水庫大壩工程的地質(zhì)勘察評價

張 鵬

（廣州市水務(wù)規(guī)劃勘測設(shè)計研究院有限公司，廣東 廣州 510640）

1 工程概況

某水庫位于廣州市流溪河一級支流小海河的上游，于1966年動工修建，1973年修建完成，水庫壩址以上集雨面積33.2 km2，是一座以灌溉為主，兼顧防洪、發(fā)電、養(yǎng)魚等綜合利用的小一型水利工程。水庫下游有大量農(nóng)田和居民分布，水庫的安全運行對下游居民的生命財產(chǎn)安全至關(guān)重要[1]。

2 工程存在問題及勘察目的

壩體現(xiàn)存在的主要問題為無觀測設(shè)施、滲流安全及溢流壩抗滑穩(wěn)定不滿足規(guī)范要求、輸水涵管及閘閥銹蝕等。

勘察工作應(yīng)了解區(qū)域地質(zhì)及地震概況；了解庫區(qū)的工程地質(zhì)條件和主要工程地質(zhì)問題；了解各壩址區(qū)的工程地質(zhì)條件和主要工程地質(zhì)問題；分析建庫、壩的可能性。

3 庫區(qū)工程地質(zhì)條件及主要工程地質(zhì)問題分析

3.1 庫區(qū)工程地質(zhì)條件

3.1.1 地形地貌

庫區(qū)位于從化區(qū)溫泉鎮(zhèn)南麓山下，地貌屬構(gòu)造侵蝕低山丘陵區(qū)，山體多為渾圓狀，山體雄厚，植被茂盛，河谷為“U”形，左岸較緩，覆蓋層較厚，右岸較陡，基巖裸露，谷底較平坦。河流階地不發(fā)育，河床較小。

3.1.2 地層巖性

根據(jù)1∶200 000地質(zhì)圖從化幅，工程區(qū)巖性現(xiàn)按地層時代由老至新依次為：

侵入巖第三期黑云母花崗巖（γ2(3)5）：分布于河谷兩岸丘陵及河床覆蓋層下，巖性主要為花崗巖。

殘坡積土層（Qdl+el）：主要由花崗巖風化殘積及坡積形成。

第四系沖洪積堆積物（Qal4）：主要分布于河床及河漫灘，主要為黏性土及砂卵礫石，本次勘察范圍內(nèi)未揭露。

第四系人工堆積（Qml4）：主要為新近回填的松散堆積物，野外易于識別。本次勘察范圍內(nèi)有揭露，為壩身填料。

3.1.3 地質(zhì)構(gòu)造

新華夏構(gòu)造體系第二巨型隆起帶南西段二級塊斷隆起區(qū)中的粵中拗陷區(qū)，從化—廣州斷裂帶北北東段縱貫本區(qū)區(qū)域，使區(qū)內(nèi)成為緯向構(gòu)造體系和新華夏構(gòu)造體系復合交接地帶。查閱1∶200 000地質(zhì)圖從化幅，壩區(qū)巖性為燕山期花崗巖，未見活動斷裂通過。

3.2 水文地質(zhì)條件

3.2.1 地下水類型及其埋藏條件

根據(jù)1∶200 000綜合水文地質(zhì)圖，工程區(qū)域地下水按其成因類型分為第四系孔隙水和基巖裂隙水兩種類型。前一種地下水主要賦存于壩區(qū)沖洪積物中，地層多為砂卵礫石層，主要受大氣降水和地表水補給。第二類地下水主要賦存于兩岸山體基巖裂隙中，地層為塊狀巖類，主要受大氣降水補給，水量貧乏?？辈炱陂g壩址地下水水位埋深為5.20～26.35 m（高程148.57～162.55 m）。

3.2.2 環(huán)境水腐蝕性評價

本次勘察現(xiàn)有壩址及下游分別取1組地表水做水質(zhì)分析試驗。根據(jù)國家標準《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（GB 50487—2008），進行環(huán)境水腐蝕性判別。結(jié)果表明壩址地表水對混凝土具重碳酸型中等腐蝕，對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋無腐蝕，對鋼結(jié)構(gòu)具弱腐蝕。

