3.5 大坝工程地质条件

3.5.1 概述

大坝为均质土坝，全长1142m，顶高程166.96～168.00m，坝顶宽3.0～5.0m；防浪墙高程168.67m，大坝上游坡为干砌石护坡，下游坡为草皮护坡。桩号0+000～0+949段，坝前坡在高程162.27m以下边坡为1∶3.5，以上为1∶3，坝后坡在高程162.27m设有戗台，宽2.0m，戗台以上边坡为1∶2.75，以下为1∶3；桩号0+949～1+142段，坝前后坡均为1∶2；坝后排水体位于桩号0+137～0+673河槽段，为棱体排水体，总长537m，顶高程155.57～159.09m，顶宽1.0～2.0m，高1.0～4.1m。

水库在运行过程中出现了以下问题并作了处理：

1）1960年水库由小型水库改建中型水库时（但未达到中型水库标准），在桩号0+300m处的原小放水洞处理不彻底，形成集中渗漏和接触冲刷，引起坝体裂缝和塌陷。

2）1960年改建时，主河槽截渗槽未开挖到基岩，大坝初建成后，坝后5m多远处，渗水形成多个泉眼。由于建坝时坝体与坝基接触部位清基不彻底，桩号0+050～0+600段，排水体底脚均有明流出现。在水位162.00m时，坝后地表渗流量达0.15m³／s，坝后三角地出现沼泽化，高于河床3.0m处的地面竟出现明流积水，不能进入。

3）1966年续建中，由于土料质量控制不严，坝后坡和上部坝体部分坝段采用了风化料，降低了坝体的有效防渗高度，缩短了坝体上部的防渗渗径，在高水位时有可能造成坝体渗透破坏。

4）桩号0+055处有一条横切大坝的断层f，地层破碎，渗漏较严重，未作防渗处理。

5）迎水坡用片乱石护砌，标准低，坍塌破坏严重，局部常出现脱坡现象。

因上述存在问题，1976年对大坝进行培厚加固，1983年对坝前护坡重要险段进行了局部翻修，1994年对大坝坝体桩号0+050～0+600坝段实施了黏土灌浆，因资金有限，处理范围较小，问题依然严重。

3.5.2 坝体质量评价

组成坝体的土料主要为壤土，局部有风化料（壤土）和碎石土，分层描述如下：

①杂填土：为灰黄色碎石土，松散状，含水量干—稍湿，由灰岩碎石、砖块、瓦块、中粗砂以及粉质黏土等组成，碎石的含量约占15%，厚度0.3～0.6m，分布于大坝桩号0+024～0+028.1，高程168.51～167.91m之间，为修整坝顶路面铺垫形成。

②中砂（坝体填筑风化料）：为灰绿色—黄褐色，松散状，干—稍湿，为闪长岩风化后的残积物，主要成分为灰褐色斜长石、灰绿色角闪石（由于风化作用）以及少量因风化呈黄褐色的黑云母，呈粗砂状。分布于大坝桩号0+034.3～0+978.9段，据安全鉴定阶段钻孔ZK10、ZK11揭露最低分布高程在162.97m。其中在桩号0+462.59～0+870段，中砂的厚度为2.0～3.7m，平均2.5m；桩号0+240～0+280段，厚度为0.4～2.45m，平均1.45m，根据安全鉴定阶段开挖探槽验证，桩号0+240～0+280m段坝前坡和坝体形成贯通，致使大坝高程165.02m以上部分坝段失去有效防渗作用。

坝体中砂中的砾石含量平均值为9.9%，砂粒含量平均值为67.8%，粉粒含量平均值13.7%，黏粒含量平均值8.6%。该层中砂（风化料）渗透系数为5.94×10^-3～6.19×10^-3cm/s，为中等透水。

③中、重粉质壤土：褐色、黄褐色壤土，可塑—硬塑，局部成软塑状，湿—饱和状，韧性较低，土质不均匀，含砂及少量细砾。本层土体构成的水库大坝的主体，由于大坝施工时全是人工，上坝土料不均匀，施工分期、分段较多，造成坝体土料差异性较大。

