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1、黄壁庄水库副坝塌坝段运行工况研究报告 1 序言 黄壁庄水库位于海河流域子牙河水系两大支流之一滹沱河干流上，距河北省省会石家庄市约 30km， 是滹沱河中下游重要的控制性的大 （）型水利枢纽工程，总库容 12.1 亿 m3。水库与距上游 28 km 的岗南水库联合控制流域面积 23400km2。水库枢纽建筑物由主坝、副坝、正常溢洪道、非常溢洪道、新增非常溢洪道、电站重力坝等组成。水库的任务是以防洪为主，兼顾城市供水、灌溉、发电和养殖等，具有重要的社会、经济效益。建库 50 多年来，先后抗御较大洪水 6 次，其中特大洪水 2 次。特别是 1996 年，将最大入库洪峰流量 12600m3/s，消减至
2、 3650m3/s，消减洪峰达 71%，减免下游损失近 150 亿元。 水库于 1958 年动土兴建， 1959 年拦洪， 1960 年蓄水， 在经历了 1963年特大洪水后，于 1965 年进行扩建，至 1968 年达到现状规模。但是由于坝体在当时施工质量差，设计防洪标准低，使水库几十年一直处于带病运行状态，险情频繁出现。因此，早在 20 世纪 80 年代便被国家列入首批 43 座病险水库之一。其主要问题，一是现状防洪标准偏低，校核标准不到 2000 年一遇，远低于规范要求的万年一遇洪水标准；二是副坝坝顶及水平铺盖不断产生裂缝，坝基存在管涌、坝后冒沙等严重的渗透破坏现象；三是重力坝等建筑物在
3、稳定上存在诸多不安全因素；另外，闸门等金属结构年久失修、坝体观测及管理系统不完善等问题也影响水库正常运行。其中，副坝是水库现有建筑物中存在问题最多、最严重、危险性最大的一座建筑。 副坝长 6907.3m，最大坝高 19.2m，坝顶高程 129.2m。几十年来，副坝问题不断发生，加固处理工作从未停止过，但基本上都属于应急抢险和维修性质，不能从根本上解决水库存在的问题，有些问题反而越来越严重，呈逐渐恶化的趋势。 “96.8”洪水后问题更加突出，为此在河北省委、省政府及水利部的大力支持下，黄壁庄水库除险加固项目于 1998 年8 月经国务院批准正式立项，并列为国家的重点建设项目。除险加固工程1黄壁庄
4、水库副坝塌坝段运行工况研究报告 主要内容包括副坝混凝土垂直防渗墙、旋喷墙、正常溢洪道锚索加固、重力坝工程灌浆加固处理，新建五孔非常溢洪道以及正常溢洪道、原非常溢洪道、发电洞、灌溉洞等金属结构和电气设施、水库管理设施更新改造等，投资 9.94 亿元，并于 1999 年 3 月 1 日正式开工。 黄壁庄水库除险加固是一项规模宏大的工程，不仅投资巨大、技术含量高，而且工程项目点多、线长、面广。特别是有“世界第一墙”之称的副坝混凝土组合垂直防渗墙，被国内专家视为一项挑战性工程，而且是地下隐蔽工程，其防渗墙基础地质条件复杂，断层、破碎带、溶沟、溶洞等地质构造极为发育，加上施工单位对处理上述地层经验不足等
5、原因，致使副坝防渗墙施工中出现了许许多多意想不到的问题。据不完全统计，自开工以来，共发生较大漏浆 681 次，漏浆量约 4.9 万 m3，消耗粘土材料 5800m3，碎石 450m3，水泥 230t 以及膨润土等，造孔过程中出现塌槽 76 次，卡钻 235 次，个别槽孔浇筑混凝土充盈系数最大达 1.53。由于反复出现严重漏浆，引发了七次大范围塌坑和坝体坍塌，除 5#塌坑位 于 桩 号A2+848m2+861m外 ， 其 余 塌 坑 均 发 生 在 桩 号A4+026.7m4+360m 之间，长度约 330m 的范围内。2003 年 7 月 10 日，副坝混凝土垂直防渗墙成功实现合拢。 2 副坝
