刍议水库除险加固工程地质
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摘要：随着我国水利工程建设的迅猛发展，水库的建设是水利工程中重要的一部分，施工人员必须做好相应的建设工作。本文笔者结合自身工作经验，以某水库为实例，主要对水库除险加固工程地质作出分析与探讨。
【关键词】：水库；地质；条件；问题；构造
中图分类号：F470.1 文献标识码：A
一、工程概况
某水库位于某地一河流域内，建成后该水库的流域面积为305km2，总库容3.62亿m3。设计水位为80.60m，相应库容2.05亿m3。水位79.50m，相应库容1.69亿m3。该水库的主要建筑物有主坝、副坝、溢洪道、输水洞、南干渠首闸、北干渠首闸及水电站。现水库主坝坝型为粘土心墙砂壳坝，坝轴线方向为146°33′，坝顶高程85.62m，最大坝高25.62m，坝顶长295m，坝顶宽7m。主坝心墙土质主要为粉质粘土及重粉质壤土，心墙底部直接座落在坝基中重粉质壤土上。坝基防渗采用截水槽辅以水平铺盖，在心墙下设深2.0m、底宽8～10m、边坡1:1 的截水齿墙，墙体座落在灰色软土层，但未切断其下透水层。
二、主坝坝基工程地质条件
（一）地层岩性
主坝坝基上部为第四系冲积物，地面高程60～68m，第四系厚度12～18m。在河床及漫滩为全新统（Q4al）砂砾石层。在河流两岸阶地上为上更新统（Q3al）地层，自上而下依次为黄色中粉质壤土、中细砂、砾砂、黑色软土、砂砾石。下伏基岩为安山质凝灰岩。
（二）地质构造
1.断层
主坝坝基区较大的断层有4 条。
F6－6：分布在主坝下游，走向336°，倾向北东，倾角46°，属压性断层；F1－1：出露于左岸坝头，斜穿坝基，直通右岸坝头上游。走向10°，倾向南东，倾角60°～80°，属压扭性断层；F2－2：出露于左岸坝头下游，与F1－1斜交，通过坝基直达库内。走向80°，倾向北西，倾角52°，属压扭性断层；F4－4：出露于右岸坝头上游，走向约286°，倾向北东，倾角54°。
2.片理与节理
在安山质岩类中，节理以北东向和北西向两组较为发育，一组垂直主坝轴线，一组平行主坝轴线。节理多数呈闭合状态，少数为张开型，粘土岩屑充填，充填不好。
三、主坝主要工程地质问题及评价
（一）坝基灰色软土问题
坝基灰色软土位于上下两层砂砾石之间，土质成分上部以灰色中粉质壤土为主，下部以灰黑色重粉质壤土为主，饱水，软塑～流塑状态，见有植物根系等腐植质，略有腥臭味。土质不均，局部夹有薄层砾砂透镜体。该层在坝基部位广泛分布，厚度约4.0～6.5m。该层标准贯入击数94次，范围值为1～6击，最小不到1击，平均值3.4击，小均值2.4击，其天然含水量接近液限，天然孔隙比接近1.0。天然干密度平均值为1.50g/cm3。在主要力学性指标中， 饱和快剪C=10kPa，φ=10.7°， 压缩系数（P=100～300kPa）0.20MPa-1。
从以上指标可以看出，灰色软土从天然干密度分析是很不均匀的，且抗剪强度低，具有中等压缩性。其底部为粗砂层，具平面排水的条件，从勘察试验成果干密度、抗剪强度和压缩系数等指标的分析对比来看，总体强度有增加的趋势，但由于该层灰色软土上下都有承压水存在，且承压水头较高，致使该层虽有坝体荷载作用，但其固结将是缓慢的。
（二）坝基渗流及承压水问题
主坝坝基第四系孔隙水分为潜水和承压水，潜水赋存在河槽表层黄色砾砂透水层中；承压水又分为上下两层，上层承压水位于左岸阶地黄色壤土与灰色软土之间的黄色中砂、灰色砾砂层中，下层承压水位于灰色软土以下与基岩面之间灰色砂砾石层中，故坝基透水层可分为三层，现将各层的渗流稳定问题分述如下：
1.河槽表层黄色砂砾石透水层的渗流稳定问题
