花崗片麻巖地區庫壩滲漏機制分析

任廣朋 程光德

摘要：本文以鄒城市莫亭水庫為例，根據花崗片麻巖地區特殊工程地質條件，分析該區庫壩滲漏機制。通過收集、分析已有地質勘察、運行期滲流觀測的滲流量、庫水位及前期防滲加固處理等資料，沿大壩可能的滲漏通道、沉陷、變形部位布置勘探剖面線，采用巖土工程鉆探、水文地質實驗和室內土工實驗的工作方法，分析研究壩基、壩體巖土體的滲透性，推斷滲透通道，判斷壩體可能的滲透破壞形式，估算水庫滲漏量，并對庫壩防滲處理提出合理建議。

關鍵詞：花崗片麻巖壩基壩體滲漏機制

中圖分類號：P2文獻標識碼： A

一、研究背景

花崗片麻巖在魯西南地區廣泛分布?；◢徠閹r殘積土是一種特殊性土體，是混粒土的一種特殊類型。在花崗片麻巖地區，庫壩多由殘積土堆筑而成，庫壩病害頻發。本文以鄒城市莫亭水庫為例，對花崗片麻巖地區庫壩滲漏機制進行分析。

二、工程概況

莫亭水庫位于鄒城市香城鎮北6km處，是一座以防洪、灌溉為主，結合發電及漁副業生產等綜合效益的?。ㄒ唬┬退畮?。防洪標準已達萬年一遇，相應總庫容864萬m3，興利庫容為417萬m3，死庫容22萬m3，相應最高洪水位172.52m。設計控制流域面積20.6km2,水庫下游6Km處是香城鎮住地，人口12000余人，耕地10000余畝。修建中的京滬高速鐵路從壩下3km處穿過。

該工程于1959年動工興建，1960年開始蓄水受益，興建前未做任何工程地質工作。經多次擴建改建，現水庫樞紐工程包括大壩、放水洞、溢洪道、電站等。大壩包括主壩及副壩，全長743m，為均質土壩。主壩全長614m，壩頂高程173.15m，最大壩高14.95m，頂寬5.5m左右；副壩長129m，頂寬4m，最大壩高4m，頂高程173.24m。

三、研究方法

(1)收集、分析已有地質勘察、運行期滲流觀測的滲流量、庫水位及前期防滲

加固處理等資料；

(2)沿大壩可能的滲漏通道、沉陷、變形部位布置勘探剖面線，剖面線有鉆孔

控制，按具體情況可設置坑（槽）探；

(3)建議防滲線鉆孔孔深應深入相對隔水層，并應做壓（注）水試驗；

(4)壩體及壩基應結合勘探目的要求分層取樣進行室內物理力學和滲透試驗。

室內試驗采用了常規試驗、三軸CU試驗、滲透試驗、擊實試驗等方法；現場則采用了標準貫入試驗、壓水試驗、注水試驗等方法。

四、區域地質

4.1地形地貌

莫亭水庫行政隸屬鄒城市香城鎮，距香城鎮6Km，有水泥道路通至水庫大壩及管理房，交通條件較為便利。

壩區為低山丘陵地貌，山勢較平緩，西部東獨都山高程241.9m，東部齊山高程231.9m，山脊走向大體為北北東，沖溝較少，山體完整，無孤石、滑坡、崩塌等不良地質作用。山體表層植被較發育。壩址兩岸山體相對較低矮，山坡基巖出露，局部表面有0.5～1.0m的殘坡積層覆蓋，東岸山體陡于西岸。

周邊環境見下圖：

大壩及東側山體

水庫東北部及北部地貌

西北部及西部地貌

壩區坍塌和滑坡等物理地質現象不發育。

4.2地質構造與地震

莫亭水庫地處低山丘陵區。壩區西10公里為嶧山斷裂。根據《濟寧市基巖地質圖》，庫區范圍內有兩條斷層存在，其工程地質特征如下：

F1斷裂：位于水庫上游2.0公里，東西走向，

F2斷裂：位于右壩肩南約1.5公里，走向為北東75°

莫亭水庫位于鄒城市東偏南部山區，香城鎮北，為泰沂山低山丘陵區，大壩呈東西走向，地勢北高南低。壩址位于第四松散層及壩肩兩側的花崗閃長巖上，庫區無斷裂構造，壩后出露第四系堆積粘性土，下伏斑狀中細粒含黑云母花崗閃長巖。水庫三面環山，于南部人工筑壩成庫，為當地百姓灌溉飲水之用，造福當地；洪水期庫水經溢洪道流入滑蔣河外泄。因受當時施工機械等各種因素影響，壩基清處不徹底，壩體質量局部碾壓不實，存在安全隱患。

