高州水库石骨主副坝渗漏现状及评价

魏海波，张海发，邓举达

(1.广东省水利电力勘测设计研究院，广东 广州 510635；2.水利部珠江水利委员会珠江水利综合技术中心，广东 广州 501611；3. 惠东县稔平原水有限公司，广东 惠东 516300)

1 概述

石骨水库与良德水库通过龙头坳连通渠连接而形成高州水库，其中，石骨水库始建于1958年，包含1个主坝和2个副坝，即石骨主坝、厘更副坝和三叉塘副坝；原大坝设计标准为百年一遇，千年校核，正常蓄水位为90.0 m，但在建成后发现原设计洪水位数据偏小较多，设计标准低，一直采用86.0 m水位运营。受后期防洪及供水需求，提高库区运营水位至89.0 m，即需对其坝体进行除险加固处理。因此，为保证加固工程顺利实施，开展库区大坝防渗现状分析及评价具有重要意义。目前，已有许多学者开展了相关研究，如陈龙飞等[1]、张丽艳等[2]基于库区工程地质条件，开展了库区坝体防渗问题评价，为库区坝体安全评价奠定了基础；张建清等[3]、姚纪华等[4]利用综合物探技术进行了库区坝体渗流评价，有效掌握了渗流通道；王春磊等[5]、赵鑫等[6]利用有限元法对坝体渗漏进行了数值模拟分析，有效掌握了坝体的渗流过程，为其后期除险加固提供了指导；王晓玲等[7]利用可拓云模型构建了坝体渗流安全评估模型，实现了波提渗流安全性评价；高杰等[8]利用有限元模拟了坝体渗流场，实现了坝体安全评价；王宇等[9]基于坝体渗流演变特征，构建了土石坝渗流安全预警模型，为其应急处置提供了借鉴。上述研究虽取得了一定成果，但均未涉及基于现场试验成果基础上的渗透性评价，也未涉及石骨库区渗透性现状分析。因此，该文以石骨库区为工程背景，首先开展其工程地质条件分析，再结合现场注水试验和压水试验成果，分析库区坝体及坝头的防渗现状，并开展评价，以期为其后期加固设计提供一定的指导和参考。

1 大坝工程地质条件

1.1 地形地貌

石骨水库位于高州县东北约30 km的曹江中上游段，为中低山丘陵地貌，库周除南西坝址区地形相对低矮外，其余为中低山地形，山脊走向主要为南北向及东西向；山坡坡度大多为20°～40°，植被茂密，海拔高程一般为50～400 m；地势总体表现为北东高、南西低，其中，北东面、东面山顶高程一般为200～400 m，西面、南西面山顶高程一般为100～200 m。

通过现场勘察，石骨水库坝区平面示意如图1所示。

图1 石骨水库坝区平面示意

1.2 地层岩性

在地层方面，高州库区广泛分布有花岗片麻岩，其形成时代为加里东期，系在混合岩化作用下形成的一类深变质岩；其次，局部分布有燕山四期侵入岩及晚侏罗系火山喷出岩。在土层方面，主要以第四系冲洪积、坡洪积层为主，多分布于河流及其两岸阶地、坡脚等，各类地层基本特征如下。

1) 花岗片麻岩

在库区广泛分布，属区内常见基岩类，具片麻状构造，岩性致密坚硬、性脆，可细分为两种分布状态，即条带状和眼球状，两者特征如下：

① 条带状花岗片麻岩：主要呈黑、白条带相间，矿物成分含有黑云母、斜长石、石英等，黑云母沿片理面排列。

② 眼球状花岗片麻岩：主要呈灰白色、深灰白等，矿物成分以长石、石英为主，长石呈眼球状沿片理方向排列，石英呈条带状，偶含黄铁矿。

2) 燕山四期侵入岩

零星分布于库区南西侧石骨坝址区，灰白色，以石英长石、花岗岩为主，含角闪石及微量黑云母，呈岩瘤式侵入花岗片麻岩中，具不等粒结构，岩质致密坚硬。

3) 晚侏罗系火山喷出岩

主要集中分布于石骨主坝右岸成火山锥，岩性主要为流纹凝灰岩、火山角砾岩等，分布位置地形高出周边山顶100～150 m。

4) 第四纪地层

主要可细分为两类，即冲积层和坡洪积层，其中，冲积层多为呈浅黄色、黄色，岩性以砂砾石层、粉质粘土为主，主要分布于河床、河漫滩及河流阶地上；坡洪积层主要呈黄色，岩性以含砂砾粉质粘土为主，多分布于坡脚及沟谷处。

