杜家溝水庫壩址工程地質問題淺析★

王冠儒 王瑞民

(1.太原理工大學礦業工程學院，山西 太原 030024； 2.山西省水利水電勘測設計研究院，山西 太原 030024)

杜家溝水庫壩址工程地質問題淺析★

王冠儒1王瑞民2

(1.太原理工大學礦業工程學院，山西 太原 030024； 2.山西省水利水電勘測設計研究院，山西 太原 030024)

通過分析水庫壩址地層地質特征，對水庫工程地質存在的壩基滲漏、滲透變形、不均勻變形、壩基基坑涌水、繞壩滲漏、邊坡穩定等問題，提出了解決問題的措施和對策，對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，邊坡穩定

0 引言

靜樂縣杜家溝水庫為山西省大水網引黃南干線工程的調蓄水庫，位于山西省忻州市靜樂縣杜家莊村下游的杜家溝上。是一座以工業用水為主，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，擬建水庫正常蓄水位1 240.4 m，設計壩頂高程1 242.8 m，壩高40.8 m，庫容345.4×104m3。

工程區位于杜家溝下游，屬汾河流域。杜家溝河發源于靜樂縣胡家莊村，于靜樂縣城南張貴村匯入汾河，屬汾河的一級支流，杜家溝河長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，無霜期120 d～135 d。

1 壩址工程地質條件

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(N2)地層，多具二元結構，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26 m左右。分布于山體基巖頂部。

壩址區基巖為三迭系上統延長組(T3y)紫紅色細粒砂巖、灰綠色泥巖、灰白色粉、細粒砂巖等。巖層產狀N40°～60°W/NE∠4°～6°，巖層主要傾向右岸，同時向上游微傾。

壩址區三迭系上統延長組砂巖：干抗壓強度93.3 MPa～96.5 MPa，平均值94.76 MPa；飽和抗壓強度42.5 MPa～68.2 MPa，平均值57.9 MPa；軟化系數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；泊松比飽和狀態時0.21～0.36，平均值0.25；飽和抗剪斷試驗，凝聚力0.58 MPa～2.11 MPa，平均值1.54 MPa，內摩擦角45.6°～51.6°，平均值49.34°。

壩址區三迭系上統延長組泥巖：干抗壓強度2.20 MPa～52.3 MPa，平均值38.75 MPa；飽和抗壓強度6.40 MPa～6.80 MPa，平均值6.60 MPa；軟化系數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；泊松比飽和狀態時0.23～0.26，平均值0.24。

區內發育有節理裂隙，左岸節理裂隙主要發育兩組：1)N30°～50°W/NE∠80°～85°;2)N30°～40°E/NW∠75°～89°，裂隙多微張與閉合，泥質充填或無充填，兩組節理近垂直相交，第1)組比較發育，與河流方向近于平行。

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

壩址區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，水位隨季節性變化。基巖裂隙水分布于兩巖，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，埋深12.5 m以下段透水率近于5 Lu，透水性較弱；左、右壩肩巖體強風化層屬中等透水層，其他屬弱透水層。

壩址區主要物理地質現象為基巖風化與崩塌。據鉆孔揭露，左岸基巖強風化層厚2.0 m～3.0 m，弱風化層厚3.0 m～5.0 m，右岸基巖強風化層厚2.5 m～3.5 m，弱風化層厚3.0 m～4.0 m，壩基強風化層厚1 m～3 m，弱風化層厚3.0 m～5.0 m。崩塌發生在岸坡基巖陡立之處，在坡腳處堆積有崩積塊碎石。

2 壩址工程地質評價

下壩址面板壩主要可能存在的工程地質問題為壩基滲透穩定、壩基滲漏、繞壩滲漏、岸坡穩定等。

2.1壩基滲透穩定

1)滲透變形類型。

下壩址壩基覆蓋層主要由卵石混合土構成，根據GB 50487—2008水利水電工程地質勘察規范附錄G提供的標準判斷，地基卵石混合土的不均勻系數Cu=40.63～65.26，平均值為52.95，大于5，曲率系數Cc=4.28～5.28，平均值為4.78，大于3，屬于不連續級配土，由級配曲線可以查出，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、細顆粒的區分粒徑，再由級配曲線上查出，相應于0.15 mm粒徑的細顆粒含量P值約為2%<25%，故滲透變形類型為管涌。

