甘竹双曲拱坝除险加固中大坝地质评价分析

吴洪武

（漳州市水利水电勘测设计有限公司，福建 漳州 363000）

1 工程概况

下樟甘竹坪水电站位于云霄县和平农场甘埔作业区，厂房建于甘树埔自然村南面约200 m的塔仔溪左岸，距云霄县城10 km。水库建于塔仔溪上游距电站约4 km的苦竹坪。水库正常蓄水库容为469.38万m3，水库正常水位150.00 m，水库洪水标准原设计为30年一遇设计、200年一遇校核。甘竹坪水电站工程由大坝、隧洞、压力管道、发电厂和升压站等组成。拦河大坝采用细石混凝土砌块石双曲线拱坝，坝顶宽度3.4 m，坝顶长202 m，底宽8.1 m，最大坝高40.7 m，厚度比1∶0.199，采用坝顶溢洪，挑流消能。水电站于1994年建设完成，2012年对水库进行安全鉴定[1]，本文主要了解大坝水文地质和工程地质条件，调查坝体和坝基渗漏情况，调查坝体与基岩接触状况，对坝基、坝肩稳定不利的断层破碎带、软弱夹层等的分布情况，调查近坝库区边坡的稳定状况等，从而对大坝进行地质评价分析，指导大坝安全鉴定与加固设计。

2 拱坝工程地质条件

2.1 地形地貌

大坝位于塔仔溪上游河谷中，河谷呈上部开阔的“V”字型。河流的流向自上游N60°E转向下游为正东向。大坝左右坝肩已开挖至和坝顶高程一样的高度，大坝左坝肩山体雄厚，右坝肩山体较单薄，右坝肩有条从外围引水至水库的引水渠道，左右坝肩山体都有进行人工放坡，坡角约为60°～80°，坡高约10 m～40 m。左侧山体雄厚。大坝顶高程151.9 m左右，河床高程114 m左右，大坝区内属侵蚀低山地貌。

2.2 大坝坝体组成及砌筑质量

大坝坝体主要以条(块)石为骨架，骨架间以水泥和砂卵石等粗细骨料组成的混凝土填充[1]。条(块)石为花岗岩岩性成分，弱风化～微风化，条(块)石岩芯以短柱状～长柱状为主，局部条块石表面风化较剧烈，岩性较差。大部分条块石间填充物(混凝土)水泥浆很少，施工时水泥浆漏浆较严重，混凝土柱面呈麻面、蜂窝状较普遍，局部混凝土呈碎块状，大坝整体砌筑质量较差。本次勘探共在拱坝坝顶布置钻孔3个，其中BK2-1孔和BK2-2孔未能有效揭露坝体厚度，BK3孔揭露坝体的垂直厚度为38.3 m，钻孔岩芯揭露坝体砌筑情况见图1。

图1 钻孔岩芯揭露坝体砌筑情况图

2.3 坝基地层岩性

为了了解坝址的地质条件，采用地质地表测绘、收集《云霄县甘竹坪水电站工程地质勘察报告》[2]和《云霄县甘竹坪水电站坝基钻探工程地质勘察报告》[3]并在坝顶左右两侧进行钻探等方法手段进行勘察。

坝基主要为弱～微风化花岗岩分布，左右坝肩山体岸坡以上主要以全风化花岗岩为主，呈黄灰色～灰色，硬塑，稍湿，以粉粘粒为主，含砂量较高。大坝下游河床和河岸均有弱～微风化花岗岩出入。根据野外钻探结合地表测绘成果，大坝坝肩、坝基岩土体自上而下分述如下:

全风化花岗岩①1（γ52(3)d）:呈黄灰色～灰色，硬塑，岩石风化剧烈，长石已风化成高岭土，主要呈砂质粘性土状。主要分布在左右坝肩坝顶高程以上的山体，揭露层厚9m～18m。

强风化花岗岩①2（γ52(3)d）:呈黄灰色～灰色，坚硬，岩芯呈碎块状，裂隙发育，岩性不新鲜，层顶高程在153.54 m～161.93 m，钻孔揭露层厚5.55 m～7.77 m。

弱风化花岗岩①3（γ52(3)d）:中粗粒花岗结构，块状构造，呈浅黄色～灰白色，坚硬，岩芯呈短柱状，裂隙发育～较发育，岩性较新鲜，主要分布在坝基及坝址下游岸坡和河床，，层顶高程在117.70 m～112.50 m，钻孔揭露层厚为11.7 m～15.20 m。

微风化花岗岩①4（γ52(3)d）:中粗粒花岗结构，块状构造，呈灰白色。岩心呈短柱～长柱状，裂隙较发育，裂隙面以中高倾角为主，裂隙面无充填物，岩性新鲜，整体岩体质量较好，层顶高程为106.00 m，主要分布在坝基和两岸坝肩。

