水庫壩基覆蓋層滲透變形及滲漏分析

龐瑞瑞

(山西省水利水電勘測設計研究院，太原 030024)

水庫壩基覆蓋層滲透變形及滲漏分析

龐瑞瑞

(山西省水利水電勘測設計研究院，太原 030024)

汾西縣北掌水庫大壩為均質土壩，壩基覆蓋層主要為低液限黏土和卵石混合土，存在滲透變形及滲漏問題，文章根據其地層巖性及試驗參數闡明了各個地層滲透變形的類型及滲漏量，從而提出了壩基覆蓋層地基處理的方式和方法，為水庫的正常施工提供了可靠的依據。

均質土壩；滲透變形；滲漏量；地基處理

1 壩基巖土體工程地質特性

北掌調蓄水庫位于汾西縣對竹鎮北掌村西約1.5km，為均質土壩，壩址河谷表層地層為人工堆積(Qs)回填土、耕植土，巖性為低液限黏土，厚0.5-4.0m。

上部地層為第四系全新統洪沖積(Q4pal)卵石混合土、級配不良礫，次棱角-次圓狀，一般礫徑3-10cm，卵礫石成份主要為灰巖、砂巖及鈣質結核，砂為中粗砂，主要礦物成分為石英、長石。卵石含量約 20.6%-30.2%，礫石含量44.2%-60.2%，砂粒含量15.4%-25.0%，粉黏粒含量2.1%-4.9%，不均勻系數Cu=37.55-98.57，曲率系數Cc=0.84-2.45。鉆孔錐貫錘擊數5-10擊。據豎井滲水試驗成果，滲透系數為9.8-15.4m/d，具中等-強透水性。

下部地層為第四系中更新統洪積(Q2pl)低液限黏土，鮮紅色，堅硬，濕。厚0-6m。分布于河床兩岸。其天然含水率7.4%-22.6%，天然密度1.46-1.95g/cm3，干密度1.34-1.66g/cm3，孔隙比0.627-1.016，塑性指數8.1-15.2，壓縮系數av1-2為0.06-0.49MPa-1，具低-中等壓縮性，垂直滲透系數7.4×10-5-6.03×10-4cm/s，水平滲透系數2.6×10-5-3.15×10-4cm/s，具弱-中等透水性，黏粒含量9.3%-31.1%?？旒艨辜魪姸饶哿值17.8-31.1kPa，內摩擦角φ值20.0°-24.0°。鉆孔標準貫入錘擊數5-31擊。

下伏基巖為石炭系太原組中段灰巖、泥頁巖夾煤層等。

2 壩基覆蓋層滲透變形及滲漏

壩基覆蓋層表層為耕植土，巖性多為低液限黏土，厚度0.5-2.5m，其中原河床部位為(Qs)人工填土，巖性為低液限黏土，厚約3-4m。下為第四系全新統洪沖積(Q4pal)卵石混合土，局部為級配不良礫，厚約2-3m。再下為第四系中更新統洪積(Q2pl)微紅色、鮮紅色低液限黏土，含鈣質結核層。下伏基巖為石炭系太原組中段(C3t2)灰巖、泥頁巖夾煤層。壩基地下水位高程933.8-936.3m，為層間上層滯水。

2.1 滲透變形

依據《水利水電工程地質勘察規范》(GB50487-2008)附錄G土的滲透變形判別進行。據試驗資料，表層Qs低液限黏土孔隙比e=0.864，孔隙率n=46.4%，Gs=2.70。中更新統Q2pl低液限黏土孔隙比e=0.810，孔隙率n=44.8%，Gs=2.70。經計算，求得Qs低液限黏土Jcr=0.91，Q2pl低液限黏土Jcr=0.94。

第四系全新統洪沖積(Q4pal)卵石混合土卵石含量約 20.6%-30.2%，礫石含量44.2%-60.2%，砂粒含量15.4%-25.0%，粉黏粒含量2.1%-4.9%，不均勻系數Cu=37.55-98.57，曲率系數Cc=0.84-2.45。經計算，卵石混合土層不均勻系數Cu=37.55-98.57，均大于5，df經計算為4.2mm，對應細顆粒含量P=21.5%-23.8%，卵石混合土層滲透變形類型為管涌型。根據試驗資料，經計算，壩基混合土卵石層臨界水力比降Jcr=0.17。壩基卵石混合土的允許水力比降等于臨界水力比降除以安全系數。對于水庫工程來說，安全系數取2為宜。

