戴永堅(jiān)

（晉中市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院 山西晉中 030600）

1 工程概況

1.1 工程地理位置及交通

工程位于山西省壽陽(yáng)縣羊頭崖鄉(xiāng)西草莊村東500m 處的瀟河干流上。水電站壩址距晉中市城區(qū)約44km，距壽陽(yáng)縣城約20km。壩址區(qū)有昔陽(yáng)至壽陽(yáng)的公路通過(guò)，太舊高速公路在壽陽(yáng)有入口，石太鐵路線在馬首設(shè)站，交通網(wǎng)絡(luò)四通八達(dá)，十分便利。

1.2 樞紐工程簡(jiǎn)介及主要設(shè)計(jì)指標(biāo)

樞紐工程建筑物包括水電站、供水發(fā)電洞、導(dǎo)流泄洪洞、溢洪道、擋水壩等。大壩壩型為碾壓式均質(zhì)土壩，其主要設(shè)計(jì)指標(biāo)見表1。

2 壩基及壩體土滲透穩(wěn)定性

2.1 壩基覆蓋層

壩基地面高程969.7～984.7m，從左往右、自上而下地形由高到低，相對(duì)高差約15m。壩基處發(fā)育有二級(jí)階地，Ⅰ級(jí)階地高出河床5～8m，階面高程975～982m，屬堆積階地，順壩軸線方向?qū)捈s90m；Ⅱ級(jí)階地為堆積階地，階面高程為980～985m，高出河床 10～15m，順壩軸線方向?qū)捈s40m。河漫灘處地面高程972～977m，順壩軸線方向?qū)捈s 100m。主河床呈蛇曲凸向右岸，河水從右岸坡腳下流過(guò)，主河床寬10～30m，地面高程970～971m，河床底部基巖大多裸露。

順壩軸線方向壩基寬 250m，僅在壩軸線上游Ⅰ級(jí)階地前緣和主河床部位出露 T1l-7 粉砂巖、細(xì)砂巖夾薄層泥巖，其余大部為第四系松散覆蓋層，覆蓋層總厚0～9m，基巖面高程970～977m。從左往右壩基部位覆蓋層涉及的地層巖性依次為：

Q3pal上部為低液限粉土，局部地段含少量漂石，漂石粒徑約1m，厚2.7～4.5m；下部為卵石混合土、級(jí)配不良砂（礫）夾低液限粉土透境體。近左岸坡腳下一帶為碎石混合土層，厚3.2～4.5m，為Ⅱ級(jí)堆積階地，覆蓋層總厚6～9m。卵石混合土、級(jí)配不良砂（礫）頂面高程976～980m，基巖面高程974～977m。

Q41pal上部為低液限粉土，厚2.0～5.9m，下部為卵石混合土、級(jí)配不良砂（礫）層，厚2.4～4.0m，為Ⅰ級(jí)堆積階地，覆蓋層總厚6～8m。卵石混合土、級(jí)配不良砂（礫）頂面高程975～978m，基巖面高程972～975m。

Q42pal為卵石混合土、級(jí)配不良砂（礫）層，松散，為河漫灘，厚1～5m，基巖面高程970～972m。

壩基含巨粒土及粗粒土。該類土主要位于Ⅰ、Ⅱ級(jí)階地下部及河漫灘，巖性以卵石混合土為主，夾有級(jí)配不良砂（礫）層。

表1 松塔水電站樞紐工程主要設(shè)計(jì)指標(biāo)表

2.1.1 滲透變形類型

（1）根據(jù) GB50287—99《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》規(guī)定，滲透變形的類型按式（1）、式（2）判別。

式中：PC為土的細(xì)顆粒含量，以質(zhì)量百分率計(jì)（%）；n為土的孔隙率（%）。

對(duì)于不連續(xù)級(jí)配土，土的細(xì)粒含量PC按級(jí)配曲線中平緩段確定，對(duì)于連續(xù)級(jí)配界線粒徑則按式（3）確定。

式中：df為粗細(xì)粒的區(qū)分粒徑，mm；d70為小于該粒徑的含量占總土重70%的顆粒粒徑，mm；d10為小于該粒徑的含量占總土重10%的顆粒粒徑，mm。

