水库建设第3部分.docx
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水库建设第3部分
水库建设第3部分
3工程地质与工程质量
3.1坝址区工程地质条件及水文地质条件
坝址右岸为构造侵蚀中低山丘陵地形，于134m高程左右为管塘梅水库的引水渠，120～134m高程山坡坡度为22°，134m高程以上山坡坡度为38°左右。
左岸为岩溶地貌，特别是溢洪道一带，形态上以溶丘洼地为主，左岸山顶高程为145m左右。
坝址主要分布地层为第四系全新统松散堆积物及二迭系上统石灰岩，分别叙述如下：
（1）第四系全新统松散堆积层，区内广泛分布：
全新统残坡积层（Q4el-pl），主要分布于山顶、山坡部位，岩性主要为粘土，含有大量的石灰岩碎块、碎屑，粒径2～5cm，棱角状，碎石含量至基岩面附近更为集中，一般含量在30～40%左右，左岸坝肩厚1.9m，右岸坝肩厚达8.5m。
全新统冲积层（Q4al-pll），主要分布于河滩部位，灰～灰黄色，主要为壤土夹较多的灰岩碎屑，局部含有粗砂，岩质软弱，取心较为困难。
其中zk5孔与基岩接触面为灰黑色，见有烂木屑，该层层厚3.7～3.9m，层底高程110.94～111.53m。
洞穴堆积，主要见于zk2、zk3孔的岩溶洞穴中，多为灰黄色砂状、灰岩碎屑及粘土等，土层松软，自动钻进，层厚0.5～1.8m。
（2）二迭系上统茅口阶石灰岩（p1m），分布于坝区及库内，青灰色，岩质坚硬，岩心多呈长柱状，中～厚层状，左岸地表基岩多见溶孔，呈蜂窝状，该层岩溶较为发育。
本次勘探时于zk2、zk3孔见有多层小溶洞。
其中zk2孔的基岩面高程为111.02m，于108.12～109.92m、106.12～107.12m、104.32～105.22m高程见有三层溶洞，最大洞深为1.8m，多为泥质充填，自动钻进，该孔的线岩溶率高达52.8%；zk3孔的基岩面高程为134.13m，于127.64～128.14m、126.74～127.14m、125.54～126.34m、124.14～124.84m、121.94～122.44m高程见有五层小溶洞，多为泥质充填，该孔的线岩溶率为23.6%。
3.1.3地质构造及地震烈度
区内位于雪峰山-九岭山-天目山巨大隆起带的中部，区内的构造主体主要为一系列北东-南西的褶皱、挤压性和压扭性断裂组成，属于华夏构造体系。
坝址区的岩层产状为NE70°/SE∠20°，主要发育的裂隙有2组：
（1）NE20°/SE∠70°，张裂隙，延伸长，多被石灰岩碎屑块充填。
（2）NE30°/SW∠40°，张裂隙
根据《中国地震动参数区划图》（GB18306-2001）的界定，本区地震动峰值加速度小于0.05g，区域稳定。
.
