賈國(guó)英

（山西省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 山西太原 030024）

石佛寺水庫(kù)工程位于大同市天鎮(zhèn)縣逯家灣鎮(zhèn)石佛寺村南的南洋河上，屬海河流域永定河水系洋河的二級(jí)支流。設(shè)計(jì)壩型為混凝土壩與閘結(jié)合的閘壩方案，設(shè)計(jì)壩高8 m，正常蓄水位978.2 m，庫(kù)容288.7萬(wàn)m3，屬?。?）型水庫(kù)。該水庫(kù)壩址工程地質(zhì)條件較復(fù)雜，文中對(duì)壩址巖土體工程地質(zhì)特性進(jìn)行了分析研究，為工程設(shè)計(jì)布置方案和工程處理提供可靠地質(zhì)依據(jù)。

1 壩址工程地形地質(zhì)條件

壩址處南洋河流向N14°E，河谷寬約100.0 m，地面高程971～976 m，地形較平坦。主河床靠右側(cè)，左側(cè)為河漫灘。左岸為基巖岸坡，但山體較單薄，高出河床約15 m，其頂部較平緩；右岸為基巖岸坡，山體渾厚，山勢(shì)較陡竣，山頂高程1 020～1 050 m。河谷呈不對(duì)稱“U”型谷。

壩址區(qū)出露地層巖性為太古界變質(zhì)巖及第四系松散堆積物。

1）太古界集寧群右所堡組上段（Ar1y2）

巖性主要為黑云斜長(zhǎng)片麻巖，局部夾花崗片麻巖。厚度大于800 m。主要分布于南洋河河谷底部及兩岸。

巖性主要為卵石混合土、級(jí)配不良礫，夾低液限粉土透鏡體，結(jié)構(gòu)松散，級(jí)配較差。厚度0～40 m。主要分布于壩址左岸階地及山前洪沖積平原區(qū)。

巖性主要為碎（卵）石混合土、級(jí)配不良礫，粒徑大小不等，結(jié)構(gòu)松散，具架空現(xiàn)象，局部夾低液限粉土。厚度0～20 m。主要分布于壩址右岸階地及沖溝內(nèi)。

巖性主要為卵石混合土，中部夾含礫級(jí)配不良砂，結(jié)構(gòu)松散，分選較差，礫石成分主要為變質(zhì)巖，磨圓度為次棱角～次圓狀。細(xì)粒主要為中細(xì)砂，礦物成分為石英、長(zhǎng)石及一些巖屑。厚0～21 m。主要分布于壩址南洋河河谷及其支流（溝）內(nèi)。

5）人工堆積（Qs）

巖性主要為級(jí)配不良砂，厚度0～3.0 m。主要分布于河床左岸漫灘及階地上，為人工洗礦形成。

壩址區(qū)地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，斷裂構(gòu)造不發(fā)育，為單斜巖層，巖層片麻理產(chǎn)狀：N10～20°W/SW∠50～60°，傾向上游偏左岸。巖體中主要發(fā)育四組陡傾角節(jié)理裂隙：①N65～75°W/NE∠70～80°； ②N20～30°W/NE∠70～80°； ③N30～40°W/NE∠30～45°； ④N65～75°E/NW或SE∠70～80°。其中第①、②組節(jié)理較發(fā)育。

根據(jù)地下水的賦存條件，區(qū)內(nèi)地下水類型主要為松散巖類孔隙水、變質(zhì)巖類裂隙水。變質(zhì)巖裂隙水含水層為集寧群右所堡組黑云斜長(zhǎng)片麻巖風(fēng)化帶，地下水主要賦存于風(fēng)化帶裂隙中，富水不均，且具有就地補(bǔ)給就地排泄的特點(diǎn)，主要向南洋河河谷徑流排泄。松散巖類孔隙水含水層主要為第四系全新統(tǒng)洪沖積卵石混合土、級(jí)配不良砂等，一般富水性較好，水量豐富，自南洋河河谷上游向下游徑流排泄。

2 工程地質(zhì)問(wèn)題評(píng)價(jià)及工程處理

2.1 壩基巖土體工程地質(zhì)特性

壩基河谷主要為卵石混合土層夾含礫級(jí)配不良砂層，基巖為右所堡組黑云斜長(zhǎng)片麻巖，為中硬巖，強(qiáng)風(fēng)化層厚2～5 m，弱風(fēng)化層厚10～15 m。

由于壩基上部卵石混合土層表層含雜物，建議清除表層含雜物的卵石混合土層，厚2.0 m，并對(duì)卵石混合土夯實(shí)，增加密實(shí)度。建議卵石混合土允許承載力200～250 kPa，開挖邊坡1∶0.65。根據(jù)卵石混合土的顆粒組成、級(jí)配、結(jié)構(gòu)等，建議混凝土與卵石混合土抗剪強(qiáng)度摩擦系數(shù)f=0.45～0.50。

