關峽水庫地基承載力及透水性評價

黃登偉

（甘肅甘蘭水利水電勘測設計院有限責任公司，甘肅 蘭州 730000）

0 引言

關峽水庫位于天水市秦州區以南約65 km，大門鄉西南約3 km處的大山溝下游河段，該水庫是一座攔河蓄水工程，主要任務為解決天水鎮5個行政村居民、牲畜供水。水庫總庫容270萬m3，由大壩、導流泄洪洞、溢洪道、上壩公路等組成，工程等別為四等小（1）型，水源為大山溝地表水和第四系孔隙潛水，壩址為大山溝古河道沖淤后形成的天然盆地。水庫蓄水至正常高水位1698.71 m時，水庫面積為0.413 km2，南～北寬1.18 km，東～西方向水面寬度約0.3 km。本文主要通過鉆探、物探、坑探等方法研究大壩壩基覆蓋層地層結構、地基承載力和壩基巖體透水性。

1 工程概況

關峽水庫是一座瀝青心墻砂礫石壩，壩頂高程1700.8 m，最大壩高31.88 m，全長147.97 m。壩頂寬6.0 m，壩頂上游側設防浪墻高1.4 m。壩體上游壩坡為1∶2.5、下游壩坡自上而下分別為1∶2.0、1∶2.5。上游壩坡采用干砌塊石護面，下游壩坡采用C20鋼筋混凝土網格草皮護坡。壩體填筑料為砂礫石。心墻采用澆筑式瀝青砼心墻結構，最大高度31.88 m，厚度0.4 m，靠近基座2.0 m范圍內心墻加厚，由0.4 m漸變至1.2 m。心墻上下游設置1.5 m寬砂礫石過渡層。

目前，水庫處于大壩填筑階段，通過現場開挖、碾壓和帷幕、固結灌漿確定壩基砂礫石層承載力及基巖透水性均能滿足設計要求。

2 工程地質條件分析

左壩肩位于河道左岸山坡處，天然岸坡坡角44°左右，上部為坡積碎石土，厚4.5 m～14.2 m，下部為基巖，巖體主要物理力學指標見表1，巖性以中泥盆統灰綠色砂巖或粉砂巖為主，巖層產狀NE37～65°∠32～47°，傾向河道，與壩軸線呈11°夾角。

表1 關峽水庫壩址區巖體主要物理力學指標

（1）根據鉆孔巖體聲波測試報告顯示[1]，基巖強風化層壓縮波波速為1834.49 m/s～1894.66 m/s，弱分化層壓縮波波速為2199.95 m/s～2327.55 m/s。壩基位于大山溝河床、河漫灘及Ⅰ級階地上，河床砂礫石層厚6 m～7 m，下部為基巖，巖性與右壩肩基本相同。

（2）根據鉆孔巖體聲波測試報告顯示，基巖強風化層壓縮波波速為1864.47 m/s～2053.76 m/s，弱分化層壓縮波波速為 2370.27 m/s～2582.63 m/s，中風化層壓縮波波速為2834.42 m/s～2877.26 m/s，微風化層壓縮波波速為3150.19 m/s。右壩肩地處大山溝右岸,天然岸坡坡角44°左右，上部為坡積碎石土，厚1.0 m～10.0 m，下部為基巖，巖性與左壩肩基本相同。

（3）根據鉆孔巖體聲波測試報告顯示，基巖全風化層壓縮波波速為1253.42 m/s，強分化層壓縮波波速為1837.13 m/s，弱分化層壓縮波波速為2335.76 m/s。

3 地基承載力及透水性評價

3.1 地基承載力

根據甘肅甘蘭水利水電勘測建筑設計院2015年10月份提供的《天水市秦州區關峽水庫巖土工程勘察報告》中對左壩肩碎石土和壩基砂礫石中進行了重型動力觸探試驗分析[2]，其統計結果見表2。

表2 N63.5動力觸探試驗修正值統計表

動力觸探試驗結果表明，壩基砂礫石層2 m以上動探平均值為6.5擊，處于稍密狀態，地基承載力為fk=0.22 MPa；2 m～5 m動探平均值為16.5擊，處于中密狀態，地基承載力為fk=0.87 MPa；5 m～7 m動探平均值為25.5擊，處于密實狀態，地基承載力為fk=0.93 MPa。山頂下部6 m～7.1 m碎石土動探平均值為30.1擊，處于密實狀態，地基承載力為fk=0.93 MPa。山坡坡腳2 m以上動探平均值為3.52擊，處于松散狀態，地基承載力為fk=0.12 MPa；下部2 m～7 m動探平均值為28.3擊，處于密實狀態，地基承載力fk=0.9 MPa。設計將結構松散、中密的砂礫石及殘坡積碎石土挖除后，通過現場載荷試驗確定密實狀態砂礫石層地基承載力為fk=1.0 MPa，與動力觸探試驗基本一致，可作為大壩持力層。

