陳世偉

（山西省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院 山西太原 030024）

1 工程概況

新建新二壩為汾河流域生態(tài)修復(fù)工程的一部分，位于太原市小店區(qū)劉家堡村附近。閘壩由壅水閘壩和船閘組成。壅水閘長234.2 m，包括2孔弧形閘（尺寸15 m×5.2 m）和 5孔鋼壩閘（尺寸 40 m×3 m）；船閘凈寬9 m，為單線單級(jí)船閘。該項(xiàng)目實(shí)施后將實(shí)現(xiàn)太原汾河公園至汾河二壩之間河道的通航任務(wù)，并形成濕地面積163 km2，設(shè)計(jì)總蓄水量為315.8萬m3。

2 地質(zhì)概述

2.1 地質(zhì)條件

閘壩處汾河流向?yàn)镾49°W，主河槽位于河床中部，兩側(cè)為河漫灘，河床寬290 m，地形起伏不大。

壩基巖性上部為第四系全新統(tǒng)洪沖積（Q4pal）淡黃、淺灰色粉土質(zhì)砂及含細(xì)粒土砂，粒徑多為粉細(xì)粒，結(jié)構(gòu)松散，局部夾低液限粉（黏）土層，厚11～16 m。下部含黏量增大，相變?yōu)榈S、褐灰色低液限黏（粉）土層，多飽和，可塑-軟塑狀，局部夾級(jí)配不良砂及粉土質(zhì)砂層，厚度大于4 m。

地下水類型為松散巖類孔隙水，儲(chǔ)存于第四系全新統(tǒng)洪沖積級(jí)配不良砂、粉土質(zhì)砂中。其滲透系數(shù)為1.2～4.6 m/d，平均值為3.1 m/d，具中等透水性。下部低液限黏（粉）土滲透性弱-微，可視為相對隔水層。地下水位為0～2.5 m。

2.2 壩基土工程特性

壩基上部粉土質(zhì)砂及含細(xì)粒土砂土工試驗(yàn)成果表1，其含水率為11.2%～24.0%；天然密度為1.40～2.12 g/cm3；干密度為 1.26～1.68g/cm3；孔隙比為 0.434～1.129；飽和壓縮系數(shù)（av1-2）0.11～0.59 MPa-1，多具中等壓縮性；飽和固結(jié)快剪凝聚力為6.5～27.5 kPa，內(nèi)摩擦角為19.5°～27.5°；經(jīng)桿長修正后標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)為5.5～11.9擊。下部低液限黏（粉）土的含水率為21.9%～33.7%；天然密度為 1.84～2.02 g/cm3；干密度為 1.29～1.49 g/cm3；孔隙比為 0.635～0.932；飽和壓縮系數(shù)（av1-2）0.25～0.64 MPa-1，多具中等壓縮性；飽和固結(jié)快剪凝聚力為 8.8～27.5kPa，內(nèi)摩擦角為 20.5°～24.5°；滲透系數(shù)為 0.11×10-5～8.92×10-5cm/s，具微-弱透水性；經(jīng)桿長修正后標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)為6.1～13.1擊。

表1 壩基上部粉土質(zhì)砂物理力學(xué)試驗(yàn)成果統(tǒng)計(jì)表

3 壩基土存在地質(zhì)問題

3.1 不均勻變形

該閘壩持力層主要為第四系全新統(tǒng)洪沖積巖性粉土質(zhì)砂及含細(xì)粒土砂，稍濕-飽和，結(jié)構(gòu)松散，且局部夾低液限粉（黏）土層，土質(zhì)不均，存在不均勻變形問題。

3.2 滲漏

壩基上部巖性主要為粉土質(zhì)砂及含細(xì)粒土砂，其滲透系數(shù)為1.2～4.6 m/d，屬中等透水層，且在壩基及上下游連續(xù)分布，構(gòu)成滲漏層位。下部低液限（粉）黏土具微-弱透水性，可視為隔水層。當(dāng)蓄水區(qū)正常蓄水后，壩基存在滲漏問題。經(jīng)采用公式（1）對壩基滲漏量進(jìn)行估算。式中:Q為壩基滲漏量（m3/d）；B為計(jì)算段寬度（m）；k為壩基土滲透系數(shù)（m/d）；H 為正常蓄水位時(shí)閘壩上下游水位差（m）；M為壩基透水層厚度（m）；2b為壩基平均寬度（m）。經(jīng)計(jì)算，當(dāng)蓄水區(qū)處于正常蓄水位時(shí)，壩基滲漏量為2 230 m3/d。