3.3 庫區(qū)主要工程地質(zhì)問題分析

3.3.1 水庫滲漏

水庫四面環(huán)山，地勢為東面高，西面低。庫區(qū)多為殘積土及風化土覆蓋，該水庫修建于峽谷中，河流兩側(cè)山體寬厚，山頂高程遠大于水庫正常蓄水位，且地下水分水嶺高于設(shè)計正常蓄水位，庫區(qū)巖性較單一，以燕山巖漿旋回第三期黑云母花崗巖構(gòu)成隔水巖層，且沒有發(fā)現(xiàn)通往鄰谷的構(gòu)造斷裂帶。因此，庫水不存在向鄰谷滲漏問題。

庫首兩岸基巖由花崗巖構(gòu)成，巖石完整程度高，透水率一般小于5 Lu。

據(jù)壩址兩岸山體現(xiàn)場鉆孔注水試驗結(jié)果，壩肩風化帶滲透系數(shù)k=1.98×10-5～4.54×10-4cm/s，屬弱透水～中等透水。水庫蓄水后，庫水存在繞壩滲漏的可能，但可以采取帷幕灌漿進行防滲處理。

3.3.2 庫岸穩(wěn)定

水庫正常蓄水位線高程184.50 m，其周邊山坡為第四系殘坡積土所覆蓋，局部覆蓋有花崗巖全風化土，岸坡以土質(zhì)邊坡為主，坡角一般在30°～40°。經(jīng)查勘山坡大部分植被茂盛，岸坡未見有較大面積坍塌，自然邊坡穩(wěn)定；局部雖有小坍塌，但多在正常蓄水位以上，對庫岸穩(wěn)定影響不大。綜上所述，庫岸整體基本穩(wěn)定。

3.3.3 水庫淤積和誘發(fā)地震

址上下游存在一定落差，部分地段河道狹窄，山洪暴發(fā)時容易造成部分地段水土流失，產(chǎn)生固體徑流，造成水庫淤積，應(yīng)采取一定的生物措施加強保護。但目前暫未發(fā)現(xiàn)泥石流堆積現(xiàn)象或砂土淤積嚴重問題。

本水庫屬一座中小型水庫，河道彎曲，水文地質(zhì)條件簡單，區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性好。庫內(nèi)無近代活動性斷層，也沒有強地震及火山活動的跡象或歷史地震記載，亦無可溶巖分布，缺乏誘發(fā)地震的地質(zhì)背景，故水庫誘發(fā)地震問題不突出。

4 壩址區(qū)工程地質(zhì)特征

4.1 壩址區(qū)工程地質(zhì)條件

壩址區(qū)內(nèi)出露地層簡單，依據(jù)鉆探孔揭露，地層巖性自上而下為第四系人工堆積（Qml4）、侵入巖第三期黑云母花崗巖（γ2(3)5）組成。

4.1.1 第四系人工堆積（Qml4）

填土：黃褐色，可塑～硬塑，主要由花崗巖風化殘積土、全風化土回填而成，經(jīng)壓實，壩頂表層20 cm為混凝土路面，迎水坡表層10 cm為混凝土護坡。在鉆探深度范圍內(nèi)均有揭露。層頂標高164.37～175.00 m，層底標高146.37～173.60 m，層厚1.40～19.80 m，填土從壩肩到壩址中軸線深度逐漸增大。共做標準貫入試驗21次，統(tǒng)計樣本數(shù)21次，試驗范圍值N=8～22擊，平均擊數(shù)Nˉ=14擊。共進行注水試驗8段，統(tǒng)計樣本數(shù)6段，試驗范圍值k=1.80×10-5～1.13×10-4cm/s，平均滲透系數(shù)-k=4.91×10-5cm/s，鉆孔ZK105注水試驗試段深度11.4～16.4 m、16.8～19.8 m漏水量大于進水量，最大進水量為9.6 L/min。

