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花岗片麻岩地区库坝渗漏机制分析

2014-12-25任广朋程光德

城市建设理论研究 2014年37期
关键词:渗透系数坝基坝体

任广朋 程光德

摘要:本文以邹城市莫亭水库为例,根据花岗片麻岩地区特殊工程地质条件,分析该区库坝渗漏机制。通过收集、分析已有地质勘察、运行期渗流观测的渗流量、库水位及前期防渗加固处理等资料,沿大坝可能的渗漏通道、沉陷、变形部位布置勘探剖面线,采用岩土工程钻探、水文地质实验和室内土工实验的工作方法,分析研究坝基、坝体岩土体的渗透性,推断渗透通道,判断坝体可能的渗透破坏形式,估算水库渗漏量,并对库坝防渗处理提出合理建议。

关键词:花岗片麻岩坝基坝体渗漏机制

中图分类号:P2文献标识码: A

一、研究背景

花岗片麻岩在鲁西南地区广泛分布。花岗片麻岩残积土是一种特殊性土体,是混粒土的一种特殊类型。在花岗片麻岩地区,库坝多由残积土堆筑而成,库坝病害频发。本文以邹城市莫亭水库为例,对花岗片麻岩地区库坝渗漏机制进行分析。

二、工程概况

莫亭水库位于邹城市香城镇北6km处,是一座以防洪、灌溉为主,结合发电及渔副业生产等综合效益的小(一)型水库。防洪标准已达万年一遇,相应总库容864万m3,兴利库容为417万m3,死库容22万m3,相应最高洪水位172.52m。设计控制流域面积20.6km2,水库下游6Km处是香城镇住地,人口12000余人,耕地10000余亩。修建中的京沪高速铁路从坝下3km处穿过。

该工程于1959年动工兴建,1960年开始蓄水受益,兴建前未做任何工程地质工作。经多次扩建改建,现水库枢纽工程包括大坝、放水洞、溢洪道、电站等。大坝包括主坝及副坝,全长743m,为均质土坝。主坝全长614m,坝顶高程173.15m,最大坝高14.95m,顶宽5.5m左右;副坝长129m,顶宽4m,最大坝高4m,顶高程173.24m。

三、研究方法

(1)收集、分析已有地质勘察、运行期渗流观测的渗流量、库水位及前期防渗

加固处理等资料;

(2)沿大坝可能的渗漏通道、沉陷、变形部位布置勘探剖面线,剖面线有钻孔

控制,按具体情况可设置坑(槽)探;

(3)建议防渗线钻孔孔深应深入相对隔水层,并应做压(注)水试验;

(4)坝体及坝基应结合勘探目的要求分层取样进行室内物理力学和渗透试验。

室内试验采用了常规试验、三轴CU试验、渗透试验、击实试验等方法;现场则采用了标准贯入试验、压水试验、注水试验等方法。

四、区域地质

4.1地形地貌

莫亭水库行政隶属邹城市香城镇,距香城镇6Km,有水泥道路通至水库大坝及管理房,交通条件较为便利。

坝区为低山丘陵地貌,山势较平缓,西部东独都山高程241.9m,东部齐山高程231.9m,山脊走向大体为北北东,冲沟较少,山体完整,无孤石、滑坡、崩塌等不良地质作用。山体表层植被较发育。坝址两岸山体相对较低矮,山坡基岩出露,局部表面有0.5~1.0m的残坡积层覆盖,东岸山体陡于西岸。

周边环境见下图:

大坝及东侧山体

水库东北部及北部地貌

西北部及西部地貌

坝区坍塌和滑坡等物理地质现象不发育。

4.2地质构造与地震

莫亭水库地处低山丘陵区。坝区西10公里为峄山断裂。根据《济宁市基岩地质图》,库区范围内有两条断层存在,其工程地质特征如下:

F1断裂:位于水库上游2.0公里,东西走向,

F2断裂:位于右坝肩南约1.5公里,走向为北东75°

莫亭水库位于邹城市东偏南部山区,香城镇北,为泰沂山低山丘陵区,大坝呈东西走向,地势北高南低。坝址位于第四松散层及坝肩两侧的花岗闪长岩上,库区无断裂构造,坝后出露第四系堆积粘性土,下伏斑状中细粒含黑云母花岗闪长岩。水库三面环山,于南部人工筑坝成库,为当地百姓灌溉饮水之用,造福当地;洪水期库水经溢洪道流入滑蒋河外泄。因受当时施工机械等各种因素影响,坝基清处不彻底,坝体质量局部碾压不实,存在安全隐患。

五、坝址区工程地质条件

5.1地层岩性

水库大坝为均质土坝,坝体填筑材料由坝体土、护坡块石组成。坝体座落于第四系洪冲积层上,基岩为新太古代五台期峄山岩套花岗闪长岩。现自上而下分述如下:

坝体填筑材料(Q4ml)

坝体土:坝体土主要为①层含砂粉质粘土,以粉质粘土为主,粉质重,无摇震反应,稍有光泽,干强度及韧性中等,硬塑-坚硬;次为粉土,灰黄色,棕黄色,含砂质,量约5~15%,高者达20%。局部为砂薄层,湿~稍湿,稍密~中密,土质较不均匀,勘探孔中未见鼠穴、蚁穴、蚁卵等对坝体有害的生物活动迹象。本次勘探揭露坝顶至坝齿槽底部最厚达16.50m,统计厚度:7.00-16.50m,平均13.79m;层底标高:162.60-173.40m,平均172.08m;层底埋深:7.0-16.5m,平均13.7m。

其中2#~7#孔0~0.6m为灰黄色粗砂;4~7m范围有褐红色粘土分布。该层分层填筑迹象明显。层底1~2m为夯土,局部为灰土。

勘探施工中8#钻孔7m~12m有明显漏水。

该层属中压缩性土。(2)第四系冲洪积层(Q4al+pl)

第四系洪冲积层以粉土、粉质粘土为主,从上而下分为5层。

②层含砂粘性土:灰褐色,硬塑~坚硬,含砂量约10%。稍有光泽,摇震反应无,韧性及干强度中等。除1#、2#、9#孔,其他各孔均有分布,统计厚度:2.50-5.70m,平均4.60m;层底标高:152.90-155.40m,平均153.53m;层底埋深:9.50-20.10m,平均18.04m。其中该层顶部0~2m范围内夹薄砂层,灰黑色,级配差,磨圆度一般。该层属中压缩性土

②-1层中细砂:灰黑色,,分布于②层粉土上部,厚度0.3-0.6m,平均0.39m,层底标高:154.60-158.20m,平均157.06m;层底埋深:14.90-18.50m,平均16.01m。

②层粉土:灰黑色,湿,密实,粘质重,含有机质。光泽反应无,摇震反应中等,韧性及干强度低。除1#、2#、3#、9#孔,其他各孔均有分布,统计厚度:0.60-1.90m,平均1.32m;层底标高:151.50-152.50m,平均151.86m;层底埋深:11.10-21.50m,平均19.10m。风干后呈灰色。见下图:

④层粉土:灰褐色,具铁锈,含云母碎屑,湿,密实,摇震反应中等,光泽反应无,干强度及韧性低。分布于4#、6#、7#、10#孔中,统计厚度:0.80-2.30m,平均1.73m;层底标高:149.60-152.60m,平均150.50m;层底埋深:13.00-23.40m,平均19.98m。⑤层粉土:红褐色,湿,密实。光泽反应无,摇震反应中等,韧性及干强度低。除1#、8#、9#孔,其他各孔均有分布,统计厚度:1.30-2.80m,平均1.82m;层底标高:148.90-155.20m,平均151.80m;层底埋深:18.00-24.30m,平均21.32m。⑥层全风化花岗闪长岩:灰褐色,主要矿物成分长石、其次石英,级配差,湿,稍密。分布于6#、7#、8#、10#孔,厚度:0.30-0.80m,平均0.58m;层底标高:148.80-151.40m,平均149.78m;层底埋深:13.80-24.10m,平均20.63m。(3)新太古代花岗闪长岩(Ar33γδn)

