曾宇光

（山西省水利水電勘測設計研究院 山西太原 030024）

1 工程概況

桑干河河道治理工程源子河段位于朔州城區(qū)神頭鎮(zhèn)一帶，該段屬海河流域桑干河上游支流。工程分源子河河道3.9 km堤防建設、4座壅水建筑物、神頭泉組的護岸整治三部分。工程建成后形成景觀水面217.55萬m2，蓄水總量約200萬m3，綠地面積75.8萬m2，觀光園路及人行步道長度14.1 km，將神頭泉建設成天藍、地綠、水清、景美，人水和諧的水利風景區(qū)。其中鋼壩閘位于源子河設計樁號2+043 m處河谷左邊，壩高5.0 m，總寬140.2 m，共分為5孔，其中單孔凈寬20 m。鋼壩閘由上游鋪蓋段、閘室段、下游消力池及海漫段組成，總長度31.1m。其中閘室段長17.5m。鋼壩閘右與溢流景觀堰相接。

2 地基土工程地質(zhì)特性

閘壩處發(fā)育地層主要為第四系松散堆積物，從上到下分述如下：

1）第四系全新統(tǒng)洪沖積物（Q4pal）

上部為黃褐色含砂低液限粉土，結構松散，含植物根系、腐殖質(zhì)，稍濕。含砂低液限粉土天然狀態(tài)下含水率20.5%～25.4%，平均值22.9%，土粒比重2.69，天然密度1.97～2.05 g/cm3，平均值2.00 g/cm3，干密度1.44～1.51 g/cm3，平均值1.47g/cm3，黏粒含量5.9%～13.8%，平均值9.8%，孔隙比e為0.787～0.888，平均0.850，液性指數(shù)IL0.60～1.00，平均值0.80，滲透系數(shù)1.67×10-3～1.00×10-5cm/s，平均值3.77×10-4cm/s，多具中等透水性。飽和壓縮系數(shù)av1-2值0.37～0.68 MPa-1，平均值為0.55 MPa-1，屬高壓縮性土，飽和快剪抗剪強度凝聚力c值4.7～8.6 kPa，標準值4.8 kPa，內(nèi)摩擦角（ φ）值10.0～15.0°，標準值11.4°。 厚0.7～2.0 m。

下部為級配不良礫，結構松散，卵礫石成分主要為灰?guī)r，多呈次棱角～次圓狀，分選較差，局部含低液限粉土透鏡體。級配不良礫含量54.1%～75.1%，平均值67.5%，砂含量23.4%～44.3%，平均值31.1%，粉黏粒含量1.0%～1.6%，平均值1.4%，不均勻系數(shù)8.1～63.6，平均值28.3。級配不良礫層標準貫入錘擊數(shù)經(jīng)桿長修正后7.7～14.5擊，平均9.6擊，呈稍密狀?？辜魪姸饶哿值取0 kPa，內(nèi)摩擦角（φ）值29.4°。滲透系數(shù)8～13m/d，滲透性等級為中等～強透水。厚10～12.5m。

2）第四系上更新統(tǒng)洪沖積物（Q3pal）

巖性為黃褐色低液限黏土，濕～飽和，結構稍密～中密，夾級配不良砂、卵石混合土透鏡體。低液限黏土天然狀態(tài)下含水率10.2%～25.5%，平均值為19.1%，天然密度1.57～2.05 g/cm3，平均值為1.87 g/cm3，干密度值1.40～1.62 g/cm3，平均值為1.51 g/cm3，孔隙比值0.569～0.943，平均值0.735，液性指數(shù)IL-0.83～0.53，平均值小于零，黏粒含量7.6%～26.5%，平均值17.7%，水平滲透系數(shù)2.17×10-5～2.41×10-4cm/s，平均值7.75×10-5cm/s，具弱透水性。飽和壓縮系數(shù)av1-2值0.13～0.27 MPa-1，平均值為0.20 MPa-1，具中等壓縮性土，飽和快剪抗剪強度凝聚力c值9.8～17.6 kPa，標準值8.1 kPa，內(nèi)摩擦角（ φ）值16.0～19.0°，標準值15.4°。鉆孔標準貫入錘擊數(shù)8.5～15.6擊，平均值11.5擊。厚度大于10 m，壩址處地下水類型主要為松散巖類孔隙水，地下水水位同現(xiàn)河水位接近。

3 地基土承載力

1）理論計算方法

取單孔閘基礎作為單元進行分析計算，閘壩基礎為矩形基礎，鋼壩閘在正常使用狀態(tài)下主要荷載分布有基礎自重（G）、上部荷載（F1）、蓄水自重（F2）、靜水壓力（F3）、揚壓力（F4）。其受力情況及基礎底面尺寸如圖1所示，基礎受力為單向（順河流向）偏心荷載。按《水閘設計規(guī)范》（SL235-2001）計算最大基底應力為90 kPa.