坝体壤土中各粒组平均含量为：砾0.2%，砂12.2%、粉粒62.5%、黏粒25.1%，坝体土黏粒含量范围15.4%～34.3%。含水率为16.9%～29.6%；压缩模量2.1～13.8MPa，属中—高压缩性土；干密度1.31～1.75g/cm³，平均1.61g/cm³；渗透系数范围2.29×10^-7～6.66×10^-4cm/s，平均3.68×10^-5cm/s，属极微透水—中等透水，有接近9%大于规范值1×10^-4cm/s。根据以上数据可知，坝体土土质混杂，碾压质量稍差，局部软弱。

坝体壤土质量其黏粒含量在15.4%～34.3%之间，基本满足《水利水电天然建筑材料勘察规程》对坝体土料的要求。干密度在1.31～1.75g/cm³之间，渗透系数范围2.29×10^-7～6.66×10^-4cm/s，平均3.68×10^-5cm/s，属极微透水—中等透水，有7.14%大于规范值1×10^-4cm/s。说明坝体壤土土质较好，但局部回填碾压稍差。

综合分析表明：坝体土料主要为中、重粉质壤土，局部有风化料，碎石土。风化料在坝前后坡和坝体形成上下游贯通，致使大坝高程165.02m以上部分坝段失去有效防渗作用，需进行防渗处理。

3.5.3 坝基地质条件

（1）地层。坝基地层为第四系冲洪积中、重粉质壤土、粉土质砂、含细粒土砂以及风化的闪长岩、灰岩，分述如下：

④中、重粉质壤土：为褐色—灰黑色壤土，可塑状，局部软塑，湿—饱和状，分布于坝基上部与坝体接触的部位，厚度1～7m。

坝基土中各粒组平均含量为砾0.59%，砂8.6%，粉粒64.3%，黏粒26%。天然含水量17.8%～30.3%，干密度1.49～1.70g/cm³，平均1.62g/cm³；压缩系数0.12～0.74MPa，平均值为0.32MPa，压缩模量2.3～13.7MPa^-1，平均5.8MPa^-1，属于中—高压缩性土。渗透系数范围5.09×10^-7～6.27×10^-4cm/s，平均4.28×10^-5cm/s，属极微透水—中等透水。

⑤-1粉土质砂：为黄褐色—灰黄色，松散—稍密实，矿物成分以长石石英为主，该层分布范围纵向0+110.6～0+280.4之间，厚度在0.20～3.20m之间，坝下深度16.1～18.8m横向上坝体上下游形成贯通，可以形成库水向坝下游渗透的通道。

坝基粉土质砂：砾石含量平均值8.43%，砂粒含量平均值48.84%，粉粒含量平均值34.13%，黏粒含量平均值10.43%，渗透系数为6.58×10^-5cm/s。

⑤-2含细粒土砂：为黄褐色灰黄色中粗砂，松散—稍密实，矿物成分以长石石英为主，含少量砾石，砾径1～5cm，层厚0.6～2.2m，分布于坝基在0+333.13～0+557.1m之间，坝下深度18.0～20.5m，并形成纵向贯通，该处为古河道，易形成库水向坝下游渗透的通道。

坝基含细粒土砂含漂石平均含量1.58%，砾石平均含量19.86%，砂平均含量61.07%，粉粒12.19%，黏粒5.3%。渗透系数为6.13×10^-3cm/s。

⑥灰岩：奥陶系主要为青灰色灰岩，微晶结构，块状构造，主要成分为方解石和白云石，岩溶裂隙发育。分布于河流及水库左岸、左坝肩以及坝基0-24～0+055段，与闪长岩呈断层接触。透水率4.5～12.2Lu之间，属弱—中等透水。