⑦花岗闪长岩:新太古代五台期峄山岩套花岗闪长岩,灰绿色,夹浅黄色,主要成分为斜长石、长石等,含黑云母,斑状结构,细粒结晶。该层未穿透,钻探揭露深度一般为2.0m,最大揭露深度2.5m。其中该层顶部0~0.6m已风化成砂状,裂隙发育。

5.2地质构造

坝址区地质构造简单,两岸地表及钻孔中均未见断层通过。库周及大坝左、右岸均有基岩出露,覆盖层较薄,多小于1m左右,出露呈中风化状,岩体较完整,风化裂隙发育少。

5.3水文地质条件

本次勘察根据甲方要求及现场情况,分别进行了室内渗透及注、压水试验,具体情况如下:

本工程根据钻探施工中出现的漏水情况,结合场地地层,分别于6#、8#两孔进行了分段注水试验;6#孔试验段分别是7-14m、15-25m;8#孔试验段分别是7-12m、14-22m;13#孔为8.2~10.2m;并在2#、4#两孔进行了压水试验,2#孔试验段18-20m;4孔22.5-25m。

(1)室内渗透试验

室内渗透试验主要采集5.0~14.0m之间的坝体土试样及14~22m之间的坝基土试样,且土试样完整,坝体垂直渗透系数在1.26×10-6~5.76×10-8cm/s,水平渗透系数在1.22×10-6-5.01×10-8cm/s。

(2)注水试验

计算6号孔坝体渗透系数k=0.022m/d=2.56×10-5cm/s。坝体土具弱透水性。

计算6号孔坝基渗透系数k=0.074m/d=8.595×10-5cm/s。坝基土具弱透水性。

计算8号孔坝体渗透系数k=0.699m/d=8.099×10-4cm/s。坝体具中等透水性。

计算8号孔坝基渗透系数k=0.080m/d=9.271×10-5cm/s。坝基土具弱透水性。

计算13号孔渗透系数k=0.0866m/d=1.003×10-4cm/s。坝基全风化接触带具中等

透水性。

钻孔水文试验汇总表

综合以上数据,坝体具弱透水性,局部(8#孔部位)具中透水性;坝基土层具弱透水性,全风化岩具中等透水性,基岩接触带具弱透水性。

六、渗透机制分析

6.1坝体土填筑质量评价

本次勘察通过室内土工试验,测得坝体土塑性指数Ip=6.5~14.2,干密度1.54~1.71g/cm3,平均1.62g/cm3;通过击实试验,测得大坝坝体土的最大干密度(ρdmax)1.87g/cm3,证明坝体填土质量稍差。

分别在里程桩号0+450和0+500背水坡坝脚处开挖探槽,在探槽0.5-0.7m深度范围取土做颗粒分析,结果如下:

颗粒分析试验显示,坝体填土为含粘性土细砂,Cu<5.0,为均粒土,级配不良。

6.2坝体及坝基土防渗性能评价

坝体筑填土①层现场注水试验渗透系数K=2.56×10-5~8.099×10-4cm/s,具弱~中等透水性;室内土工试验水平渗透系数KH=5.13×10-7~1.36×10-5cm/s,属弱等透水性,垂直渗透系数Kv=6.47×10-7~1.64×10-5cm/s,属弱等透水性。坝基②-⑤层粉土现场注水试验渗透系数K=8.595×10-5~9.271×10-5cm/s,具弱等透水性,室内试验水平渗透系数KH=5.17×10-6~4.22×10-5cm/s,属弱等透水性,垂直渗透系数Kv=4.72×10-7~5.43×10-5cm/s,属弱等透水性。坝体土①层填筑土透水性差,但在8#孔部位透水性较强,据访问,是当时筑坝合拢时的龙门,因大坝合拢时库中水位较高,为本处坝体未进行必要的密实处理所至。

