王冠儒 王瑞民

(1.太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，山西 太原 030024； 2.山西省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，山西 太原 030024)

杜家溝水庫(kù)壩址工程地質(zhì)問(wèn)題淺析★

王冠儒1王瑞民2

(1.太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，山西 太原 030024； 2.山西省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，山西 太原 030024)

通過(guò)分析水庫(kù)壩址地層地質(zhì)特征，對(duì)水庫(kù)工程地質(zhì)存在的壩基滲漏、滲透變形、不均勻變形、壩基基坑涌水、繞壩滲漏、邊坡穩(wěn)定等問(wèn)題，提出了解決問(wèn)題的措施和對(duì)策，對(duì)今后類似工程具有一定參考意義。

壩基，滲漏，滲透變形，基坑涌水，邊坡穩(wěn)定

0 引言

靜樂(lè)縣杜家溝水庫(kù)為山西省大水網(wǎng)引黃南干線工程的調(diào)蓄水庫(kù)，位于山西省忻州市靜樂(lè)縣杜家莊村下游的杜家溝上。是一座以工業(yè)用水為主，兼顧灌溉的小型水利樞紐工程。擬建大壩壩型為混凝土面板堆石壩，擬建水庫(kù)正常蓄水位1 240.4 m，設(shè)計(jì)壩頂高程1 242.8 m，壩高40.8 m，庫(kù)容345.4×104m3。

工程區(qū)位于杜家溝下游，屬汾河流域。杜家溝河發(fā)源于靜樂(lè)縣胡家莊村，于靜樂(lè)縣城南張貴村匯入汾河，屬汾河的一級(jí)支流，杜家溝河長(zhǎng)14.3 km,流域面積30.4 km2。

氣候四季分明，十年九旱，屬于溫帶季風(fēng)氣候，夏季暖熱且晝夜溫差大，冬季寒冷。年平均氣溫為7 ℃，1月均溫-9 ℃，7月均溫23 ℃，年降雨量380 mm～500 mm，無(wú)霜期120 d～135 d。

1 壩址工程地質(zhì)條件

壩址位于杜家莊村下游約2.8 km、張貴村上游約1.2 km處，西距汾河約1.6 km，河床高程為1 206.0 m～1 210.0 m，左低右高,河谷呈寬緩的“U”字形，底寬約150 m。該處河流流向約為N63°W。左岸坡度約34°～45°，右岸坡度約33°～59°。兩岸坡及河谷底多被松散層覆蓋，基巖局部裸露。

上第三系上新統(tǒng)(N2)地層，多具二元結(jié)構(gòu)，上部巖性為深紅色低液限粘土，厚0 m～10 m，下部為卵石混合土，左岸厚度9 m～10 m，右岸厚度達(dá)26 m左右。分布于山體基巖頂部。

壩址區(qū)基巖為三迭系上統(tǒng)延長(zhǎng)組(T3y)紫紅色細(xì)粒砂巖、灰綠色泥巖、灰白色粉、細(xì)粒砂巖等。巖層產(chǎn)狀N40°～60°W/NE∠4°～6°，巖層主要傾向右岸，同時(shí)向上游微傾。

壩址區(qū)三迭系上統(tǒng)延長(zhǎng)組砂巖：干抗壓強(qiáng)度93.3 MPa～96.5 MPa，平均值94.76 MPa；飽和抗壓強(qiáng)度42.5 MPa～68.2 MPa，平均值57.9 MPa；軟化系數(shù)0.46～0.71，平均值0.61；飽和密度2.48 g/cm3～2.61 g/cm3，平均值2.54 g/cm3；飽和吸水率2.87%～2.96%，平均值2.93%；飽和變形模量(1.09～3.09)×104MPa，平均值1.96×104MPa；泊松比飽和狀態(tài)時(shí)0.21～0.36，平均值0.25；飽和抗剪斷試驗(yàn)，凝聚力0.58 MPa～2.11 MPa，平均值1.54 MPa，內(nèi)摩擦角45.6°～51.6°，平均值49.34°。

