角峪水库的爆破参数和地质构造分析

2.3.1.1 工程地质勘察概述

角峪水库是在原有小(1)型水库基础上经改建和续建而成的中型水库,主要建筑物为大坝、溢洪道和放水洞。

2007年4月,泰安市水利勘测设计研究院对该水库进行了安全鉴定,开展了工程地质勘察工作,编写了《山东省泰安市岱岳区角峪水库安全鉴定工程地质勘察报告》。安全鉴定结果表明：该水库在运行过程中存在大坝坝基及坝体渗漏、溢洪道不能满足设计需要以及放水洞的渗漏等影响水库安全稳定问题,危及到水库安全运行,为确保水库安全运行,需采取除险加固工程措施。

在水库安全鉴定勘察的基础上,初步设计阶段针对除险加固方案进行地质勘察,为除险加固初步设计工作提供地质依据。

地质工作在收集分析已有的地质资料的基础上,对大坝坝体、截渗墙、放水洞及溢洪道等部位进行了钻探、取样和试验工作。本次勘察外业自2007年10月12日开始,至11月2日结束,勘察工作的工作量见表2.3-1。

本次勘察工作主要执行以下技术规范：

《中小型水利水电工程地质勘察规范》(SL55—2005)；

《水利水电工程地质测绘规程》(SL299—2004)；

《水利水电工程天然建筑材料勘察规程》(SL251—2000)；

《水利水电工程钻探规程》(SL291—2003)；

《土工试验规程》(SL237—1999)。

表2.3-1　角峪水库除险加固工程地质勘察完成的主要工作量表

续表

2.3.1.2 区域地质构造与地震动参数

1.区域地质构造

角峪水库位于鲁中山区南部边缘,区域地质构造属鲁西旋扭构造体系,在大地构造单元上,本区位于华北地台山东台背斜鲁中南隆起区,由于受中生代后期燕山运动和早第三纪与中新世喜马拉雅运动的影响,基底强烈褶曲,形成山地和凹陷盆地,该区有新泰凹陷、泰莱凹陷、肥城凹陷和汶河凹陷。柴汶河和牟汶河于泰安市岱岳区汶口交汇成汶河干流。汶河干流自汶口凹陷盆地向西流经宁阳、东平平原流入黄河。

2.地震动参数

根据中国地震局2001年编制的1:400万《中国地震动参数区划图》(GB 18306—2001)中,《中国地震动峰值加速度区划图》和《中国地震动反应谱特征周期区划图》,工程区地震动峰值加速度为0.05g,地震动反应谱特征周期0.45s,相应的地震基本烈度为Ⅵ度。

2.3.1.3 库区环境地质问题

1.水库区的地质条件

水库库区位于汇河之上,回水距离约2km,为丘陵地貌,海拔高程151.00～172.00m之间。地形平缓,河谷开阔。河谷呈不对称“U”字形,库区内出露的地层主要为寒武系灰岩、页岩,奥陶系灰岩,燕山期闪长岩和第四系堆积物。库区内地下水主要为第四系孔隙潜水和基岩裂隙水,第四系孔隙潜水主要分布于第四系冲洪积中的粗砂及含砾土层中,透水性强,富水性好,是良好的含水层；基岩裂隙水主要分布于灰岩、闪长岩风化裂隙中。

2.库区的环境地质问题

(1)水库渗漏。库区两岸及周围,地形开阔、平缓,无深切邻谷存在,汇河是本区地下水的最低排泄基准面。勘察期间,库水位为162.70m,附近的井水位均高于库水位,因此该水库不存在库岸渗漏问题。

大坝左岸为奥陶系灰岩,通过钻探取芯和现场压水试验成果分析,透水率在3.2～12.2Lu之间,平均8.4Lu。属于弱～中等透水,经现场调查,未发现水库渗漏现象。

(2)库岸稳定。库区两岸边坡主要为岩质边坡,岩性灰岩和闪长岩,坡度5°～15°,边坡上断裂构造不发育,无大的不利结构面组合。库尾主要为冲洪积成因的土质边坡,属河漫滩,地形平缓,坡度5°～10°。因冲洪积物透水性较好,库水位升降时,在坡体内不会形成较大的动水压力,且边坡低矮。库岸已经过长期的冲刷侵蚀处于稳定状态,因此,也不存在大规模的塌岸和坍岸问题。

(3)水库浸没。角峪水库库岸由壤土、灰岩和闪长岩组成,为相对不透水地层,两岸村庄和耕地位置相对较高,不存在浸没问题。水库运行40多年来,也未出现浸没问题。

2.3.1.4 坝址区基本地质情况

1.地形地貌

角峪水库的坝址区位于牟汶河一级支流汇河上,在地貌单元上为丘陵地貌,高程在151.00～172.00m之间,地势平缓,沟谷开阔。汇河呈SE～NW流向,河谷呈不对称“U”字形,坝址区河床高程152.00m,河谷宽80～100m。由于人为修梯田、耕植等原因,两岸阶地形态已分辨不清。

