某煤礦生態(tài)湖工程壩基巖土體滲透穩(wěn)定研究

吳清榮

(寧夏回族自治區(qū)煤田地質(zhì)局 寧夏 銀川 750002)

1 工程概況

寧東煤田是國家確定的13個大型煤炭基地之一，鴛鴦湖礦區(qū)是國家規(guī)劃的45個礦區(qū)之一，礦區(qū)的總體規(guī)劃已得到國家發(fā)展改革委員會的批準(zhǔn)。紅柳井田是鴛鴦湖礦區(qū)規(guī)劃中的骨干礦井，也是為煤炭間接液化項目配套建設(shè)的礦井，規(guī)劃礦井年生產(chǎn)能力為800萬t。紅柳井田地質(zhì)條件簡單，煤炭資源量豐富，開采技術(shù)條件好，煤質(zhì)優(yōu)良。礦井采用主斜井副立井聯(lián)合開拓，系統(tǒng)簡單。

紅柳井田礦坑涌水量大，地下水含鹽量高，經(jīng)地表處理系統(tǒng)處理后，部分中水回用。紅柳礦和相鄰的麥垛山礦剩余的無法再處理利用的高礦化度水預(yù)計為7000m3/d，為了存放這部分水，擬在地面建設(shè)生態(tài)湖工程。根據(jù)紅柳煤礦籌建指揮部的要求，生態(tài)湖工程的庫容要滿足存放兩礦5年～10年的尾水排放量。

該工程庫區(qū)面積相對較小，地貌屬于半沙漠丘陵地帶。庫區(qū)地形是由紅柳井田進(jìn)場公路、東側(cè)煤矸石電廠1462m高地、西側(cè)1447m高地、南側(cè)1449m高地和主、副壩圍成的擬蓄水盆地。庫底高程1415m～1421m，北高南低。

根據(jù)鉆孔揭露的地層結(jié)合區(qū)域地質(zhì)調(diào)查，庫區(qū)主要地層如下：第四系風(fēng)積粉砂、風(fēng)積粉土；第三系清水組粉砂質(zhì)泥巖；白堊系洛河組粉砂巖、洛河組泥質(zhì)粉砂巖、洛河組細(xì)砂巖；侏羅系安定組細(xì)砂巖與泥巖互層、安定組泥質(zhì)粉砂巖、直羅組細(xì)砂巖、直羅組泥質(zhì)粉砂巖、延安組粉砂質(zhì)泥巖。不同系地層之間為角度不整合接觸，同系地層為整合接觸。

另外，擬建生態(tài)湖場地未見有斷裂或斷層活動跡象，已有斷裂也均未通過擬建場地。其中，從場區(qū)西側(cè)通過的張家廟向斜，距離場區(qū)約500m；從場區(qū)東側(cè)的通過的馬柳逆斷層，距離場區(qū)約1000m。因此，可不考慮其對生態(tài)湖工程的影響。

2 壩基巖土體滲透穩(wěn)定評價

2.1 第四系松散粉土層滲透穩(wěn)定分析

主壩左壩肩第四系覆蓋層較薄，右壩肩相對較厚，中間局部地段往北覆蓋層變薄。副壩左右兩側(cè)覆蓋層相對較厚，中間谷地靠南側(cè)較薄。

第四系覆蓋層厚度0m～8.00m，巖性為低液限風(fēng)積粉土，稍密，處于堅硬狀態(tài)，為中等偏低壓縮性土，室內(nèi)顆分試驗成果見圖1。

圖1 第四系粉土的顆分曲線

土樣的礫粒（20mm～2mm）含量在0%～1.0%之間，砂粒（2mm～0.075mm）含量在19.9%～26.6%之間，粉粒（0.075mm～0.005mm）含量在61.3%～66.7%，粘粒（＜0.005mm）含量在12.0%～18.0%之間。不均勻系數(shù)在15.4～36.9之間（都大于5.0），曲率系數(shù)均在1.84～5.79之間，土樣顆粒級配處于良好及不良狀態(tài)。

2.1.1 滲透變形類型

（1）規(guī)范判別

據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（GB50287-99）滲透變形類型的判別按以下公式進(jìn)行：

式中，Pc——土的細(xì)顆粒含量，以質(zhì)量百分率計（%）；

n——土的孔隙率（%）。

對于不連續(xù)級配土，土的細(xì)粒含量Pc按級配曲線中平緩段確定，對于連續(xù)級配界線粒徑則按下面公式確定：

式中，df——粗細(xì)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)。

取土粒比重 Gs、干密度 ρd分別為2.70，1.45g/cm3，df=0.0171，則可求得孔隙率為46.5%。再由孔隙率計算得劃分流土與管涌的細(xì)顆粒含量界線為46.7%，而據(jù)篩分試驗成果所得出的Pc為13.3%，因此判斷壩基土滲透變形類型全部為流土方式。

（2）《水利水電工程地質(zhì)手冊》判別

判別采用兩個指標(biāo)：一是不均勻系數(shù)，二是細(xì)粒含量。

不均勻系數(shù)判別：壩基覆蓋層中不均勻系數(shù)一般大于10，小于20，僅有1組土樣的不均勻系數(shù)為36.9。經(jīng)分析，本組土樣代表性不強(qiáng)，故滲透變形類型級可能為流土也可能為管涌。

