残坡积层，表层全风化带厚度约1.5m，强风化带厚度约1m，往下部为弱风化和微风化岩体，岩体风化不强烈。钻孔现场注水试验显示：残坡积层含砂粘土渗透系数平均值1.35×10-4cm/s，接近弱透水性；花岗岩全风化土渗透系数大值平均值2.87×10-4cm/s，属中等透水性。钻孔现场压水试验显示：花岗片麻岩强风化带透水率大值平均值38.02，属中等透水性；花岗片麻岩弱风化带透水率大值平均值8.42，总体属弱透水性，上段多为中等透水性；花岗片麻岩微风化带透水率平均值2.32，属弱接近微透水性。
　　5大坝病险分析评价
　　5.1大坝历年出现的主要问题及处理情况
　　大坝下游在193.00～196.00m高程,靠坝的右侧,自1982年8月起,当水位达215.00m上下,即有6m×5m的坝坡渗水湿润片出现,但至2008年除险加固前未作处理。
　　1981年10月，坝内坡多处出现陷坑，其中一个面积达40m2，最深位置达0.70m，后采用在砌石面加一层风化土覆盖，但没有收到很好效果。
　　1986年7月14日和1987年8月7日，当库水位达214.00m至215.00m时，施工导流管曾二次出流浊水，后来在洞出口段距洞口10m处，做2~3m长的砂碎石反滤设施后，流出的浊水变成清水，当时渗漏量仍达14L/s。
　　19#p#副标题#e#93年4月22日坝趾反滤体挡土墙崩塌，墙高6.5m，崩塌长33.5m，崩塌土石方680m3，崩塌原因是在修建上坝公路时在原4.5m高的挡土墙上又加高2m，墙背土压力加大造成崩塌。坝趾的大坝渗流量观测的三角形量水堰被毁坏，当年修复时将挡土墙向外推移5m。
　　5.2渗漏分析评价
　　a）坝体（坝肩、坝基）渗漏
　　由坝体土颗分试验统计成果得知，坝体土粗颗粒含量占优，砂含量大于50%，粘粒含量平均仅约为16%，而且由于施工工艺的影响，坝体土均匀性差，在粘土质砂中局部存在粘土透镜体夹层及局部粗颗粒集中现象，坝体现场注水试验值亦较大，渗透性总体为中等透水性，渗透系数为8.8×10-4cm/s，与均质坝规范要求坝体土渗透系数需小于1×10-4cm/s相去甚远，坝体存在严重的渗漏，但下游坝坡表象并无呈现出大面积的渗漏，主要是因为大坝坝体内存在较完整的施工排水系统，受排水管道的导流作用，坝体的渗漏量大部分被导至排水系统从坝脚流出，但当库高水位运行时，渗润线抬升，则在排水管间隔较远处或粗粒较为集中处的下游坝坡呈现出渗漏。这即是当库水接近正常蓄水位215.0m时、在靠近右坝肩196~193m高程处坝面渗水湿润最大面积达30m2的原因。
　　由钻探揭露知，左坝肩坡残积、全风化土层及强风化带厚度较大，坡残积砂质粘土属中等接近弱透水性，具一定的隔水作用，但全风化土层和强风化带均属中等透水性，隔水性能差。下游坝坡右端湿润区附近钻孔ZK09提露全风化土层和强风化带厚度大且埋藏浅，上部坝体土仅厚约3.4m。由上分析可推断，大坝下游外坡渗漏主要是由于坝体土粗颗粒含量较大，坝体渗透系数过大造成，同时，坝肩全风化土层和花岗片麻岩强风化带属中等透水性，隔水性差从而产生坝肩渗漏。
　　大坝下游坡脚设反滤排水体，坝趾常年有水排出。据原施工资料，施工时采用人工开挖清基，另由钻探知，坝顶中部钻孔ZK02、ZK102、ZK03均揭露坝基存在较厚强风化层、厚度约6m~23m，坝基强风化带压水试验值在46.1Lu~15.5Lu之间，平均为31.7Lu，属中等透水性，隔水性能较差，造成坝基渗漏。
　　b）施工导流管渗漏