壩址區(qū)三迭系上統(tǒng)延長(zhǎng)組泥巖：干抗壓強(qiáng)度2.20 MPa～52.3 MPa，平均值38.75 MPa；飽和抗壓強(qiáng)度6.40 MPa～6.80 MPa，平均值6.60 MPa；軟化系數(shù)0.13～0.16，平均值0.14；飽和密度2.12 g/cm3～2.49 g/cm3，平均值2.39 g/cm3；飽和吸水率3.92%～17.23%，平均值7.30%；飽和變形模量(0.02～0.17)×104MPa，平均值0.13×104MPa；泊松比飽和狀態(tài)時(shí)0.23～0.26，平均值0.24。

區(qū)內(nèi)發(fā)育有節(jié)理裂隙，左岸節(jié)理裂隙主要發(fā)育兩組：1)N30°～50°W/NE∠80°～85°;2)N30°～40°E/NW∠75°～89°，裂隙多微張與閉合，泥質(zhì)充填或無(wú)充填，兩組節(jié)理近垂直相交，第1)組比較發(fā)育，與河流方向近于平行。

右岸節(jié)理裂隙主要發(fā)育兩組：1)N10°～40°W/NE∠80°～89°;2)N30°～50°E/NW∠70°～89°，裂隙多微張與閉合，泥質(zhì)充填或無(wú)充填，兩組節(jié)理近垂直相交，第1)組比較發(fā)育，與河流方向近于平行。

壩址區(qū)地下水類型有第四系孔隙水和基巖裂隙水兩種。前者分布于河床，埋深0.3 m～1.0 m，水位高程為1 206 m左右，水位隨季節(jié)性變化?；鶐r裂隙水分布于兩巖，水位均高于河水位，均向河床排泄。在泥巖隔水層頂部偶有泉水出露。

河床壩基在埋深12.5 m以上基巖透水率近于10 Lu，透水性較強(qiáng)，埋深12.5 m以下段透水率近于5 Lu，透水性較弱；左、右壩肩巖體強(qiáng)風(fēng)化層屬中等透水層，其他屬弱透水層。

壩址區(qū)主要物理地質(zhì)現(xiàn)象為基巖風(fēng)化與崩塌。據(jù)鉆孔揭露，左岸基巖強(qiáng)風(fēng)化層厚2.0 m～3.0 m，弱風(fēng)化層厚3.0 m～5.0 m，右岸基巖強(qiáng)風(fēng)化層厚2.5 m～3.5 m，弱風(fēng)化層厚3.0 m～4.0 m，壩基強(qiáng)風(fēng)化層厚1 m～3 m，弱風(fēng)化層厚3.0 m～5.0 m。崩塌發(fā)生在岸坡基巖陡立之處，在坡腳處堆積有崩積塊碎石。

2 壩址工程地質(zhì)評(píng)價(jià)

下壩址面板壩主要可能存在的工程地質(zhì)問(wèn)題為壩基滲透穩(wěn)定、壩基滲漏、繞壩滲漏、岸坡穩(wěn)定等。

2.1壩基滲透穩(wěn)定

1)滲透變形類型。

下壩址壩基覆蓋層主要由卵石混合土構(gòu)成，根據(jù)GB 50487—2008水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范附錄G提供的標(biāo)準(zhǔn)判斷，地基卵石混合土的不均勻系數(shù)Cu=40.63～65.26，平均值為52.95，大于5，曲率系數(shù)Cc=4.28～5.28，平均值為4.78，大于3，屬于不連續(xù)級(jí)配土，由級(jí)配曲線可以查出，粒徑0.2 mm～0.1 mm段粒組的顆粒含量小于3%，形成了平緩段，故可將粒組該段均值0.15 mm粒徑作為粗、細(xì)顆粒的區(qū)分粒徑，再由級(jí)配曲線上查出，相應(yīng)于0.15 mm粒徑的細(xì)顆粒含量P值約為2%<25%，故滲透變形類型為管涌。

據(jù)《水利水電工程地質(zhì)手冊(cè)》提供的用不均勻系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)判斷，壩基卵石混合土不均勻系數(shù)平均值為52.95，大于20，可能產(chǎn)生管涌破壞。

通過(guò)以上方法的判定，結(jié)合土的密度、滲透性能等有關(guān)資料，參考其他工程進(jìn)行的專門試驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)，分析認(rèn)為壩基卵石混合土層可能發(fā)生的滲透變形類型為管涌。

