某小(1)型水库大坝坝基岩体渗透性分析

司海宝，李 会

(安徽工业大学建筑工程学院，安徽马鞍山243032)

据统计我国修建的8.5万座中小型水库中，绝大部分为土石坝体，其蓄水后上下游水头差引起水流透过坝体、坝基以及库区两岸坝肩向下游渗流的工程隐患。刘杰[1]指出土石坝遭到破坏和失事等事故的40%是由渗透破坏造成，因而土石坝的渗透性分析是新建水库勘察阶段的重要内容。现场压水试验利用勘探钻孔率定水库影响区域岩土体渗透性的参数，为评价岩土体的渗透性和防渗措施设计提供基础数据。佟长江[2]指出不同压水试验方法对坝基防渗设计的影响，并给出了初步改进意见。王丹微[3]、蔡海荣等[4]给出了压水试验确定岩体裂隙的发育情况和透水性等级。罗长军等[5]、张帆等[6]、张立杰等[7]指出大坝渗流的危险性，并结合工程设计给出了合理的防渗建议。袁莉[8]系统地介绍了病险土石坝加固前后坝体渗透性，并采用平衡法分析坝体稳定性。马锋[9]针对库区玄武岩节理裂隙，采用固结灌浆处理措施分析处理前后岩体的渗透性与变形。李炳蔚[10]考虑防渗墙的几何特征，给出防渗墙钻孔压水试验渗流流量表达式的使用条件。上述研究表明，采取有效的勘察方法，做好库区地质勘察工作，对兴建水库具有重要的现实意义。某水库大坝分布区域岩土体为灰绿色厚层砾岩，局部夹薄层砂砾岩、粉砂岩及粉砂质泥岩，岩体表层呈强风化特征。基于勘探钻孔内进行岩体原位渗透试验，是库区勘察重要手段。文中针对库区岩土体开展现场压水试验，对岩土体渗透性进行评价，为水库设计、施工提供重要参数。

1 工程概况

某水库库区位于六安市金安区横塘岗乡杨岩村境内，库区河谷在开阔区域呈现“U”形地貌，水源源头局部为“V”形地貌，工程规模为小(1)型，以城乡居民生活供水为主，兼顾农业灌溉、生态、旅游、防洪、发电等综合功能。水库流域面积约16.5 km2。水库枢纽工程由大坝、溢洪道、隧洞等组成。水库垫底库容为33.8×104m3，正常库容为823×104m3，洪水位的相应库容为938×104m3，校核洪水位的相应总库容为993×104m3，枢纽布置示意如图1。

经勘探该水库库区地层属大别山地层分区北淮阳地层小区，区域内分布地层从老到新依次为：侏罗系上统凤凰台组(J3f)，主要岩性为浅紫红色、灰褐色，分别为巨厚层砾岩、夹薄层砂砾岩、粉砂岩、粉砂质泥岩及透镜体；侏罗系上统毛坦厂组(J3m)，主要以安山岩为主，次为火山熔岩，夹粉砂质泥岩、泥岩，系陆相火山喷发作用的产物；白垩系上统三尖铺组(K2s)，主要岩性为浅紫红色、灰褐色，巨厚层砾岩；第四系(Q)，主要由河流冲积相、残坡积相粘土、粉土、砂土及卵砾石组成。区域地质资料及现场地质测绘结果表明，坝址区域未发现断层，区域构造较为稳定，坝址区地下水主要类型为基岩孔隙裂隙水和第四系松散沉积物孔隙水。

图1 水库枢纽工程Fig.1 Key project of reservoir

2 现场压水试验

2.1 坝基区域压水试验

钻孔压水试验为在钻孔中进行的原位渗透测试，用以定量了解地下不同深度处岩体的相对渗透性和裂隙发育程度，为岩层的完整性和透水性评定提供依据。坝基岩体的透水性不仅取决于岩体岩性，还与区域构造发育情况及所处地貌单元等因素有关。为勘查坝址坝基区域岩体的透水性，依据《水利水电工程钻孔压水试验规程》[11]开展钻孔压水试验。