6.3坝基渗透破坏

(1)流土

本工程坝基土为细粒土,因此依据《水利水电工程地质勘察规范》附录M土的渗透变形判别,可能产生流土型破坏。

a:依据公式:Pc≥[1/4(1-n)]×100

计算[1/4(1-n)]×100=59.13

坝基土主要为粉土,Pc:小于0.075mm的颗粒含量84>59.13,判定有流土破坏现象的存在。

b:坝基土的临界水力比降按下式计算:

Jcr=(Gs-1)(1-n)

式中:Jcr—土的临界水力比降;

Gs—土的颗粒密度与水的密度之比;

n—土的孔隙率(%)取42.29%

计算得临界水力比降为0.980;大于库区洪水位时的水力比降0.531。据规范:无粘性土的允许比降应在临界水力比降的基础上除以1.5-2.0的安全系数。鉴于坝基粉土对水工建筑物的安全危害较大,取安全系数等于2,则临界水力比降值为:0.980÷2=0.49,小于库区洪水位时的水力比降0.531。。

(2)管涌

据水库下游距大坝150m处有一自流井,井口周边有明显粉细砂沉淀。初步判定水库坝基可能存在管涌现象。

a.②层含砂粉土(粉质粘土),该层顶部0-2m范围内夹薄砂中细层,灰黑色,级配差,磨圆度一般,以土工试验中7-5中砂进行定量分析:

依据《水利水电工程地质勘察规范》附录M公式:Pc<[1/4(1-n)]×100

计算[1/4(1-n)]×100=54.07

试样7-5中砂PC<40.1,坝基土可能产生管涌破坏。

依据管涌类型公式Jcr=2.2(GS-1)(1-n)2d5/d20(M.0.3-1)

Jcr-土的临界水力比降;

GS-土的颗粒密度与水的密度之比(GS取2.65);

n-土的孔隙率(n取47%);

d5,d20-分别占土中的5%和20%的土粒粒径(d5=0.08mm,d20=0.2mm)

Jcr=0.39,J允许=0.39/2=0.195<0.531(不连续型),即地基土体中较细土粒被渗流推动带走形成管涌,由于该部位中砂级配差,松散,孔隙大,为细小颗粒带走提供了通道,具备了发生管涌的几何条件。

b.⑥层全风化岩,该层已风化成粗砾砂状,PC<25%产生管涌破坏,依据《水利水电工程地质勘察规范》附录M,以土试样中8-6砾砂进行定量分析

依据管涌类型公式Jcr=2.2(GS-1)(1-n)2d5/d20(M.0.3-1)

Jcr-土的临界水力比降;

GS-土的颗粒密度与水的密度之比(GS取2.65);

n-土的孔隙率(n取47%);

d5,d20-分别占土中的5%和20%的土粒粒径(d5=0.4mm,d20=0.6mm)

Jcr≈0.67,J允许=0.67/2=0.34<0.531(过渡型)。

七、结论

花岗片麻岩地区库坝建造年久,大坝填筑质稍差,填筑时间较长,大坝坝体以弱~中透水性为主,坝基粉土以弱透水性为主。洪水位时水力比降大于临界水力比降,坝基土会产生流土型破坏,具备发生管涌的几何条件,可发生接触冲刷及接触流失破坏

基岩风化带透水性较强,宜对龙门处坝体、沉降段坝基粉土及全风化岩进行防渗处理。水库大坝坝体呈中~弱透水性,底部全风化花岗闪长岩呈中等透水性,处理时处理至全风化岩底部;坝基无明显渗漏现象,以中弱透水性为主,因此总体较稳定,可根据实际情况及使用要求对大坝进行适宜的除险加固。

参考文献:

1.工程地质手册编委会.工程地质手册.北京.中国建筑工业出版社.2007年.

2.张永波.厦门花岗岩风化残积土工程地质特性及浅层地基承载力研究.第四届全国工程地质大会论文集(二).北京.海洋出版社.

3.SL258-2000.水库大坝安全评价导则.

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5.李雷,王仁钟,盛金宝,等.大坝风险评价与风险管理.北京.中国水利水电出版社.2006

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