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        后河溝水庫大壩防滲方案淺析

        2018-09-23 06:48:04趙小寧
        陜西水利 2018年5期
        關鍵詞:河溝壤土細粒

        趙小寧

        (陜西水環(huán)境工程勘測設計研究院,陜西 西安 710016)

        1 工程概況

        后河溝水庫位于銅川市印臺區(qū)紅土鎮(zhèn)西北6 km處,距離銅川市印臺區(qū)24 km,后河溝系白水河右岸二級支流,發(fā)源于宜君縣云夢鄉(xiāng)南斗村北溝,由西北流向東南,經(jīng)前河溝村,在太和寺村匯入上馬河。流域面積25.4 km2,河道長9.7 km,河道平均比降14.8‰。后河溝水庫以紅土鎮(zhèn)區(qū)生活用水和高效農(nóng)業(yè)灌溉用水為主,具有常規(guī)水源和抗旱應急備用水源的雙重任務。

        后河溝水庫樞紐由碾壓式均質土壩、溢洪道、導流輸水洞等建筑物組成,水庫總庫容291萬m3。壩頂高程1021.5 m,最大壩高30 m,工程屬于Ⅳ等?。?)工程,主要建筑物級別為4級,次要建筑物為5級,臨時建筑物為5級。水庫防洪標準按30年一遇設計,300年一遇校核,相應的洪峰流量分別為129 m3/s和247 m3/s。水庫死水位為1009.5 m,正常蓄水位為1015.7 m,設計洪水位1018.0 m,校核洪水位1019.3 m。

        2 工程地質條件

        (1)地形地貌與地層巖性

        工程區(qū)地處鄂爾多斯臺向斜東緣間歇性的緩慢抬升地區(qū),是黃土高原與渭河平原的過渡地帶,總的地勢由北向南傾斜,溝壑縱橫,構成了黃土丘陵溝壑地貌類型。地面標高994 m~1105 m左右,相對高差超過110 m。隨渭北隆起掀斜作用,新生代以來在緩慢上升背景上大面積拱起,處于抬升剝蝕區(qū),第四紀以來堆積了中上更新統(tǒng)黃土;在河谷階地及漫灘區(qū),堆積了第四系各類巖性的沖洪積層,詳述如下:

        1)全新統(tǒng)沖積砂卵礫石層(Q4al):分布于河床及河漫灘、一級階地。稍濕,分選差,次圓狀,主要成分為砂巖及鈣核,砂及粘性土充填,局部夾重粉質壤土薄層。河床上該套地層一般厚約3 m~5 m。

        2)第四系上更新統(tǒng)薩拉烏蘇組沖積層(Q31al):分布于二級階地下部,具二元結構,新鮮斷面可見典型的姜黃色斑塊,巖性以重粉質壤土為主,夾含細粒土礫(GF)。

        3)第四系上更新統(tǒng)風積馬蘭黃土(Q3eol):零星分布于二級以上階地及黃土梁峁表層,黃土巖性為重粉質壤土,底部可見一層古土壤,具柱狀節(jié)理。出露厚度一般在10 m~20 m。

        4)第四系中更新統(tǒng)風積沖洪積層(Q2eol+pal):分布于三、四級階地下部,具二元結構,巖性以重粉質壤土為主,夾含細粒土礫(GF)透鏡體。

        5)第四系中更新統(tǒng)風積離石組黃土(Q2eol):零星分布于黃土梁峁下部,在黃土沖溝的溝底及側壁出露,巖性為重粉質壤土,發(fā)育數(shù)層古土壤,成壤作用好,呈綜紅色。該套地層總體厚度可達50 m~60 m。

        6)第三系上新統(tǒng)靜樂組半膠結粘土巖(N2):為一套深紅色粉砂質粘土夾鈣質結核層,粘土致密,堅硬,潮濕后粘性好,鐵錳質薄膜及結核發(fā)育。鈣質結核在粘土層中呈疙瘩狀、葡萄狀零星分布或集結成層。

        7)三疊系(T)

        總厚大于500 m,與下伏地層整合接觸。分布于石千峰組北界至山前的廣大地區(qū)。下部灰綠色,厚—巨厚層狀,交錯層理發(fā)育的砂巖為主,夾有棕紅色、薄層粉砂巖、泥質砂巖,厚160 m;上部紫紅、棕紅、灰綠色粉砂巖、泥質砂巖與黃綠、灰綠、紫灰色薄層狀砂巖互層,厚300 m~400 m。

