李家梁水庫滲漏地質(zhì)原因分析

高慶鋒,高 麗

(榆陽區(qū)尤家峁水庫服務(wù)中心,陜西 榆林 719000)

李家梁水庫位于毛烏素沙漠東南邊,水庫自2006年10月蓄水運(yùn)行以來,壩后出現(xiàn)多處不同程度的集中滲流問題,為了除險(xiǎn)加固提供科學(xué)依據(jù),需對水庫地質(zhì)問題進(jìn)行分析。

1 概 況

李家梁水庫位于榆林市西北約40km的孟家灣鄉(xiāng)曹家梁附近圪求河上,是一座以工業(yè)和城市供水為主,兼顧灌溉的中型水利工程[1]。水庫大壩為均質(zhì)砂壩,筑壩材料均為圪求河兩岸風(fēng)積砂層,大壩上游坡面采用復(fù)合土工膜防滲,下游坡腳設(shè)計(jì)有反濾及排水體結(jié)構(gòu)。

2 庫區(qū)工程地質(zhì)分析

2.1 地質(zhì)概況

李家梁庫區(qū)地貌形態(tài)屬沙漠灘地區(qū)。庫區(qū)河谷寬闊平坦,河谷呈寬緩“U”型谷,寬度400m～600m,蓄水后兩岸高處正常蓄水位15m～20m。庫區(qū)地下水主要為第四系孔隙潛水,受大氣降水補(bǔ)給,以滲流形式向圪求河排泄。

2.2 庫岸穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

庫區(qū)處于沙漠灘地區(qū),岸坡平緩穩(wěn)定性較好,據(jù)調(diào)查水庫運(yùn)行13a來未發(fā)生較大岸坡再造和變形問題,因此,現(xiàn)狀庫岸整體是穩(wěn)定的。

2.3 水庫浸沒及淤積問題

庫區(qū)巖性以透水性較強(qiáng)的松散砂層為主,含水層深厚,地下水水流暢通,不存在浸沒問題。水庫庫區(qū)地形平坦,河流比降小泥砂攜帶能力較弱,水庫淤積物源主要為風(fēng)積砂。根據(jù)本次地下水位測量跟前期水下地形相比,淤積抬升30～50cm,庫尾80～150cm,已淤積140萬m3,淤積量占總庫容的6%。

3 壩址區(qū)工程地質(zhì)條件

3.1 地層巖性形

壩址區(qū)河流為SE向,軸線處河谷寬650m,兩岸壩肩處微小沖溝發(fā)育,多為NE向,延伸一般30～80m不等,高差20～30m,區(qū)內(nèi)階地不發(fā)育。壩區(qū)揭露的地層巖性由老至新為:上更新統(tǒng)湖積層(Q3l)、風(fēng)積(Q4eol)細(xì)砂層、沖積(Q4al)細(xì)砂層、上更新統(tǒng)—全新統(tǒng)風(fēng)積(Q3-4eol)細(xì)砂層、上更新統(tǒng)湖積(Q3l)細(xì)砂～粉細(xì)砂層。

3.2 水文地質(zhì)條件

3.3 物理地質(zhì)現(xiàn)象

壩址區(qū)地處風(fēng)沙區(qū),坡度較緩(一般10°～25°),坡高5～30m不等,砂層滲透系數(shù)較大,地表徑流發(fā)育較少,因此,壩址區(qū)不存在滑坡、泥石流等不良地質(zhì)現(xiàn)象。工程區(qū)風(fēng)速17m/s。凍土深度1.48m。

4 壩體、壩基土結(jié)構(gòu)及工程特性

4.1 壩體、壩基土結(jié)構(gòu)

壩基分別為上更新統(tǒng)湖積層(Q3l)、上更新統(tǒng)-全新統(tǒng)風(fēng)積層(Q3-4eol)、河床沖積層(Q4al)及風(fēng)積層(Q4eol)[2],巖性均以細(xì)～中砂為主,次為粉細(xì)砂,在湖積層中少量分布有砂壤土透鏡體。土質(zhì)均勻,黏粒含量極少或無黏粒含量,巖芯呈散體狀,其中水位線以上3m～5m段較潮濕、疏松,地下水位以下呈飽和狀態(tài),結(jié)構(gòu)松散,滲透性好。壩體填筑料均來自兩岸風(fēng)積砂,其砂粒含量占98%～100%,粉粒含量占0%～2%,黏粒含量極少,屬中細(xì)砂。

4.2 壩體物理力學(xué)指標(biāo)

為了解壩體物理力學(xué)工程特性,本階段對壩體砂層分別進(jìn)行了顆分、室內(nèi)巖土物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn),現(xiàn)場原位試驗(yàn),注水試驗(yàn)。

4.2.1 顆分試驗(yàn)

經(jīng)過顆分試驗(yàn),結(jié)果顯示,組成壩基土的主要粒組為0.25～0.075m顆粒,含量為46.8%～55.7%,平均53.5%;其次為0.5～0.25m顆粒,含量為30.6%～45.1%,平均37.3%;<0.075m顆粒含量為2.5%～8.7%,平均5.7%,為無黏粒含量細(xì)砂,屬級(jí)配不良且不連續(xù)砂。