1.3 地质构造

由于库区地层受多期构造运动影响，使其构造形迹较为明显，主要以断层、裂隙为主，其中，断层主要发育走向为北东、北西及近东西向，裂隙则近似伴生，无明显发展方向，相互交错，对区内水力联系具有较大影响。据调查，对库区影响较大的断层主要有4条，各断层的基本特征如下。

断层1：主要经过石骨库区三叉塘副坝右坝头，属正断层，产状为N40°E/SE∠67°，断层带长度为13.5 km，宽度为4～6 m；断层带岩性为角砾岩，充填糜棱岩、花岗岩脉，见有褐铁矿，胶结稍好。

断层2：主要经过厘更副坝右坝头，属正断层，在坝头两侧均有露头，产状为N50°E/NW∠67°，断层带长度为12 km，宽度4.0 m；断层带岩性为角砾岩，挤压片理化，裂隙发育，石英脉充填，胶结好。

断层3：主要经过石骨主坝，属正断层，在主坝中间残丘上可见露头，产状为N40°E/NW∠75°，断层带长度为6 km，宽度为4.0 m；断层带为角砾岩，岩英脉充填，胶结好。

断层4：主要经过石骨主坝左坝头，产状为N35°E/NW∠68～80°，断层带宽2～3 m，长5.5 km，属逆断层；断层带为角砾岩，石英脉充填，胶结好。

根据上述，得出石骨库区地质构造较为发育，也促使区内基岩裂隙发育，进而本次加固工程防渗是重点，着重对水库渗透性进行评价，也从侧面验证了该文研究的必要性。

1.4 水文地质条件

根据调查成果，得出库区水文条件较为丰富，将其基本特征分述如下。

1) 地表水

区内地表水系以大井河和曹江为主，加之其水系对应的次要冲沟等，且据调查统计，本次工程勘察期间，共统计24处泉水及常见地表水调查点，其高程分布于73～175 m，主要集中于100 m左右，而流量大小分布范围较广，最小仅5 L/min，最大可达1 200 L/min，流量受季节性降雨影响较大。

2) 地下水

按赋存条件划分，地下水主要为裂隙水和孔隙水，前者主要赋存于岩体裂隙中，受节理裂隙发育影响较大，与库区地表水的水力联系较为密切；后者主要储存于第四系松散层孔隙中，接受大气降雨补给，水位线季节性波动较大。

结合现场压水、注水试验成果，对区内全风化～微风化带的裂隙水水文地质特征进行初步统计。

① 全风化带：主要为含砂砾粉质粘土，厚度一般为2～19 m，硬塑—坚硬状，渗透系数一般小于10-4cm/s，为弱透水。

② 强风化带：厚度一般为3～8 m，岩质稍硬，裂隙发育，岩芯呈短柱状及块状，渗透系数一般为10-3～10-4cm/s，为弱—中等透水。

③ 弱风化带：厚度一般大于10 m，岩质坚硬，裂隙较发育，岩芯呈中柱状，压水试验透水率一般为1.5～6 Lu，为弱透水。

④ 微风化带：岩质坚硬，裂隙稍有发育或不发育，岩芯以中短柱状为主，少量短柱状，岩体完整性较好，压水试验透水率一般为0.6～4 Lu，为弱—微透水。

⑤ 第四系冲积、坡洪积层主要为砂砾石层，渗透系数一般大于10-2cm/s，为强透水；局部为含粘质砂砾，属中等透水—强透水。

2 大坝防渗现状及评价

如前所述，石骨库区主要包含1个主坝和2个副坝，即石骨主坝、厘更副坝和三叉塘副坝。根据现场情况，3个坝体的基本尺寸参数如下。

石骨主坝：坝形为复合碾压式，最大坝高为52.7 m，坝顶长度为775 m，宽度为6 m。

厘更副坝：坝形为半碾压式，最大坝高为39.2 m，坝顶长度为318 m，宽度为5 m。

三叉塘副坝：坝型为复合碾压式，最大坝高为32.2 m，坝顶长度为165 m，宽度为5 m。

结合现场调查成果，开展三者防渗现状评价，以便为后期除险加固奠定基础。同时，在工程实际中，渗透参数采用现场试验求得，其中，注水试验求解渗透系数，利用其评价岩土体的渗透性等级，其分级标准见表1所示。

