松塔水電站樞紐工程壩基及壩體土滲透穩定性分析與評價

戴永堅

（晉中市水利勘測設計院 山西晉中 030600）

1 工程概況

1.1 工程地理位置及交通

工程位于山西省壽陽縣羊頭崖鄉西草莊村東500m 處的瀟河干流上。水電站壩址距晉中市城區約44km，距壽陽縣城約20km。壩址區有昔陽至壽陽的公路通過，太舊高速公路在壽陽有入口，石太鐵路線在馬首設站，交通網絡四通八達，十分便利。

1.2 樞紐工程簡介及主要設計指標

樞紐工程建筑物包括水電站、供水發電洞、導流泄洪洞、溢洪道、擋水壩等。大壩壩型為碾壓式均質土壩，其主要設計指標見表1。

2 壩基及壩體土滲透穩定性

2.1 壩基覆蓋層

壩基地面高程969.7～984.7m，從左往右、自上而下地形由高到低，相對高差約15m。壩基處發育有二級階地，Ⅰ級階地高出河床5～8m，階面高程975～982m，屬堆積階地，順壩軸線方向寬約90m；Ⅱ級階地為堆積階地，階面高程為980～985m，高出河床 10～15m，順壩軸線方向寬約40m。河漫灘處地面高程972～977m，順壩軸線方向寬約 100m。主河床呈蛇曲凸向右岸，河水從右岸坡腳下流過，主河床寬10～30m，地面高程970～971m，河床底部基巖大多裸露。

順壩軸線方向壩基寬 250m，僅在壩軸線上游Ⅰ級階地前緣和主河床部位出露 T1l-7 粉砂巖、細砂巖夾薄層泥巖，其余大部為第四系松散覆蓋層，覆蓋層總厚0～9m，基巖面高程970～977m。從左往右壩基部位覆蓋層涉及的地層巖性依次為：

Q3pal上部為低液限粉土，局部地段含少量漂石，漂石粒徑約1m，厚2.7～4.5m；下部為卵石混合土、級配不良砂（礫）夾低液限粉土透境體。近左岸坡腳下一帶為碎石混合土層，厚3.2～4.5m，為Ⅱ級堆積階地，覆蓋層總厚6～9m。卵石混合土、級配不良砂（礫）頂面高程976～980m，基巖面高程974～977m。

Q41pal上部為低液限粉土，厚2.0～5.9m，下部為卵石混合土、級配不良砂（礫）層，厚2.4～4.0m，為Ⅰ級堆積階地，覆蓋層總厚6～8m。卵石混合土、級配不良砂（礫）頂面高程975～978m，基巖面高程972～975m。

Q42pal為卵石混合土、級配不良砂（礫）層，松散，為河漫灘，厚1～5m，基巖面高程970～972m。

壩基含巨粒土及粗粒土。該類土主要位于Ⅰ、Ⅱ級階地下部及河漫灘，巖性以卵石混合土為主，夾有級配不良砂（礫）層。

表1 松塔水電站樞紐工程主要設計指標表

2.1.1 滲透變形類型

（1）根據 GB50287—99《水利水電工程地質勘察規范》規定，滲透變形的類型按式（1）、式（2）判別。

式中：PC為土的細顆粒含量，以質量百分率計（%）；n為土的孔隙率（%）。

對于不連續級配土，土的細粒含量PC按級配曲線中平緩段確定，對于連續級配界線粒徑則按式（3）確定。

式中：df為粗細粒的區分粒徑，mm；d70為小于該粒徑的含量占總土重70%的顆粒粒徑，mm；d10為小于該粒徑的含量占總土重10%的顆粒粒徑，mm。

在計算孔隙率時，需要土粒比重Gs 及干密度ρd兩個參數。土粒比重取經驗值2.65，干密度取2.0g/cm3。由土粒比重和干密度求得孔隙率為24.5%，再由孔隙率求得劃分流土與管涌的細顆粒含量界線Pc′為33.1%，據篩分試驗成果得出的Pc 與劃分流土與管涌的細顆粒含量Pc′對比結果見表2。從表中結果看，壩基土滲透變形類型均為管涌。

（2）根據《水利水電工程地質手冊》中提供的經驗方法進行判別。判別采用兩個標準：一是不均勻系數，二是細粒含量。

不均勻系數判別標準見表3。壩基覆蓋層層中不均勻系數一般大于20，故滲透變形類型以管涌為主。

細粒含量判別標準見表4。手冊中的細粒含量指粒徑小于1mm 的顆粒所占整個土重的比例（%）。

從歷次篩分曲線中查得，11組試樣中有10組細粒含量在4.2%～23.4%之間，1組為48.6%，大多小于25%，滲透變型類型以管涌為主。

綜上所述，壩基覆蓋層可能產生的滲透變型類型為管涌。

2.1.2 臨界水力比降的確定

根據《水利水電工程地質勘察規范》，流土及管涌的臨界水力比降宜采用式（4）、式（5）計算。

表2 壩基覆蓋層滲透變形判別計算表

表3 滲透破壞形式與不均勻系數關系表

表4 滲透破壞與顆粒級配和細粒土含量關系表

式中：Jcr為土的臨界水力比降；Gs為土的顆粒密度與水的密度之比；n為土的孔隙率（%）；d5、d20分別為占總土重的5%和20%的土粒粒徑，mm。計算結果見表5。產生管涌的臨界水力比降平均值為0.19。