4.2.2 巖土體物理力學(xué)性質(zhì)

從壩體不同深度不同部位取樣10組,進(jìn)行室內(nèi)巖石物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn),結(jié)果顯示,壩體土的比重為2.65～2.66g/cm3,平均2.66g/cm3;孔隙率為37.1%～48.7%,平均45.5%;滲透系數(shù)2.89×10-3～7.9×10-3cm/s,平均4.89×10-3cm/s。含水率20.3%～9.7%,平均值為12.68%。

4.2.3 標(biāo)貫試驗(yàn)

本次勘探在壩體6個(gè)鉆孔中共進(jìn)行了21點(diǎn)標(biāo)貫試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果顯示,壩體(Q4ml)層中貫入30cm的標(biāo)貫錘擊數(shù)通過修正后,最大擊數(shù)為45.4擊,最小只有4.6擊,標(biāo)準(zhǔn)差9.66,變異系數(shù)為0.55,相差較大,平均17.7擊。根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定,可知平均值對應(yīng)的承載力fk為325Kpa,壓縮模量Es23.3MPa。

4.2.4 注水試驗(yàn)

1)壩體土Q4ml中砂～細(xì)砂層中,共進(jìn)行了8段常水頭鉆孔注水試驗(yàn),試驗(yàn)土層滲透系數(shù)計(jì)算:

K=16.67Q/AH

(1)

式中:K為試驗(yàn)巖土層的滲透系數(shù),cm/s;Q為注入流量,L/min;H為試驗(yàn)水頭,cm;等于試驗(yàn)水位與地下水位之差;A為形狀系數(shù),cm。

2)當(dāng)試段位于地下水位以上,且50

K=(7.05Q/Lh)lg(2l/r)

(2)

式中:r為鉆孔內(nèi)半徑,cm;L為試段長度,cm;其余符合意義同(1)式。

計(jì)算成果見表1。

表1 壩體鉆孔注水試驗(yàn)成果表

4.3 壩基土物理力學(xué)指標(biāo)

同樣,對壩體砂層分別進(jìn)行顆分、室內(nèi)巖土物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn),現(xiàn)場原位試驗(yàn),注水試驗(yàn)。

4.3.1 顆分試驗(yàn)

本次勘察對壩基和兩岸壩肩砂土取樣共14組,進(jìn)行顆分試驗(yàn),結(jié)果顯示,組成壩基土的主要粒組為0.25～0.075mm顆粒,含量為48.3%～82.8%,平均69.1%;其次為0.5mm～0.25mm顆粒,含量為3.2%～26.4%,平均15.1%;<0.075m顆粒含量為5.0%～38.3%,平均13.7%,為細(xì)砂或粉砂,不均勻系數(shù)平均值為Cu=4.5,平均曲率系數(shù)Cc=1.5,屬于配不良砂。

4.3.2 巖土體物理力學(xué)性質(zhì)

本階段對不同部位不同成因的巖土的各取樣5組,共計(jì)10組,進(jìn)行室內(nèi)巖土物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn),結(jié)果顯示,壩基細(xì)砂層(Q4eol)的比重為2.65～2.66g/cm3,平均2.66,孔隙率為44.1%～47.4%,平均46.1%,滲透系數(shù)范圍值7.11×10-3～1.54×10-2cm/s,平均1.23×10-2cm/s。壩基土風(fēng)積層(Q3-4eol)的比重為2.65～2.66g/cm3,平均2.65g/cm3,孔隙率為43.8%～48.7%,平均46.4%,滲透系數(shù)1.7×10-3～6.5×10-3cm/s,平均4.1×10-3cm/s。

4.3.3 標(biāo)貫試驗(yàn)

本次勘探在左、右岸壩肩和河床壩基8個(gè)鉆孔中共進(jìn)行了21點(diǎn)標(biāo)貫試驗(yàn),現(xiàn)按不同成因地層,分別進(jìn)行整理,試驗(yàn)結(jié)果顯示,壩體(Q4eol)風(fēng)積(Q4eol)細(xì)砂層貫入30cm的標(biāo)貫錘擊數(shù)修正后最大擊數(shù)為22.4擊,最小只有4.5擊,標(biāo)準(zhǔn)差5.6,變異系數(shù)為0.48,相差較大,平均11.6擊,小值平均值為7.08擊,計(jì)算可得平均值對應(yīng)的承載力fk為243.8kPa,壓縮模量Es為15.8MPa,小值平均值對應(yīng)的承載力fk為187.2Kpa,壓縮模量Es10.2MPa。

壩體(Q4al)河床沖積(Q4al)細(xì)砂層中,貫入30cm的標(biāo)貫錘擊數(shù)修正后最大擊數(shù)為22.4擊,最小只有18.2擊,標(biāo)準(zhǔn)差1.48,變異系數(shù)為0.08,相差不大,平均19.5擊,小值平均值為18.6擊,計(jì)算可得平均值對應(yīng)的承載力fk為375kPa,壓縮模量Es15.8MPa,小值平均值對應(yīng)的承載力fk為355kPa,壓縮模量Es24.7MPa。