綜合各種因素考慮，建議低液限黏土J允許=0.45，卵石混合土層J允許=0.09。

2.2 滲漏問題

壩基覆蓋層上部為人工填土，滲透系數為6.7×10-5-3.7×10-4cm/s，為弱-中等透水層。下部為第四系全新統洪沖積卵石混合土，結構松散，具中等-強透水性，厚度1.4-3.8m。卵石混合土豎井滲水試驗滲透系數9.8-15.4m/d，為壩基主要滲漏層位。下部(Q2pl)低液限黏土及(C3t)頁巖為相對隔水層。

壩基松散層滲漏量按以下公式進行計算：

Q=K·B·T·H/(2b+T)

(1)

式中：Q為滲漏量，m3/d；H為壩前正常蓄水位與下游水位差，m；2b為壩基寬度，m；K為滲透層滲透系數，m/d；B為滲透層寬度，m；T為滲透層厚度，m。

經計算，壩基松散層滲漏量計算成果在正常蓄水位971.02m時，壩基松散層滲漏量為 396.7m3/d。壩基松散覆蓋層滲漏性大，建議進行清除。

壩基覆蓋層卵石混合土層在庫水作用下將產生滲透變形破壞及滲漏問題，建議進行清除或截水槽防滲處理[1]。

3 左右壩肩繞壩滲漏

左右壩肩山體較雄厚，壩肩均為一山梁，其中高程971.5m處左壩肩山梁寬約400m，右壩肩梁寬約300m。壩肩土體表層為第四系上更新統低液限黏土，偶含鈣質結核及砂卵石透鏡體。其下為中更新統低液限黏土夾鈣質結核層。左壩肩下伏基巖埋深大，地表未出露。在簡化水文地質條件下，繞壩滲漏采用裘布依公式(公式1)計算左壩肩繞壩的滲漏量。

(2)

式中：Q為繞壩滲漏量，m3/d；k為滲透系數,m/d；取值 0.13m/d;H為大壩上游與下游水位差，m； 取值33.6m；H1、H2為剖面上游、下游透水層厚度，m；H1取值44.5m，H2取值10.9m；B為繞壩滲漏帶寬度，m；取值660m；r0為壩肩繞滲帶最小半徑，m；取值4m。

經計算，左壩肩繞壩滲漏量為194.9m3/d，建議采取工程措施進行處理。

右壩肩上游沖溝口基巖局部出露，為石炭系太原組中段中厚層灰巖、泥頁巖，其中灰巖段厚約5m，裂隙較發育，具中等透水性，上部第四系中更新統低液限黏土多具弱透水性，綜合取二者加權平均值，取滲透系數為0.16m/d，取上下游水位差為33.6m，取H1為44.5m，取H2為10.9m，繞壩滲漏帶寬度取600m，壩肩繞滲帶最小半徑取4m。

經計算，右壩肩繞壩滲漏量為239.8m3/d，建議采取工程措施進行處理。

4 壩肩邊坡穩定問題

左右壩肩為土質邊坡，其中左壩肩壩頂高程以上現多為耕地，呈臺階狀，自然邊坡10°-20°，土體多為第四系上更新統低液限黏土，邊坡穩定性較好。右壩肩壩頂高程以上，在1020m高程以下自然邊坡30°-50°，在1020m高程以上自然邊坡10°-20°，在雨水沖刷作用下，局部易發生坍塌或崩塌，建議進行必要削坡處理。另外，水庫蓄水后，近壩庫岸會產生不同程度坍岸，將會對壩體形成不利影響。建議對右岸邊坡采取必要的防護措施。

5 壩基處理建議

壩基表層(Qs)低液限粉土、低液限黏土結構松散，工程特性差，一般厚0.5-2.5m，原溝底河床部位較厚，達3.0-4.0m。其下全新統沖洪積(Q4pal)卵石混合土層結構松散，多架空，厚2.0-3.0m，存在滲漏及滲透變形問題。其下多為第四系中更新統洪積(Q2pl)低液限黏土層，原河谷部位為石炭系太原組灰巖、泥頁巖夾煤層，工程地質特性好。建議清除表層(Qs)低液限粉土、低液限黏土及全新統沖洪積(Q4pal)卵石混合土層，將壩基置于第四系中更新統洪積(Q2pl)低液限黏土層或基巖上。

[1]王軍，任光明，王啟鴻，等.甘肅省某電站深厚覆蓋層滲透變形分析[J].水電能源科學，2010(09)：52-54.

1007-7596(2017)07-0106-02

2017-06-18

龐瑞瑞(1979-)，女，山西垣曲人，工程師，從事工程地質與水文地質工作。

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