統(tǒng)計樣本數(shù)15組，濕密度1.89 g/cm3，干密度1.55 g/cm3，最大干密度1.69 g/cm3，土粒比重2.69，天然含水率21.8%，最優(yōu)含水率17.4%，液限47.6%，塑限25.7%，塑性指數(shù)21.9，液性指數(shù)-0.18，孔隙比0.734，壓縮系數(shù)0.471/MPa，壓縮模量3.68 MPa，屬中等壓縮性土。直接快剪：黏聚力24.4 kPa，內(nèi)摩擦角22.1°；固結(jié)快剪：黏聚力28.6 kPa，內(nèi)摩擦角22.9°，承載力特征值建議取160 kPa，滲透系數(shù)1.07×10-5cm/s，滲透性等級為弱透水。

4.1.2 侵入巖第三期黑云母花崗巖（γ2(3)5）

按風化程度分為全風化帶、強風化帶、弱風化帶及微風化帶。

花崗巖全風化帶：灰白色，風化劇烈，長石已風化成高嶺土，但原巖結(jié)構(gòu)尚可辨認，石英礦物形狀不規(guī)則，具棱角，多呈粗砂或礫砂狀，遇水易軟化崩解。在鉆探深度范圍內(nèi)，鉆孔ZK101、ZK104、ZK106有揭露，層頂高程146.37～173.60 m，層底高程144.37～163.89 m，層厚2.00～13.00m。共進行標準貫入試驗8次，統(tǒng)計樣本數(shù)8次，試驗范圍值N=31～45擊，平均擊數(shù)Nˉ=37擊。共做注水試驗4段，統(tǒng)計樣本數(shù)4段，試驗范圍值5.65×10-5～4.54×10-4cm/s，平均滲透系數(shù)1.74×10-4cm/s。統(tǒng)計樣本數(shù)3組。濕密度1.88 g/cm3，干密度1.54 g/cm3，土粒比重2.66，天然含水率22.3%，孔隙比0.730，液限38.5%，塑限21.1%，塑性指數(shù)17.4，液性指數(shù)0.07。固結(jié)快剪：黏聚力21.1 kPa，內(nèi)摩擦角26.2°，承載力特征值建議取400 kPa，滲透性等級為中等透水～弱透水。

花崗巖強風化帶：灰白色，風化強烈，長石、云母已風化成次生礦物，原巖結(jié)構(gòu)清晰可辨，巖芯呈半巖半土狀。在鉆探深度范圍內(nèi)，鉆孔ZK101、ZK104～ZK106有揭露，層頂標高144.37～163.89 m，層底標高143.57～162.29 m，層厚0.40～1.60m。承載力特征值建議取700 kPa。

花崗巖弱風化帶：灰白色、肉紅色、灰黑色，中粗?；◢徑Y(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，巖芯呈塊狀及柱狀，裂隙發(fā)育，錘擊可碎，巖芯采取率平均值為75%～95%，RQD平均值為55%～90%。鉆探深度范圍內(nèi)，鉆孔ZK101～ZK103、ZK105 有揭露，層頂高程147.32～160.20 m，層底高程145.72～157.30 m，層厚0.55～4.10 m。弱風化帶出露高程從壩兩端到中間逐漸變低。統(tǒng)計樣本數(shù)2組，顆粒密度2.74 g/cm3，天然密度2.61 g/cm3，飽和吸水率1.62%，飽和單軸抗壓強度38.0 MPa，彈性模量4.51×104MPa，泊松比0.24，承載力特征值建議取1 520 kPa。

花崗巖微風化帶：灰白色、肉紅色、灰黑色，中粗?；◢徑Y(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，巖芯呈柱狀，錘擊聲脆，巖芯采取率平均值為93%～98%，RQD平均值為90%～95%，致密堅硬。在鉆探深度范圍內(nèi)，所有鉆孔有揭露，未揭穿，層頂標高143.57～162.29 m。微風化帶出露高程從壩兩端到中間逐漸變低，變化較大。共進行壓水試驗5段，試驗范圍2.6～9.5 Lu，平均透水率4.7 Lu，滲透性等級為弱透水。統(tǒng)計樣本數(shù)10組，顆粒密度2.76 g/cm3，天然密度2.65 g/cm3，飽和密度2.66 g/cm3，干密度2.65 g/cm3，含水率0.22%，飽和吸水率0.38%，泊松比0.21，飽和單軸抗壓強度75.4 MPa，彈性模量7.23×104MPa，承載力特征值建議取3 016 kPa。