3.1.4水文地质条件
（1）地下水的类型
坝址区地下水的类型较复杂，主要为第四系松散岩层孔隙潜水、基岩裂隙水及岩溶水。
孔隙潜水主要赋存于冲积层中，水量较丰富且地下水埋藏较浅；而残坡积层中仅少量孔隙潜水，水量不丰；基岩裂隙水主要赋存于基岩风化裂隙中，地下水的补给来源为大气降水，并排泄于沟谷中；岩溶水主要赋存于石灰岩岩溶裂隙及溶洞中。
（2）环境水对混凝土的腐蚀性评价
本次勘探时取了两组水样做水质分析，其水质情况见表3.1
表3.1水质分析表
取样地点
右岸泉
库水
总硬度
mmol/l
1.966
1.598
总碱度
mmol/l
3.720
2.939
侵蚀性CO2（mg/l）
mg/l
4.36
1.09
PH值
7.6
6.7
主
要
阳
离
子
Ca2+
mg/l
71.4
55.4
mmol/l
1.782
1.382
Mg2+
mg/l
4.47
5.25
mmol/l
0.184
0.216
K+＋Na+
mg/l
3.32
1.30
mmol/l
0.133
0.052
主
要
阴
离
子
Cl-
mg/l
3.37
5.07
mmol/l
0.095
0.143
SO42-
mg/l
12.0
8.0
mmol/l
0.125
0.083
HCO3-
mg/l
227
179
mmol/l
3.720
2.939
水的类型
C
C
根据规范GB50287-99环境水对混凝土的腐蚀性评价如下：
地下水及库水对混凝土均无碳酸型、溶出型及一般酸性型腐蚀；同时均无硫酸盐型及硫酸镁型腐蚀。
3.2基础质量评价
3.2.1地层岩性
大坝坝基覆盖层主要为粘土及壤土层，粘土层主要分布于两岸坝肩，左右两岸厚度分别为1.9m、8.5m，其层底高程分别为134.14m、126.39m，壤土层主要分布于坝基老河床部位，层厚3.7～3.9m，层底高程110.94～111.53m。
沿老河床断面连续分布。
下伏基岩为石灰岩，岩层产状为NE70°/SE∠20°。
根据施工回忆，小姑庙水库修建时清基质量较好，整个坝基基本座落于老土层上，局部座落于石灰岩上，于坝轴线中部挖有截水槽，深2m，宽4m，大坝两岸截水槽，深1m，宽2m。
据本次勘探资料，于老河床部位见有一层连续的壤土层，灰～灰黄色，主要为壤土夹较多的灰岩碎屑，局部含有粗砂，土层软弱，取心较为困难。
其中zk5孔与基岩接触面为灰黑色，见有烂木屑，该层层厚3.7～3.9m，层底高程110.94～111.53m。
由此可见大坝清基不彻底。
大坝坝基覆盖层主要为粘土及壤土层，粘土层主要分布于两岸坝肩，左右两岸厚度分别为1.9m、8.5m；壤土层主要分布于坝基老河床部位，层厚3.7-3.9m，层底高程110.94-111.53m。
沿老河床断面连续分布。
根据试验成果，粘土层的粘粒含量为14.7%，室内定名细粒土质砂，其主要物理力学试验指标如下：
含水量18.0％，湿密度1.84g/cm3，干密度1.56g/cm3，比重2.67，孔隙比0.712，压缩系数0.29Mpa-1，压缩模量5.83Mpa，凝聚力25kpa，内摩擦角25度。
粘土层的室内k值为2.03×10-4cm/s，钻孔注水试验为2.96×10-3cm/s、2.7×10-3cm/s，由于该层土中含有大量的石灰岩碎块、碎屑，特别于基岩面附近，石灰岩碎屑、碎块的含量更多，做注水试验时抬不起水位，建议粘土层的渗透系数为2.03×10-4cm/s；
壤土层的粘粒含量为15%，室内定名低液限粘土，其物理力学指标如下：