采用《水閘設計規(guī)范》（SL235-2001）附錄H地基允許承載力計算方法，采用限制塑性區(qū)開展深度的臨塑荷載方法計算地基允許承載力。計算公式如下：

圖1 基礎尺寸及受力圖（單位：m）

式中：[R]——按臨塑荷載方法計算地基允許承載力，kPa；

Nb、Nd、Nc——承載力系數(shù)，可由計算公式或查表取得，主要與地基土內(nèi)摩擦角（φ）有關；

γb——基礎底面以下土的重度，地下水位以下取浮重度，kN/m3；

γd——基礎底面以上土的加權平均重度，地下水位以下取浮重度；kN/m3；

b——基礎底面寬度，m，大于6 m時按6 m取值，對于砂土小于3 m時按3 m取值；

c——地基土的黏聚力標準值，kPa。

采用上述公式分別對地基分布土層進行計算，結果見表1。

2）按原位測試及經(jīng)驗查表法

參考《工程地質(zhì)手冊》（第四版），據(jù)地基土原位測試及物理力學參數(shù)，地基土允許承載力見表2。

結合工程經(jīng)驗及地基巖土體實際受力情況，確定地基允許承載力。表層含砂低液限粉土及級配不良礫層為淺層地基土，較符合淺基礎臨塑荷載理論計算公式，地基允許承載力建議值含砂低液限粉土60 kPa、級配不良礫220 kPa；低液限黏土層埋深10～13 m，地基允許承載力采用按標準貫入及物性指標確定取320 kPa。

表1 按臨塑荷載方法計算地基允許承載力參數(shù)及成果表

經(jīng)荷載計算，閘壩最大基底壓力90 kPa，可取級配不良礫層為主要持力層。

表2 按原位測試及經(jīng)驗查表法確定地基允許承載力表

4 滲漏及滲透穩(wěn)定問題

壩（堰）基置于全新統(tǒng)級配不良礫層，厚10～12.5m，滲透系數(shù)8～13 m/d，滲透性等級為中等～強透水。在閘基連續(xù)分布，構成滲漏層位，存在壩基滲漏問題，其下中更新統(tǒng)低液限黏土為相對隔水層。再者，在閘上下游水頭差產(chǎn)生的滲透壓力作用下級配不良礫可產(chǎn)生滲透變形，存在滲透穩(wěn)定問題。

1）級配不良礫層滲漏計算

級配不良礫層滲漏量按以下公式進行計算：

式中：Q——滲漏量，m3/d；

H——壩前正常蓄水位與下游水位差，m；

2b——壩基寬度，m；

K——滲透層滲透系數(shù)，m/d；

B——滲透層寬度，m；

T——滲透層厚度，m。

經(jīng)計算，壩基松散層滲漏量計算成果見表3。

表3 閘基級配不良礫層滲漏計算表

可知，閘基級配不良礫層滲漏量為2 653 m3/d，滲漏性大，建議采取防滲措施。

2）滲透變形類型

據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（GB50287-2008）附錄G土的滲透變形判別規(guī)定，低液限粉土為黏性土，其滲透變形類型為流土。級配不良礫按土的細顆粒含量（P），以質(zhì)量百分率計（%），以下列判別式來判別：

流土：P≥35%

過渡型：25%≤P＜35%

管涌：P＜25%

細顆粒含量的確定應符合下列規(guī)定：

①級配不連續(xù)的土：顆粒大小分布曲線上至少有一個以上粒組的顆粒含量小于或等于3%的土，稱為級配不連續(xù)的土。以上述粒組在顆粒大小分布曲線上形成平緩段的最大粒徑和最小粒徑的平均值或最小粒徑作為粗、細顆粒的區(qū)分粒徑df，相應于該粒徑的顆粒含量為細顆粒含量。

②級配連續(xù)的土：粗、細顆粒的區(qū)分粒徑為

式中：df——粗細粒的區(qū)分粒徑，mm；

d70——小于該粒徑的含量占總土重70%的顆粒粒徑，mm；

d10——小于該粒徑的含量占總土重10%的顆粒粒徑，mm。

由現(xiàn)場級配不良礫取樣顆分曲線判定，級配不良礫為級配連續(xù)的土，計算其粗細粒區(qū)分粒徑df為0.2～2.3 mm，相對應的細顆粒含量P為5%～22%，均小于25%，判定級配不良礫滲透變形類型為管涌型。

3）允許水力比降的確定

臨界水力比降采用《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（GB50287-2008）附錄G中公式計算，低液限粉土采用流土型計算公式

級配不良礫層采用管涌型或過渡型計算公式：

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，低液限粉土取2.69，級配不良礫取2.65；

n——土的孔隙率（%）,低液限粉土45%，級配不良礫取48%；

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d5、d20——分別占總土重的5%和20%的土粒粒徑，mm，分別取0.35、1.27。

經(jīng)計算，低液限粉土臨界水力比降Jcr=0.93，級配不良礫層臨界水力比降Jcr=0.27。

壩基級配不良礫層的允許水力比降等于臨界水力比降除以安全系數(shù)。當滲透穩(wěn)定對水工建筑物危害較大時，安全系數(shù)取2為宜。建議低液限粉土J允許=0.46，級配不良礫層J允許=0.13。

4）滲透變形可能性判別

據(jù)閘基處壩基滲透地質(zhì)剖面，計算閘基滲透上升段的水力坡降J升平。閘基表層為低液限粉土，層厚0.7～2.0 m，平均滲透系數(shù)3.77×10-4cm/s，合0.32 m/d。下為級配不良礫層，厚10～12.5 m，滲透系數(shù)8～13 m/d。閘基滲透上升滲流段的水力坡降可按下式計算：

H——閘壩上、下游水位差；

T1、T2——低液限粉土層、級配不良礫層的厚度；

K1、K2——低液限粉土層、級配不良礫層的滲透系數(shù)；

2b——壩基寬度。

經(jīng)計算，天然閘基滲透上升段的水力比降J升平為2.4，大于閘基允許水力比降，存在滲透變形破壞問題，需進行處理。

5 結論

閘基級配不良礫地基承載力滿足荷載要求，可作為持力層。級配不良礫層為強滲漏層，存在滲漏問題。且天然狀態(tài)下低液限粉土及級配不良礫允許水力比降小于天然然狀況下閘后滲透上升段的水力比降。建議在閘基上游作水平鋪蓋或在基礎下設垂直防滲墻，防滲墻應深入下部相對隔水層低液限黏土層1～2 m，以減少滲漏量，加長滲透途徑，確保工程安全。