蘇 星，劉亞新

（中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川成都 610072）

西非某水電站壩基巖土體透水性初步分析

蘇 星，劉亞新

（中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川成都 610072）

壩基滲漏是指水庫(kù)蓄水后由于上、下游水頭差，使水庫(kù)中水沿壩基巖土體的孔隙、裂隙、斷層等通道向下游的滲漏，不僅造成庫(kù)水的流失，而且對(duì)壩基產(chǎn)生滲透壓力，對(duì)巖土中的細(xì)微顆粒產(chǎn)生沖刷，還可能引起巖土體潛蝕導(dǎo)致壩基失穩(wěn)。因此，研究壩基巖土體的透水性，采取有針對(duì)性的處理措施對(duì)壩基滲流進(jìn)行控制，將其不利影響減少到允許范圍內(nèi)，對(duì)保證水工建筑物的安全運(yùn)營(yíng)意義重大。本文根據(jù)在建的西非某水電站的工程特點(diǎn)，以各階段的地質(zhì)資料為基礎(chǔ)，對(duì)壩基巖土體的滲透性進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。

壩基；巖土體；滲透系數(shù)

1 概 述

西非某水電工程以發(fā)電為主，采用混合式開(kāi)發(fā)，壩長(zhǎng)4.5 km、最大壩高20.5 m，裝機(jī)容量為270 MW，水工建筑物主要由大壩和引水發(fā)電系統(tǒng)組成。

大壩由主壩和副壩組成，壩型主要有三種，包括均質(zhì)土壩、土石混合壩、心墻堆石壩。土石壩沿地勢(shì)較高處修建，并延伸至廠房上游，溢洪道和進(jìn)水口為混凝土結(jié)構(gòu)嵌入大壩內(nèi)，既有擋水功能，又有泄水和引水功能。

引水發(fā)電系統(tǒng)包括引水渠、進(jìn)水口、壓力鋼管、電站廠房和尾水渠。引水渠由開(kāi)挖覆蓋層后形成。進(jìn)水口為嵌入大壩內(nèi)的混凝土結(jié)構(gòu)，由3個(gè)進(jìn)水塔組成。壓力鋼管連接進(jìn)水口和電站廠房，采用“單機(jī)單管”明管布置。電站廠房型式為地面廠房，最大開(kāi)挖深度60 m。尾水渠沿岔河河床開(kāi)挖形成，長(zhǎng)度2 065 m。電站樞紐布置見(jiàn)圖1。

圖1 西非某水電站樞紐布置示意

2 地質(zhì)條件

2.1 基本地質(zhì)條件

西非某水電站位于平原地區(qū)，壩址區(qū)兩岸地形平緩，海拔高程140～200 m，一般自然坡度7°～10°，屬丘陵～平原地貌。河流蜿蜒曲折，總體呈南東30°方向流經(jīng)壩址區(qū)。河谷較寬闊，河水面寬400～800 m，河道內(nèi)有數(shù)個(gè)“江心島”將主河道分割成多條叉河。

樞紐區(qū)基巖主要為前寒武系（γ2m）花崗巖、花崗片麻巖。第四系松散堆積物主要分布于河床兩岸，僅主河道、廠房和尾水渠有零星基巖出露。壩址區(qū)附近未見(jiàn)大的斷層發(fā)育。地質(zhì)構(gòu)造主要表現(xiàn)為節(jié)理裂隙，裂面多平直粗糙，閉合無(wú)充填，延伸長(zhǎng)度多小于3 m。

花崗巖、花崗片麻巖致密、堅(jiān)硬，較完整，多呈塊狀構(gòu)造。工程區(qū)地處赤道附近，屬于熱帶雨林氣候，高溫多雨，巖體風(fēng)化作用強(qiáng)烈。樞紐區(qū)兩岸大部分巖體存在全、強(qiáng)風(fēng)化帶，全強(qiáng)風(fēng)化巖體呈碎裂～散體結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)部分已破壞，除石英外，部分礦物已蝕變?yōu)榇紊V物。全、強(qiáng)風(fēng)化巖體厚度一般小于3 m；兩岸的弱風(fēng)化巖體厚度一般小于2.5 m，其下為微新巖體。

2.2 壩基巖土體工程地質(zhì)分層

按工程地質(zhì)性狀，工程區(qū)地層可分為5層，各層巖土體起伏較小總體平緩近水平，按埋深由下至上依次為：

（1）微新巖體：花崗巖、花崗片麻巖，兩岸埋深一般在15～30m以下，巖體新鮮完整，裂隙不發(fā)育，以整體塊狀為主。

（2）弱風(fēng)化巖體：花崗巖、花崗片麻巖，在廠房及河床部位出露地表，厚度一般小于2.5m，裂隙較發(fā)育，裂面多輕～中度銹染，巖體以次塊狀結(jié)構(gòu)為主。