        (2)區(qū)域構造穩(wěn)定性及地震

        工程區(qū)內(nèi)地質構造簡單,構造變形較微弱,為相對穩(wěn)定的地塊?;鶐r呈單斜構造,巖層傾向北西,傾角1~3°,無構造斷裂跡象,新構造運動以整體緩慢抬升為主。根據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》GB18306—20015,工程區(qū)地震動峰值加速度為0.10 g,地震動特征周期為0.45 s,相應地震基本烈度為Ⅶ度,工程抗震設防分類按標準設防類考慮。

        (3)壩基及壩肩地質條件

        壩址以上流域面積20.544 km2,谷底寬度95 m,設計壩頂高程1021.5 m處河谷寬度230.4 m。1018 m高程以下河谷兩岸一級階地對稱分布,1018 m以上為高階地及老黃土組成的谷坡。

        B0+008.3~B0+062.7為后河溝左岸一級階地,⑧1層含細粒土礫,母巖成份以鈣結核及砂巖碎塊為主,泥砂質充填,滲透系數(shù) 3.6×10-2cm/s,承載力 300 kPa,強度較高,滲透性較大,易發(fā)生管涌破壞,是導通上下游的主要滲漏通道,需采取工程措施進行截滲,具體見圖1。

        B0+062.7~B0+168.7為后河溝漫灘,2.3 m~6.7 m為含細粒土礫(GF),母巖成份以鈣結核及砂巖碎塊為主,泥砂質沖填,滲透系數(shù)3.6×10-2cm/s,承載力280 kPa,強度較高,滲透性較大,易發(fā)生管涌破壞,是主要滲漏通道,需采取工程措施進行截滲;16.2 m以下為強風化的巖土分界面,強風化厚度1 m~2 m,滲透系數(shù)2.50×10-1cm/s,是可能的滲漏通道,需要進行截滲處理,具體見圖2。

        B0+168.7~B0+238.8為后河溝右岸一級階地,30.00 m~34.30 m巖性為含細粒土礫(GF),母巖成份以鈣結核及砂巖碎塊為主,泥砂質沖填,滲透系數(shù)3.6×10 cm/s,承載力 300kPa,強度較高,滲透性較大,是可能的滲漏通道。34.3 m以下為強風化的巖土分界面,滲透系數(shù) 2.50×10-1cm/s,強風化厚度 1 m~2 m,是可能的滲漏通道,需要進行截滲處理,具體見圖3。

        圖1 左壩肩地質剖面

        圖2 壩基地質剖面

        圖3 右壩肩地質剖面

        3 壩址滲漏工程地質問題

        3.1 砂礫石地層的分布位置規(guī)律不明確,防滲處理范圍不易確定

        由地質條件論述及基地質剖面圖可知,覆蓋層中上部與下部均分布有⑧1砂礫石層,中間夾雜有⑧沖洪積重粉質壤土,⑧與⑧1的層位劃分是按照含泥量或砂礫石量的百分率來確定,并且地質分層線在鉆孔以外僅為推測,有何能上下兩層砂礫石在上游壩基或庫區(qū)存在連通,砂礫石地層的分布位置規(guī)律不明確,防滲處理范圍不易確定。

        3.2 壩基砂礫石層滲透系數(shù)大,滲透水量多

        擬建壩基以弱透水的重粉質壤土為主,壩基下含細粒土礫(GF),壩基重粉質壤土層以下為強風化的巖土界面,為防止壩基滲漏及滲透坡壞,應對含細粒土礫(GF)層及下部巖土界面處強風化巖采取截滲工程措施,當在含細粒土礫(GF)層中及下部巖土界面處強風化巖層中采取截滲措施后,可將整個壩基概化為一均質弱透水的壩基,取其滲透系數(shù)為0.05 m/d(5.78×10-5cm/s),含水層厚度按16 m考慮,壩基滲漏量為21.3 m3/d,單側繞壩滲漏量為4.85 m3/d。在不截滲的情況下,壩基滲漏量為1459 m3/d。

        3.3 覆蓋層厚度大,防滲處理難度大

        擬建壩壩體頂高程為1021.5 m,大壩高30 m,壩體覆蓋層厚度15.5 m~24.6 m,平均厚度約20 m,覆蓋層厚度約為壩體高度的2/3,防滲工程量較大,特別是壩肩防滲處理難度大。