2)允許水力比降。

卵石混合土層級(jí)配不連續(xù)，允許水力比降按規(guī)范取經(jīng)驗(yàn)值J允許=0.15。

3)滲透穩(wěn)定性。

經(jīng)估算，水庫(kù)正常蓄水時(shí)壩基實(shí)際平均水力比降約0.53，大于允許水力比降，因此，壩基下卵石混合土有可能產(chǎn)生管涌破壞。壩基處理建議采取挖除覆蓋層、將趾板置于基巖層、帷幕灌漿等必要的預(yù)防措施。

2.2壩基滲漏

1)覆蓋層滲漏。

壩基覆蓋層主要為第四系全新統(tǒng)及上更新統(tǒng)洪沖積卵石混合土層，厚2.0 m～8.0 m。

滲漏量估算公式：

Q=B·K·H·T/(2b+T)

(1)

其中，壩基寬度B取180.0 m，透水層滲透系數(shù)k取20.0 m/d，大壩上下游水位差H取33.9 m，滲透層平均厚度T取4.0 m，壩底寬2b取116.0 m。

經(jīng)計(jì)算壩基覆蓋層滲漏量Q=4 068.0 m3/d。

2)基巖滲漏。

壩基基巖滲漏主要是砂巖的滲漏，泥巖為相對(duì)隔水層，經(jīng)鉆孔壓水試驗(yàn)，壩基砂巖巖體在上部的12.5 m范圍內(nèi)呂榮值近于10 Lu，透水性較強(qiáng)，中下部透水性較弱。計(jì)算時(shí)取壓水試驗(yàn)的大值平均值8.8 Lu，即約0.10 m/d進(jìn)行計(jì)算?？刹捎檬?1)進(jìn)行滲漏量估算。

其中，壩基寬度(B)取180.0 m，透水層滲透系數(shù)(K)取0.1 m/d，大壩上下游水位差(H)取33.9 m，滲透層平均厚度(T)取28.60 m，壩底寬(2b)取116.0 m。

經(jīng)計(jì)算壩基基巖滲漏量Q=120.7 m3/d。

通過(guò)上述計(jì)算可知，壩基總滲漏量約為4 189 m3/d。壩基滲漏主要是覆蓋層的滲漏，建議對(duì)卵石混合土、基巖強(qiáng)風(fēng)化層進(jìn)行帷幕灌漿處理。

2.3繞壩滲漏

正常蓄水位以下，下壩址左右兩岸多由延長(zhǎng)組地層組成，巖性為厚層砂巖、泥巖。其中砂巖體中裂隙發(fā)育，裂隙內(nèi)無(wú)充填或少充填，形成天然的基巖含水空隙與地下水滲透通道。泥巖層形成兩岸相對(duì)隔水層。

根據(jù)壩址區(qū)地層結(jié)構(gòu)，左、右壩肩隔水底板按泥巖頂板考慮(左岸按1 225 m、右岸按1 221 m隔水頂板考慮)，其滲透系數(shù)可取ZK1號(hào)鉆孔中T3y-7巖組砂巖層壓水試驗(yàn)結(jié)果的大值平均值即13.2 Lu(約0.148 m/d)，水庫(kù)正常高水位與潛水位相交點(diǎn)距庫(kù)岸之距離值(L)按兩岸推測(cè)的地下水位水力坡降向兩岸外推求得，其左岸約577 m，右岸為453 m，估算選用簡(jiǎn)單水文地質(zhì)條件下裘布依計(jì)算公式:

(2)

B=L/π

(3)

其中，滲透系數(shù)K取0.148 m/d；壩前壩后水頭差H取34.03 m；水庫(kù)正常高水位高出隔水層頂板的高度H1，左岸取15.5 m，右岸取19.5 m；河水位高出隔水層頂板的高度h1取0 m；繞壩滲漏寬度B，左岸取114.59 m，右岸取144.19 m；水庫(kù)正常高水位與潛水位相交點(diǎn)距庫(kù)岸之距離L，左岸取360.0 m，右岸取453.0 m；繞壩滲漏最小半圓半徑r0取58.0 m。