　　由现场检查及勘察所见，位于下游坝脚的施工导流管出口常年存在严重渗漏。根据1992年至2003年的观测资料：每年的漏水量的最大值一般情况为7.89~13.19L/s，特殊情况极端值为45.4L/s，相应库水位214.74m，出现于1997年9月11日至9月20日；据原施工资料，由于排水竖井崩塌，在大坝竣工前没有采用工程措施对施工导流管进行回填封堵，形成连通库内外的良好渗漏通道，是造成渗漏的主要原因。另外，原施工导流管兼作排水廊道使用，坝体的渗漏汇流至导流管然后排出，亦是造成施工导流管产生渗漏的原因之一。
　　5.3坝体渗透稳定分析评价
　　在1986年7月和1987年8月，当库水位达214.00m至215.00m时，位于下游坝脚的施工导流管曾二次出流浊水，每年持续时间20多天，后来在洞出口段距洞口10m处做2~3m长的砂碎石反滤设施后，流出的浊水变成清水，当时渗漏量仍达14L/s。渗漏浊水出现，标注着坝体已产生渗透破坏，若任由浊水长时间流流出，必将陶空坝体而产生垮坝。
　　坝体土均匀性差，既存在粘土透镜体夹层亦局部存在粗颗粒集中现象，加上坝内存在较完整的施工排水系统未得到很好封堵：当水库较长时间高水位运行时，坝体极易产生渗透破坏。
　　5.4坝体变形分析评价
　　大坝上游坝面采用干砌石护坡，坝面坑洼不平，大小坑共有35个，其中比较大的坑有25个，最大的一个深0.40m，坑的位置分布多数在大坝中部正常蓄水位215.00m上下3~4m。据水库运行资料，这些陷坑十多年前就开始出现，并处理过3~4次。
　　由勘察得知，坝体土主要为粘土质砂，但受水力冲填施工工艺的影响，坝体局部夹软塑状粘土透镜体，筑坝时砂性土固结较快，而粘土的固结时间很长，同时粘#p#副标题#e#土压缩性大，由于固结时间和压缩性的差异，导致坝体的不均匀沉陷，是导致塌陷形成的主要原因。同时，坝体粘土质砂密实度较差，抗冲性能较差，且护坡砌石不按设计要求施工，底层不铺设粗砂、碎石反滤，风浪淘出坝坡土层，亦导致塌陷形成。
　　6大坝除险加固主要枝术措施
　　由上分析可知，茂化水库大坝存在严重的坝体和坝基（坝肩）渗漏及坝体沉陷变形等一系列病险，甚至产生过出浊水等可导致垮坝的坝体渗透破坏。鉴于大坝属匀质水坠坝，但坝体土均匀性差，既存在粘土透镜体夹层亦局部存在粗颗粒集中现象，而且坝体土固结程度相差较大，渗漏通道分布无一定规律性，既无平面上的带状亦无剖面上的层状，加上坝内存在未能很好封堵且走向不规则、具体位置不详的施工排水系统，任何局部防渗处理均具是育目的，而且坝高库大，本次除险加固在大坝坝顶中部采用塑性混凝土防渗墙垂直防渗处理，利用防渗墙开槽时彻底查清和截断施工导流管，并在导流管附近加厚防渗墙，坝体防渗墙深入坝肩土体（残坡积土及全风化土），下与坝基（肩）防渗帷幕相连接形成封闭的防渗体系。坝基和坝肩下部基岩防渗帷幕灌浆下限至5Lu线以下3m～5m。下游坝脚则翻修重建反滤体做好导滤排水以降低坝体浸润线。另外做好坝体陷坑的回填和坝坡护坡处理。
　　7、结束语
　　水坠坝施工质量受土料颗粒含量、起始含水率和冲填速度影响极大。由于土料只能取自大坝两岸高处山坡，料场范围受限较大，固而对料场的利用必然最大深度化，而土料场在不同深度上一般其颗粒含量存在较大差异性，导致筑坝土体的不均匀性。加上坝内特有的排水体系，其后期的封填质量亦值得怀疑。大多建于上世纪70年代中后期的水库水坠坝，施工人员一般为当地群众，施工设备简陋，对起始含水率和冲填速度的控制受人为影响因素较大，作为蓄水建筑物在长期运行中产生极多问题。茂化水库大坝的病险具一定普遍性，可供借鉴。
　　参考文献：
　　[1]《水坠坝技术规范》（SL302-2004）.
　　[2]广西北流市茂化水库除险加固工程初步设计阶段工程地质勘察报告[M].
　　[3]《中小型水利水电工程地质勘察规范》（SL55－2005）.