2.地层岩性

角峪水库坝址区内出露的地层主要为奥陶系灰岩、燕山期闪长岩和第四系堆积物。

(1)奥陶系灰岩(层号⑥)(O2)：呈青灰色,微晶结构,块状构造,主要成分为方解石和白云石。出露于近坝库区左岸,厚度不详。

(2)燕山期闪长岩：呈灰绿色～灰白色,半自形粒状结构,片麻构造,主要成分为斜长石、角闪石和黑云母,局部风化裂隙发育。在坝址区和溢洪道广泛分布。

(3)第四系堆积物：主要为人工填土和冲洪积物。

1)人工填土主要为杂填土、中砂以及粉质壤土。

第①层杂填土(rQ4)：为灰黄色碎石土,松散状,含水量干～稍湿,由灰岩碎石、砖块、瓦块、中粗砂以及粉质黏土等组成,碎石的含量约占15%,厚0.3～0.6m,分布于大坝桩号0～024～0＋028段坝顶部位,高程168.00m,为修整坝顶路面铺垫形成。

第②层中砂(rQ4)：为灰绿色～黄褐色风化料,松散状,干～稍湿,为闪长岩风化后物质,主要成分为灰褐色斜长石、灰绿色角闪石(由于风化作用)以及少量因风化呈黄褐色的黑云母,呈粗砂状。分布于大坝桩号0＋034.3～0＋978.9段,据钻孔揭露显示最低分布高程在163.00m,厚度0.4～3.7m；其中在0＋240～0＋280段和0＋460～0＋870段形成坝的前后坡与坝体形成贯通,致使大坝高程165.00m以上部分坝段失去有效防渗作用；在0＋240～0＋280段,该层厚度为0.4～2.45m,平均厚度1.45m；0＋460～0＋870段,风化料的厚度为2.0～3.7m,平均厚度2.5m。

第③层中、重粉质壤土(rQ4)：褐色、黄褐色,可塑～硬塑,局部成软塑状,湿～饱和状,土质不均匀,含砂及少量细砾。本层土体构成水库大坝的主体,层底高程约为149.00～167.00m,厚度0～17m,由于大坝是人工施工,上坝土料不均匀,施工分期、分段较多,造成坝体土料差异性较大。

2)冲洪积物主要为壤土、粉细砂和中粗砂等,广泛分布于河道阶地、河漫滩。主要包括如下几层。

第④层中、重粉质壤土壤土(al＋plQ4)：为褐色～灰黑色,可塑状,局部软塑,湿～饱和状。分布于坝基上部与坝体接触的部位,层顶部高程150.00～163.00m,厚度0～11m。

第⑤-1层粉土质砂(al＋plQ4)：为黄褐色～灰黄色,饱和,松散～稍密实,矿物成分以长石石英为主,该层分布范围纵向0＋110.6～0＋280.4之间,厚度在0.20～3.20m之间,层顶部高程148.40～151.30m,坝体上下游形成贯通,形成库水向坝下游渗透的通道。

第⑤-2层含细粒土砂(al＋plQ4)：为黄褐色～灰黄色中粗砂,饱和,松散～稍密实,矿物成分以长石石英为主,含少量砾石,砾径1～5cm,层厚0.6～4.2m,分布于坝基桩号0＋333.13～0＋557.06之间,层顶部高程147.20～149.30m,并形成纵向贯通,该处为古河道,易形成库水向坝下游渗透的通道。

3.地质构造

大坝桩号0＋055附近有一断层f穿过坝基,走向NW～SE,倾向NE,倾角30°～60°。在大坝0＋070桩号附近处的JYZK10、JYZK11钻孔内有揭露显示：断层泥呈棕红色,可塑～硬塑状,黏粒含量较高,断层带宽度0.3m,断层影响带宽度0.3～0.5m,为角砾岩,呈暗红、灰红色,无分选,岩块呈棱角状,表面溶蚀严重,裂隙溶隙发育。断层带渗透性较强,据钻孔压水试验显示,透水率达213Lu。

4.岩土的物理力学性质

坝址区基岩主要为灰白色闪长岩以及奥陶系青灰色灰岩。根据本次工作取样50组以及安全鉴定阶段的77组坝体坝基土样的试验资料,通过统计分析,各岩土层的主要物理力学性质见表2.3-2和表2.3-3。

表2.3-2　角峪水库除险加固土工试验成果分层统计汇总表

续表

续表

表2.3-3　角峪水库除险加固岩石试验成果统计汇总表

根据上述试验结果,结合工程实际情况,类比近似工程资料,提出坝址区岩土体的物理力学指标建议值见表2.3-4。

表2.3-4　角峪水库除险加固土的物理力学指标建议值表

5.水文地质条件

坝址区内地下水主要为第四系孔隙潜水和基岩裂隙水。

第四系孔隙潜水主要分布于第四系冲洪积中粗砂层中,透水性强,富水性好,是良好的含水层。

基岩裂隙水主要分布于灰岩、闪长岩风化裂隙中,通过裂隙渗流。分布不均匀,季节性变化大。岩体中的裂隙为地下水的运动提供了良好通道。

本区内地下水主要靠大气降水补给,以蒸发和向下游排泄为主要排泄途径,区内地下水径流运动状态,主要受地形地貌、地层岩性及裂隙发育程度等因素影响与控制。

据水质分析,本区地下水为重碳酸盐硫酸盐钙镁型水,pH值为7.33～8.23,弱碱性,水化学试验结果分析见表2.3-5。

表2.3-5　角峪水库除险加固水质分析成果一览表

环境水对混凝土的腐蚀分为分解类腐蚀、结晶类腐蚀、结晶分解复合类腐蚀,相应的腐蚀性特征判定依据分别为、pH值、侵蚀性CO2含量。环境水对角峪水库混凝土腐蚀判定见表2.3-6。

