黄壁庄水库副坝塌坑原因分析
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【摘要】黄壁庄水库副坝地基地质条件比较复杂，卵石层下部与基岩顶部有集中渗漏带；大理岩岩溶发育，存在渗漏通道。副坝防渗墙施工过程中施工工艺与地质条件不相适应，导致造孔至集中漏失层或基岩面时孔内浆液急剧严重漏失，致使部分孔壁失稳、塌落、脱空，形成坝体沉陷或塌坝。
【关键词】地质条件；岩溶；渗漏通道；塌坑
1 工程概况
黄壁庄水库副坝位于滹沱河右岸，由东向西跨越古贤三沟、古运粮河、及永乐沟，全长6907.3m，坝顶高程129.2m，是黄壁庄水库建筑物中存在问题最多、最严重、危险性最大的一座建筑物，坝基下伏基岩以上均为第四系地层，岩性以卵石层为主，分布厚度较大（厚15～20m）。
自1999年10月至2002年11月，在副坝混凝土防渗墙施工中先后共发生了6次塌坑险情。塌坑均发生在桩号4+026.70m～4+360.00m之间，长度约330m的范围内。历次塌坑简况见表1。
表1
历次塌坑简况一览表
2 坍塌段地质条件
①通过对坝体质量检查，副坝施工为水中倒土填筑坝体，部分质量达不到设计要求，存在冻土、废土等不合格土。
②根据地质勘察得知，副坝修建在滹沱河古河床上，主要地层有人工填筑坝体土 、壤土、砂性土、砾质土及基岩。由于古河床宽阔，受过水大小、河床摆动影响，局部地段地层缺失、厚度不同、沉积颗粒变化较大等，造成地层、岩性、构造等局部地段地质条件复杂。
③卵砾石渗透性差别较大，其渗透系数可相差数倍。土层、砂层中夹有细砂、砂壤土透镜体，存在软塑状土、松散状砂，较为薄弱，稳定性差。
④大理岩属碳酸盐类，受地下水侵蚀，溶蚀现象发育，勘探中多处发现有溶蚀裂隙、溶洞等，部分溶蚀裂隙、溶洞充填有含碎石红粘土；大理岩夹千枚岩岩面部位多见全风化岩或断续分布的碎石粘土层。上述疏松的填充物和软弱的风化岩，在高水头等外力作用下，内部结构极易发生变化，形成局部连通较好的渗漏通道。
3 坍塌前后地层对比
⑴塌坑以外受影响范围的岩性层位没有变化，塌坑内近边缘的孔层位也没有变化；近塌坑中心的孔上部砂层的顶面下沉明显，在塌槽部位呈漏斗状，塌落深度达5.7～15.3m。坍塌及扰动发生在卵石层以上的砂层和坝基、坝体土中。
⑵卵石层顶面多较平缓，仅Ⅳ76+1槽位塌坝中心孔卵石层顶面低约1～4m，上部0.5m范围混杂泥状壤土，分析是该部位卵石层顶部受到扰动。其它段卵石层均无扰动和混入其它成分的痕迹，层位稳定。
⑶含碎石粘土层在基岩面以上断续分布，坍塌后勘探证实局部段顶面平缓，未受扰动。仅Ⅳ76+1槽位塌坝段近塌坑中心范围该层见有软土层和疏松带，为施工扰动地带，由于上部卵石层层位稳定，因此认为该软土层为施工期长时间浸泡、漏浆破坏所致，与上部坍塌无关。
⑷与初设阶段的钻孔对比认为，基岩面没有发生坍塌变化。
根据坍塌段大量的勘探、试验、施工资料，截至Ⅳ76+1槽（6#）塌坝，随着工程的进展，塌坑的不断出现，地质情况的不断揭示，对地层地质条件认识的不断深化，对塌坑原因的认识也不断加深，并趋于统一。
⑴复杂的地质条件是塌坑的主要原因
①地基基岩岩溶发育
该段基岩以大理岩为主，大理岩与千枚岩为辅。若以K6钻孔（桩号A4+088.7，防渗墙下游22.5m）NE50°方向为中心，则6#塌坝大理岩分布于上游侧，大理岩与千枚岩互层在下游侧小范围分布。大理岩表层溶蚀现象严重，并有溶洞或为较大的溶蚀裂隙发育。根据地质资料统计，在塌坝段进入岩层的56个钻孔中，发现溶洞的孔数为总孔数的28.57%，钻孔岩溶线性发育率4.6%，表明该段属岩溶发育地段。从岩溶发育条件分析，副坝建在滹沱河古河床地段，古水文网条件复杂，有利于岩溶发育，尤其是沿岩体表层的地质构造面和层面易形成岩溶。