在計(jì)算孔隙率時(shí)，需要土粒比重Gs 及干密度ρd兩個(gè)參數(shù)。土粒比重取經(jīng)驗(yàn)值2.65，干密度取2.0g/cm3。由土粒比重和干密度求得孔隙率為24.5%，再由孔隙率求得劃分流土與管涌的細(xì)顆粒含量界線Pc′為33.1%，據(jù)篩分試驗(yàn)成果得出的Pc 與劃分流土與管涌的細(xì)顆粒含量Pc′對(duì)比結(jié)果見表2。從表中結(jié)果看，壩基土滲透變形類型均為管涌。

（2）根據(jù)《水利水電工程地質(zhì)手冊(cè)》中提供的經(jīng)驗(yàn)方法進(jìn)行判別。判別采用兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)：一是不均勻系數(shù)，二是細(xì)粒含量。

不均勻系數(shù)判別標(biāo)準(zhǔn)見表3。壩基覆蓋層層中不均勻系數(shù)一般大于20，故滲透變形類型以管涌為主。

細(xì)粒含量判別標(biāo)準(zhǔn)見表4。手冊(cè)中的細(xì)粒含量指粒徑小于1mm 的顆粒所占整個(gè)土重的比例（%）。

從歷次篩分曲線中查得，11組試樣中有10組細(xì)粒含量在4.2%～23.4%之間，1組為48.6%，大多小于25%，滲透變型類型以管涌為主。

綜上所述，壩基覆蓋層可能產(chǎn)生的滲透變型類型為管涌。

2.1.2 臨界水力比降的確定

根據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》，流土及管涌的臨界水力比降宜采用式（4）、式（5）計(jì)算。

表2 壩基覆蓋層滲透變形判別計(jì)算表

表3 滲透破壞形式與不均勻系數(shù)關(guān)系表

表4 滲透破壞與顆粒級(jí)配和細(xì)粒土含量關(guān)系表

式中：Jcr為土的臨界水力比降；Gs為土的顆粒密度與水的密度之比；n為土的孔隙率（%）；d5、d20分別為占總土重的5%和20%的土粒粒徑，mm。計(jì)算結(jié)果見表5。產(chǎn)生管涌的臨界水力比降平均值為0.19。

據(jù)壩基探坑、豎井滲水試驗(yàn)成果，壩基覆蓋層滲透系數(shù)在14.6～27.9m/d 之間。根據(jù)《水利水電工程地質(zhì)手冊(cè)》中管涌臨界水力比降與滲透系數(shù)關(guān)系曲線查得，Jcr=0.30～0.42，壩基覆蓋層細(xì)粒含量一般在4.2%～23.4%之間。據(jù)《水利水電工程地質(zhì)手冊(cè)》中臨界水力比降與細(xì)粒含量（＜1mm）關(guān)系曲線查得，Jcr=0.13～0.3。

經(jīng)綜合考慮后，建議產(chǎn)生管涌的臨界水力比降總體按0.24 考慮。

2.1.3 允許水力比降的確定

表5 壩基覆蓋層滲透變形判別計(jì)算表

根據(jù)GB50287—99《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》，宜以土的臨界水力比降除以1.5～2.0 的安全系數(shù)做為土的允許水力比降。考慮到本工程的重要性，安全系數(shù)取2.0，壩基土產(chǎn)生管涌變形的允許水力比降為0.12，建議進(jìn)行大壩設(shè)計(jì)時(shí)，壩基允許水力比降總體按0.12 考慮。

2.1.4 天然壩基滲透變形可能性判別

首先根據(jù)壩基滲透性地質(zhì)剖面，計(jì)算天然壩基滲透上升段的平均水力比降J升平的大小。根據(jù)地質(zhì)資料，壩基上部低液限黏（粉）土層厚0～5.9m，取2m，平均滲透系數(shù)取K=1.39m/d（1997年資料）。其下卵石混合土層平均厚約3.0m，滲透系數(shù)取壩基滲水試驗(yàn)平均值23.4m/d。

各帶壩后上升滲流段的平均水力比降按式（6）計(jì)算。

式中：J升平為壩后上升滲流段的平均水力比降；H1、H2為壩上、下游水位；T1、T2為上、下層的厚度；K1、K2為上、下層的滲透系數(shù)；2b為壩基寬度。

根據(jù)壩體各項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)，壩后上升滲流段的平均水力比降為0.74，計(jì)算結(jié)果見表6。

表6 天然壩基水力比降計(jì)算表

由表中計(jì)算結(jié)果看，天然壩基滲透上升段的平均水力比降為 0.74，大于壩基允許水力比降0.12，因此，壩基卵石混合土、混合土卵石層將產(chǎn)生管涌破壞。