表2.3-6　角峪水库除险加固环境水对混凝土的腐蚀判定表

由表2.3-7可知,角峪水库除险加固环境水对混凝土的腐蚀性判定包括3类：分解类、结晶类和结晶分解复合类。分解类腐蚀判定：①含量大于1mg/L,实测值为180.01～220.86mg/L,判定结果为无腐蚀；②pH值大于6.5,实测值为7.33～8.23,判定结果为无腐蚀；③侵蚀性CO2含量小于15mg/L,实测值为0,判定结果为无腐蚀。分解类腐蚀判定结论为无腐蚀。结晶类腐蚀判定：含量小于250mg/L,实测值为50.43～111.32mg/L,判定为无腐蚀,故结晶类腐蚀的判定结果为无腐蚀。复合类腐蚀判定：Mg2＋含量小于1000mg/L,实测值为13.26～23.56mg/L,判定结果为无腐蚀。综上所述,环境水对混凝土的腐蚀性判定为无结晶类、分解类和复合类腐蚀。

2.3.1.5 大坝工程地质情况

1.概述

大坝为均质土坝,全长1142m,坝顶高程166.96～168.00m,坝顶宽3.0～5.0m；防浪墙高程168.67m,大坝上游坡为干砌石护坡,下游坡为草皮护坡。桩号0＋000～0＋949段,坝前坡在高程162.27m以下边坡为1:3.5、以上为1:3,坝后坡在高程162.27m设有戗台,宽2.0m,戗台以上边坡为1:2.75,以下为1:3；桩号0＋949～1＋142段,坝前后坡均为1:2；坝后排水体位于桩号0＋137～0＋673河槽段,为棱体排水体,总长537m,坝顶高程159.09～155.57m,顶宽1.0～2.0m,高1.0～4.1m。

水库在运行过程中出现了以下问题并做了处理。

(1)1960年水库由小型水库改建中型水库时(但未达到中型水库标准),在桩号0＋300处的原小放水洞处理不彻底,形成集中渗漏和接触冲刷,引起坝体裂缝和塌陷。

(2)1960年改建时,主河槽截渗槽未开挖到基岩,大坝初建成后,坝后5m多远处,渗水形成多个泉眼。由于建坝时坝体与坝基接触部位清基不彻底,桩号0＋050～0＋600段,排水体底脚均有明流出现。在水位162.00m时,坝后地表渗流量达0.15m3/s,坝后三角地出现沼泽化,高于河床3.0m处的地面出现明流积水,不能进入。

(3)1966年续建中,由于土料质量控制不严,坝后坡和上部坝体部分坝段采用了风化料,降低了坝体的有效防渗高度,缩短了坝体上部的防渗渗径,在高水位时有可能造成坝体渗透破坏。

(4)桩号0＋055处有一条横切大坝的断层f,地层破碎,渗漏较严重,未作防渗处理。

(5)迎水坡用片乱石护砌,标准低,坍塌破坏严重,局部常出现脱坡现象。

因上述存在问题,1976年对大坝进行培厚加固,1983年对坝前护坡重要险段进行了局部翻修,1994年对大坝坝体桩号0＋050～0＋600坝段实施了黏土灌浆,因资金有限,处理范围较小,问题依然严重。

2.坝体质量评价

组成坝体的土料主要为壤土,局部有风化料(壤土)和碎石土,分层描述如下。

第①层杂填土：为灰黄色碎石土,松散状,含水量干～稍湿,由灰岩碎石、砖块、瓦块、中粗砂以及粉质黏土等组成,碎石的含量约占15%,厚度0.3～0.6m,分布于大坝桩号0～024～0＋028.1,高程168.51～167.91m之间,为修整坝顶路面铺垫形成。

第②层中砂(坝体填筑风化料)：为灰绿色～黄褐色,松散状,干～稍湿,为闪长岩风化后的残积物,主要成分为灰褐色斜长石、灰绿色角闪石(由于风化作用)以及少量因风化呈黄褐色的黑云母,呈粗砂状。分布于大坝桩号0＋034.3～0＋978.9段,据安全鉴定阶段钻孔ZK10、ZK11揭露,最低分布高程在162.97m；其中在0＋462.59～0＋870段,中砂的厚度为2.0～3.7m,平均厚度2.5m；0＋240～0＋280段,厚度为0.4～2.45m,平均厚度1.45m,根据安全鉴定阶段开挖探槽验证,桩号0＋240～0＋280段坝前坡和坝体形成贯通,致使大坝高程165.02m以上部分坝段失去有效防渗作用。