表1 岩土体渗透性分级标准

2.1 石骨主坝及坝头渗漏评价

1) 主坝渗透评价

石骨主坝坝体填土为粉质粘土，多呈硬塑状，局部为可塑状，粘性较好，含少量砂砾，其粒径一般为1～5 mm，含量约10%，填土压实一般，局部压实较差。坝体迎水面表层为1层护坡干砌块石，厚度一般为30～40 cm，系弱风化花岗片麻岩块石，块径一般为20～40 cm，岩质坚硬；其下为砾石反滤层，厚度为0.8～1 m，粒径一般为2～6 cm，其母岩为片麻岩及石英砂岩，坚硬，磨圆较好，分选差。坝体背水面为草皮护坡，在坝体中铺设有1层贴坡排水棱体与坝基砂层相连。

坝基岩性主要为花岗片麻岩、闪长岩、花岗岩，其河床坝段坝基分布有冲积砂层，而非河床坝段坝基为全—弱风化基岩。

河床坝段坝基为冲积砂砾石层，局部为含砾粉细砂，砾径为1～4 cm，磨圆一般，分选差，据重型动力触探试验结果，每贯入10 cm的锤击数N63.5为16～19，为密实状态；其下卧基岩为全风化—弱风化花岗片麻岩及闪长岩，全风化带厚度约0.85 m，为褐黄色含砂砾粉质粘土，分布不连续，而下部弱风化带岩质坚硬，裂隙较发育，多为陡倾角裂隙，倾角为60～80°，岩芯呈短柱状及块状。

非河床坝段为基岩坝基，全风化带厚度变化较大，一般为几米至十几米，分布连续，且全风化带主要为粉质粘土，风化不均匀，含少量砂砾；强风化带岩质较坚硬，裂隙发育，多为中陡倾角裂隙，裂面铁锰质渲染，岩芯多为块状；弱风化带岩质坚硬，裂隙较发育，为中陡倾角裂隙，裂面粗糙，部分裂隙铁锰质渲染。

为掌握主坝渗透性，对其勘察钻孔进行注水及压水试验(如表2所示)，据表2可知：以渗透系数为评价指标，坝体渗透性间于弱透水—微透水，且其变异系数较大，说明其波动性也较大。

表2 主坝渗透参数试验结果统计

石骨主坝坝体填土渗透系数大多小于10-4cm/s，一般为微透水，局部稍大，为弱透水；大坝运行40多a，未发现坝体明显渗漏，坝身填土粘粒含量、天然含水量和渗透性基本满足均质土坝技术要求。

河床段坝基分布有冲积砂层，以粗砂为主，局部夹含砾粉细砂层，产生液化的危险性小；下卧基岩为全—弱风化花岗片麻岩及闪长岩，全风化及强风化厚度不大，分布不连续，揭露厚度均不到1 m，主要为弱透水，局部中等透水；弱风化带岩质坚硬，裂隙较发育，为弱透水。

坝基非河床段坝基为全—弱风化花岗片麻岩、闪长岩等，其全风化带主要风化成粉质粘土，含少量砂砾，为弱透水；强风化带在建基面较低部位部分被清除，其岩质较坚硬，裂隙发育，主要为弱透水，局部强透水；弱风化带岩质坚硬，裂隙较发育，为中陡倾角裂隙，压水试验透水率为2～3 Lu，属弱透水。

总体石骨主坝及坝基工程地质条件较好，运行40多a观测资料反映，坝基渗漏微小，坝体变形趋于稳定，基本满足本次加固要求。

2) 绕坝渗漏评价

为查明石骨主坝两坝头的水文地质条件，再对两坝头开展分析及试验研究，具体分述如下。

① 左坝头绕坝渗漏评价

石骨主坝左坝头在石骨溢洪道左侧，山顶高程约为103 m，地形较单薄，宽约为100 m；岩性以花岗片麻岩为主，其次为人工填土层。左坝头构造发育，有断层通过，产状N35°E/NW∠68～80°，从溢洪道闸基位置经过，断层带宽为2～3 m，延伸约为5.5 km，为逆断层，断层带为角砾岩，糜棱岩，有石英脉充填，高岭土化，地表胶结较差。左坝头纵剖面示意如图2所示。

图2 石骨主坝左坝头纵剖面示意

该位置未进行渗透系数试验，通过现场调查，得出其存在局部渗漏问题，考虑坝头稳定及其渗漏的危害性，建议采取防渗墙，下接防渗帷幕灌浆，并在其上、下两端延伸一定长度作为防渗范围；同时，建议加强水位观测，进一步了解坝头地下水的变化，并根据水位观测资料优化防渗处理措施。

② 右坝头绕坝渗漏评价

右坝头接在下石狗岭下游山坡，所处斜坡山顶高程约为250 m，山坡坡度为25°～45°，坝头位于南西侧山脊，地形较单薄，89 m高程山脊宽为50 m左右；右坝头基岩以花岗岩、凝灰岩及花岗片麻岩为主。右坝头纵剖面示意如图3所示。