含水量30.30％，湿密度1.93g/cm3，干密度1.48g/cm3，比重2..69，孔隙比0.82，压缩系数0.38Mpa-1，压缩模量4.75Mpa，凝聚力18kpa，内摩擦角16.5度。
其室内k值为2.54×10-4cm/s，钻孔注水试验k值为1.04×10-4～6.94×10-4cm/s，平均值为4.57×10-4cm/s。
综合室内、外试验建议壤土层的k值为3.56×10-4cm/s。
3.2.4坝基岩体风化情况及其透水性
根据钻探揭露，坝基岩体风化较浅，在坝址区揭露的均为弱风化～微新岩体，弱风化岩体厚1.5～2.5m，左岸由于岩溶发育该层厚13.1m，该层裂隙较为发育。
弱～微风化岩体岩心多呈长柱状，少量短柱状。
透水率一般为0.9～3.9Lu，在岩溶发育部位钻进时多不返水，漏水十分严重。
3.2.5基础地质问题
（1）坝基（坝肩）稳定及沉陷问题
坝基、坝肩持力层大部份为第四系残坡积层及冲积壤土层，下伏基岩为石灰岩。
但坝基中部存在冲洪积壤土层，该层较为软弱，夹较多的灰岩碎屑，局部含有粗砂，取心较为困难，其C、Q值为18Kpa，16.5°，坝体填土的C、Q值为17km，22°，其抗剪指标小于坝体填土的抗剪指标，因此坝基中部存在抗滑稳定问题。
同时由于坝基zk2孔108.12～109.92m、106.12～107.12m、104.32～105.22m高程见有三层溶洞，最大洞深为1.8m，多为泥质充填，自动钻进，该孔的线岩溶率高达52.8%，因此坝基存在岩溶塌陷问题，实际运行中于左坝端曾多次发生塌陷。
（2）近坝库岸及建筑物边坡稳定问题
小姑庙水库近坝库岸左岸130.0m高程以上基本为岩质边坡，山坡坡角为45°左右，边坡较稳定；130m高程以下基本为残积粘土边坡，该层土体中含有大量的石灰岩碎块，粒径2～8cm，棱角状，局部为岩土混合边坡，边坡坡为20～25°，边坡较缓，但由于溢洪道一带岩溶十分发育，在125～126m高程附近多次发生地表塌陷，管理单位曾对塌洞进行了开挖封堵。
勘探期又见有新的地表塌陷，因此大坝左岸130m高程以下存在岸坡稳定问题。
大坝右岸库岸多由石灰岩残坡积层组成，基本为土质边坡，坡角为20°左右，离坝头约50m处由于管塘梅水库的引水渠漏水而冲刷出一条深4～5m，长20m，宽0.5～2.5m左右的深槽，存在局部库岸崩塌隐患。
（3）坝基渗漏、绕坝渗漏问题及坝基渗透稳定分析
从A-A剖面可以看出，坝基主要由粘土、壤土层及弱～微风化的石灰岩组成，其中粘土层及壤土层的渗透系数分别为2.03×10-4cm/s、3.56×10-4cm/s，均为中等透水层，所以坝基覆盖层存在渗漏问题。
坝基中部及溢洪道附近岩溶十分发育，发育有多层小型溶洞，多为泥质充填，透水性较大，因此坝基及左岸坝肩存在喀斯特渗漏问题。
实际运行中大坝左岸溢洪道附近，当库水位达120m左右时大坝左岸出现渗漏就与此有关；大坝右岸的渗漏主要为地下水，但其跟库水位有一定关系，当库水位较低时，泉的流量减小，当库水位较高时，泉的流量也较大。
本次勘探于坝基粘土层中取有一组土样，根据颗分曲线，求得界限粒径为df=0.057mm，对应的细粒含量ps=43.5%，由于其不均匀系数大于5，ps=43.5%＞35%，所以粘土层为流土破坏，J临=（Gs-1）（1-n）=（2.67-1）（1-0.712/（1-0.712））=0.97，建议J允为0.45，
根据颗分曲线，求得壤土层界限粒径为df=0.03mm，对应的细粒含量为ps=38%，由于其不均匀系数大于5，ps=38%＞35%，所以壤土层为流土破坏，J临=（Gs-1）（1-n）=（2.69-1）（1-0.794/（1-0.794））=0.94，建议J允为0.40。