五、壩址區工程地質條件

5.1地層巖性

水庫大壩為均質土壩，壩體填筑材料由壩體土、護坡塊石組成。壩體座落于第四系洪沖積層上，基巖為新太古代五臺期嶧山巖套花崗閃長巖?，F自上而下分述如下：

壩體填筑材料（Q4ml）

壩體土：壩體土主要為①層含砂粉質粘土，以粉質粘土為主，粉質重，無搖震反應，稍有光澤，干強度及韌性中等，硬塑-堅硬；次為粉土，灰黃色，棕黃色，含砂質，量約5~15%，高者達20%。局部為砂薄層，濕~稍濕，稍密~中密，土質較不均勻，勘探孔中未見鼠穴、蟻穴、蟻卵等對壩體有害的生物活動跡象。本次勘探揭露壩頂至壩齒槽底部最厚達16.50m，統計厚度：7.00-16.50m，平均13.79m；層底標高：162.60-173.40m，平均172.08m；層底埋深：7.0-16.5m，平均13.7m。

其中2#~7#孔0~0.6m為灰黃色粗砂；4~7m范圍有褐紅色粘土分布。該層分層填筑跡象明顯。層底1~2m為夯土，局部為灰土。

勘探施工中8#鉆孔7m~12m有明顯漏水。

該層屬中壓縮性土。(2)第四系沖洪積層（Q4al+pl）

第四系洪沖積層以粉土、粉質粘土為主，從上而下分為5層。

②層含砂粘性土:灰褐色，硬塑~堅硬，含砂量約10%。稍有光澤，搖震反應無，韌性及干強度中等。除1#、2#、9#孔，其他各孔均有分布，統計厚度:2.50-5.70m,平均4.60m;層底標高:152.90-155.40m,平均153.53m;層底埋深:9.50-20.10m,平均18.04m。其中該層頂部0~2m范圍內夾薄砂層，灰黑色，級配差，磨圓度一般。該層屬中壓縮性土

②-1層中細砂：灰黑色，，分布于②層粉土上部，厚度0.3-0.6m，平均0.39m，層底標高:154.60-158.20m,平均157.06m;層底埋深:14.90-18.50m,平均16.01m。

②層粉土:灰黑色，濕，密實，粘質重，含有機質。光澤反應無，搖震反應中等，韌性及干強度低。除1#、2#、3#、9#孔，其他各孔均有分布，統計厚度:0.60-1.90m,平均1.32m;層底標高:151.50-152.50m,平均151.86m;層底埋深:11.10-21.50m,平均19.10m。風干后呈灰色。見下圖：

④層粉土:灰褐色，具鐵銹，含云母碎屑，濕，密實，搖震反應中等，光澤反應無，干強度及韌性低。分布于4#、6#、7#、10#孔中，統計厚度:0.80-2.30m,平均1.73m;層底標高:149.60-152.60m,平均150.50m;層底埋深:13.00-23.40m,平均19.98m。⑤層粉土:紅褐色，濕，密實。光澤反應無，搖震反應中等，韌性及干強度低。除1#、8#、9#孔，其他各孔均有分布，統計厚度:1.30-2.80m,平均1.82m;層底標高:148.90-155.20m,平均151.80m;層底埋深:18.00-24.30m,平均21.32m。⑥層全風化花崗閃長巖:灰褐色，主要礦物成分長石、其次石英，級配差，濕，稍密。分布于6#、7#、8#、10#孔，厚度:0.30-0.80m,平均0.58m;層底標高:148.80-151.40m,平均149.78m;層底埋深:13.80-24.10m,平均20.63m。（3）新太古代花崗閃長巖（Ar33γδn）