图3 石骨主坝右坝头纵剖面示意

同理，也对右坝头进行渗透参数试验，结果统计见表3所示。据表3可知，以渗透系数为评价指标，坝体渗透性为弱透水，得出右坝头的渗透参数稳定性较好。同时，根据监测成果，孔水位受库水位影响一般，具有一定的水力联系，加之孔水位变化比库水位有滞后现象，说明相互间水力联系不强。

表3 右坝头渗透参数试验结果统计

综上所述，右坝头渗透性相对较弱，但据水库管理人员反映，当库水位高于82.0 m时，坝头下游山坡存在潮湿现象，进而综合判断，右坝头也可能存在绕坝渗流问题，建议采用防渗帷幕处理，并加强右坝头的水位观测，及时优化防渗设计。

2.2 厘更副坝及坝头渗漏评价

1) 副坝渗透评价

厘更副坝最大坝高为39.2 m，坝顶长为318 m，坝顶高程为93.5 m，自蓄水以来，曾多次在坝背水坡为63～73 m高程处出现湿润、漏水、牛皮胀等现象，并多次对厘更副坝进行贴坡导渗及帷幕灌浆处理。

坝址岩性为花岗片麻岩，主要发育有两条断层，与坝近于平行，产状N30°E/NW∠80°，为正断层。坝体迎水面表层为一层干砌块石，厚为0.7～1.0 m，系弱风化花岗片麻岩，块径一般为20～40 cm，岩质坚硬；背水面为草皮护坡，其下铺设有一层贴坡排水砂层，厚度为0.5～1.5 m，为中细砂、中粗砂、含卵砾石粗砂，含泥质较多。

坝基为全—强风化花岗片麻岩为主，中上游全风化带较厚，一般大于5 m；下游近山体，强风化出露高程较高，风化土层较薄，一般约2 m。

厘更副坝的渗透参数试验结果见表4所示。由表4可知，以渗透系数为评价指标，坝体渗透性为中等透水—弱透水，其变异系数相对较大，具较强波动性，说明厘更副坝渗透性一般，但不均一性较为突出。

表4 厘更副坝渗透参数试验结果统计

厘更副坝坝体填土渗透系数一般为10-4～10-5cm/s，为弱透水，局部渗透系数略大于10-4cm/s，为中等透水；坝体背水面设有一层贴坡排水砂层，下游坡浸润线沿该排水砂层分布一致，排水效果较好，基本能满足加固的防渗要求。

2) 坝头渗透性评价

① 左坝头评价

厘更副坝左岸山体较单薄，具低山地形，山顶高程为125.2 m；岩性为花岗片麻岩，在山顶发现1条近SN走向的石英岩脉，产状为SN/E∠80°；坝头断层裂隙发育，与片麻理斜交，斜切坝头。

厘更副坝左坝头渗透参数试验结果如表5所示，其渗透性鉴于中等透水—弱透水，渗透性一般。同时，根据水位观测成果，得观孔水位比库水位低约10 m，水位随库水位变化明显，但变幅要小近一半，说明其水力联系相对一般。

表5 厘更副坝左坝头渗透参数试验结果统计

厘更副坝左坝头地形相对单薄，构造发育，透水性较小，多为中等透水—弱透水，曾进行灌浆处理，但效果不好，未能完全截死渗流路径，存在一定渗漏可能；当库水位上升到89 m时，预测渗漏量会加大，需进行防渗处理。同时，建议加强水位观测，并根据长期水位观测资料进行针对性防渗处理。

② 右坝头评价

厘更副坝右坝头也为低山地形，地形相对单薄，现为水库防汛公路和石骨管理所；岩性主要为花岗片麻岩，有燕山期花岗岩脉侵入，且局部还有沉积板岩；断层构造也发育，产状N50°E/NW∠67°，为正断层，断层带宽为4 m，为断层角砾岩，挤压片理化，裂隙发育，石英脉充填，胶结好。