坝体中砾石含量平均值为9.9%,砂粒含量平均值为67.8%,粉粒含量平均值为13.7%,黏粒含量平均值为8.6%。该层中砂(风化料)渗透系数为5.94×10-3～6.19×10-3cm/s,为中等透水。

第③层中、重粉质壤土：褐色～黄褐色壤土,可塑～硬塑,局部成软塑状,湿～饱和状,韧性较低,土质不均匀,含砂及少量细砾。本层土体构成的水库大坝的主体,由于大坝施工时全是人工操作,上坝土料不均匀,施工分期、分段较多,造成坝体土料差异性较大。

坝体壤土中各粒组平均含量为：砾0.2%,砂12.2%、粉粒62.5%、黏粒25.1%。坝体土黏粒含量范围15.4%～34.3%,含水率16.9%～29.6%；压缩模量2.1～13.8MPa,属中～高压缩性土；干密度1.31～1.75g/cm3,平均1.61g/cm3；渗透系数范围2.29×10-7～6.66×10-4cm/s,平均渗透系数3.68×10-5cm/s,属极微透水～中等透水,有接近9%大于规范值1×10-4cm/s。根据以上数据可知,坝体土土质混杂,碾压质量稍差,局部软弱。

坝体壤土质量其黏粒含量在15.4%～34.3%之间,基本满足《水利水电天然建筑材料勘察规程》(SL251)对坝体土料的要求。干密度在1.31～1.75g/cm3间,渗透系数范围2.29×10-7～6.66×10-4cm/s,平均渗透系数3.68×10-5cm/s,属极微透水～中等透水,有7.14%大于规范值1×10-4cm/s。说明坝体壤土土质较好,但局部回填碾压稍差。

综合分析表明：坝体土料主要为中、重粉质壤土,局部有风化料、碎石土。风化料在坝前后坡和坝体形成上下游贯通,致使大坝高程165.02m以上部分坝段失去有效防渗作用,需进行防渗处理。

3.坝基地质条件

(1)地层。坝基地层为第四系冲洪积中、重粉质壤土,粉土质砂,含细粒土砂以及风化的灰岩、闪长岩,分述如下。

1)第④层中、重粉质壤土：为褐色～灰黑色壤土,可塑状,局部软塑,湿～饱和状,分布于坝基上部与坝体接触的部位,厚度1～7m。

坝基土中各粒组平均含量：砾0.59%、砂8.6%、粉粒64.3%、黏粒26%。天然含水量17.8%～30.3%,干密度1.49～1.70g/cm3,平均干密度1.62g/cm3；压缩系数0.12～0.74MPa,平均压缩系数为0.32MPa,压缩模量2.3～13.7MPa-1,平均压缩模量为5.8MPa-1,属于中～高压缩性土。渗透系数范围6.27×10-4～5.09×10-7cm/s,平均压缩系数为4.28×10-5cm/s,属极微透水～中等透水。

2)第⑤-1层粉土质砂：为黄褐色～灰黄色,松散～稍密实,矿物成分以长石石英为主,该层分布范围纵向0＋110.6～0＋280.4之间,厚度在0.20～3.20m之间,坝下深度16.1～18.8m横向上坝体上下游形成贯通,可以形成库水向坝下游渗透的通道。

坝基粉土质砂：砾石含量平均值8.43%,砂粒含量平均值48.84%,粉粒含量平均值34.13%,黏粒含量平均值10.43%,渗透系数为6.58×10-5cm/s。

3)第⑤-2层含细粒土砂：为黄褐色～灰黄色中粗砂,松散～稍密实,矿物成分以长石石英为主,含少量砾石,砾径1～5cm,层厚0.6～2.2m,分布于坝基0＋333.13～0＋557.1之间,坝下深度18.0～20.5m,并形成纵向贯通,该处为古河道,易形成库水向坝下游渗透的通道。

坝基含细粒土砂含漂石平均含量1.58%,砾石平均含量19.86%,砂平均含量61.07%,粉粒12.19%,黏粒5.3%。渗透系数为6.13×10-3cm/s。

4)第⑥层灰岩：奥陶系主要为青灰色灰岩,微晶结构,块状构造,主要成分为方解石和白云石,岩溶裂隙发育。分布于河流及水库左岸、左坝肩以及坝基0-24～0＋055段,与闪长岩呈断层接触。由压水试验可知透水率为4.5～12.2Lu,属弱～中等透水。

5)第⑦层闪长岩：呈灰绿色～灰白色,半自形粒状结构,片麻构造,主要成分为斜长石、角闪石和黑云母,局部风化裂隙发育。

全风化闪长岩：灰绿、灰白色,主要矿物成分为灰白色斜长石、黑色角闪石以及黑云母,岩石风化严重,原岩的结构构造破坏殆尽,分解成松散的土状或粗砂状,岩心呈碎屑状,采取率低,分布于坝基0＋055～1＋142段,其中,桩号0＋055～0＋855段坝下深度16.6～20.6m,桩号0＋900～1＋142段坝下深度5.0～6.5m。