（3）全、強(qiáng)風(fēng)化層：花崗巖、花崗片麻巖，在薩桑德拉河兩岸及山坡有露頭出現(xiàn)，巖石礦物已發(fā)生蝕變，中上部呈中粗顆粒的砂、風(fēng)化囊、風(fēng)化團(tuán)塊，夾泥，下部呈散體～碎裂狀的巖塊，在殘積土層以下廣泛分布。

（4）殘積土層：主要為砂質(zhì)粘土、粘土，顏色多呈褐色、黃褐色，該層厚度可達(dá)15m。

（5）沖積砂層：主要由細(xì)砂、粗砂、粘質(zhì)砂土等組成，厚度一般小于3m。

3 壩基巖土體透水性分析

3.1 單一巖層透水性

西非某水電站溢洪道、進(jìn)水口為混凝土結(jié)構(gòu)，壩基置于弱風(fēng)化～微新巖體，透水性能較差，且對(duì)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)了帷幕灌漿。兩岸土石壩的建基面絕大部分為殘積土層，壩基滲漏涉及到?jīng)_積層、殘積土層、全強(qiáng)風(fēng)化層、弱風(fēng)化巖體及強(qiáng)風(fēng)化巖體滲透條件復(fù)雜，以下主要對(duì)土石壩壩基巖土體的透水性進(jìn)行分析。

壩址區(qū)地下水按賦存條件可分為基巖裂隙水和第四系孔隙潛水兩種類(lèi)型?；鶐r裂隙水，主要受巖體節(jié)理裂隙控制，張性裂隙含水，局部可見(jiàn)此類(lèi)裂隙具地下水潛蝕形成的張開(kāi)現(xiàn)象，此外巖體淺表部發(fā)育的卸荷裂隙，利于淺層地下水的活動(dòng)。第四系孔隙潛水，主要賦存于壩區(qū)兩岸的殘積土層、沖積層及全風(fēng)化層內(nèi)。

沖積層主要為粘質(zhì)砂土，該層結(jié)構(gòu)松散，主要分布在河床兩岸，厚度一般小于3 m，平均厚度1.5 m。室內(nèi)試驗(yàn)顯示，在無(wú)荷載的條件下，滲透系數(shù)為1.4 ×10-4～1.8×10-4cm／s，負(fù)荷條件下，滲透系數(shù)為3×10-5cm／s和2.8×10-5cm／s。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)勘察及試驗(yàn)情況，結(jié)合相關(guān)規(guī)程規(guī)范及可行性研究階段的成果，采用工程類(lèi)比法，提出沖積層的滲透系數(shù)建議參考值為1×10-4cm／s和1×10-5cm／s，為弱透水層。

殘積土層主要為砂質(zhì)粘土、粘土，厚度可達(dá)15m，平均厚度5.7 m。試驗(yàn)結(jié)果表明，該層結(jié)構(gòu)較密實(shí)，對(duì)于低壩基礎(chǔ)或低地應(yīng)力建筑物基礎(chǔ)可以利用。該層共進(jìn)行了25組試驗(yàn)，從75%的試驗(yàn)中得到的滲透率大約為10-5cm／s；從25%的試驗(yàn)中，得到的滲透率大約為10-6cm／s，由此得出該層的滲透率在10-5cm／s和10-6cm／s之間變化，為微透水層。

全風(fēng)化層進(jìn)行了37組Nasberg或Lefranc鉆孔試驗(yàn)，其中10%的實(shí)驗(yàn)滲透率大約為10-3cm／s，40%的實(shí)驗(yàn)滲透率大約為10-4cm／s，45%的實(shí)驗(yàn)滲透率大約為10-5cm／s，5%的實(shí)驗(yàn)滲透率大約為10-6cm／s。全風(fēng)化層下伏的強(qiáng)風(fēng)化巖體由于裂隙發(fā)育，風(fēng)化程度不均勻，中粗顆粒的砂粒、泥質(zhì)條帶、風(fēng)化團(tuán)塊及巖塊混雜，導(dǎo)致透水率略高。全強(qiáng)風(fēng)化層的厚度一般小于3 m，平均厚度約為1.8 m，綜合現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)勘察及試驗(yàn)情況，采用工程類(lèi)比法，提出該層的滲透系數(shù)建議參考值為1×10-2cm／s和1× 10-4cm／s，為中等透水層。