⑦花崗閃長巖：新太古代五臺期嶧山巖套花崗閃長巖，灰綠色，夾淺黃色，主要成分為斜長石、長石等，含黑云母，斑狀結構，細粒結晶。該層未穿透，鉆探揭露深度一般為2.0m，最大揭露深度2.5m。其中該層頂部0~0.6m已風化成砂狀，裂隙發育。

5.2地質構造

壩址區地質構造簡單，兩岸地表及鉆孔中均未見斷層通過。庫周及大壩左、右岸均有基巖出露，覆蓋層較薄，多小于1m左右，出露呈中風化狀，巖體較完整，風化裂隙發育少。

5.3水文地質條件

本次勘察根據甲方要求及現場情況，分別進行了室內滲透及注、壓水試驗，具體情況如下：

本工程根據鉆探施工中出現的漏水情況，結合場地地層，分別于6#、8#兩孔進行了分段注水試驗；6#孔試驗段分別是7-14m、15-25m；8#孔試驗段分別是7-12m、14-22m；13#孔為8.2~10.2m；并在2#、4#兩孔進行了壓水試驗，2#孔試驗段18-20m;4孔22.5-25m。

（1）室內滲透試驗

室內滲透試驗主要采集5.0~14.0m之間的壩體土試樣及14~22m之間的壩基土試樣，且土試樣完整，壩體垂直滲透系數在1.26×10-6~5.76×10-8cm/s,水平滲透系數在1.22×10-6-5.01×10-8cm/s。

（2）注水試驗

計算6號孔壩體滲透系數k=0.022m/d=2.56×10-5cm/s。壩體土具弱透水性。

計算6號孔壩基滲透系數k=0.074m/d=8.595×10-5cm/s。壩基土具弱透水性。

計算8號孔壩體滲透系數k=0.699m/d=8.099×10-4cm/s。壩體具中等透水性。

計算8號孔壩基滲透系數k=0.080m/d=9.271×10-5cm/s。壩基土具弱透水性。

計算13號孔滲透系數k=0.0866m/d=1.003×10-4cm/s。壩基全風化接觸帶具中等

透水性。

鉆孔水文試驗匯總表

綜合以上數據，壩體具弱透水性，局部(8#孔部位)具中透水性；壩基土層具弱透水性，全風化巖具中等透水性，基巖接觸帶具弱透水性。

六、滲透機制分析

6.1壩體土填筑質量評價

本次勘察通過室內土工試驗，測得壩體土塑性指數Ip=6.5~14.2，干密度1.54~1.71g/cm3，平均1.62g/cm3；通過擊實試驗，測得大壩壩體土的最大干密度(ρdmax)1.87g/cm3，證明壩體填土質量稍差。

分別在里程樁號0+450和0+500背水坡壩腳處開挖探槽，在探槽0.5-0.7m深度范圍取土做顆粒分析，結果如下：

顆粒分析試驗顯示，壩體填土為含粘性土細砂，Cu＜5.0，為均粒土，級配不良。

6.2壩體及壩基土防滲性能評價

壩體筑填土①層現場注水試驗滲透系數K=2.56×10-5~8.099×10-4cm/s,具弱~中等透水性；室內土工試驗水平滲透系數KH=5.13×10-7~1.36×10-5cm/s,屬弱等透水性，垂直滲透系數Kv=6.47×10-7~1.64×10-5cm/s,屬弱等透水性。壩基②-⑤層粉土現場注水試驗滲透系數K=8.595×10-5~9.271×10-5cm/s,具弱等透水性，室內試驗水平滲透系數KH=5.17×10-6~4.22×10-5cm/s,屬弱等透水性，垂直滲透系數Kv=4.72×10-7~5.43×10-5cm/s,屬弱等透水性。壩體土①層填筑土透水性差，但在8#孔部位透水性較強，據訪問，是當時筑壩合攏時的龍門，因大壩合攏時庫中水位較高，為本處壩體未進行必要的密實處理所至。