2.2 壩基卵石混合土滲漏及滲透變形問(wèn)題

壩基持力層為全新統(tǒng)洪沖積卵石混合土夾含礫級(jí)配不良砂和強(qiáng)風(fēng)化巖，具中等～強(qiáng)透水性，構(gòu)成壩閘基滲漏層位，存在壩基滲漏問(wèn)題。卵石混合土平均厚度10.5 m，滲透系數(shù)為9.9 m/d；強(qiáng)風(fēng)化巖平均厚度為17 m，滲透系數(shù)取1.0 m/d。滲漏帶滲透系數(shù)取二者加權(quán)平均值為4.5 m/d，厚度為26.9 m。

選公式（1）計(jì)算壩基滲漏量：

式中：Q——滲漏量，m3/d；

H——壩前正常蓄水位與下游水位差，m；取值6.8 m；

2b—壩基寬度，m；取值12 m；

K—滲透層滲透系數(shù)，m/d；取值4.5m/d；

B—滲透層寬度，m；取值170 m；

T—滲透層厚度，m；取值26.9 m。

經(jīng)計(jì)算，在正常蓄水位876.5 m時(shí)，壩基滲漏量為3 597.3 m3/d，對(duì)壩基應(yīng)采取防滲措施。

壩基卵石混合土夾含礫級(jí)配不良砂在壩閘基及上下游連續(xù)分布，構(gòu)成滲漏層位，而且在壩閘上下游水位差產(chǎn)生的滲壓作用下可產(chǎn)生滲透變形。據(jù)顆分試驗(yàn)成果，卵石混合土層卵石含量約18.9%～25.6%，礫石含量48.9%～52.5%，砂粒含量23.6%～25.6%，粉黏粒含量1.9%～4.0%，不均勻系數(shù)Cu=98.5～130.5，曲率系數(shù)Cc=0.85～2.45。經(jīng)計(jì)算，壩基卵石混合土層不均勻系數(shù)Cu=98.5～130.5，均大于5，細(xì)顆粒含量P=14%～21%，均小于25%，壩基土滲透變形類型為管涌。

卵石混合土層管涌的臨界水力比降采用《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（GB50487-2008）附錄G中管涌型或過(guò)渡型計(jì)算公式（2）：

式中：Jcr——土的臨界水力比降；

Gs——土的顆粒密度與水的密度之比，取2.74；

n——土的孔隙率；%；取37.5%；

d5、d20——分別占總土重的5%和20%的土粒粒徑，mm；分別為0.113 mm、0.765 mm。

經(jīng)計(jì)算，壩基混合土卵石層臨界水力比降Jcr=0.22?？紤]本工程的重要性，取安全系數(shù)2，壩基卵石混合土層允許水力比降J允許=0.11。

2.3 壩基地震液化問(wèn)題

工程區(qū)抗震基本烈度為7度，壩基全新統(tǒng)洪沖積卵石混合土層小于5 mm顆粒含量質(zhì)量百分率為27.5%～29.6%，小于30%，初判為不液化土層。全新統(tǒng)洪沖積含礫級(jí)配不良砂層，粉黏粒含量1.7%～3.1%，黏粒含量小于16%，初判可能液化土。

采用標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)法進(jìn)行復(fù)判，工程實(shí)際運(yùn)用時(shí)標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)N為6.8～8.1擊，標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)臨界值Ncr為10.4～13.6擊，級(jí)配不良砂層存在液化問(wèn)題。

2.4 壩閘后沖刷問(wèn)題

閘壩下游沖刷是指壩頂溢流對(duì)下游巖土體的沖刷作用。閘壩溢流采用閘頂溢流方式，水頭落差約5m。閘壩下游地表地層為卵石混合土，卵石含量約18.9%～25.6%，礫石含量48.9%～52.5%，砂粒含量23.6%～25.6%，粉黏粒含量1.9%～4.0%，平均粒徑d50=8.5 mm，不均勻系數(shù)Cu=98.5%～130.5%，曲率系數(shù)Cc=0.85～2.45。其鉆孔錐貫擊數(shù)2.9～10.8擊，密實(shí)度狀態(tài)松散～稍密。卵石混合土層礫、砂含量較大，結(jié)構(gòu)較松散，抗沖刷能力低。建議對(duì)大壩下游卵石混合土層采取抗沖刷措施。

2.5 左壩肩巖體穩(wěn)定及繞壩滲漏問(wèn)題

2.5.1 左壩肩巖體穩(wěn)定

左壩肩岸坡傾向NE，岸坡坡度45°。岸坡基巖裸露，巖體中裂隙較發(fā)育。出露地層巖性主要為集寧群右所堡組黑斜長(zhǎng)片麻巖。左壩肩巖層片麻理產(chǎn)狀N10～20°W/SW∠50～60°。主要發(fā)育四組陡傾角節(jié)理裂隙，巖體中軟弱結(jié)構(gòu)面不發(fā)育，左壩肩巖體整體穩(wěn)定性較好。

2.5.2 左壩肩繞壩滲漏

壩址左岸上、下游各發(fā)育一支溝，兩溝之間山梁寬約250 m。左壩肩處基巖裸露，向四周基巖埋深加大，S201省道以南基巖埋深0～40 m。上部覆蓋層為第四系上更新統(tǒng)洪沖積級(jí)配不良礫夾低液限粉土透鏡體，為古河道。