⑦闪长岩：呈灰绿色—灰白色，半自形粒状结构，片麻构造，主要成分为斜长石、角闪石和黑云母，局部风化裂隙发育。

全风化闪长岩：灰绿、灰白色，主要矿物成分为灰白色斜长石、黑色角闪石以及黑云母，岩石风化严重，原岩的结构构造破坏殆尽，分解成松散的土状或粗砂状，岩心呈碎屑状，采取率低，分布于坝基0+055～1+142段，其中桩号0+055～0+855段坝下深度16.6～20.6m，桩号0+900～1+142段坝下深度5.0～6.5m。

强风化闪长岩：灰绿色，半自形中粗粒结构，片麻状构造，由于风化作用原岩的结构构造大部分遭受破坏，主要矿物成分为灰白色斜长石、黑色角闪石以及黑云母，岩石风化强烈，小部分分解或崩解为土，岩芯大部分呈粗砂状，部分成碎块状、短柱状，采取率较低。分布于坝基0+055～1+142段，其中桩号0+055～0+855段坝下深度20.2～25.5m，桩号0+900～1+142段坝下深度10.6～16.0m。

弱风化闪长岩：青灰色，半自形中粗粒结构，片麻状构造，主要矿物成分为灰白色斜长石、黑色角闪石以及黑云母，岩石风化裂隙较发育，岩芯呈短柱、长柱状。分布于坝基0+055～1+142段，其中桩号0+120～0+350段坝下深度27.1～28.1m，桩号0+610～0+760段坝下深度26.1～27.8m。

压水试验显示坝基闪长岩透水率4.5～24.35Lu之间，属弱—中等透水。

（2）地质构造。据以往物探成果和本次勘察钻孔探测资料，大坝桩号0+055附近有一断层穿过坝基，走向NW—SE，倾向NE，倾角30°～60°。据钻探资料显示：断层泥呈棕红色，可塑—硬塑状，黏粒含量较高，夹灰白色钙质结核，或为灰岩风化后的残余物质，厚度约2m，随深度增加，钙质结核含量增高，见有角砾岩，呈暗红、灰红色，无分选，角砾岩呈棱角状，基岩表面溶蚀严重，裂隙溶隙发育，根据钻孔压水试验，断层部位透水率达到213Lu，透水性极强，易形成坝基岩石的渗漏通道，需做防渗处理。大坝桩号0+055东侧为奥陶系灰岩，产状5°∠35°，西侧为闪长岩，是两种岩石的分界部位。

坝下以及右坝肩为闪长岩，风化较严重，节理较发育，主要发育两组节理：产状124°～142°∠68°～85°，22°～28°∠71°～87°。左坝肩为奥陶系灰岩，风化较严重。

3.5.4 主要工程地质问题评价

（1）坝基断层渗漏。坝基0+055m附近发育一条断层f，据注水试验，透水率为213Lu，透水性极好。断层上覆盖坝基壤土，容易在断层破碎带顶部形成接触流失。需要对该处进行防渗处理。

（2）坝基渗透变形分析。

1）计算方法。坝基土的渗透变形类型包括管涌和流土两种类型，应该根据土的细粒含量，采用下列方法判别。

流土：

管涌：

式中 P_c——土的细粒颗粒含量，以质量百分率计，%；

n——土的孔隙率，%。

流土型临界水力比降采用下式计算：

J_cr=（G_s-1）（1-n）

式中 J_cr——土的临界水力比降；

G_s——土粒比重。

土的允许比降J_允许=J_cr/2，安全系数取2。

管涌型临界水力比降采用下式计算：

式中 d₅、d₂₀——占总土重的5%和20%的土粒粒径，mm；

土的允许比降J_允许=J_cr/1.5，安全系数取1.5。

2）坝基粉土质砂与坝体中砂的渗透变形及水力坡降计算。坝基粉土质砂与坝体中砂的基本参数取值见表3.5-1，渗透变形类型及水力坡降计算结果见表3.5-2。

3）接触冲刷判别。大坝主河槽段由于清基不彻底，坝基粉土质砂与坝体土料之间易形成接触冲刷破坏，根据《水利水电工程地质勘察规范》（GB 50287—1999），利用颗分资料进行判断。