3.2.6输、泄水建筑物工程地质条件
3.输水涵管工程地质条件及评价
大坝输水涵管位于大坝左坝端偏中部，为园管，直径30cm，管长约为90m，涵管进出口底板高程为117.95m。
整个涵管走向约为南北向，出口接灌溉渠道。
根据平面地质测绘，涵管管基座落于粘土层上，承载力可以满足要求。
当涵管由于长时间运行老化后产生漏水，在长时间水的作用下可使得涵管基础产生淘空，从而引起涵管的断裂，加剧涵管的漏水。
3大坝左岸溢洪道工程地质条件及评价
左岸溢洪道位于大坝左岸坝端，为1982年根据河南75.8暴雨需要而建，结构型式为开敞式宽顶堰，堰顶高程132.60m，堰宽10m。
整个溢洪道堰顶部份均为山体开挖而成，未设置消力池，陡槽段以下未完建。
目前陡槽段两侧为浆砌块石挡墙。
本次勘探在溢洪道没有布置钻孔，仅于溢洪道右侧布置有zk3孔，据钻孔揭露，0～1.9m为粘土，红黄色，为灰岩残坡积层，粘结性较好，含较多的灰岩风化碎屑，1.9m以下为弱风化石灰岩。
根据zk3孔资料及平面测绘，堰顶底板基础为弱风化石灰岩，陡
槽段末端基础为粘土层，承载力可以满足要求。
建议砼与粘土层的摩察系数为f=0.40，粘土层的抗冲流速取V=0.6～0.8m/s。
其目前存在的主要问题有：
未设置消力池及尾水渠。
3.2.6.3大坝右岸溢洪道工程地质条件及评价
大坝右岸溢洪道长约140m，宽5m，底高程为132.60m，其右边墙为管塘梅水库的引水渠，边墙均为浆砌块石挡墙，目前该溢洪道仅为上坝公路使用，由于堰高代于坝顶，成为防洪缺口。
根据A-A剖面及平面测绘，溢洪道底板基础为粘土层，含有较多的石灰岩风化碎屑，局部地段有石灰岩出露，承载力可以满足要求，建议砼与粘土层的摩察系数为f=0.40，粘土层的抗冲流速取V=0.6～0.8m/s。
3.3工程现状质量检查与评价
3.3.1坝体概况
小姑庙水库大坝设计为一均质坝，现有坝高为21m，坝顶高程135.20～136.04m，坝顶长134m，宽3.8～4.0m，大坝上游坡为块石护坡，下游坡为草坡坡。
目前整个上游坡坡面长有较多杂草，坡率为1:
2.56，下游坡面较平整，于128.5m高程设有一马道，马道宽2m，其上坡率为1：
2.41，马道以下坡率为1：
2.6～1:
2.79，坝脚为反滤棱体，棱体顶高程为118.52m。
3.3.2坝体填土的构成情况
据施工回忆，大坝填土多来源于大坝两侧山坡，均为石灰岩风化残坡积层。
据本次勘探，大坝填土多红黄色含砾粘土，土层粘结性中，含有大量的石灰岩碎块及碎屑，可塑状，室内定名为细粒土质砂。
3.3.3坝体填土压实情况及物理力学指标
为了解坝体填土的密实程度，在钻孔中共进行了标贯试给共10次，范围值为5～9击/30cm，平均值为6.8击/30cm，标准差为1.31，变异系数为0.19。
从土工试验总表中可以看出，坝体填土的干密度为1.40～1.72g/cm3，孔隙比为0.716，压缩系数为0.20～0.71Mpa-1，其 颗分2mm以上的含量一般为30%左右，局部高达46％，从上面分析可以看出，坝体填土土质为含砾粘土，室内定名为细粒土质砂及粘土，呈可塑状态，经过人工压实，但压实不均，部份土体呈高压缩性。
本次勘探时于大坝背水坡128.53m高程取有一组扰动样，其最大干密度为1.71g/cm3×0.96=1.64g/cm3，从土工试验表中可以看出坝体填土干密度有6组小于1.64g/cm3，占统计总数的60%，坝体填土的压实度为1.57/1.71=91.8%，小于均质土坝强制性条文规定的压实度96%的规定。