为了全面评价坝址区域岩土体渗透性特征，沿坝轴线布置XZK01～XZK04号孔，沿大坝下游布置XZK05、XZK06、XZK12号孔，沿大坝上游布置XZK07、XZK08、XZK11号孔，沿引水隧洞轴线布置XZK10、XZK13号孔。钻孔位置如图2。

图2 坝址区域压水试验钻孔分布Fig.2 Borehole distribution of reservoir dams for water pressure test

现场采用XY-100型地质勘探钻机钻探，开孔口径为130 mm，终孔口径为91 mm。在钻探过程中，每次进尺为1.5～2.0 m，全孔取岩芯。

压水试验所用设备主要由压水系统、量测系统和止水系统3部分组成。压水系统包括水箱、水位计和水泵；量测系统包括压力表和流量计；止水系统为止水栓塞。自上而下分段压水，试验段长度取5 m左右，止水方式采用单管顶压式栓塞，由进水管、止水胶塞和工作管组成。分别采用p1=0.3 MPa，p2=0.6 MPa，p3=1.0 MPa，p4=0.6 MPa，p5=0.3 MPa 3级压力5个阶段在钻孔各段中进行压水试验。首先采用压水法清洗钻孔直至满足试验要求，通过出水管调节送水压力，待压力值稳定5～10 min后开始观测流量，每隔1～2 min记录一次流量。当流量无持续增大趋势，且连续五次流量数据中最大值与最小值之差小于最终值的10%或最大值与最小值之差小于1 L/min时，中止本阶段试验，取终值作为计算值。将试验段压力调整到新的预定值，重复上述过程，直到完成全部试验，结束压水试验后24 h连续观测测量孔内水位。

2.2 压水试验p-Q曲线类型

压水试验时试段压力p(MPa)由压力计指示压力pp和水头压力pZ两部分组成，压力计指示压力可以直接从试验段连通的测压管压力计读取，水头压力指压力计中心至压力计算零线的水柱压力，试段透水率采用第3阶段的压力(p3)和流量(Q3)按式(1)计算。

式中：q为试段的透水率，Lu；L为试段长度，m。

在不同试段压力作用下，岩体裂隙内的渗流状态不同，岩体裂隙的状态(开度、充填物的位置等)会发生变化，因而其渗透性也会发生变化。

根据设计规程，坝体布置12个钻孔65段压水试验，根据压水试验分析3级压力与流量之间的关系绘制p-Q曲线。p-Q曲线分为5种类型，分别为A型(层流型)曲线、B型(紊流型)曲线、C型(扩容型)曲线、D型(冲蚀型)曲线、E型(充填型)曲线。此水库现场压水试验p-Q曲线类型以D型、E型为主，其中D型约占64.6%，E型约占33.8%，XZK12在7.20～11.00 m段发生漏水。现场压水试验p-Q曲线D型和E型类型特点如表1。

表1 压水试验p-Q曲线类型Tab.1 p-Q curve type of water pressure test

压水试验p-Q曲线D型阶段，岩体裂隙在试验压力作用下原有裂隙加宽，隐裂隙劈裂，或充填物有冲刷破坏，岩体渗透性增大，流量增大且减压后部分或全部不能恢复原状，在试验压力作用下隐裂隙易劈裂并且与原有裂隙相通，裂隙中的填充物也容易被冲蚀。p-Q曲线E型阶段，岩体裂隙短小，裂隙之间的连通性不强，有部分是闭合状态，或裂隙内充填物松散，在试验水头压力作用下移动，破碎带缝隙被固体颗粒充填或半封闭裂隙被水充填，从而导致降压阶段流量减小。

2.3 相对不透水层上限分析

相对不透水层是指库区岩土层透水率小于工程要求透水率的地层，依据《碾压式土石坝设计规范》[12]，小(1)型水库一般以5 Lu为界，相对不透水层处在弱风化岩体中。12个钻孔65段压水试验透水率及相对不透水层上限埋深如表2。