壩基(Q3-4eol)細(xì)砂層中,貫入30cm的標(biāo)貫錘擊數(shù)修正后最大擊數(shù)為31.4擊,最小只有15.6擊,標(biāo)準(zhǔn)差4.6,變異系數(shù)為0.21,相差不大,平均22.5擊,小值平均值為19.2擊,計(jì)算可得平均值對應(yīng)的承載力fk為399.8kPa,壓縮模量Es36.2MPa,小值平均值對應(yīng)的承載力fk為352.5kPa,壓縮模量Es31.6MPa。

綜合上述試驗(yàn)成果可知,分布于兩岸壩肩的Q4eol細(xì)砂層,除少部分壩肩表部為松散層外,其余大部分為稍密～中密。河床壩基Q4al細(xì)砂層和兩岸及壩肩較深部位的Q3-4eol細(xì)砂層屬中密。

4.3.4 注水試驗(yàn)

本階段勘察,兩岸壩肩和壩基土中不同成因的中砂～細(xì)砂層中,共進(jìn)行了15段常水頭鉆孔注水試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果顯示,壩體填筑中細(xì)砂的滲透變形屬流士型破壞。

4.4 壩體及壩基工程地質(zhì)評(píng)價(jià)

4.4.1 壩體填筑質(zhì)量評(píng)價(jià)

李家梁水庫大壩為砂壩,壩體填筑量為148.48萬m3,填筑料均來自兩岸風(fēng)積砂,主要為中細(xì)砂。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果其砂粒含量占91%～97%,粉粒含量占2.5%～8.7%,無黏粒含量。根據(jù)《水利水電工程天然建筑材料勘察規(guī)程》對壩體填筑土料要求,粉粒含量10%～30%為宜,壩體填筑料屬無黏性土,所以不符合土料質(zhì)量技術(shù)要求。

4.4.2 施工質(zhì)量控制

大壩建成于2006年,修建時(shí),兩岸未削坡清基,無結(jié)合槽,土質(zhì)雖均勻,但因用水沖填砂土,未經(jīng)人工夯實(shí),壩體形態(tài)及壩體質(zhì)量控制差。經(jīng)過壩體相對密度的標(biāo)貫實(shí)驗(yàn),壩體砂土相對密實(shí)度為0.33～0.67,而《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》要求密實(shí)度要>0.7,所以壩體填筑質(zhì)量未達(dá)到規(guī)范對砂土填筑相對密度的標(biāo)準(zhǔn)要求。

根據(jù)壩體10組樣品分析結(jié)果表明,壩體土平均干密度為1.46g/cm3,按水中填土壩的土料設(shè)計(jì)施工標(biāo)準(zhǔn),壩體最終干密度應(yīng)>1.5g/cm3,可見壩體填筑干密度未達(dá)到設(shè)計(jì)要求:由于壩體實(shí)測錘擊數(shù)差別較大,壩體填筑不同高程和不同部位的密實(shí)程度差別亦較大,說明壩體土填筑不均勻,鉆孔深0～20m范圍內(nèi)壩體填筑土修正后的平均標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)為17.7擊,壩體處于中等密實(shí)狀態(tài)。因此,壩體填筑質(zhì)量未達(dá)到設(shè)計(jì)和規(guī)范要求,壩體填筑質(zhì)量較差,且存在不均勻性。

4.4.3 壩基工程地質(zhì)問題及評(píng)價(jià)

根據(jù)勘探揭露,壩基主要由上更新統(tǒng)湖積層(Q3l),上更新統(tǒng)-全新統(tǒng)風(fēng)積層(Q3-4eol),沖積層(Q4al)及風(fēng)積層(Q4eol)等不同成因的細(xì)砂～粉細(xì)砂層,厚度>100m,期間夾有少量中砂層,局部分布有砂壤土層,分布不連續(xù),均以透鏡體發(fā)育。根據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》判別,位于壩基的Q4eol、Q4al和壩基部位的細(xì)砂和中、下部Q3l細(xì)砂～粉細(xì)砂滲透變形均屬流土型破壞,流士型破壞的土層允許水力比降計(jì)算方法同3.5節(jié),計(jì)算結(jié)果上部Q4eol細(xì)砂和中部Q4al細(xì)砂層J允=0.21,下部Q3-4eol細(xì)砂層J允=0.24,Q3l細(xì)砂層～粉細(xì)砂J允=0.25。兩岸壩肩無地下分水嶺,存在壩基滲漏和繞壩滲漏問題。

5 結(jié) 語

經(jīng)過對李家梁水庫庫區(qū)、壩基、壩體勘察和試驗(yàn)探討,發(fā)現(xiàn)李家梁水庫滲漏的主要原因在于壩體用料不合格,施工時(shí)填筑質(zhì)量未達(dá)到設(shè)計(jì)和規(guī)范要求,從而造成壩基滲漏和繞壩滲漏問題,需進(jìn)行必要的防滲處理,為工程除險(xiǎn)加固提供了科學(xué)依據(jù)。