同时为了解坝体填土的物理力学指标，于钻孔中取了10个原状土样，详见土工试验总表，统计结果见表3.2
表3.2坝体填土的物理力学指标
指标
样本数
范围值
平均值
大值
平均值
小值
平均值
建议值
物理性质指标
含水率
w
%
10
18.9～27.0
22.9
25.3
20.4
22.9
湿密度
ρ
g/cm3
10
1.76～2.07
1.93
1.99
1.85
1.93
干密度
ρd
g/cm3
10
1.40～1.72
1.57
1.65
1.50
1.57
比重
Gs
9
2.66～2.74
2.68
2.70
2.67
2.68
孔隙比
e
10
0.546～0.920
0.716
0.806
0.627
0.716
饱和度
Sr
%
10
76～98.9
86.4
94.6
78.3
86.4
液限
WL
%
10
27.9～49.7
40.8
45.4
36.2
40.8
塑限
WP
%
10
16～29.5
21.8
25.7
19.2
21.8
抗剪指标
凝聚力
C
kpa
5
16～32
19.0
17
内摩擦角
φ
度
5
16.4～25.4
23.7
22
压缩性
压缩系数
γv
Mpa-1
8
0.20～0.74
0.31
0.37
0.25
0.31
压缩模量
Es
MPa
9
2.58～6.10
5.28
6.30
4.02
5.28
为了解坝体填土的透水性，在坝体填土中共做了10组渗透试验，于坝体中共进行了11段注水试验，其统计结果见表3.3
表3.3坝体填土的透水性
室内渗透试验（cm/s）
钻孔注水试验（cm/s）
组数（组）
10
9
范围值
4.25×10-4～3.33×10-5
3.17×10-3～1.27×10-4
平均值
2.06×10-4
2.32×10-4
大值平均值
3.55×10-4
小值平均值
1.06×10-4
综合室内、外试验，建议坝体填土的渗透系数为2.94×10-4cm/s。
3.3.4排水棱体及上游护坡状况
大坝排水棱体位于大坝下游背水坡中段，顶部高程118.52m，长79m，为大坝建设时同期施工。
本次勘探为了检查棱体质量，于棱体与坝体土接合部位开挖有一探坑，据探坑揭露，棱体与坝体接合部位未设置反滤过渡料，土体与棱体直接接触，接触部位块石间多被粘土充填，整个棱体均由弱风化～新鲜石灰岩干砌而成，块石块径大小不一，局部地段有缺损现象，从破损处可以看出棱体中充填有较多的泥质。
大坝上游坡为干砌石块石护坡，块石为弱风化～新鲜的石灰岩，岩质较好，但块石间间隙较大，局部地段缺损，且整个块石护坡下未设置反滤过渡料。
3.3.5坝体存在的主要问题及评价
（1）坝体渗漏及渗透稳定问题
该坝体为均质土坝，据本次勘探，坝体填土填筑较为松散，其k为2.94×10-4cm/s，为中等透水层，防渗性能未达到现行规范强制性条文要求及设计要求，同时下游排水体与坝体结合部未设置过渡料，石与坝体土直接接触，局部排水体充填有较多没质，在此情况下很可能引起渗流出逸点出现于下游排水体之上，造成流土破坏，直接影响大坝的安全与稳定。
根据室内颗分成果分析，坝体土的渗透破坏以流土型为主，经统计，坝体填土允许坡降平均值为0.39，大值平均值为0.41，小值平均值为0.36，建议坝体填土的允许坡降为0.36。
（2）坝体变形问题