强风化闪长岩：灰绿色,半自形中粗粒结构,片麻状构造,由于风化作用原岩的结构构造大部分遭受破坏,主要矿物成分为灰白色斜长石、黑色角闪石以及黑云母,岩石风化强烈,小部分分解或崩解为土,岩芯大部分呈粗砂状,部分成碎块状、短柱状,采取率较低。分布于坝基0＋055～1＋142段,其中,桩号0＋055～0＋855段坝下深度20.2～25.5m,桩号0＋900～1＋142段坝下深度10.6～16.0m。(www.xing528.com)

弱风化闪长岩：青灰色,半自形中粗粒结构,片麻状构造,主要矿物成分为灰白色斜长石、黑色角闪石以及黑云母,岩石风化裂隙较发育,岩芯呈短柱、长柱状。分布于坝基0＋055～1＋142段,其中,桩号0＋120～0＋350段坝下深度27.1～28.1m,桩号0＋610～0＋760段坝下深度26.1～27.8m。

压水试验显示坝基闪长岩透水率为4.5～24.35Lu之间,属弱～中等透水。

(2)地质构造。据以往物探成果和本次勘察钻孔探测资料,大坝桩号0＋055附近有一断层穿过坝基,走向NW～SE,倾向NE,倾角30°～60°。据钻探资料显示：断层泥呈棕红色,可塑～硬塑状,黏粒含量较高,夹灰白色钙质结核,或为灰岩风化后的残余物质,厚度约2m,随深度增加,钙质结核含量增高,见有角砾岩,呈暗红、灰红色,无分选,角砾岩呈棱角状,基岩表面溶蚀严重,裂隙溶隙发育,根据钻孔压水试验,断层部位透水率达到213Lu,透水性极强,易形成坝基岩石的渗漏通道,需做防渗处理。大坝桩号0＋055东侧为奥陶系灰岩,产状5°∠35°,西侧为闪长岩,是两种岩石的分界部位。

坝下以及右坝肩为闪长岩,风化较严重,节理较发育,主要发育2组节理：产状124°～142°∠68°～85°,22°～28°∠71°～87°。左坝肩为奥陶系灰岩,风化较严重。

4.主要工程地质问题评价

(1)坝基断层渗漏。坝基0＋055附近发育一条断层f,据注水试验,透水率为213Lu,透水性极好。断层上覆盖坝基壤土,容易在断层破碎带顶部形成接触流失,需要对该处进行防渗处理。

(2)坝基渗透变形分析。

1)计算方法。坝基土的渗透变形类型包括流土和管涌两种类型,应该根据土的细粒含量,采用下列方法判别：

流土

管涌

式中：Pc为土的细粒颗粒含量,以质量百分率计,%；n为土的孔隙率,%。

流土型临界水力比降采用下式计算：

式中：Jcr为土的临界水力比降；Gs为土粒比重。土的允许比降J允许＝Jcr/2,安全系数取2。

管涌型临界水力比降采用下式计算：

式中：d5、d20分别为占总土重的5%和20%的土粒粒径,mm。土的允许比降J允许＝Jcr/1.5,安全系数取1.5。

2)坝基粉土质砂与坝体中砂的渗透变形及水力坡降计算。坝基粉土质砂与坝体中砂的基本参数取值见表2.3-7,渗透变形类型及水力坡降计算结果见表2.3-8。

表2.3-7　坝基粉土质砂与坝体中砂渗透变形基本参数取值表

表2.3-8　渗透变形类型及水力坡降计算表

3)接触冲刷判别。大坝主河槽段由于清基不彻底,坝基粉土质砂与坝体土料之间易形成接触冲刷破坏,根据《水利水电工程地质勘察规范》(GB50287—1999),利用颗分资料进行判断。

坝基粉土质砂的D10＝0.22,坝体底部土料和坝基壤土d10＝0.001～0.002,则D10/d10＝110～220＞10,故判断坝基粉土质砂与坝基壤土、坝体土之间存在接触冲刷的可能。

4)接触流失判别。大坝主河槽段由于清基不彻底,坝基粉土质砂与坝体土料之间易形成接触流失破坏,利用颗分资料进行判断。

坝基粉土质砂的CU＝39.57,坝基含细粒土砂的CU＝15.62,坝基中、重粉质壤土CU＝16.52＞10,故判断坝基中粗砂、粉细砂与坝基壤土、坝体土之间存在接触流失的可能。

(3)坝基渗漏分析。

1)渗漏原因分析。水库运行40多年来,存在水库渗漏问题,根据本次野外调查以及分析判断,形成坝基渗漏的原因主要有以下几个方面。

a.该坝坝基的渗漏主要是由于大坝在建设时清基不彻底和断层未做防渗处理造成的。通过钻探揭示：在坝基中有含细粒土砂层,松散～稍密实,分布范围为0＋110.59～0＋280.4间,横向上形成贯穿坝体上下游的渗漏通道。