6.3壩基滲透破壞

(1)流土

本工程壩基土為細粒土，因此依據《水利水電工程地質勘察規范》附錄M土的滲透變形判別，可能產生流土型破壞。

a:依據公式：Pc≥[1/4(1-n)]×100

計算[1/4(1-n)]×100=59.13

壩基土主要為粉土，Pc：小于0.075mm的顆粒含量84>59.13，判定有流土破壞現象的存在。

b:壩基土的臨界水力比降按下式計算：

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

式中：Jcr—土的臨界水力比降；

Gs—土的顆粒密度與水的密度之比；

n—土的孔隙率(%)取42.29%

計算得臨界水力比降為0.980；大于庫區洪水位時的水力比降0.531。據規范：無粘性土的允許比降應在臨界水力比降的基礎上除以1.5-2.0的安全系數。鑒于壩基粉土對水工建筑物的安全危害較大，取安全系數等于2，則臨界水力比降值為：0.980÷2=0.49，小于庫區洪水位時的水力比降0.531。。

（2）管涌

據水庫下游距大壩150m處有一自流井，井口周邊有明顯粉細砂沉淀。初步判定水庫壩基可能存在管涌現象。

a．②層含砂粉土（粉質粘土），該層頂部0－2m范圍內夾薄砂中細層，灰黑色，級配差，磨圓度一般，以土工試驗中7-5中砂進行定量分析：

依據《水利水電工程地質勘察規范》附錄M公式：Pc<[1/4(1-n)]×100

計算[1/4(1-n)]×100=54.07

試樣7-5中砂PC<40.1，壩基土可能產生管涌破壞。

依據管涌類型公式Jcr=2.2（GS-1）(1-n)2d5/d20(M.0.3-1)

Jcr-土的臨界水力比降；

GS-土的顆粒密度與水的密度之比（GS取2.65）；

n-土的孔隙率(n取47%)；

d5，d20-分別占土中的5%和20%的土粒粒徑（d5=0.08mm,d20=0.2mm）

Jcr=0.39，J允許=0.39/2=0.195<0.531（不連續型），即地基土體中較細土粒被滲流推動帶走形成管涌，由于該部位中砂級配差，松散，孔隙大，為細小顆粒帶走提供了通道，具備了發生管涌的幾何條件。

b．⑥層全風化巖，該層已風化成粗礫砂狀，PC<25%產生管涌破壞，依據《水利水電工程地質勘察規范》附錄M,以土試樣中8-6礫砂進行定量分析

依據管涌類型公式Jcr=2.2（GS-1）(1-n)2d5/d20(M.0.3-1)

Jcr-土的臨界水力比降；

GS-土的顆粒密度與水的密度之比（GS取2.65）；

n-土的孔隙率(n取47%)；

d5，d20-分別占土中的5%和20%的土粒粒徑（d5=0.4mm,d20=0.6mm）

Jcr≈0.67，J允許=0.67/2=0.34<0.531（過渡型）。

七、結論

花崗片麻巖地區庫壩建造年久，大壩填筑質稍差，填筑時間較長，大壩壩體以弱~中透水性為主，壩基粉土以弱透水性為主。洪水位時水力比降大于臨界水力比降，壩基土會產生流土型破壞,具備發生管涌的幾何條件,可發生接觸沖刷及接觸流失破壞

基巖風化帶透水性較強，宜對龍門處壩體、沉降段壩基粉土及全風化巖進行防滲處理。水庫大壩壩體呈中~弱透水性，底部全風化花崗閃長巖呈中等透水性，處理時處理至全風化巖底部；壩基無明顯滲漏現象，以中弱透水性為主，因此總體較穩定，可根據實際情況及使用要求對大壩進行適宜的除險加固。

參考文獻：

1.工程地質手冊編委會.工程地質手冊.北京.中國建筑工業出版社.2007年.

2.張永波.廈門花崗巖風化殘積土工程地質特性及淺層地基承載力研究.第四屆全國工程地質大會論文集（二）.北京.海洋出版社.

3.SL258-2000.水庫大壩安全評價導則.

4姜樹海，范子武.提防滲流風險的定量評估方法.水利學報，2005，36:994-999.

5.李雷，王仁鐘，盛金寶，等.大壩風險評價與風險管理.北京.中國水利水電出版社.2006