西非某水電站壩基巖土體透水性初步分析

蘇 星，劉亞新

（中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川成都 610072）

西非某水電站壩基巖土體透水性初步分析

蘇 星，劉亞新

（中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川成都 610072）

壩基滲漏是指水庫蓄水后由于上、下游水頭差，使水庫中水沿壩基巖土體的孔隙、裂隙、斷層等通道向下游的滲漏，不僅造成庫水的流失，而且對壩基產生滲透壓力，對巖土中的細微顆粒產生沖刷，還可能引起巖土體潛蝕導致壩基失穩。因此，研究壩基巖土體的透水性，采取有針對性的處理措施對壩基滲流進行控制，將其不利影響減少到允許范圍內，對保證水工建筑物的安全運營意義重大。本文根據在建的西非某水電站的工程特點，以各階段的地質資料為基礎，對壩基巖土體的滲透性進行分析評價。

壩基；巖土體；滲透系數

1 概 述

西非某水電工程以發電為主，采用混合式開發，壩長4.5 km、最大壩高20.5 m，裝機容量為270 MW，水工建筑物主要由大壩和引水發電系統組成。

大壩由主壩和副壩組成，壩型主要有三種，包括均質土壩、土石混合壩、心墻堆石壩。土石壩沿地勢較高處修建，并延伸至廠房上游，溢洪道和進水口為混凝土結構嵌入大壩內，既有擋水功能，又有泄水和引水功能。

引水發電系統包括引水渠、進水口、壓力鋼管、電站廠房和尾水渠。引水渠由開挖覆蓋層后形成。進水口為嵌入大壩內的混凝土結構，由3個進水塔組成。壓力鋼管連接進水口和電站廠房，采用“單機單管”明管布置。電站廠房型式為地面廠房，最大開挖深度60 m。尾水渠沿岔河河床開挖形成，長度2 065 m。電站樞紐布置見圖1。

圖1 西非某水電站樞紐布置示意

2 地質條件

2.1 基本地質條件

西非某水電站位于平原地區，壩址區兩岸地形平緩，海拔高程140～200 m，一般自然坡度7°～10°，屬丘陵～平原地貌。河流蜿蜒曲折，總體呈南東30°方向流經壩址區。河谷較寬闊，河水面寬400～800 m，河道內有數個“江心島”將主河道分割成多條叉河。

樞紐區基巖主要為前寒武系（γ2m）花崗巖、花崗片麻巖。第四系松散堆積物主要分布于河床兩岸，僅主河道、廠房和尾水渠有零星基巖出露。壩址區附近未見大的斷層發育。地質構造主要表現為節理裂隙，裂面多平直粗糙，閉合無充填，延伸長度多小于3 m。

花崗巖、花崗片麻巖致密、堅硬，較完整，多呈塊狀構造。工程區地處赤道附近，屬于熱帶雨林氣候，高溫多雨，巖體風化作用強烈。樞紐區兩岸大部分巖體存在全、強風化帶，全強風化巖體呈碎裂～散體結構，其結構部分已破壞，除石英外，部分礦物已蝕變為次生礦物。全、強風化巖體厚度一般小于3 m；兩岸的弱風化巖體厚度一般小于2.5 m，其下為微新巖體。

2.2 壩基巖土體工程地質分層

按工程地質性狀，工程區地層可分為5層，各層巖土體起伏較小總體平緩近水平，按埋深由下至上依次為：

（1）微新巖體：花崗巖、花崗片麻巖，兩岸埋深一般在15～30m以下，巖體新鮮完整，裂隙不發育，以整體塊狀為主。

（2）弱風化巖體：花崗巖、花崗片麻巖，在廠房及河床部位出露地表，厚度一般小于2.5m，裂隙較發育，裂面多輕～中度銹染，巖體以次塊狀結構為主。

（3）全、強風化層：花崗巖、花崗片麻巖，在薩桑德拉河兩岸及山坡有露頭出現，巖石礦物已發生蝕變，中上部呈中粗顆粒的砂、風化囊、風化團塊，夾泥，下部呈散體～碎裂狀的巖塊，在殘積土層以下廣泛分布。

（4）殘積土層：主要為砂質粘土、粘土，顏色多呈褐色、黃褐色，該層厚度可達15m。

（5）沖積砂層：主要由細砂、粗砂、粘質砂土等組成，厚度一般小于3m。

3 壩基巖土體透水性分析

3.1 單一巖層透水性

西非某水電站溢洪道、進水口為混凝土結構，壩基置于弱風化～微新巖體，透水性能較差，且對基礎設計了帷幕灌漿。兩岸土石壩的建基面絕大部分為殘積土層，壩基滲漏涉及到沖積層、殘積土層、全強風化層、弱風化巖體及強風化巖體滲透條件復雜，以下主要對土石壩壩基巖土體的透水性進行分析。

壩址區地下水按賦存條件可分為基巖裂隙水和第四系孔隙潛水兩種類型。基巖裂隙水，主要受巖體節理裂隙控制，張性裂隙含水，局部可見此類裂隙具地下水潛蝕形成的張開現象，此外巖體淺表部發育的卸荷裂隙，利于淺層地下水的活動。第四系孔隙潛水，主要賦存于壩區兩岸的殘積土層、沖積層及全風化層內。