2.2 壩基細(xì)粒土層

壩基Ⅰ、Ⅱ級(jí)階地上部的Q41pal、Q3pal上部低液限粉土天然狀態(tài)為中等壓縮性土，土層具濕陷性，層厚2.0～5.9m，其可能的滲透變形類型為流土。根據(jù)工程類比，建議其允許水力比降總體按0.5 考慮。

2.3 壩基基巖強(qiáng)風(fēng)化層

壩基基巖為三疊系下統(tǒng)劉家溝組 T1l-3－T1l-7 巖組，巖性以細(xì)砂巖、粉砂巖為主，并有砂質(zhì)泥巖、泥巖夾層。巖層產(chǎn)狀為N30°～50°W/SW∠5°～8°，傾向下游偏左岸。主要發(fā)育二組節(jié)理裂隙，產(chǎn)狀為：①N20o～40oE/SE∠40o～85o；②N80°～90W°/SW∠80°～90°。第①組中存在少數(shù)緩傾角裂隙。在壩線下游約120m 發(fā)育一f2斷層，傾向下游，傾角較大，約76°。據(jù)鉆探資料分析，壩基基巖強(qiáng)風(fēng)化層厚約1～5m。

基巖強(qiáng)風(fēng)化層由于巖石破碎、原節(jié)理張開，礦物蝕變、粒徑不均一、結(jié)構(gòu)松散、黏土礦物及細(xì)粒物質(zhì)相對(duì)較多，且滲透性較強(qiáng)，存在滲透變形的可能性，可能的變形形式為管涌。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，強(qiáng)風(fēng)化帶臨界水力比降建議按2.4 考慮，允許水力比降取1.2。壩基強(qiáng)風(fēng)化帶以下基巖，由于整體性強(qiáng)，無(wú)順河向大的斷層或裂隙通過(guò)，細(xì)粒顆粒含量少，故產(chǎn)生滲透變形的可能性極小。

2.4 壩體填土

據(jù)不均勻系數(shù)及細(xì)粒含量判斷，壩體填土的滲透破壞形式為流土。產(chǎn)生流土的臨界水力比降按式（4）進(jìn)行計(jì)算。據(jù)袁家山土料場(chǎng)土料的土工試驗(yàn)成果，土的顆粒密度Gs 取2.70，與配樣干密度對(duì)應(yīng)的平均孔隙比e 取0.632，換算成孔隙率為n=0.387。經(jīng)計(jì)算，產(chǎn)生流土的臨界水力比降為1.04。安全系數(shù)取2.0，建議壩體填土允許水力比降按0.52 考慮。

3 結(jié)論與建議

（1）庫(kù)區(qū)。庫(kù)區(qū)不存在沿庫(kù)岸的永久滲漏問(wèn)題，但存在沿庫(kù)底的滲漏，這部分滲漏量不大，可沿壩基或繞壩流出庫(kù)外。庫(kù)區(qū)基巖庫(kù)岸穩(wěn)定條件較好，局部土層岸坡段存在坍岸問(wèn)題。蓄水后庫(kù)區(qū)將淹沒(méi)獨(dú)堆、南莊、劉莊、蟬頭崖、里莊等自然村，里莊至曲曲溝庫(kù)尾一帶將有約0.68km2農(nóng)田及房屋受浸沒(méi)。庫(kù)區(qū)淤積物主要來(lái)源上游水流攜帶的泥砂及庫(kù)岸再造產(chǎn)物。建庫(kù)后產(chǎn)生水庫(kù)誘發(fā)地震的可能性不大。

（2）壩基。壩基覆蓋層厚 0～9m，覆蓋層及強(qiáng)風(fēng)化層存在滲透變形問(wèn)題，滲透變形類型主要為管涌。壩基存在滲漏問(wèn)題，以覆蓋層滲漏為主。壩基覆蓋層上部的低液限粉（黏）土為濕陷性土層，存在濕陷及不均勻變形問(wèn)題。建議全部清除覆蓋層或部分清除覆蓋層并對(duì)剩余覆蓋層進(jìn)行防滲處理。建議對(duì)壩基基巖進(jìn)行帷幕灌漿處理。

（3）其它建議。建議水庫(kù)建成蓄水后，對(duì)壩址區(qū)右岸古河道范圍內(nèi)設(shè)置的觀測(cè)孔進(jìn)行地下水位長(zhǎng)期觀測(cè)，并在古河道出口處進(jìn)行滲漏量等觀測(cè)。