4.2 壩址區(qū)工程地質(zhì)條件評價

壩體：大壩壩前坡坡面以混凝土保護，壩后坡坡面以草皮保護，壩頂無不均勻沉降，大壩處于低水位運行，無明顯滲透現(xiàn)象。壩頂混凝土路面存在裂縫，防浪墻發(fā)現(xiàn)有開裂現(xiàn)象，迎水面局部存在細微開裂、損壞現(xiàn)象。土壩段壩體填土土料主要來源于附近山體的花崗巖風化土和坡殘積土，含砂礫質(zhì)和強風化碎塊石。綜合土工試驗及現(xiàn)場標貫試驗統(tǒng)計數(shù)據(jù)，填土干密度1.55 g/cm3，天然含水率21.8%，最大干密度1.69 g/cm3，最優(yōu)含水率17.4%。直接快剪：黏聚力24.4 kPa，內(nèi)摩擦角22.1°；固結(jié)快剪：黏聚力28.6 kPa，內(nèi)摩擦角22.9°，計算得出壓實度為91.72%。漿砌石段壩體材料主要由弱風化花崗巖、微風化花崗巖、水泥砂漿混合而成，水泥砂漿濃度低，鉆探鉆進漏水嚴重，取芯困難。

壩基、壩肩：壩肩抗滑穩(wěn)定性又往往取決于壩肩兩岸的巖體結(jié)構(gòu)[2]。壩肩巖體滑移邊界條件控制了其幾何特征、滑移方式及穩(wěn)定性狀況等[3]。土壩段壩基巖性為微風化帶巖質(zhì)致密堅硬，裂隙不發(fā)育，巖體較完整。左右壩肩均為較雄厚的山體，上部覆蓋厚度較大的花崗巖全風化帶，下部為花崗巖強～微風化帶[4]。漿砌石段壩基透水率3.4 Lu，滿足《混凝土重力壩設(shè)計規(guī)范》（SL 319—2018）[5]壩高在50 m以下、透水率為5 Lu的要求。

5 結(jié)語

本次勘察基本查明了某水庫建設(shè)工程地質(zhì)條件及主要工程地質(zhì)問題，為該水庫后期除險加固設(shè)計及擴建提供了工程地質(zhì)依據(jù)。庫區(qū)地貌屬構(gòu)造侵蝕低山丘陵區(qū)，山體多為渾圓狀，植被茂盛，河谷為不對稱“U”形，左岸較緩，覆蓋層較厚，右岸較陡，基巖裸露，谷底較平坦。河流階地不發(fā)育，河床較小。工程區(qū)域地下水按其成因類型分為第四系孔隙水和基巖裂隙水兩種類型。第一類地下水主要賦存于壩區(qū)沖洪積物中，地層多為砂卵礫石層，主要受大氣降水和地表水補給。第二類地下水主要賦存于兩岸山體基巖裂隙中，地層為塊狀巖類，主要受大氣降水補給，水量貧乏。庫首兩岸基巖由花崗巖構(gòu)成，巖石完整程度較高，透水率一般小于5 Lu。據(jù)壩址兩岸山體現(xiàn)場鉆孔注水試驗結(jié)果，壩肩風化帶滲透系數(shù)1.98×10-5～4.54×10-4cm/s，屬弱透水～中等透水。根據(jù)本次勘察結(jié)果，壩址區(qū)未見滑坡和崩塌等不良地質(zhì)現(xiàn)象。壩址范圍內(nèi)未發(fā)現(xiàn)大規(guī)模崩塌堆積體和卸荷裂隙產(chǎn)生的危巖體存在，岸坡穩(wěn)定性較好。