6、工程地质 2.1 副坝工程地质状况 水库建库前、后曾多次对副坝区进行勘探，加固工程初设阶段地质勘查工作重点也是为副坝的垂直防渗方案提供准确的地质资料，通过搜集、分析、整理各期地质勘察资料，为设计提供了可靠的依据。副坝钻探工作布置在防浪墙下游 2m，孔距一般 2580m。在桩号 A0+520.00m、A1+160.00m、A2+760.00m、A3+680.00m、A5+200.00m 处进行了 5 个横剖面勘探，勘探范围为副坝上游 100m、下游 190m。另外进行了大量的土工试验、物探、水文试验等工作。 2黄壁庄水库副坝塌坝段运行工况研究报告 1999 年 3 月副坝混凝土防渗墙工程开工后，
7、 针对施工期间槽孔坍塌、强渗漏、岩面鉴定等专门性工程地质问题，补充进行了抽水试验、物探、钻探及原位测试等工作。 2.1.1 地质条件 2.1.1.1 地形地貌 副坝兼跨三个地貌单元，即马鞍山侵蚀残丘、二级阶地及洪积扇。马鞍山残丘南坡与副坝相接，坡度较缓，地表高程由 135.00m 逐渐降至115.00m，在桩号 A0+347.00m 附近与二级阶地相连；副坝轴线桩号A0+347.00m5+805.00m 段处于二级阶地， 地形较为平缓， 两端高中间低，自上游至下游略有下降，地面高程 110.00m120.00m；桩号 A5+805.00m以西为洪积扇，其前缘在鲍庄、马山村、田都一带与二级阶地相
8、连，地面高程 120.00m135.00m，自西向东逐渐下降。 2.1.1.2 地层岩性 副坝地基分布元古界滹沱群、震旦系及第四系地层，由老至新。 (1)元古界滹沱群（Pt） 岩性主要为千枚岩、大理岩及薄层千枚岩与大理岩互层,分布范围为桩号 A3+160.00m5+960.00m 段,岩层产状 NE4050，SE4050。千枚岩及千枚岩与大理岩互层风化较深，表层为全风化，岩芯呈泥土状，全风化最厚处达 20.5m。 一般强风化厚度 315m， 强风化上部千枚岩强度较低，手可掰碎，所夹大理岩较硬，但局部融蚀强烈。 (2) 震旦系（Z） 位于桩号 A3+160.00m 以左，岩性为硅质灰岩，夹少量薄
9、层泥灰岩、泥质灰岩。桩号 A5+960.00m 以右为硅质灰岩，局部可见燧石团块、燧石条带，夹薄层泥灰岩、泥质灰岩、砂岩等，岩层产状为 NE5080，SE920。硅质灰岩一般较新鲜、坚硬，但泥灰岩、泥质灰岩局部表层为全风化， 最厚达 15.5m； 强风化岩体节理裂隙发育， 岩芯多为碎块状，中等硬度。弱风化岩体完整坚硬。沿轴线桩号 A0+935.00m1+840.00m3黄壁庄水库副坝塌坝段运行工况研究报告 段硅质灰岩中溶蚀较发育，多处发现溶洞，仅有少部分溶洞中充填红粘土，溶洞一般发育在岩面以下 13m，最大溶洞在桩号 A1+680.00m 处，达 6.5m 无充填物(3) 第四系中更新统冲洪积
10、物（al+plQ2） 含碎石红粘土：红褐色，可塑硬塑，碎石含量 5%30%，局部高达40%，碎石成分多为灰岩、大理岩，粒径 14cm。该层断续分布于基岩顶部。桩号 A2+940m3+630m 分布范围较广，轴线剖面上呈三角形，最厚达 25.5m。 (4) 第四系上更新统冲洪积物(al+PlQ3) 壤土、砂壤土：湿，可塑，局部软塑，钻进中有缩孔现象，该层连续分布于坝体土之下，厚度一般 46m，桩号 A4+520.00m 以右段厚1520m，局部夹砂层透镜体。 细砂、中砂、粗砂：湿，稍密中密，局部疏松。沿轴线方向分布在桩号 A0+320.00m5+040.00m 段，厚度一般 419m，分布高程8
11、5.00m108.00m，该层局部夹壤土、粉土透镜体。 砾石、 砾砂层： 中密， 砾石磨圆度较好， 分选中等， 砾径 0.51.5cm，最大 12cm。断续分布于卵石层之上，分布高程 81.00m92.00m。 卵石层： 为稍密密实状， 卵石磨圆度较好， 分选性差， 粒径 28cm，最大 41cm。含量 60%70%左右，局部地段达 80%。分布在桩号A1+200m5+600m 段，厚度一般 1020m，最厚达 26m，分布高程64m90m。 2.1.1.3 地质构造 由副坝基岩分布状况看出， 在桩号 A5+960.00m 处震旦系与滹沱群地层呈不整合接触；桩号 A3+160.00m 处发育