厘更副坝右坝头渗透参数试验结果如表6所示，得出右坝头渗透性为弱渗透，且波动性较小，说明其渗透参数具较好的稳定性，满足加固要求。

表6 厘更副坝右坝头渗透参数试验结果统计

厘更副坝右坝头地形虽相对单薄，但其岩土体渗透系数均较小，属弱透水性，满足加固要求，建议加强地下水位观测，以了解地下水与库水位变化的水力联系。

2.3 三叉塘副坝及坝头渗漏评价

1) 副坝渗透评价

三叉塘副坝为复合式土坝，最大坝高为32.2 m，坝顶高程为93.5 m，坝顶长为165 m；两岸为低山地形，左岸山顶高程为150 m，右岸为146 m；坝址岩性为花岗片麻岩，后期侵入石英斑岩岩脉。坝体迎水面表层为一层干砌块石护坡，厚度约为0.5 m，系弱风化花岗片麻岩块石，块径一般为20～40 cm，岩质坚硬。坝体填土系花岗片麻岩风化土，为粉质粘土，含少量砂砾，硬塑—坚硬，粘性较好，较均一。

坝基基岩为全—弱风化花岗片麻岩，下游段的全风化带较厚，钻孔揭露厚度为7.3 m，中部揭露厚度为 2.2 m，且全风化带为含砂砾粉质粘土；强风化带厚度不大，揭露厚度为0.8～1.9 m，岩质较坚硬，裂隙较发育，多为陡倾角裂隙，裂面不平。

类比前述，也对三叉塘副坝进行渗透参数试验，试验结果如表7所示，得出三叉塘副坝主体渗透性间于中等透水—弱透水，且以弱透水为主，加之其波动性相对较小，进而试验得出其防渗效果相对较好。

表7 三叉塘副坝渗透参数试验结果统计

三叉塘副坝坝体填土为棕红色粉质粘土，填土压实好，为弱透水，坝身填筑质量较好，具较好的防渗效果，且运行40多a观测资料反映，三叉塘副坝渗漏不大，变形趋于稳定，基本满足本次加固除险要求。

2) 坝头渗透性评价

① 左坝头评价

三叉塘副坝左坝头山体植被茂盛，山坡较陡，山顶高程为163.5 m，坝头89 m高程处宽约100 m，其下游建有石骨水电站，电站引水管在左坝头经过；该坝头岩性为花岗片麻岩，裂隙较发育，未发现较大的断层。

左坝头渗透参数试验结果如表8所示，得出三叉塘副坝左坝头渗透性间于中等透水—弱透水，但鉴于坝后地形较高，发生绕坝渗流的可能性较小。

表8 三叉塘副坝左坝头渗透参数试验结果统计

三叉塘副坝左坝头接在山脊的上游，坝后地形较雄厚，主要岩性为花岗片麻岩，全、强风化带较厚，具中等—弱透水性，由于坝后地形较高，因此产生绕坝渗漏可能性小，能满足除险加固要求，但鉴于坝头安全的重要性，仍建议对其进行相应防渗处理。

② 右坝头评价

三叉塘副坝右坝头为低山地形，地形相对单薄，山顶高程为146 m；岩性为花岗片麻岩，在坝下游发育花岗岩脉，且构造发育，也以断层发育为主，断层带为角砾岩，糜棱岩及花岗岩脉，胶结稍好。

右坝头渗透试验结果如表9所示，以渗透系数为评价指标，坝体渗透性为中等透水—弱透水，其变异系数相对不大，说明其渗透性评价结果的波动性一般。结合水位观测孔成果，得出右坝头地下水位与库水位的相关性不明显，水力联系较弱。

表9 三叉塘副坝右坝头渗透参数试验结果统计

三叉塘副坝右坝头山体较低矮，地形相对单薄，虽构造较发育，但其岩土体渗透性相对较弱，加之其地下水位与库水位的水力联系较弱，进而发生绕坝渗流可能性较小，满足本次除险加固工程需要。

3 结语

通过石骨主坝、副坝防渗现状分析及渗漏评价，主要得出如下结论：

1) 石骨主坝及坝基工程地质条件较好，运行40多a观测资料反映，坝基渗漏微小，但左、右坝肩存在局部绕坝渗漏风险，加固过程应重点考虑。

2) 厘更副坝坝体填土渗透系数一般为10-4～10-5cm/s，为弱透水，局部渗透系数略大于10-4cm/s，为中等透水；坝体背水面设有一层贴坡排水砂层，下游坡浸润线沿该排水砂层分布一致，排水效果较好，基本能满足加固的防渗要求。

3) 三叉塘副坝坝体填土为棕红色粉质粘土，填土压实好，为弱透水，坝身填筑质量较好，具较好的防渗效果，且运行40多a观测资料反映，三叉塘副坝渗漏不大，变形趋于稳定，基本满足本次加固除险要求。

4) 石骨库区坝体渗透性相对均较弱，基本满足本次除险加固要求；但是，受其构造影响，局部存在绕坝渗流可能，建议在除险加固过程中进行防渗处理，以切实保证坝体稳定。