2.4 地质构造

大坝附近未发现大的地质构造，地质构造不发育，主要在大坝下游左岸有两条规模较小的断裂构造，断层构造带内一般为碎块岩和岩屑。主要断层产状如下:

F1断层产状为 N60°E，SE∠78°，宽 0.2 m～0.3 m，向深有变宽的趋势。

F2断层产状为N45°E，NW∠75°，宽0.2 m～0.3 m。在大坝西北部冲沟旁，推测顺河方向可能有一条断层破碎带F3，产状为N80°ENW∠70°～80°。

大坝附近出露的岩石节理裂隙发育，主要在大坝下游沿河床两边山坡脚一带，主要裂隙以高倾角为主，主要节理裂隙如下:

①N75°E，NW∠80°～85°，间距 0.2 m～0.3 m，长约 50 m，与JC1相互切割。

②JC2周边缓裂隙发育，主要缓裂隙走向NE，倾向SE，倾角 10°～15°。

③N45°E，NW∠70°～80°，间距 0.1 m～0.2 m，向深度闭合，裂隙中有泉水流出。

④JC4周边缓裂隙发育，主要缓裂隙走向NW，倾向SW，倾角 5°～10°。

2.5 水文地质

2.5.1 地下水类型

地下水赋存介质类型主要为第四系堆积孔隙水和基岩裂隙水。

①孔隙性潜水:主要存储于第四系残坡积、冲洪堆积层中，如库岸缓坡、山脚附近的坡积层，主要接受大气降水的补给，一般残坡积、冲洪堆积层中地下水储量有限，土体渗透性较弱。

②裂隙性潜水:分布于断裂破碎带及基岩裂隙中，地下水富水程度受节理裂隙发育规模、连通性制约，主要接受孔隙水、水库水的补给，透水性随深度增加而减弱，在山坡、山脚处以裂隙性泉水流出地表。

2.5.2 岩土体透水性

BK1和BK2-2孔坝体现场压水试验透水率值为0.97 Lu～3.78 Lu，均值为2.23 Lu，具弱透水性；BK2-1孔坝体现场压水试验透水率值为8.10 Lu～17.00 Lu，均值为11.78 Lu，具中等透水性；坝体与坝基接触位置现场压水试验透水率值为2.75 Lu～7.80 Lu，均值为5.28 Lu，具弱透水性；坝基现场压水试验透水率值为0.88 Lu～10.1 Lu，均值为3.85 Lu，具中～弱透水性。

表1 现场压水试验成果一览表

综合现场压水试验，堰顶附近钻孔BK1和BK2-2具弱透水性；而在靠近坝肩位置的BK2-1孔具中等透水性，BK2-1孔中有条从坝顶贯整个坝身的裂缝构成了渗透通道；拱坝坝体砌筑质量良莠不齐，整体具中等～弱透水性；坝体与坝基接触的位置具弱透水性，不存在渗漏通道；坝基具弱透水性。

3 大坝工程地质综合评价

3.1 大坝坝体质量评价

3.1.1 大坝坝体外观质量评价

大坝为双曲线砌石拱坝，自大坝建成蓄水发电以来，大坝未发现明显变形和沉降问题，仅在下游坝面接缝中局部有少量渗水痕迹。但分别在坝顶左右两侧发现有裂缝贯穿整个坝顶并向坝基方向延伸在大坝与山体接触处尖灭，其中右侧坝体裂缝较大，约2 mm～3 mm宽，左侧坝体共有裂缝两处约1 mm～2 mm宽，裂缝在库水处于高水位时受库水的推力会变小，据电站工作人员介绍裂缝在建坝运行3年～4年后出现，自裂缝出现以来未发现变大的迹象，大坝目前总体处于稳定的状态。裂缝情况见图2。

图2 大坝坝体外观情况图

3.1.2 大坝坝体质量评价

拱坝坝体主要为水泥砂和条(块)石组成，条块石为花岗岩岩性成分，弱风化～微风化状，局部条石岩性较差，表面风化剧烈，钻孔揭露的条块石砌体胶结较差，浆砌石体间见有较多的麻面或空隙，水泥浆流失严重；RQD值和岩采率在局部位置都偏低。在钻进过程中BK1、BK2-1分别在孔深27.5 m和6.5 m处下游坝面出现渗漏现象。