據《水利水電工程地質手冊》提供的用不均勻系數的標準判斷，壩基卵石混合土不均勻系數平均值為52.95，大于20，可能產生管涌破壞。

通過以上方法的判定，結合土的密度、滲透性能等有關資料，參考其他工程進行的專門試驗和經驗，分析認為壩基卵石混合土層可能發生的滲透變形類型為管涌。

2)允許水力比降。

卵石混合土層級配不連續，允許水力比降按規范取經驗值J允許=0.15。

3)滲透穩定性。

經估算，水庫正常蓄水時壩基實際平均水力比降約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及上更新統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。

經計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，泥巖為相對隔水層，經鉆孔壓水試驗，壩基砂巖巖體在上部的12.5 m范圍內呂榮值近于10 Lu，透水性較強，中下部透水性較弱。計算時取壓水試驗的大值平均值8.8 Lu，即約0.10 m/d進行計算。可采用式(1)進行滲漏量估算。

其中，壩基寬度(B)取180.0 m，透水層滲透系數(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。

經計算壩基基巖滲漏量Q=120.7 m3/d。

通過上述計算可知，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，建議對卵石混合土、基巖強風化層進行帷幕灌漿處理。

2.3繞壩滲漏

正常蓄水位以下，下壩址左右兩岸多由延長組地層組成，巖性為厚層砂巖、泥巖。其中砂巖體中裂隙發育，裂隙內無充填或少充填，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隔水層。

根據壩址區地層結構，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)，其滲透系數可取ZK1號鉆孔中T3y-7巖組砂巖層壓水試驗結果的大值平均值即13.2 Lu(約0.148 m/d)，水庫正常高水位與潛水位相交點距庫岸之距離值(L)按兩岸推測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，估算選用簡單水文地質條件下裘布依計算公式:

(2)

B=L/π

(3)

其中，滲透系數K取0.148 m/d；壩前壩后水頭差H取34.03 m；水庫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；水庫正常高水位與潛水位相交點距庫岸之距離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。

經計算，左岸繞滲量Q=7 m3/d，右岸繞滲量Q=11 m3/d。建議進行帷幕灌漿處理，帷幕深度至進入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，壩肩巖體在庫水長期水壓下發生的繞壩滲漏可能會加劇，建議處理寬度深入壩肩巖體內部100 m左右。

2.4地震液化

據GB 50487—2008水利水電工程地質勘察規范，壩址區地基有第四系全新統(Q4)地層，卵石混合土中粒徑小于5 mm顆粒含量的質量百分率分別約為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，局部具架空結構，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地基承載力及開挖邊坡

壩址區各巖性承載力地質建議值如下：

開挖邊坡地質建議值：低液限粘土1∶0.65(臨時)、1∶0.75(永久)，卵石混合土(水上)1∶0.65(臨時)、1∶0.75～1∶1.0(永久),卵石混合土(水下)1∶1.0(臨時)、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 結語

杜家溝水庫壩址地層為三迭系上統延長組紫紅色細粒砂巖、灰綠色泥巖、灰白色粉、細粒砂巖及第四系低液限粘土、卵石混合土；卵石混合土，結構松散，屬中等～強透水層。這使得壩址存在諸多工程地質問題。壩址主要存在的工程問題是壩基滲漏、壩基松散層滲透變形、不均勻變形、基坑涌水、壩肩繞壩滲漏、邊坡穩定等問題，針對這些問題提出相應的處理建議。

[1] 周開山，田玉中.沉抗水庫壩基第四系覆蓋層工程地質特征研究[J].西南工學院學報，1999,14(2)：63-68.

[2] GB 50487—2008，水利水電工程地質勘察規范[S].

[3] 李德群，程汝恩，岑 萍.烏蘭河斷裂地質特性及對水庫壩基穩定性的影響[J].水利規劃與設計，2015(11)：94-97.

[4] 余 波，張 毅.大花水水電站庫區巖溶水文地質特征及庫首滲漏評價[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★:山西省應用基礎研究項目(201701D221025)

王冠儒(1966- )，女，碩士，高級實驗師； 王瑞民(1965- )，男，教授級高級工程師

P641

A