弱風(fēng)化巖體的厚度一般小于2.5 m，平均厚度約1.5 m?？裳须A段壩區(qū)鉆孔的壓水試驗(yàn)結(jié)果表明弱風(fēng)化巖體的透水率一般為3～15 Lu，大部分試驗(yàn)值集中在3～6 Lu之間，個(gè)別試段可達(dá)20 Lu。該層巖體厚度總體較小，淺表部裂隙較發(fā)育、巖體較破碎，以試驗(yàn)成果為基礎(chǔ)提出透水率建議參考值為3～20 Lu，相對(duì)應(yīng)的滲透系數(shù)為2.47×10-5～2.92× 10-4cm／s，為弱偏中等透水。

壓水試驗(yàn)成果顯示，隨著埋深的增大巖體透水率降低趨勢(shì)明顯。弱風(fēng)化以下的微新巖體從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，試驗(yàn)段的透水率除個(gè)別達(dá)3 Lu外普遍小于1 Lu，大部分集中在0.5～0.01 Lu之間，表明該層巖體主要處于微～極微透水狀態(tài)，透水率參考建議值小于1 Lu，對(duì)應(yīng)的滲透系數(shù)小于1×10-5cm／s。土石壩典型斷面見(jiàn)圖2。

圖2所示為西非某工程土石壩的典型斷面圖，微新巖體致密、完整、裂隙不發(fā)育，滲透系數(shù)小于10-5cm／s，可視為相對(duì)隔水層。沖積砂層、殘積土層、全強(qiáng)風(fēng)化層及弱風(fēng)化巖體為含水層。

圖2 土石壩典型斷面示意

3.2 壩基巖土體綜合透水性分析

由于本工程所涉及的各層巖土體的滲透系數(shù)均不相同，壩基以下含水層為非均質(zhì)含水層，整體透水性隨方向發(fā)生變化為各向異性。其中沖積砂層、殘積土層的透水性為各向同性；全強(qiáng)風(fēng)化層、弱風(fēng)化巖體的透水性受裂隙發(fā)育程度及產(chǎn)狀的控制發(fā)生變化為各向異性，考慮到壩區(qū)巖體裂隙普遍為陡傾角且走向大體垂直于壩軸線或與壩軸線呈小角度，為簡(jiǎn)化計(jì)算以各向同性來(lái)進(jìn)行分析。

若將壩基的非均質(zhì)含水層假想為均質(zhì)含水層，該假想的均質(zhì)含水層在壩基蓄水后的水力坡度及厚度和原含水層相同，則可計(jì)算水平層狀非均質(zhì)含水層水平方向的平均滲透系數(shù)Kx和垂直方向的平均滲透系數(shù)Ky，各層巖土體的滲透參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 壩基各層巖土體厚度及滲透參數(shù)

由于土石壩建基面的沖積砂層已被挖除，因此壩基含水層巖土體透水性分析不考慮沖積砂層的影響。以L2、L3、L4和K2、K3、K4分別代表殘積土層、全風(fēng)化層、弱風(fēng)化巖體的平均層厚和滲透系數(shù)計(jì)算值，根據(jù)地下水動(dòng)力學(xué)的相關(guān)計(jì)算公式可得：

Kx是水平非均質(zhì)界面流動(dòng)的平均滲透系數(shù)為2.13×10-4cm／s，而Ky是垂直非均質(zhì)界面流動(dòng)的平均滲透系數(shù)為1.14×10-5cm／s。對(duì)于層狀非均質(zhì)含水系統(tǒng)，水流平行界面時(shí)的平均滲透系數(shù)（Kx）最大，水流垂直界面時(shí)的平均滲透系數(shù)（Ky）最小，其他方向的滲透系數(shù)在上述兩個(gè)數(shù)值之間漸變，由此可知壩基巖土體含水層的平均滲透系數(shù)（K）在1.14 ×10-5cm／s和2.13×10-4cm／s之間于不同方向變化，總體呈弱透水。

4 結(jié)束語(yǔ)

控制壩基滲漏的方法很多，為減少壩基滲漏量，可以采用上游水平鋪蓋、垂直混凝土防滲墻及帷幕灌漿等措施。大壩庫(kù)水為壩基滲漏的主要補(bǔ)給水源，西非某水電站大壩上下游以及整個(gè)庫(kù)區(qū)兩岸廣泛分布的殘積土層透水性較弱，其滲透系數(shù)僅為1 ×10-6cm／s≤K＜1×10-5cm／s為微透水層，相當(dāng)于對(duì)整個(gè)壩區(qū)、庫(kù)區(qū)設(shè)置了一道天然的水平防滲鋪蓋，有效的阻隔了大壩庫(kù)水對(duì)壩基滲漏的補(bǔ)給水源，對(duì)整個(gè)土石壩的壩基防滲極為有利。綜合以上分析，西非某水電站的土石壩不需要進(jìn)行特殊的防滲處理措施。

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1003-9805（2015）04-0016-03

2014-11-04

蘇星（1983-），男，甘肅慶陽(yáng)市人，工程師，從事水電工程地質(zhì)勘察工作。