左岸分布钻孔1个，为XZK01。从压水实验数据分析，透水率不大于5 Lu的岩体所占比例较大，钻孔中相对不透水层上限最大埋深为13.80 m，相对不透水层上限最低高程为91.21 m。右岸分布钻孔5个，分别为XZK04，XZK10，XZK11，XZK12，XZK13，从钻孔压水试验成果看，右岸岩体透水率与左岸基本一致。透水率不大于5 Lu的岩体所占比例较大，在5个钻孔中相对不透水层上限最大埋深为15.20 m，相对不透水层上限最低高程为70.38 m，与左岸相比，右岸岩体相对不透水层上限埋深要略深，最低高程比左岸略低。河床分布钻孔XZK02，XZK03，XZK05，XZK06，XZK07，XZK08，在6个河床钻孔压水试验数据中，透水率不大于5 Lu的岩体所占比例较大，相对不透水层上限最大埋深为16.20 m，相对不透水层上限最低高程为49.78 m。与左右两岸相比，河床透水岩体厚度明显增大，相对不透水层上限最低高程也比较低。试验结果表明，坝基区域发育厚度11.0～16.2 m强风化砾岩层。

表2 钻孔压水试验结果Tab.2 Results of water pressure test

从表2可以看出，从孔口到孔底，岩体透水率随深度逐渐减小。坝址河床部，表层为冲洪积层透水性较强，底层为风化砾岩，强风化层厚度适中，泥质胶结，部分砂质充填，随深度增加，岩体微裂隙发育程度减弱，完整性较好，透水性逐渐减弱。坝址两侧山坡表层为残坡积层覆盖，底层为风化基岩，浅层岩心较破碎，连通较好，深部为弱风化砾岩，完整性较好，透水性较弱。总体来说坝址区域岩体透水性由地表往下呈非线性递减，坝基相对不透水层上限均位于弱风化带内。

3 坝基防渗设计

压水实验结果统计表明，坝址左岸高程91.21 m以上相对不透水层埋深约为13.80 m，稳定地下水位埋深为1.9～2.9 m。相对不透水层及稳定地下水位埋深较大，存在绕坝渗漏和坝基渗漏问题的隐患。因此需要对左岸坝基进行防渗处理，防渗深度深入相对不透水层以下1 m，绕坝防渗沿坝轴线向外延伸，延长宽度根据正常蓄水位线与相对不透水层的交点位置确定。

坝址右岸强风化砾岩厚度为0.5～1.6 m，第四系残坡积土厚度为2.4～7.9 m。压水试验结果表明，右岸高程70.38 m以上相对不透水层埋深一般为15.2 m，稳定地下水位埋深为4.4 m左右。相对不透水层及稳定地下水位埋深较大，存在绕坝渗漏和坝基渗漏问题的隐患。对右岸进行绕坝防渗、坝基防渗处理，绕坝防渗沿坝轴线向外延伸，延长宽度根据正常蓄水位线与相对不透水层的交点位置确定，坝基防渗深度深入相对不透水层1 m。

河床区域表层为第四系冲洪积相卵砾石层，其下为风化砾岩层，强风化砾岩厚度3.5～13.8 m。压水试验结果表明：河床部相对不透水层埋深为16.2 m左右，稳定地下水位埋深为0.5～2.3 m左右。坝基开挖清基后，由于弱风化砾岩顶部可能存在少量微裂隙，虽然透水性较弱，但仍需要进行防渗处理，并与左、右岸防渗相连，坝基防渗深度深入相对不透水层1 m。

4 结 论

库区岩体渗透性评价是水库勘察阶段重要内容，渗透性大小取决于岩体岩性、区域地质构造和地貌单元。针对水库区域岩体特征，采取钻孔勘探及压水试验，查明区域岩体相对渗透性、裂隙发育程度，得出如下结论：

1)压水试验p-Q曲线D型约占64.6%，表明岩体裂隙在压力作用下发生变化，岩体渗透性增大；E型约占33.8%，表明岩体裂隙连通性不强；

2)坝基岩体透水性由地表往下呈非线性递减，坝基岩体相对不透水层上限均位于弱风化带内；

3)建议坝基左岸、右岸和河床部防渗深度应深入相对不透水层以下1 m，左右两岸绕坝防渗应沿坝轴线向两岸延伸，延长宽度根据正常蓄水位线与相对不透水层的交点确定。