在坝基中还有粉土质砂层,呈松散～稍密实状,分布范围为0＋333.1～0＋557.1,沿坝轴线方向形成贯通,并在横向上形成贯穿坝体上下游的渗漏通道。

b.大坝0＋055附近有一断层穿过坝基,断层带及断层影响带形成坝基岩石的渗漏通道。

c.坝基岩石包括全风化闪长岩、强风化闪长岩、弱风化闪长岩、灰岩,岩石的风化使得原岩致密的结构遭受到强烈的破坏,从而形成坝下的渗漏通道。

2)渗漏计算。根据地质条件及大坝的不同部位,采用分段计算法,整体上分为3段：0＋098～0＋281段、0＋343～0＋437段、0＋437～0＋566段。渗漏量计算公式如下：

式中：B为渗漏长度,m；2b为坝基宽度,m；H为坝上下游水位差,m；M为含水层厚度,m；K为渗透系数取,m/d。

角峪水库坝基渗漏分段计算结果见表2.3-9。则大坝年渗漏量估算Qt＝Q×360＝1450.06×365＝529272m3。

表2.3-9　角峪水库坝基渗漏分段计算参数及成果表

3)渗漏评价结论。由此可知,大坝年渗漏量约为52.9万m3,约占兴利库容的5.6%,影响水库兴利功能的发挥,坝下游的鱼塘、水坑,皆来源于水库坝下渗水,即使现在库水位保持在162.70m,水塘水面也达到了满溢的状态,且涌水量有逐年上升的趋势,对坝体稳定产生威胁。

5.防渗处理措施

坝体和坝基的防渗处理措施采用在上游坝坡159.00m平台处设置截渗墙。截渗墙位于大坝桩号0＋050～0＋950处,总长度900m。截渗墙部位地层为坝体壤土、坝基中重粉质壤土,含细粒土砂以及全、强风化的闪长岩,其中0＋055桩号附近基岩内有断层通过,断层走向NW～SE,倾向NE,倾角30°～60°。断层北东为全、强风化的闪长岩,南西为风化的奥陶系灰岩。截渗墙部位的基岩为风化的灰岩以及闪长岩,本次及安全鉴定阶段在坝轴线部位所作的压水试验成果汇总见表2.3-10。

表2.3-10　压水试验成果表

续表

注　其中JYZK05为本次压水试验成果,其余的为安全鉴定阶段压水试验成果。

对以上压水试验成果分层统计见表2.3-11。

表2.3-11　压水试验成果分层统计表

根据坝体及坝基的地质条件,截渗墙的底线宜选择进入相对隔水层,古河道部位稍深,两坝肩稍浅,断层部位适当加深。因此,根据上述原则,建议截渗墙达到坝基岩体1m深度,按地面高程159.00m来计算,其中,0＋075～0＋650段,截渗墙底部建议高程为145.10～149.10m,深度9.9～13.9m；0＋700～0＋950段截渗墙底部建议高程为149.60～159.00m,深度9.4～0m。截渗墙底部设置高程及深度按桩号分述见表2.3-12。

表2.3-12　截渗墙底部设置高程及深度建议表

6.溢洪道工程地质情况

(1)基岩承载力。溢洪道引水渠、控制段、泄槽段均为全风化基岩,岩性为闪长岩,全风化带埋深较浅,在4～5m；强风化带埋深7～10m,岩石物理力学性质见表2.3-7。根据岩石力学试验结果综合分析确定：全风化闪长岩承载力标准值为300kPa,强风化闪长岩承载力标准值为400kPa,弱风化闪长岩承载力标准值为800kPa。

根据设计方案,本次加固在原溢流堰顶下挖,在溢洪道中线部位建溢洪闸,然后扩宽下游泄槽的宽度到16m。溢洪闸的闸基底部高程160.50m,坐落于全风化闪长岩,属于Ⅴ类岩体,建议承载力标准值300kPa,混凝土与基岩接触面的抗剪强度建议取f′＝0.4,C′＝0.05MPa。

(2)基岩渗透性。岩石裂隙发育,水平和垂直裂隙均较发育,断裂构造、岩脉不发育。本次勘察共做压水试验段10段,透水率在2.6～21.6Lu间,属弱～中等透水。溢洪道钻孔压水试验成果见表2.3-13。

表2.3-13　溢洪道钻孔压水试验成果表

(3)基岩抗冲能力。溢洪道无控制工程和消能设施,两侧为人工开挖边坡,未做任何护砌；下游为自然冲沟基础,为全风化闪长岩,风化较严重,岩体较破碎,水平和垂直裂隙均较发育,主要产状124°～142°∠68°～85°,22°～28°∠71°～87°,抗冲刷能力低。若遇较大洪水,将遭受严重的侵蚀、冲刷,危及溢洪道及大坝的安全。

(4)边坡稳定性。溢洪道为人工开挖而成,土质边坡,局部边坡稳定性较差。左岸边坡坡高比1:0.2～1:1,上游坡高比较大,越往下游坡高比越小,多年未经历大的洪水冲刷,总体稳定,但是由于局部边坡较陡,存在坍塌掉块的可能,若遇洪水冲刷掏底,则有可能引起崩塌,危及左岸大坝坝体安全。