3.3 滲透穩(wěn)定

壩基持力層主要為粉土質(zhì)砂及含細(xì)粒土砂層，結(jié)構(gòu)松散，且在壩基及上下游連續(xù)分布。在壩基上下游水位差產(chǎn)生的滲壓作用下，該地層可產(chǎn)生滲透變形。以下對其產(chǎn)生的滲透變形類型及允許水力比降進(jìn)行判別和計(jì)算。

1）滲透變形類型判別

根據(jù)壩基粉土質(zhì)砂及含細(xì)粒土砂的物質(zhì)組成、粉黏粒含量和結(jié)構(gòu)等，按照《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（GB50487-2008）附錄G，經(jīng)判別，壩基粉土質(zhì)砂及含細(xì)粒土砂的滲透變形類型為流土。

2）臨界水力比降及允許水力比降

據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（GB50487-2008）附錄G:流土型臨界水力比降應(yīng)采用公式（2）進(jìn)行計(jì)算。式中:Jcr為土的臨界水力比降；Gs為土粒比重；n為土的孔隙率。經(jīng)計(jì)算，其臨界水力比降為0.78，考慮到工程的重要性，安全系數(shù)取2，其允許水力比降J為 0.39。

3.4 液化

1）初判

壩基上部粉土質(zhì)砂及含細(xì)粒土砂厚10.5～15.8 m，下部低液限黏（粉）土厚度大于4 m。蓄水區(qū)正常蓄水后壩基土處于飽和狀態(tài)，且工程區(qū)地震烈度為8度區(qū)。據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（GB50487-2008）附錄P，經(jīng)初判，上部粉土質(zhì)砂及含細(xì)粒土砂為可液化土層，下部低液限黏（粉）土層大多為不液化土層。

2）復(fù)判

地震液化復(fù)判采用標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)法。標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)臨界值Ncr按公式（3）計(jì)算確定。式中Ncr為液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)臨界值；N0為液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)基準(zhǔn)值；ds為標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)貫入點(diǎn)在當(dāng)時(shí)地面以下的深度（m）；dw為標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)時(shí)，地下水位在當(dāng)時(shí)地面以下的深度（m）；ρc為土的黏粒顆粒含量質(zhì)量百分率（%），當(dāng) ρc＜3%，ρc取 3%。經(jīng)計(jì)算，結(jié)果見表2。由表2可知，閘壩基上部粉土質(zhì)砂及含細(xì)粒土砂存在地震液化問題，液化土層厚11.3～13.3 m。

表2 壩基土液化判別計(jì)算成果表

4 處理方法

該工程閘壩持力層主要為粉土質(zhì)砂及含細(xì)粒土砂，結(jié)構(gòu)松散，承載力低，主要存在不均勻變形、滲漏、滲透變形及地震液化等工程地質(zhì)問題。針對壩基土工程地質(zhì)特性及存在的地質(zhì)問題，設(shè)計(jì)采用高壓旋噴防滲墻和振沖碎石樁進(jìn)行地基處理。

為消除壩基土滲漏及滲透變形問題，設(shè)計(jì)采用高壓旋噴防滲墻進(jìn)行處理。具體擬在壩基設(shè)一道垂直于河流向的防滲墻，同時(shí)在順河向鋼閘壩底板處設(shè)另外一道防滲墻，兩者形成“T”字狀。另外，在兩岸再設(shè)兩道防滲墻并延伸至上游翼墻底處。要求防滲墻伸入相對不透水層以下1.0 m，深12～17 m，樁徑0.8 m，樁距為0.6 m。

為提高地基土的承載力、減小不均勻變形量，消除地基土震動(dòng)液化問題，設(shè)計(jì)采用振沖碎石樁進(jìn)行處理。振沖碎石樁不僅可以擠密樁間土，提高其密實(shí)度和承載力；而且可在地基中形成良好的豎向排水通道，當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí)，有效消散地基土中的孔隙水壓力，從而消除地基土地震液化。具體擬將振沖碎石樁處理范圍向閘壩基礎(chǔ)外擴(kuò)6.5 m，樁徑0.8 m，布樁形式為等邊三角形，樁距2.5 m，樁端應(yīng)伸至不液化層頂部，樁長 11～16 m。

5 結(jié)語

近年來，保護(hù)并修復(fù)汾河流域生態(tài)環(huán)境越來越受到相關(guān)部門的重視，各類閘壩蓄水工程相繼開工。該類工程中閘壩壩基巖性主要為粉土質(zhì)砂及含細(xì)粒土砂，大多存在不均勻變形、滲漏、滲透變形及地震液化等工程地質(zhì)問題。本文對該類地質(zhì)問題進(jìn)行了詳實(shí)的評價(jià)，并給出了技術(shù)經(jīng)濟(jì)的處理方法，值得類似工程學(xué)習(xí)并借鑒。