根据勘探，坝基中部zk2孔于108.12～109.92m、106.12～107.12m、104.32～105.22m高程见有三层溶洞，最大洞深为1.8m，多为泥质充填，自动钻进，其基岩面高程为111.02m，溶洞顶板离基岩面仅1.1m，当溶洞出现塌陷时会引起坝体的相应塌陷，从而且危及大坝的安全，因此大坝存在变形问题，建议管理单位对其加强观察。
（1）坝下涵管工程质量评价
大坝输水涵管位于大坝左坝端偏中部，与大坝同期修建，为预制园管，外包砼，管径30cm，管长约为90m，涵管进出口底板高程为117.95m。
整个涵管走向约为南北向，出口接灌溉渠道。
涵管原设计为无压管，后由于灌溉底板高程提高，使无压管现变为有压管，给涵管带来隐患。
（2）大坝左岸溢洪道工程质量评价
左岸溢洪道位于大坝左岸坝端，为1982年根据河南75.8暴雨需要而建，结构型式为开敞式宽顶堰，堰顶高程132.60m，堰宽10m。
整个溢洪道堰顶部份均为山体开挖而成，堰顶及陡槽部位底板砼有剥落、冲刷裂缝，两侧边墙为浆砌石挡墙，消能段一侧无边墙，不起消能作用，泄洪渠未开挖。
（3）大坝右岸溢洪道工程质量评价
大坝右岸溢洪道长约140m，宽5m，底高程为132.60m，左侧为管塘梅水库的引水渠，边墙均为浆砌块石挡墙，目前该溢洪道为上坝公路，陡槽段位于溢洪道的中部，与溢洪道基本成正交，陡槽段起点高程为133.35m，末端高程为120.67m，以下未设置消力池及尾水渠
小姑庙水库金属结构仅为进口闸门及启闭机，进口闸门为铸铁盖板门，目前工作正常；启闭机为斜拉启闭机，启闭方式为手动式，目前拉杆弯曲变形，锈蚀严重，启闭不灵，且无启闭机房。
3.4结论及建议
（1）根据《中国地震动参数区划图》（GB18306-2001）的界定，坝址区地震动峰值加速度小于0.05g，区域稳定。
（2）大坝坝基清基不彻底，于老河床段见有连续的壤土层，局部见有树根等，其它部位清基较好。
大坝坝基上覆为第四系残坡积层及冲洪积层，透水性中等，存在坝基渗漏问题；下伏基岩为弱～微风化石灰岩，为弱透水层，但坝基中部及左岸岩溶发育，存在喀斯特渗漏问题，由于坝基中部存在岩溶发育，故坝基中部存在沉陷问题。
（3）坝体填土多为粘土，含有较多的石灰岩风化碎石、碎屑及碎块，土层较松散，粘结性差，室内外渗透系数及压实度均不能满足均质土坝强制性条文规定，建议进行防渗处理。
由于坝基下部浅层岩溶发育，当溶洞出现塌陷时会引起坝体的相应塌陷，从而且危及大坝的安全，因此大坝存在变形问题。
（4）大坝反滤棱体为堆石体，块石多为弱～微风化石灰岩，未设置反滤层，局部充泥质，不满足规范要求。
（5）坝下涵管基础位于粘土层，承载力可以满足要求。
但涵管原设计为无压管，后由于灌溉底板高程提高，使无压管现变为有压管，给涵管运行带来安全隐患。
（6）左岸溢洪道堰顶～陡槽段末端基础为弱风化石灰岩，以下为粘土层，堰顶及陡槽部位底板砼有剥落、隆起裂缝，两侧边墙为浆砌石挡墙，消能段一侧无边墙，不起消能作用，未开挖泄洪渠，洪水无出路，右岸溢洪道现为上坝公路，为大坝泄洪缺口，对大坝安全造成严重威胁。
3.5天然建材
土料
坝址区土料较为缺乏，可在荆桥村委会对面山坡上采取，其室内定名为低液限粘土，最大干密度为1.44g./cm3，最优含水量为25.0%。
据探坑及地表平面测绘，该层厚度约为3.0m，长度约200m，宽约30m，储量约2万方，到坝址运距约3km，有简易公路通往坝址。
砂、砂卵石料
坝址区砂及砂卵石料缺乏，需到万载锦河中采取，至工地运距约35km。
块石料
坝址区块石料较为丰富，岩性为石灰岩，可到柏木乡采石场购买，到坝址运距约13km。
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