3.2 透水性分析

根據基巖壓水試驗分析[3]，當壓力在1.0 MPa時左壩肩25.5 m～49 m、右壩肩4 m～13.5 m，壩基5 m～18 m透水率大于10 Lu，為中等透水層[4]，其余各段透水率均小于10 Lu，為弱透水層見圖1，通過大壩透水率進行分析，可知大壩兩岸主要存在繞壩滲漏和壩基滲漏問題，現分述如下。

圖1 關峽水庫壩軸線滲透剖面圖

（1）繞壩滲漏

根據左壩肩4個鉆孔壓水試驗資料顯示，在正常蓄水位1698.71m以下，左壩肩基巖10m～40m范圍內透水率為10.6Lu～42.6 Lu，屬中等透水層(q=10 Lu～100 Lu)；40 m～50 m范圍內透水率為10.6 Lu～5.03 Lu，屬弱透水層(q=1 Lu～10 Lu)。右壩肩4個鉆孔壓水試驗資料顯示，右壩肩7.0 m～26.0 m范圍內透水率為10.0 Lu～14.0 Lu，屬中等透水層(q=10 Lu～100 Lu)；26.0 m～55 m范圍內透水率為10.0 Lu～5.5 Lu，屬弱透水層(q=1Lu～10Lu)，其余透水率多小于 5 Lu，為弱透水帶(q＜5 Lu)，可作為相對隔水層考慮。

按q=5 Lu為巖體相對不透水的隔水邊界，假定水流呈層流狀態，按維利金公式計算繞壩滲漏量見表3[5]。

式中：Q為繞壩滲漏量，m3/d；K為巖體滲透系數，m/d；H為上、下游水頭差，m；H1為上游滲透層厚度，m；H2為下游滲透層厚度，m；B為繞壩滲漏寬度，m；r0為繞壩滲漏半徑，m。

表3 左、右壩肩繞壩滲漏量計算表

經計算，左壩肩繞壩滲漏量為132.5 m3/d～531.9 m3/d，右壩肩繞壩滲漏量為65.8 m3/d～168.1 m3/d，左右壩肩總滲漏量為198.3 m3/d～700 m3/d，滲漏量較大，建議對兩壩肩透水率q＞10 Lu的巖體進行帷幕灌漿處理，對5 Lu＜q＜10 Lu范圍內的巖體進行帷幕灌漿處理，施工階段對兩壩肩進行帷幕、固結灌漿處理后，其透水率大都小于5 Lu，處理后的巖體滿足設計要求，可作為相對隔水層。

（2）壩基滲漏

根據壩基9個鉆孔壓水試驗資料顯示，壩基基巖7 m～23 m范圍基巖透水率為12.5 Lu～20 Lu，屬中等透水層(q=10 Lu～100 Lu)；23 m～32 m范圍內基巖透水率為12.5 Lu～7.3 Lu，屬弱透水層(q=1 Lu～10 Lu)；以下巖體透水率多小于5 Lu，可作為相對隔水層考慮。

壩基滲漏量按水流呈層流狀態的水文地質為邊界條件，砂礫石層采用達西定律估算其滲漏量，基巖用卡明斯基近似公式法估算其滲漏量見表4[6]：

表4 壩基滲漏量計算成果表

①砂礫石層滲漏量

式中：Q為壩基砂礫石層滲漏量，m3/d；K為壩基砂礫石滲透系數，m/d；M為壩基相對透水層厚度（滲透深度），m；2b為壩底寬度，m；H1-H2為壩基上下游水頭差（m）；B為壩基滲漏長度，m。

②基巖滲漏量

式中：Q為壩基滲漏量，m3/d；K為壩基巖體滲透系數，m/d；B為壩基滲漏長度，m；M為壩基相對透水層厚度（滲透深度），m；H為壩基上下游水頭差，m；2b為壩底寬度，m。

經估算，壩基砂礫石層滲漏量為1617 m3/d～2695 m3/d，基巖隔水層以上巖石滲漏量為384.4 m3/d～1045.1 m3/d。壩基總滲漏量2001.4 m3/d～3740.1 m3/d，在水庫高水位運行時，壩基滲漏量是比較大的，建議清除河床透水率較大的砂礫石層和基巖強風化層，將瀝青心墻以齒墻的形式嵌入下部基巖上，并對下部透水率5 Lu＜q＜10 Lu范圍內的巖體進行帷幕灌漿處理。通過施工階段對壩基帷幕灌漿處理后，其透水率大都小于5 Lu，處理后的巖體滿足設計要求，可作為相對隔水層。

4 結語

施工期間現場載荷試驗確定的承載力與地質勘探過程中采用動力觸探試驗得出的承載力基本一致，因此，在勘察時采用鉆孔動力觸探試驗，以錘擊數預測地基土承載力是可行的。通過施工期間帷幕、固結灌漿的灌漿率對比分析，在同等壓力條件下灌漿率與透水率基本一致，因此，勘察階段采用鉆孔壓水試驗分析施工期間漿液的灌漿率也是可行的。建議水庫工程在勘察階段，加強野外勘探過程中的現場試驗，對大壩設計提供合理的設計依據，確保大壩的穩定性及安全性，保障工程的順利實施，為社會創造效益。