12、F1断层，推测断层距在 100m以上。断层左侧震旦系地层存在一个基岩深槽，覆盖层厚达 67m，断层右侧滹沱群地层为全风化深槽，厚达 20.5m。 据钻孔揭露桩号 A0+600.00m、A6+200.00m 处硅质灰岩中发育 F2 、F3断层，断层带处岩体呈 0.53cm 碎块状，可见黑色泥炭状物质，厚达4黄壁庄水库副坝塌坝段运行工况研究报告 3.1m，推测为高角度断层。 硅质灰岩中发育有高角度的节理裂隙，局部沿裂隙形成溶蚀空洞，一般宽度 35m， 多处形成破碎带， 岩体被节理裂隙切割成 0.21cm 碎块，节理、裂隙内有泥质充填。 2.1.2 水文地质条件 (1) 含水层划分：震旦系硅质灰岩富
13、含裂隙水和岩溶水；滹沱群千枚岩与大理岩互层及千枚岩层含水极为微弱；第四系砂及卵石层是丰富的孔隙含水层。各含水层的水均属潜水。副坝区局部地下水是微承压性质。 (2) 水文地质分带：桩号 A4+260.00m 以左段表层壤土较薄，下部砂卵石层较厚，其上补下排条件好；桩号 A4+260.00m 以右段表层土较厚，下部卵石层较薄，上补下排条件较前者差。 (3) 岩土体渗透性 千枚岩及千枚岩与大理岩互层渗透性小于大理岩和硅质灰岩。硅质灰岩、大理岩溶蚀及裂隙发育地段漏水严重，为较严重透水带。硅质灰岩一般为微透水层，但其渗透性极不均一，且规律性差；千枚岩及千枚岩与大理岩互层地段属微透水层， 值为 0.030
14、.003L/min.m.m，但基岩顶部与覆盖层接触带渗透性较强。 副坝地基覆盖层分布范围广、厚度大，是防渗处理的主要地段。壤土、砂壤土层渗透系数 k 为 810- 7310- 5cm/s；砂层渗透系数 k 为1020m/d；砾石（砾砂）层厚度变化较大，与下伏卵石层断续接触，砾砂渗透系数 k 为 3035m/d，砾石渗透系数 k 为 4050m/d；卵石层厚度较稳定， 厚度一般为2025m， 由坝前到坝后分布连续， 渗透系数k为80m/d。 以往资料认为沿砾石层与卵石层接触带渗透性最大，其中桩号A1+147.00m5+260.00m 段， 高程 77.00m92.00m 是集中渗漏带，渗透系数
15、k 为 130160m/d，局部达 450m/d。1998 年针对重点部位，在副坝轴线下游 90100m 处布设群孔抽水试验 2 组，结果表明砾卵石层的渗透系数 k 为 248.2m/d。历次试验证明集中渗漏带的渗透性比一般砾卵石层要大的多。 5黄壁庄水库副坝塌坝段运行工况研究报告 采用物探 8 字形自然电位法、充电法测定地下水流速，桩号A1+000.00m4+000.00m段 地 下 水 流 速 为33m/d ， 桩 号A4+000.00m6+000.00m 段地下水流速为 20m/d。 2.1.3 土的物理力学性质 (1) 对 1997 年地基土室内试验成果分析认为， 地基土为轻粉质壤土，
16、局部存在天然干密度低、天然含水量高、软塑状态土，相应地段力学指标偏低，具有高压缩性低强度，是地基中的薄弱带，对稳定不利。 (2) 由于实验方法所限， 含碎石红粘土室内试验渗透系数 k 值只能取粘土含量高的试样，故数值偏低，建议值为 3.410- 7610- 5cm/s。 2.1.4 坝体质量 根据对坝体质量的多次检查结果，汇总分析了其中主要试验数据，得出如下结论： (1) 少数坝段天然含水量超标，大部分坝段满足设计要求； (2) 局部水中倒土坝段天然干密度值低于设计值， 碾压坝段天然干密度值低于设计值的土样占 25%35%； (3) 在深度 6m 以下不同桩号、不同深度分布软塑状态的土，而且部分软塑土相应力学指标较低，是坝体中的薄弱带； (4) 渗透系数 k 为 810- 7310- 5cm/s； (5) 各项指标最大值与最小值相差较大，坝体土质量极不均一。 2.2 塌坝段地质情况 (1) 通过对坝体质量检查，副坝施工为水中