坝基粉土质砂的D₁₀=0.22，坝体底部土料和坝基壤土d₁₀=0.001～0.002，则D₁₀/d₁₀=110～220&gt；10，故判断坝基粉土质砂与坝基壤土、坝体土之间存在接触冲刷的可能。

4）接触流失判别。大坝主河槽段由于清基不彻底，坝基粉土质砂与坝体土料之间易形成接触流失破坏，利用颗分资料进行判断。

坝基粉土质砂的C_u=39.57，坝基含细粒土砂的C_u=15.62，坝基中、重粉质壤土C_u=16.52。

C_u&gt；10，故判断坝基中粗砂、粉细砂与坝基壤土、坝体土之间存在接触流失的可能。

（3）坝基渗漏分析。

1）渗漏原因分析。水库运行40多年来，存在水库渗漏问题，根据本次野外调查以及分析判断，形成坝基渗漏的原因主要有以下几个方面：

①该坝坝基的渗漏主要是由于大坝在建设时清基不彻底和断层未做防渗处理造成的。通过钻探揭示：在坝基中有含细粒土砂层，松散—稍密实，该层分布范围在0+110.59～0+280.4之间，横向上形成贯穿坝体上下游的渗漏通道。

在坝基中还有粉土质砂层，呈松散—稍密实状，该层分布范围在0+333.1～0+557.1之间，沿坝轴线方向形成贯通，并在横向上形成贯穿坝体上下游的渗漏通道。

②大坝0+055附近有一断层穿过坝基，断层带及断层影响带形成坝基岩石的渗漏通道。

③坝基岩石包括全风化闪长岩、强风化闪长岩、弱风化闪长岩、灰岩，岩石的风化使得原岩致密的结构遭受到强烈的破坏，从而形成坝下的渗漏通道。

2）渗漏计算。根据地质条件及大坝的不同部位，采用分段计算法，整体上分为3段：0+098～0+281段、0+343～0+437段、0+437～0+566段。采用公式：

Q=BKHM/（2b+M）

式中 B——渗漏长度，m；

2b——坝基宽度，m；

H——坝上下游水位差，m；

M——含水层厚度，m；

K——渗透系数取，m/d。

计算参数及结果见表3.5-3。

则大坝年渗漏量估算

Q_t=Q×360=1450.05×365=529268m³

3）渗漏评价结论。由此可知，大坝年渗漏量约为52.9万m³，约占兴利库容的5.6%，影响水库兴利功能的发挥，坝下游的鱼塘、水坑，皆来源于水库坝下渗水，即使现在库水位保持在162.70m，水塘水面也达到了满溢的状态，且涌水量有逐年上升的趋势，对坝体稳定产生威胁。

3.5.5 防渗处理措施

坝体和坝基的防渗处理措施采用在上游坝坡159m平台处设置截渗墙。截渗墙位于大坝桩号0+050～0+950处，总长度900m。截渗墙部位地层为坝体壤土以及坝基中重粉质壤土、含细粒土砂以及全、强风化的闪长岩，其中桩号0+055附近基岩内有断层通过，断层走向NW—SE，倾向NE，倾角30°～60°。断层北东为全、强风化的闪长岩，南西为风化的奥陶系灰岩。截渗墙部位的基岩为风化的灰岩以及闪长岩，本次及安全鉴定在坝轴线部位所作的压水试验成果汇总见表3.5-4。

对以上压水试验数据分层统计见表3.5-5。

根据坝体及坝基的地质条件，截渗墙的底线宜选择进入相对隔水层，古河道部位稍深，两坝肩稍浅，断层部位适当加深。因此，根据上述原则，建议截渗墙达到坝基岩体1m深度，按地面高程159.00m来计算，其中桩号0+075～0+650段，截渗墙底部建议高程为145.10～149.10m，深度9.9～13.9m，桩号0+700～0+950段截渗墙底部建议高程149.60～159.00m，深度0～9.4m。按桩号分述见表3.5-6。