據壩基探坑、豎井滲水試驗成果，壩基覆蓋層滲透系數在14.6～27.9m/d 之間。根據《水利水電工程地質手冊》中管涌臨界水力比降與滲透系數關系曲線查得，Jcr=0.30～0.42，壩基覆蓋層細粒含量一般在4.2%～23.4%之間。據《水利水電工程地質手冊》中臨界水力比降與細粒含量（＜1mm）關系曲線查得，Jcr=0.13～0.3。

經綜合考慮后，建議產生管涌的臨界水力比降總體按0.24 考慮。

2.1.3 允許水力比降的確定

表5 壩基覆蓋層滲透變形判別計算表

根據GB50287—99《水利水電工程地質勘察規范》，宜以土的臨界水力比降除以1.5～2.0 的安全系數做為土的允許水力比降。考慮到本工程的重要性，安全系數取2.0，壩基土產生管涌變形的允許水力比降為0.12，建議進行大壩設計時，壩基允許水力比降總體按0.12 考慮。

2.1.4 天然壩基滲透變形可能性判別

首先根據壩基滲透性地質剖面，計算天然壩基滲透上升段的平均水力比降J升平的大小。根據地質資料，壩基上部低液限黏（粉）土層厚0～5.9m，取2m，平均滲透系數取K=1.39m/d（1997年資料）。其下卵石混合土層平均厚約3.0m，滲透系數取壩基滲水試驗平均值23.4m/d。

各帶壩后上升滲流段的平均水力比降按式（6）計算。

式中：J升平為壩后上升滲流段的平均水力比降；H1、H2為壩上、下游水位；T1、T2為上、下層的厚度；K1、K2為上、下層的滲透系數；2b為壩基寬度。

根據壩體各項設計指標，壩后上升滲流段的平均水力比降為0.74，計算結果見表6。

表6 天然壩基水力比降計算表

由表中計算結果看，天然壩基滲透上升段的平均水力比降為 0.74，大于壩基允許水力比降0.12，因此，壩基卵石混合土、混合土卵石層將產生管涌破壞。

2.2 壩基細粒土層

壩基Ⅰ、Ⅱ級階地上部的Q41pal、Q3pal上部低液限粉土天然狀態為中等壓縮性土，土層具濕陷性，層厚2.0～5.9m，其可能的滲透變形類型為流土。根據工程類比，建議其允許水力比降總體按0.5 考慮。

2.3 壩基基巖強風化層

壩基基巖為三疊系下統劉家溝組 T1l-3－T1l-7 巖組，巖性以細砂巖、粉砂巖為主，并有砂質泥巖、泥巖夾層。巖層產狀為N30°～50°W/SW∠5°～8°，傾向下游偏左岸。主要發育二組節理裂隙，產狀為：①N20o～40oE/SE∠40o～85o；②N80°～90W°/SW∠80°～90°。第①組中存在少數緩傾角裂隙。在壩線下游約120m 發育一f2斷層，傾向下游，傾角較大，約76°。據鉆探資料分析，壩基基巖強風化層厚約1～5m。

基巖強風化層由于巖石破碎、原節理張開，礦物蝕變、粒徑不均一、結構松散、黏土礦物及細粒物質相對較多，且滲透性較強，存在滲透變形的可能性，可能的變形形式為管涌。根據經驗，強風化帶臨界水力比降建議按2.4 考慮，允許水力比降取1.2。壩基強風化帶以下基巖，由于整體性強，無順河向大的斷層或裂隙通過，細粒顆粒含量少，故產生滲透變形的可能性極小。

2.4 壩體填土

據不均勻系數及細粒含量判斷，壩體填土的滲透破壞形式為流土。產生流土的臨界水力比降按式（4）進行計算。據袁家山土料場土料的土工試驗成果，土的顆粒密度Gs 取2.70，與配樣干密度對應的平均孔隙比e 取0.632，換算成孔隙率為n=0.387。經計算，產生流土的臨界水力比降為1.04。安全系數取2.0，建議壩體填土允許水力比降按0.52 考慮。

3 結論與建議

（1）庫區。庫區不存在沿庫岸的永久滲漏問題，但存在沿庫底的滲漏，這部分滲漏量不大，可沿壩基或繞壩流出庫外。庫區基巖庫岸穩定條件較好，局部土層岸坡段存在坍岸問題。蓄水后庫區將淹沒獨堆、南莊、劉莊、蟬頭崖、里莊等自然村，里莊至曲曲溝庫尾一帶將有約0.68km2農田及房屋受浸沒。庫區淤積物主要來源上游水流攜帶的泥砂及庫岸再造產物。建庫后產生水庫誘發地震的可能性不大。

（2）壩基。壩基覆蓋層厚 0～9m，覆蓋層及強風化層存在滲透變形問題，滲透變形類型主要為管涌。壩基存在滲漏問題，以覆蓋層滲漏為主。壩基覆蓋層上部的低液限粉（黏）土為濕陷性土層，存在濕陷及不均勻變形問題。建議全部清除覆蓋層或部分清除覆蓋層并對剩余覆蓋層進行防滲處理。建議對壩基基巖進行帷幕灌漿處理。

（3）其它建議。建議水庫建成蓄水后，對壩址區右岸古河道范圍內設置的觀測孔進行地下水位長期觀測，并在古河道出口處進行滲漏量等觀測。