拱坝坝体共进行13段压水试验，其中BK1和BK2-2孔压水试验的透水率值为0.97 Lu～3.78 Lu，均值为2.23 Lu，具弱透水性，BK2-1孔压水试验透水率值为8.10 Lu～16.95 Lu，均值为11.78 Lu，具中等透水性；由此可见:坝体总体具弱透水性，在坝体裂缝附近位置透水率较大具中等透水性。

3.2 大坝坝肩稳定性评价

左坝肩山体处强风化～弱风化状态，山体雄厚，强风化岩层厚2 m～3 m，弱风化揭露的比较早，坝肩无断层和软弱夹层存在，坝肩下游岩体裂隙较发育，但是裂隙延伸长度较短加之岩体整体完整性较好，不具构成滑移面的条件，所以左坝肩岩土体稳定性较好。

根据地表测绘，右坝肩山体处全风化～弱风化状态，坝肩山体右侧基岩出露的深度较深，高程约在125 m～130 m，山体表面主要以砂质土为主加上坝肩处有条引水渠，经过长时间冲刷，坝肩右侧已经有水土流失的现象。坝肩右侧有一条近南北向的大冲沟使得右坝肩山体较单薄，受水库库水的推力右侧极易存在临空面，对右坝肩的抗滑稳定性不利。

3.3 大坝绕坝渗漏评价

根据业主介绍在建坝时和电站运行至今都未对大坝左、右坝肩进行过防渗帷幕处理，从原有的地质报告左右坝肩的钻孔ZK1和ZK5了解，在钻进过程中ZK1和ZK5分别在孔深21.54 m～21.94 m和23.73 m出现大漏水，相应高程在152.07 m～152.47 m和148.21 m，右岸漏水位置低于水库的正常蓄水位150 m，具渗漏条件。两孔地下水位高程分别为146.58 m和135.94 m，其中ZK5的地下水位低于水库的正常蓄水位（150 m），说明左右岸坝肩在高库水位运行下，存在渗漏的可能性。

本次勘察在库水位133 m左右，右坝肩下游岩体在117 m高程处发现有水从建坝时修建的台阶缝隙中渗出，目测渗流量约1 L/min；左坝肩下游岩体在115 m高程处，岩体沿裂隙面有渗水现象，流量较小，说明库水可能沿着坝肩岩体裂隙面渗出，在库水长期作用下，渗漏量可能加大。

3.4 坝基工程地质条件及评价

3.4.1 坝基稳定

大坝基础开挖时，已挖至坚硬基岩(弱风化～微风化层)，本次勘察BK1、BK3(在大坝下游靠近大坝的位置)钻孔穿过坝体和台阶后，直接进入弱风化岩层。坝基基岩岩性新鲜，钻孔岩芯以短柱～长柱状为主，本次钻探过程中未发现有软弱夹层及不利坝基稳定的断层存在，坝基岩体裂隙较发育，但裂隙多以高倾为主，不会产生不利坝基抗滑稳定的滑移面，加之岩体整体完整性较好，其抗滑稳定性较好；断层F3经过坝基，根据业主介绍在建坝时已开挖回填混凝土及固结灌浆处理；大坝坝基目前较稳定。

坝脚拱底下未见有砼垫座消能，大坝下游河床受水流冲刷已造成两个大冲坑，虽对冲坑用砼加碎石的方式填补但是效果较差，随着水流的下泄还将继续加深，对大坝坝基的稳定不利。

3.4.2 坝基渗漏

坝基压水试验透水率值为0.88 Lu～10.1 Lu，均值为3.83Lu，具中等～弱透水性；甘竹坪水电站大坝坝高最高为42 m，根据《混凝土拱坝设计规范》（SL 282-2003）规定[4]；坝基相对隔水层定为透水率q≤5 Lu，本次勘察坝基共进行6段现场压水试验共有两段压水试验透水率（分别为10.1 Lu和7.99 Lu）大于5 Lu，试段都位于坝基基岩上部，坝基存在渗漏现象。

4 结论与建议

本文对大坝工程地质评价内容进行了较全面的阐述，包括拱坝地质条件评价、大坝坝体质量评价、坝肩稳定性分析和绕坝渗漏、坝基工程地质条件评价等四个方面，经过地质条件综合评价可知:

（1）大坝整体砌筑质量较差，坝顶存在贯穿裂缝，但并未扩展，坝体目前总体处于稳定的状态，应对坝面采取工程措施处理防止裂缝扩大；

（2）坝体与坝基接触的位置具弱透性，但不存在渗漏通道，坝基具有弱透性，但不会影响大坝安全，但要采取有效的防渗措施防止渗漏量加大影响坝体稳定；

（3）坝基岩体裂隙较发育，但裂隙多以高倾为主，不会产生不利坝基抗滑稳定的滑移面，下游应采取消能措施，否则会影响坝基稳定。