經(jīng)計(jì)算，左岸繞滲量Q=7 m3/d，右岸繞滲量Q=11 m3/d。建議進(jìn)行帷幕灌漿處理，帷幕深度至進(jìn)入T3y-6組泥巖層3 m～5 m，左壩肩處理寬度深入壩肩巖體內(nèi)部40 m～60 m；右壩肩為一單薄山梁，上下游間滲徑短，壩肩巖體在庫(kù)水長(zhǎng)期水壓下發(fā)生的繞壩滲漏可能會(huì)加劇，建議處理寬度深入壩肩巖體內(nèi)部100 m左右。

2.4地震液化

據(jù)GB 50487—2008水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范，壩址區(qū)地基有第四系全新統(tǒng)(Q4)地層，卵石混合土中粒徑小于5 mm顆粒含量的質(zhì)量百分率分別約為19%,25%，均小于30%，初判可排除液化可能。卵石混合土中局部夾有砂層透鏡體，由于其厚度小，連續(xù)性差，分布范圍有限，可不考慮其液化影響。

2.5地基均勻性

卵石混合土組成大小不一，局部具架空結(jié)構(gòu)，部分地段可能夾有厚薄不一的砂層透鏡體，地基均勻性差。

2.6地基承載力及開(kāi)挖邊坡

壩址區(qū)各巖性承載力地質(zhì)建議值如下：

開(kāi)挖邊坡地質(zhì)建議值：低液限粘土1∶0.65(臨時(shí))、1∶0.75(永久)，卵石混合土(水上)1∶0.65(臨時(shí))、1∶0.75～1∶1.0(永久),卵石混合土(水下)1∶1.0(臨時(shí))、1∶1.25～1∶1.50(永久)，砂巖1∶0.3～1∶0.5,泥巖1∶0.5～1∶0.75。

3 結(jié)語(yǔ)

杜家溝水庫(kù)壩址地層為三迭系上統(tǒng)延長(zhǎng)組紫紅色細(xì)粒砂巖、灰綠色泥巖、灰白色粉、細(xì)粒砂巖及第四系低液限粘土、卵石混合土；卵石混合土，結(jié)構(gòu)松散，屬中等～強(qiáng)透水層。這使得壩址存在諸多工程地質(zhì)問(wèn)題。壩址主要存在的工程問(wèn)題是壩基滲漏、壩基松散層滲透變形、不均勻變形、基坑涌水、壩肩繞壩滲漏、邊坡穩(wěn)定等問(wèn)題，針對(duì)這些問(wèn)題提出相應(yīng)的處理建議。

[1] 周開(kāi)山，田玉中.沉抗水庫(kù)壩基第四系覆蓋層工程地質(zhì)特征研究[J].西南工學(xué)院學(xué)報(bào)，1999,14(2)：63-68.

[2] GB 50487—2008，水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范[S].

[3] 李德群，程汝恩，岑 萍.烏蘭河斷裂地質(zhì)特性及對(duì)水庫(kù)壩基穩(wěn)定性的影響[J].水利規(guī)劃與設(shè)計(jì)，2015(11)：94-97.

[4] 余 波，張 毅.大花水水電站庫(kù)區(qū)巖溶水文地質(zhì)特征及庫(kù)首滲漏評(píng)價(jià)[J].貴州水利水電，2007,21(2)：2-9.

AnalysisofengineeringgeologicalproblemsatdamsiteofDujiagoureservoir★

WangGuanru1WangRuimin2

(1.MiningEngineeringCollege,TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030024,China; 2.ShanxiWaterConservancyDowerReaearchandDesignInstitute,Taiyuan030024,China)

Through the analysis of the geological characteristics of reservoir dam formation, some measures and countermeasures are put forward to solve such problems as dam foundation seepage, seepage deformation, uneven deformation, water inrush from dam foundation, seepage around dam and stability of slope, which have certain reference significance for similar projects in the future.

dam foundation, seepage, seepage deformation, water inrush from foundation pit, slope stability

1009-6825(2017)30-0205-03

2017-08-15★:山西省應(yīng)用基礎(chǔ)研究項(xiàng)目(201701D221025)

王冠儒(1966- )，女，碩士，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師； 王瑞民(1965- )，男，教授級(jí)高級(jí)工程師

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