该砂砾石层含少量泥质，具中等透水性，厚度1.5～2.6m，建库前该层中含有潜水。建库施工时采用粘土水平铺盖和截水齿墙防渗，铺盖末端齿墙穿过砂层坐落在灰色软土上，下游砂壳直接坐落在该层砂砾石上，故砂壳中的地下水位和该砂砾石层中的水位应该是一致的。从历年的观测孔及库水位关系来看，水位线平缓，与下游尾水位接近，这些情况表明铺盖及截水齿墙具有较好的防渗效果。
2.上层承压水含水层的渗流稳定问题
上层承压水位于黄色壤土与灰色软土之间，顶部高程为61～65m，底部高程为58.5～62.0m，厚0.5～5.0m，在河槽左侧岸坡附近变薄或尖灭。本层上部为黄色细砂，中粗砂及砾砂（含泥），下部为灰白色砾砂，含较多泥质。在桩号0+127以左，层间夹厚约0.3～0.5m软土薄层。注水试验求得其渗透系数为4.6×10-4～1.6×10-3cm/s，具中等透水性。
以桩号0＋119下71.5孔为例：该库水位79.52m，管水位66.30m；两年后该库水位77.73m，管水位66.38m，高于坝下游砂层顶面，但承压水头较低（2m左右），且低于坝下游地面高程（坝后处理后现高程70m）,由于坝脚附近已做反虑层和堆石体，未再发生异常现象，说明在现状水位下渗流是稳定的。
3.下层承压水含水层的渗流稳定问题
下层承压水含水层位于灰色软土以下与基岩面之间，层顶高程为52～54.4m，层底高程约49～51m。厚约2～5m，为灰色砂砾（卵）石，局部含泥质及软土透镜体。渗透系数为9.2×10-3～2.8×10-2cm/s，属中等～较强透水层。该层承压水位较高，承压水位将高出台地约4.0～4.5m，高出河槽约7.0～8.0m，这时坝脚渗透稳定是不利的。另据钻孔注水连通试验，得知下层承压水与灰色软土中的砂砾石透镜体有较强的水力联系，这样其上复土层厚度变小，就更不利于坝脚渗透稳定。根据坝基地质结构和水文地质条件，该层承压水的渗流稳定问题主要是承压含水层顶板的顶托破坏问题，据观测资料，当库水位达到79.50m时，下游坝脚附近河槽段该层承压水位68.93m，阶地段承压水位73.38m，分别高出下游河槽地面8.93m，阶地地面3.38m，存在产生顶托破坏的条件。
参考《建筑地基基础设计规范》（GB50007－2002）关于基坑底抗渗流稳定性验算的有关规定，将承压含水层上覆土重与承压水压力进行比较，当安全系数≥1.1时渗流稳定。经分析对比，阶地段安全系数满足要求，不存在顶透破坏问题；河槽段，水位79.50m时，安全系数1.08，预测校核水位82.79m时，安全系数1.08，处于极限状态，存在顶托破坏的危险，建议采取排水降压措施或增加上部压重。
4.坝肩绕渗问题
两岸坝头均为安山质凝灰岩，多属强风化到弱风化。经地表岩石及钻孔岩心观察，裂隙较发育，一般呈闭合状，部分充填铁锰质，胶结较好，岩石也较完整。据地质测绘资料，仅左坝肩有F1－1及F2－2两断层，以夹角45～60°从坝上游穿过坝肩通向库外。岩石总体透水性弱，右岸较左岸弱，仅断层影响带局部透水性较强。据8孔22次压注水试验成果统计，透水率＜1Lu者16次，占73%；透水率＞5Lu者2次，占9%；且较大者均位于左岸，其中最大值为16.3Lu，位于E3孔F2－2断层下盘。
根据左岸各测压管水位与同期库水位的比较，管水位随库水位的变化而变化，在库水位74m以上时，管水位均低于库水位，说明坝肩渗漏是存在的，坝基结合面和坝肩均存在渗漏问题，但渗漏量都不大，现状水位下不致对主坝造成危害。
四、结论
由于水库建设的时间很长，先开始施工，而后进行补充地质勘探，所以主坝坝基座落在灰色软土和透水的砂砾石层上，采用水平铺盖与截水墙防渗，截水墙只做到了灰色软土层，坝基中的断层没做处理，主坝坝基工程地质条件复杂，存在坝基灰色软土固结问题、坝基渗流稳定及承压水问题、左坝肩绕渗问题，经过多年观测、分析、试验、研究，对主坝坝基存在的主要工程地质问题已经做出了进一步的改善，这就使得我国的水库建设又上升了一个阶段。