        4 大壩防滲方案

        4.1 規(guī)范要求大壩防滲方案

        砂礫石壩基滲流控制的措施,應根據(jù)壩高、壩型、水庫的用途及壩基地質條件,通過技術經(jīng)濟比較確定防滲方案。一般防滲方案分為:垂直防滲、上游防滲鋪蓋、下游排水設備及蓋重四種形式。修筑水庫是為利用雨洪資源,在保證生態(tài)基流的情況下,盡可能多的攔蓄水資源,尤其是在水資源較為缺乏的銅川地區(qū),下游排水方案首先要被排除。上游防滲鋪蓋方案也不可取,是由于地基砂礫石層分布不規(guī)則,庫盆及庫尾均有砂礫石漏,該方案需要處理的上游鋪蓋面積極大,經(jīng)濟上不合理,并且在蓄水前無法驗證處理效果,設計不采用該方案。

        本次設計推薦采用垂直防滲方案。直防滲方案有明挖回填截水槽、混凝土防滲墻、灌漿帷幕、上述兩種或兩種以上形式的組合。垂直防滲措施的選擇應符合下列原則:①砂礫石層深度在15 m以內(nèi),宜采用明挖回填粘土截水槽;②砂礫石層深度在80 m以內(nèi),可采用混凝土防滲墻;③砂礫石層很深時,可采用灌漿帷幕,或在深層采用灌漿帷幕,上層采用明挖回填粘土截水槽或混凝土防滲墻。

        4.2 地質針對壩基滲漏處理建議

        壩址有全新統(tǒng)沖積層厚度6.7 m,其中上部2.3 m為重粉質壤土,下部4.3 m為礫卵石,較為純凈,滲透系數(shù)大(3.6×10-2cm/s),必須進行截滲處理。全新統(tǒng)之下,為中更世堆積層,巖性為重粉質壤土,致密、堅硬,無孔隙,粘粒含量平均值為25.4%,滲透系數(shù)為3.38×10-5cm/s,可視作隔水層。在⑧層重粉質壤土底部,夾有⑧1層含細粒土礫石,滲透系數(shù)為3.6×10-2cm/s,為強透水層;在⑧層重粉質壤土層以下的強風化巖土界面處,有1 m~2 m的強風化砂巖。盡管從壩基中線縱斷面來看,⑧1層含細粒土礫石及下部的強風化基巖均處在⑧層重粉質壤土底部,但從河流的沉積規(guī)律來說,并不能排除其與上下游不同深度的礫石層連通的可能性,這種可能性有時候是必然的。因此,建議對基巖上部強風化巖進行圍幕灌漿截滲。對⑧1礫石層采用截滲墻截滲。

        4.3 壩基滲漏處理措施

        大壩防滲范圍主要是壩基覆蓋層內(nèi)的砂礫石與基巖上部的強分化層,滲透系數(shù)大于3.6×10-2cm/s。后河溝水庫覆蓋層平均厚度在20 m,本次設計考慮針對壩基中上部砂礫石層采用明挖回填截水槽;針對左右壩肩及壩基下部強透水含細粒土礫層采用60 cm厚C10塑性混凝土防滲墻;針對基巖上部的強風化層采用帷幕灌漿進行截滲。

        防滲方案采用:截水槽+混凝土防滲墻+灌漿帷幕方案。壩基段0+75.58~0+163.75段開挖截滲槽,開挖至含細粒土礫層以下1 m,截水槽底寬8 m,兩側邊坡均為1∶1,槽深5 m。壩體防滲墻范圍為 F0+000~F0+249.98(B0+220.98);溢洪道部分防滲墻范圍為B0+220.98~B0+237.02。壩體防滲墻與溢洪道底板下部懸掛式防滲墻相結合,壩體混凝土防滲墻總長249.98 m。壩體混凝土防滲墻底部高程深入強風化基巖面以下不小于50 cm。B0+075.58~B0+163.75壩基段防滲墻頂部深入壩體內(nèi)3 m。墻厚60 cm,墻體深度40 m~13 m。防滲墻底部結合帷幕灌漿處理,灌漿深度5 m,孔距1.5 m。

        5 結語

        通過該防滲方案的處理,基本解決了后河溝水庫的壩基滲漏問題,確保水庫蓄水與壩體安全,是大壩設計的重要工作之一。結合設計內(nèi)容提幾點建議:

        1)根據(jù)基巖特性,合理確定防滲墻與灌漿帷幕銜接位置與形式,防止接觸不良,產(chǎn)生新的滲透通道;

        2)根據(jù)地層,合理選用防滲墻的混凝土與添加劑,通過試驗確定墻體彈性模量,使之與地層特性相協(xié)調(diào),防止墻體產(chǎn)生裂縫;

        3)確定合理的設計施工方案,特別是成槽方式,防滲墻體的分縫與接頭的處理工藝,以確保防滲墻的防滲效果。

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