水文地质试验资料表明，溶洞或溶蚀裂隙贯通性差，有一定封闭性，分布高程不等，局部连通较好。防渗墙施工中，若槽孔段与其连通性强且具一定规模的溶洞裂隙连通，会突发漏浆，引起坍塌。
②地层存在强渗漏通道
钻孔资料揭示：大理岩表层强风化，溶蚀现象严重。据统计，25%溶洞顶板在基岩下1m处；千枚岩浅层大部分为全风化；卵石层局部松散或架空；T5（防渗墙下游12m）物探孔测得最大渗透流速143m/d，水样为泥汤，直接来自施工泥浆；K5、K8、K10（IV76+1槽下游2.9m）钻孔溶洞中发现防渗墙施工堵漏材料；几次塌坑均是施工造孔深入基岩接触带等部位，突发严重漏浆。以上地质和物探揭示的情况与施工中严重漏浆并引起塌坑的现象表明：卵石层、卵石层与基岩接触带、含碎石粘土层与基岩接触带及岩溶发育的基岩部分存在强渗漏通道，造成防渗墙施工中易发生严重漏浆，致使砂层及土层细颗粒大量塌落形成脱空，是几次塌坑的主要原因。
含碎石粘土层施工中漏浆较为少见，而Ⅳ76+1槽位塌坝段施工中该层位漏浆较为严重，勘探中多见漏浆现象。推测在该范围内碎石粘土层下部疏松，而基岩顶部溶蚀或裂隙发育，并在一定范围内形成渗漏通道，造成含碎石粘土层局部漏浆，并逐渐扩大破坏范围，形成一定范围的软土。施工资料反映，在碎石粘土层与基岩接触带漏浆过程中，反复漏浆的位置会随着堵漏向上发展，说明集中渗漏对碎石粘土层的破坏。
③存在易失稳地层
塌坑段的地层结构从上至下依次为坝体土、坝基土、砂层、卵石层、含碎石粘土层和基岩。坝体及坝基壤土和砂层为薄弱地层：坝体土和坝基土质量不均，局部软弱，长时间浆液析水浸泡会发生抗剪强度降低、性能恶化、孔壁失稳的问题；砂层层厚在20m左右，多呈稍密～中密状态，局部呈疏松状态，稳定性较差，在固壁浆液流失后易造成孔壁失稳发生坍塌；勘探表明，卵石层在塌坑后层位基本上没有变化，流失的地层主要是卵石层上部的砂层和土层。
④合拢段水流流态恶化
6#塌坝段为防渗墙合拢口，过水断面缩窄，地下水流速加大，恶化了水文、地质条件。防渗墙造槽施工中，遇强渗漏通道，槽孔内严重漏浆，将失稳层细颗粒及部分槽壁坍塌物快速带走，常规的堵漏方法不奏效，成为本工程规模最大的塌坑。
⑵施工工艺与复杂地质条件不完全适应是外因
①防渗墙施工采用冲击钻造孔成槽的施工工艺。在施工过程中持续强烈的震动，使原本已固结的地层遭到破坏，宜引发槽孔壁坍塌和地层位移；
②防渗墙造槽施工采用膨润土泥浆固壁，护壁泥浆顶面与地下水面高差20多米，且泥浆比重大于水，故形成了较大的压力差。当冲击造孔至渗漏及强渗漏地层，护壁泥浆在高压作用下大量流失，形成的“负压”，将槽内部分坍塌物及失稳层细颗粒带走。
③防渗墙施工采用的大口径护壁管造孔、堵漏措施，存在管径小，机械填料困难，人工填料堵漏速度慢，延误堵漏时间，以及在护壁管内用小钻头（φ400mm）造孔，对槽壁挤压范围小，扩孔后被破坏等不足之处，影响堵漏效果。
④成槽时间过长。Ⅳ76+1槽孔2001年8月24日开钻，到11月底尚未完成，又越冬三个月。越冬期间，用土料回填槽孔，土料与槽内施工泥浆混合，形成了浆泥，对槽壁支撑效果差，使其稳定性下降。
5 结论
⑴ 地基地质条件比较复杂，卵石层下部与基岩顶部有集中渗漏带；大理岩岩溶发育，存在渗漏通道。
⑵ 坝体土填筑主要采用水中填土方法，坝体局部比较软弱，稳定性较差，易发生坍塌。
⑶ 施工工艺与地质条件不相适应。采用冲击钻造孔对坝体、坝基扰动大，存在轻微架空的地层会受到破坏，增加通道。建议一期槽孔要拉开距离，必须在完成一个槽孔浇注好后再进行邻近下一个槽孔的施工。
⑷ 因地质条件复杂，导致造孔至集中漏失层或基岩面时孔内浆液急剧严重漏失，致使部分孔壁失稳、塌落、脱空，进而引起上部槽孔附近土层坍塌，形成坝体沉陷或塌坝。
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