通過(guò)對(duì)壩址左岸灌概用機(jī)井地下水位進(jìn)行調(diào)查，可知左岸地下水向南洋河及下游排泄，無(wú)因古河道而存在的地下水低洼強(qiáng)徑流帶?，F(xiàn)狀左岸地下水水力坡度6.1‰～20.2‰，地下水略高于正常蓄水位，左岸近南洋河處地下水補(bǔ)給河水，地下水位水力坡度較小。

水庫(kù)正常蓄水位978.2.0 m，水庫(kù)蓄水后，壩近左岸地下水位低于正常蓄水位，存在沿級(jí)配不良礫及強(qiáng)風(fēng)化基巖繞壩滲漏問(wèn)題。

據(jù)鉆孔壓(注)水試驗(yàn)及豎井滲水資料，級(jí)配不良礫滲透系數(shù)5.18～12.3 m/d，具中等～強(qiáng)透水性。

正常蓄水位以下級(jí)配不良礫透水帶厚10～23 m，平均16.5 m。左壩肩巖體滲透性等級(jí)為弱～中等透水性。以巖體透水率小于10 Lu做為相對(duì)隔水層。左壩肩上部中等透水帶巖體滲透系數(shù)1.5～2.5 m/d，基巖中等透水帶厚7～10 m，平均取8.5 m。該段滲漏帶滲透系數(shù)取其加權(quán)平均值為8.90 m/d。

在正常蓄水位978.2 m時(shí)，根據(jù)左壩肩透水性特征，左壩肩上游滲漏層厚度約25 m，下游巖體滲漏層厚度約16.4 m。左壩肩滲漏帶寬度按現(xiàn)有地下水位水力坡度6‰推算至正常蓄水位978.2時(shí)，長(zhǎng)1 010 m。左壩肩繞壩滲漏選用公式（3）進(jìn)行估算：

式中：Q——繞壩滲漏量，m3/d；

k——基巖滲透系數(shù)，m/d；

H——大壩上游與下游水位差，m；

H1、H2——剖面上游、下游透水層厚度，m；

B——繞壩滲漏帶寬度，m；B=L/π，L為滲漏帶寬度，B取321.7；

r0——壩肩繞滲帶最小半徑，m。

經(jīng)計(jì)算，在正常蓄水位時(shí)，左岸繞壩滲漏量為1 638 m3/d。建議對(duì)左壩肩級(jí)配不良礫及中等透水巖體進(jìn)行防滲處理。考慮本工程的重要性和功能，以及左岸透水巖體的分布情況，建議防滲寬度50～60 m為宜。

2.6 右壩肩巖體穩(wěn)定及繞壩滲漏問(wèn)題

2.6.1 右壩肩巖體穩(wěn)定

右壩肩基巖裸露，岸坡傾向W，岸坡坡度40°。片麻理產(chǎn)狀N10～20°W/SW∠50～60°。 主要發(fā)育四組陡傾角節(jié)理裂隙，巖體中軟弱結(jié)構(gòu)面不發(fā)育，右壩肩巖體整體穩(wěn)定性較好。

2.6.2 右壩肩繞壩滲漏

右壩肩繞壩滲漏主要是基巖裂隙滲漏，地下水位較河水位稍高。

鉆孔揭露深度內(nèi)巖體滲透性等級(jí)為弱透水性～中等透水性。以巖體透水率小于10 Lu做為相對(duì)隔水層。右壩肩巖體中等透水帶透水率9.0～11.8 Lu，平均值為10.6 Lu，換算滲透系數(shù)為K=0.10 m/d。

在正常蓄水位978.2 m時(shí)，按式（3）進(jìn)行計(jì)算，右岸繞壩滲漏量為216 m3/d。建議對(duì)右壩肩巖體進(jìn)行帷幕灌漿處理，根據(jù)右壩肩地質(zhì)條件和滲漏層的特點(diǎn)，建議防滲寬度30～40 m。

3 結(jié)語(yǔ)

石佛寺水庫(kù)壩址南洋河為峽谷型河段，發(fā)育地層主要為太古界集寧群右所堡組黑云斜長(zhǎng)片麻巖和第四系松散堆積物。壩基持力層為全新統(tǒng)洪沖積卵石混合土，主要存在壩基滲漏及滲透變形問(wèn)題，建議對(duì)壩基卵石混合土和風(fēng)化基巖進(jìn)行防滲，深度進(jìn)入弱風(fēng)化巖體5～8 m。全新統(tǒng)洪沖積物中部夾含礫級(jí)配不良砂，經(jīng)采用標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)判斷為可液化層，但考慮到其上部卵石混合土具強(qiáng)透水性，起較好的排水作用，地震時(shí)液化不易發(fā)生，可不進(jìn)行處理。壩閘后泄流段主要為卵石混合土層，其抗沖刷能力較低，建議設(shè)海漫和消力池，防止泄流時(shí)沖刷淘蝕影響閘基穩(wěn)定。左右壩肩巖體穩(wěn)定性較好，主要存在繞滲問(wèn)題，建議進(jìn)行防滲。