細(xì)粒含量判別：《水利水電工程地質(zhì)手冊》中的細(xì)粒含量指粒徑小于1mm的顆粒所占整個土重的比例（%），本次顆分資料粒徑小于1mm的細(xì)粒含量為98.8%～99.7%，平均含量99.2%。且本層粉土不缺少中間粒徑，根據(jù)d15/d85求得該值等于0.0415，遠(yuǎn)小于5.0，故判斷該層粉土為不產(chǎn)生管涌破壞，可能產(chǎn)生流土破壞，滲透變型類型為流土。

綜上所述，壩基覆蓋層可能產(chǎn)生的滲透變型類型為流土。

2.1.2 臨界水力比降的確定

據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（GB50287-99），流土的臨界水力比降宜采用公式1；根據(jù)《水利水電工程地質(zhì)手冊》，無粘性土的臨界水力坡降宜采用公式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；

n——土的孔隙率（%）；

γd——土的干容重(t/m3)。

產(chǎn)生流土的臨界水力比降平均值為0.88，流土的臨界比降0.15，最終按0.15～0.88考慮。據(jù)壩基探坑滲水試驗成果，壩基覆蓋層滲透系數(shù)平均值為1.26m/d，根據(jù)《水利水電工程地質(zhì)手冊》中表3-3-9，地基下游安全出逸坡降中下游基腳臨界比降0.50～0.60；蓋重層末端 0.60～0.70。

綜合考慮后，建議產(chǎn)生流土的臨界水力比降總體按0.55考慮。

2.1.3 允許水力比降的確定

據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（GB50287-99），宜以土的臨界水力比降除以1.5～2.0的安全系數(shù)后做為土的允許水力比降。考慮到本工程的重要性，安全系數(shù)取2.0，因此，壩基土產(chǎn)生流土變形的允許水力比降為0.28，建議進(jìn)行大壩設(shè)計時，壩基允許水力比降總體按0.28考慮。

2.1.4 天然壩基滲透變形可能性判別

首先根據(jù)壩基滲透性地質(zhì)剖面，計算天然壩基滲透上升段的平均水力比降J升平的大小。據(jù)地質(zhì)資料，壩基上部低液限粉土層厚0m～8.0m，取平均值4.5m，平均滲透系數(shù)取K=1.26m/d（滲坑試驗資料）。其下基巖層已揭露厚度約60.0m，滲透系數(shù)取0.034247m/d，屬弱透水帶。

各帶壩后上升滲流段的平均水力比降可按下式計算：

式中，H1、H2——壩上、下游水位；

T1、T2——上、下層的厚度；

K1、K2——上、下層的滲透系數(shù)；

2b——壩基寬度。

據(jù)壩體各項設(shè)計指標(biāo)，壩后上升滲流段的平均水力比降為0.065。考慮了下伏基巖綜合厚度60.0m和下伏粉砂質(zhì)泥巖平均厚度5.9m兩種工況。天然壩基滲透上升段的平均水力比降為0.014～0.117，小于壩基允許水力比降，因此壩基粉土不會產(chǎn)生流土破壞。

2.2 基巖滲透穩(wěn)定分析

壩基巖性以粉砂質(zhì)泥巖、細(xì)砂巖、粉砂巖為主，并有泥質(zhì)粉砂巖、細(xì)砂巖夾層。第三系巖層產(chǎn)狀為：N88°～91°E/∠10°～15°；白堊系巖層產(chǎn)狀為N330°～335°E/∠5°～10°；侏羅系巖層產(chǎn)狀為N119°～125°E/∠18°～25°。第四系下伏第三系粉砂質(zhì)泥巖，泥質(zhì)膠結(jié)，粘性較大，已有開挖斷面，曝露后失水干縮裂隙發(fā)育，崩解指數(shù)近乎100%，滲透性為微透水～弱透水性，比第四系覆蓋層的滲透性弱1-2個數(shù)量級，相對隔水。

壩基第三系以下白堊系和侏羅系基巖，滲透性也多為弱透水性，且?guī)r體相對完整，勘測及區(qū)調(diào)資料表明該區(qū)無大的斷層或裂隙通過，故壩基基巖不會產(chǎn)生滲透變形。

3 結(jié)論與建議

庫區(qū)地層主要為第四系風(fēng)積粉土，第三系粉砂質(zhì)泥巖，白堊系和侏羅系粉砂質(zhì)泥巖、細(xì)砂巖、粉砂巖等。第四系粉土的滲透性屬于中等透水性，下伏基巖的滲透性屬于微～弱透水性。

研究表明第四系覆蓋粉土層處于級配良好和不良之間，滲透變形類型為流土破壞方式。壩基滲透上升段的平均水力比降為0.014～0.117，小于壩基允許水力比降允許比降0.28，流土破壞不會發(fā)生，因此，壩基巖土體滲透穩(wěn)定性較好，只需要采取一般提高均質(zhì)土壩的滲透穩(wěn)定性措施。陜西水利

[1]中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)編寫組.《巖土工程勘察規(guī)范》（GB50021-2001）；

[2]中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)編寫組.《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》SL 50287-99；

[3]中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)編寫組.《土工試驗規(guī)程》SL 237-1999；

[4]中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)編寫組.《水利水電工程鉆孔壓水試驗規(guī)程》SL31-2003；

[5]中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)編寫組.《中小型水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》SL55-2005；

[6]中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)編寫組.《礦區(qū)水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘探規(guī)范》（GB 12719-91）。