沖積層主要為粘質砂土，該層結構松散，主要分布在河床兩岸，厚度一般小于3 m，平均厚度1.5 m。室內試驗顯示，在無荷載的條件下，滲透系數為1.4 ×10-4～1.8×10-4cm／s，負荷條件下，滲透系數為3×10-5cm／s和2.8×10-5cm／s。根據現場地質勘察及試驗情況，結合相關規程規范及可行性研究階段的成果，采用工程類比法，提出沖積層的滲透系數建議參考值為1×10-4cm／s和1×10-5cm／s，為弱透水層。

殘積土層主要為砂質粘土、粘土，厚度可達15m，平均厚度5.7 m。試驗結果表明，該層結構較密實，對于低壩基礎或低地應力建筑物基礎可以利用。該層共進行了25組試驗，從75%的試驗中得到的滲透率大約為10-5cm／s；從25%的試驗中，得到的滲透率大約為10-6cm／s，由此得出該層的滲透率在10-5cm／s和10-6cm／s之間變化，為微透水層。

全風化層進行了37組Nasberg或Lefranc鉆孔試驗，其中10%的實驗滲透率大約為10-3cm／s，40%的實驗滲透率大約為10-4cm／s，45%的實驗滲透率大約為10-5cm／s，5%的實驗滲透率大約為10-6cm／s。全風化層下伏的強風化巖體由于裂隙發育，風化程度不均勻，中粗顆粒的砂粒、泥質條帶、風化團塊及巖塊混雜，導致透水率略高。全強風化層的厚度一般小于3 m，平均厚度約為1.8 m，綜合現場地質勘察及試驗情況，采用工程類比法，提出該層的滲透系數建議參考值為1×10-2cm／s和1× 10-4cm／s，為中等透水層。

弱風化巖體的厚度一般小于2.5 m，平均厚度約1.5 m?？裳须A段壩區鉆孔的壓水試驗結果表明弱風化巖體的透水率一般為3～15 Lu，大部分試驗值集中在3～6 Lu之間，個別試段可達20 Lu。該層巖體厚度總體較小，淺表部裂隙較發育、巖體較破碎，以試驗成果為基礎提出透水率建議參考值為3～20 Lu，相對應的滲透系數為2.47×10-5～2.92× 10-4cm／s，為弱偏中等透水。

壓水試驗成果顯示，隨著埋深的增大巖體透水率降低趨勢明顯。弱風化以下的微新巖體從試驗結果來看，試驗段的透水率除個別達3 Lu外普遍小于1 Lu，大部分集中在0.5～0.01 Lu之間，表明該層巖體主要處于微～極微透水狀態，透水率參考建議值小于1 Lu，對應的滲透系數小于1×10-5cm／s。土石壩典型斷面見圖2。

圖2所示為西非某工程土石壩的典型斷面圖，微新巖體致密、完整、裂隙不發育，滲透系數小于10-5cm／s，可視為相對隔水層。沖積砂層、殘積土層、全強風化層及弱風化巖體為含水層。

圖2 土石壩典型斷面示意

3.2 壩基巖土體綜合透水性分析

由于本工程所涉及的各層巖土體的滲透系數均不相同，壩基以下含水層為非均質含水層，整體透水性隨方向發生變化為各向異性。其中沖積砂層、殘積土層的透水性為各向同性；全強風化層、弱風化巖體的透水性受裂隙發育程度及產狀的控制發生變化為各向異性，考慮到壩區巖體裂隙普遍為陡傾角且走向大體垂直于壩軸線或與壩軸線呈小角度，為簡化計算以各向同性來進行分析。

若將壩基的非均質含水層假想為均質含水層，該假想的均質含水層在壩基蓄水后的水力坡度及厚度和原含水層相同，則可計算水平層狀非均質含水層水平方向的平均滲透系數Kx和垂直方向的平均滲透系數Ky，各層巖土體的滲透參數見表1。

表1 壩基各層巖土體厚度及滲透參數

由于土石壩建基面的沖積砂層已被挖除，因此壩基含水層巖土體透水性分析不考慮沖積砂層的影響。以L2、L3、L4和K2、K3、K4分別代表殘積土層、全風化層、弱風化巖體的平均層厚和滲透系數計算值，根據地下水動力學的相關計算公式可得：

Kx是水平非均質界面流動的平均滲透系數為2.13×10-4cm／s，而Ky是垂直非均質界面流動的平均滲透系數為1.14×10-5cm／s。對于層狀非均質含水系統，水流平行界面時的平均滲透系數（Kx）最大，水流垂直界面時的平均滲透系數（Ky）最小，其他方向的滲透系數在上述兩個數值之間漸變，由此可知壩基巖土體含水層的平均滲透系數（K）在1.14 ×10-5cm／s和2.13×10-4cm／s之間于不同方向變化，總體呈弱透水。

4 結束語

控制壩基滲漏的方法很多，為減少壩基滲漏量，可以采用上游水平鋪蓋、垂直混凝土防滲墻及帷幕灌漿等措施。大壩庫水為壩基滲漏的主要補給水源，西非某水電站大壩上下游以及整個庫區兩岸廣泛分布的殘積土層透水性較弱，其滲透系數僅為1 ×10-6cm／s≤K＜1×10-5cm／s為微透水層，相當于對整個壩區、庫區設置了一道天然的水平防滲鋪蓋，有效的阻隔了大壩庫水對壩基滲漏的補給水源，對整個土石壩的壩基防滲極為有利。綜合以上分析，西非某水電站的土石壩不需要進行特殊的防滲處理措施。

TV223.6

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1003-9805（2015）04-0016-03

2014-11-04

蘇星（1983-），男，甘肅慶陽市人，工程師，從事水電工程地質勘察工作。