7.放水洞工程地质情况

(1)西放水洞。西放水洞位于大坝桩号0＋058处,为无压砌石拱涵洞,进口洞底高程157.07m,砌石拱涵总长60.56m,竖井前部长16.73m,竖井深4.0m,竖井后部长39.83m,比降为0.004；涵洞宽1.2m,墩高1.2m,拱高0.6m,基础坐落在奥陶系灰岩上。设计引水流量3.5m3/s,闸孔尺寸1.2m×1.2m,1980年改建了启闭机房,更换了闸门。

该放水洞内渗漏、溶蚀严重,该放水洞为露天开挖,衬砌拱涵后回填碾压而成,回填时拱涵处理不彻底,填土压实度不够,库水位时常有绕渗水流在下游岸墙处逸出,坝上游放水洞的上部已出现塌陷坑,直径约3.0m,深0.5m左右,说明已产生了渗透破坏,危及大坝的安全。本次除险加固对西放水洞拟采取在原址拆除重建的处理措施。

本次勘探在西放水洞附近布孔2个,其中坝顶与坝下游坡各1个孔。

1)洞周土体。勘察发现西放水洞外围主要为土层,其黏粒含量为29.4%～32.7%,基本满足《水利水电工程天然建筑材料勘察规程》(SL 251—2000)对坝体土料要求的10%～30%。标贯试验击数为6.6击,干密度在1.54～1.65g/cm3,压实度88%～94%,小于规范对坝体土料要求的96%～98%；渗透系数在6.66×10-4～3.51×10-6cm/s。说明该部位土质混杂,回填碾压稍差,容易产生渗透破坏。

2)洞基础。西放水洞进口底高程为157.07m,基础坐落在灰岩上,由于该地段位于断层附近受构造的影响以及风化作用,承载力建议值为400kPa。

(2)东放水洞。东放水洞位于大坝桩号0＋865处,为无压砌石拱涵洞,进口洞底高程156.57m,砌石拱涵总长54.66m,竖井前部长16.33m,竖井深4.0m,竖井后部长34.23m,比降为0.004；涵洞宽1.0m,墩高1.0m,拱高0.5m,基础未完全坐落在基岩上。设计引水流量2.0m3/s,闸孔尺寸1m×1m,1973年更换了钢平板闸门。

东放水洞洞内渗漏、溶蚀严重,该放水洞为露天开挖,衬砌拱涵后回填碾压而成,下游部分基础坐落在壤土上。本次除险加固工作对其拟采取在原址拆除重建的处理措施。

本次勘察在东放水洞附近布置钻孔2个,即在坝顶与坝下游坡各布置1个钻孔。

1)洞周土体。勘察发现东放水洞外围被壤土层覆盖,其黏粒含量在21.0%～32.6%之间,基本满足《水利水电工程天然建筑材料勘察规程》(SL 251—2001)对坝体土料的要求。标贯试验击数为5.6～6.5击,干密度在1.63～1.69g/cm3间,压实度在93%～96%,小于规程对坝体土料要求的96%～98%；渗透系数在4.11×10-7～6.54×10-7cm/s,满足规程要求的小于1×10-4cm/s。说明该部位土质较好,但回填碾压稍差。

2)洞基础。放水洞进口底高程为156.57m,洞体下游部分基础坐落在壤土上,建议壤土的承载力标准值为90kPa,下伏全风化闪长岩的承载力标准值为300kPa。

8.天然建筑材料

角峪水库除险加固工程需要的天然建筑材料为：块石料1.478万m3、混凝土骨料2.711万m3、砂砾石料1.0137万m3、土料4.7115万m3,其中块石料、混凝土骨料、砂砾石料拟选用外购料,土料场选定角峪土料场。为满足设计施工方面的要求以及本着就地取材节省投资的思想,对坝址区的角峪土料场进行了勘探试验工作。布置浅井32个,总进尺52.8m,取土样35组,其中,简分析(颗粒分析)30组,全分析(颗粒分析、化学分析、物性试验、力学试验、渗透试验)5组。并对块石料和混凝土骨料以及砂砾石料进行了调研：块石料场位于邵家行子块石料场,运距约60km；位于大官庄块石料场,运距约50km。砂砾石及混凝土骨料料场位置都在角峪镇附近,距水库约5km。

(1)土料。角峪土料场位于右坝肩下游,运距约150m,有简易路通向坝顶,地面高程152.00～160.00m,地形平坦,为第四系冲洪积壤土,厚度4～5m,料场长310m、宽170m,为了查清料场的有用层厚度和地下水的埋藏深度,本次工作布置了32个探井,间距50～70m。

角峪土料场共做试验35组,土的试验统计汇总结果见表2.3-14,表2.3-16。由试验结果可知：土料颗粒中黏粒(d＜0.005mm)平均含量24.4%；粉粒(0.075～0.005mm)平均含量57.0%；土料以中、重粉质壤土为主。全分析土样塑性指数为16.5,渗透系数9.64×10-7cm/s,土的分散性试验表明：角峪土料土为非分散型。做三轴试验5组,C平均＝75.3kPa,φ平均＝23.4°。依据《水利水电天然建筑材料勘察规程》附录A.2.1土料质量指标表和此次试验的结果进行了对比,对比结果见表2.3-15,从表中可以看出：各项指标均符合规程要求。

从表2.3-15可知,角峪土料场的质量满足《水利水电天然建筑材料勘察规程》(SL 251)中对均质坝土料的要求。

表2.3-14　角峪土料场土的颗粒级配成果汇总表

表2.3-15　角峪土料场土的质量指标对比表

从浅井和地形所揭露的情况来看,料场上部0.3～0.5m含植物根系,属于耕植土,开挖时应剥去,上部为壤土,疏松,料场储量计算采用平均厚度法。计算公式如下：

式中：S为料场面积,取310m×170m＝52700m2；H为平均可采厚度,取2m。即得V＝52700m2×2m＝105400m3。

角峪土料场总储量为10.54万m3,大于设计需要量4.7万m3的2倍,满足设计施工要求。

(2)块石料。本次除险加固工程需要的块石料拟外购。经过现场调查,邵家行子块石料场和大官庄块石料场属于良庄镇,岩性为花岗岩,岩性坚硬,质量较好,料源丰富,正在进行的类似工程——黄前水库除险加固工程的施工用的即为本料场的块石料,运距50km,交通便利,下一阶段需对该料场质量和储量进一步复核。

(3)砂砾料。本次除险加固工程需要的砂砾料拟外购。经过现场调查,砂砾石料场位于角峪镇,质量较好,料源丰富,正在进行的类似工程——黄前水库除险加固工程施工用的即为本料场的砂砾石料,运距5km,交通便利,下一阶段需对该料场质量和储量进一步复核。

表2.3-16　角峪土料场土的全分析试验成果汇总表

(4)人工骨料。本次除险加固工程需要的人工骨料拟外购。经过现场调查,料场位于角峪镇,岩性为灰岩,岩性坚硬,质量较好,料源丰富,正在进行的类似工程——黄前水库除险加固工程施工用的即为本料场的人工骨料,运距5km,交通便利,下一阶段需对该料场质量和储量进一步复核。

2.3.1.6 角峪水库工程勘察结论

(1)区域地质背景。角峪水库在区域地质构造上属鲁西旋扭构造体系,位于徂徕山断层隆起带南部。工程区地震动峰值加速度为0.05g,反应谱特征周期0.45s,相当于地震基本烈度Ⅳ度。

(2)库区。水库区地形平缓,河谷开阔。库区内出露的地层主要为奥陶系灰岩,燕山期闪长岩和第四系堆积物。水库区不存在渗漏问题、浸没问题和大规模塌岸问题,不存在水库诱发地震的可能性。

(3)大坝。坝体土以中、重粉质壤土为主,渗透系数稍大,有7.14%大于规范值1×10-4cm/s；上部有一层中砂,渗透性较好。

坝基主河槽段(0＋300～0＋560)覆盖强透水粉土质砂,厚度0.8～1.9m,左岸阶地段(0＋100～0＋276)上覆中、重粉质壤土层,下伏含细粒土砂层,厚1.0～3.2m,渗漏严重。坝体土料与坝基粉土质砂之间存在接触冲刷的隐患,需进行防渗处理。大坝桩号0＋055处发育一条断层,断层带破碎,岩溶发育,透水率213Lu,存在接触流失的隐患,对大坝产生不均匀沉陷的影响,从而危及坝体安全。

截渗墙拟置于坝上游坡159.00m平台处,位于桩号0＋050～0＋950,坝基地层为中重粉质壤土,含细粒土砂、粉土质砂以及风化的灰岩、闪长岩,截渗墙应穿透坝基砂层,设置于基岩内。

(4)放水洞。西放水洞洞周土体压实度偏低,渗透系数偏大,土质混杂,回填碾压较差,基础坐落在风化的灰岩上,由于处在断层附近,受断层影响及风化作用,基础存在渗漏及强度降低等问题,建议进行防渗加固处理,建议灰岩承载力标准值400kPa。

东放水洞土料压实度略低,土质较好,回填碾压稍差,洞内渗漏、溶蚀严重,出现渗透破坏的可能性很大。进口底高程为156.57m,洞体下游部分基础坐落在壤土上,建议壤土的承载力标准值为90kPa,下伏全风化闪长岩的承载力标准值为300kPa。

(5)溢洪道。溢洪道部位为风化的闪长岩,全风化带厚度4～5m,强风化带3～5m,岩石裂隙发育,透水率2.6～21.6Lu,属弱～中等透水。溢洪闸闸基坐落于全风化闪长岩之上,建议承载力标准值300kPa。

(6)天然建筑材料。角峪土料场土料主要为壤土,距大坝不远,适于开采。料场储量10.54万m3,大于设计需用量的2倍,质量和储量满足规程要求。块石料、人工骨料和砂砾料均拟外购,运距较近,交通便利,下一阶段需对外购料质量和储量进一步复核。