石門水庫壩址區主要工程地質問題及評價

張繼紅

（晉中市水利局，山西 晉中 030600）

1 工程概況

1.1 庫區概況

石門水庫位于黃河流域汾河水系，瀟河上游、白馬河北支上，是一座以防洪為主，兼顧灌溉的小（一）型水庫，工程始建于1971年11月，1973年7月竣工。水庫設計總庫容508萬m3，水庫設計防洪標準為3.3%，校核防洪標準為0.33%。現淤積139.11萬m3。大壩上游控制流域面積91.1 km2，流域內地形為中低山區河谷地形，相對高差在30 m左右，基巖構成了山體的骨架。整個溝道呈U型，以朔源侵蝕為主。

1.2 壩體基本情況

水庫樞紐建筑物，包括大壩、溢洪道和臥管式輸水涵洞。大壩主體為碾壓均質土壩，由主壩和副壩組成。主副壩相連，軸線上游側夾角為150°，壩頂全長215 m，其中主壩長50 m，壩頂寬3.1 m；副壩長165 m，壩頂寬3.4 m，壩頂高程1 116 m，最大壩高20 m。

溢洪道位于大壩左岸，為開敞式，進口底寬為16 m，總長為187 m，采用消力池消能。臥管式輸水涵洞位于大壩左岸，涵洞為漿砌石結構，城門洞型；臥管采用鋼筋混凝土結構。

2 壩體填筑土質量分析

2.1 壩體土物理力學指標統計分析

為了復核評價壩體土填筑質量，本次在大壩軸線布置了2個壩體土取樣鉆孔（ZK2）、5個壩體土取樣探井（TK1、TK2、TK2+1、TK3、TK3），鉆機取壩體原狀土樣10組，探井取壩體原狀土樣土樣51組，進行室內土工試驗。

壩體填筑土土工試驗結果：壩體填筑土巖性為淺黃色、褐黃色、黃褐色、淺棕紅色等雜色低液限粘土。總體標貫實測擊數10～24擊，修正后擊數9.33～18.31擊，修正后平均值12.99，修正后標準值11.67。

綜合分析探井記錄和土工試驗成果：壩體土主要為低液限粘土，總體密實度較低，且填筑不均勻，填筑質量較差。壩體土總體屬中等壓縮性，弱透水性。

2.2 壩體土濕陷性評價

通過地質勘察將探井原狀土樣進行了濕陷試驗。按照《濕陷性黃土地區建筑規范》（GB 50025-2004），自重濕陷量Δzs和總濕陷量Δs分別按公式（1）、（2）計算：

式中：δzsi——第i層土的自重濕陷系數；

δsi——第i層土的濕陷系數；

hi——第i層土的厚度，mm；

β0——因地區土質而異的修正系數，本區取0.50；

β——地基土受水浸濕可能性和側向擠出等因素的修正系數，基底下0～5 m深度內取值1.5，基底下5～10 m深度內取值1.0。

經主、副壩體土層濕陷性計算，主壩壩體土的濕陷量為414.55 mm，自重濕陷量為102.7 mm，相應的濕陷類型為自重濕陷，濕陷等級為Ⅱ級（中等）；副壩壩體土的濕陷量為46～172.45 mm，自重濕陷量為18.4～27.2 mm，相應的濕陷類型為非自重濕陷，濕陷等級為Ⅰ級（輕微）。

2.3 壩體土滲透變形評價

壩體土滲透變形類型采用公式（3）、（4）判別，流土的臨界水力比降采用公式（6）確定。

（1）滲透變形類型

滲透變形類型判別公式為：

式中：Pc——土的細粒含量，以質量百分率計，%；

n——土的孔隙率，%。

連續級配土區分粗細粒徑的界限粒徑df按下式計算。

式中：df——粗細粒的區分粒徑，mm；

d70、d10——分別占總土重的70%、10%的土粒粒徑，mm。

經分析判別，壩體土的滲透變形類型為流土。

（2）允許水力比降

流土型臨界水力比降用公式6計算：

式中：Jcr——土的臨界水力比降；

Gs——土的重量體積比；

n——土的孔隙率，（n=e/（1+e），e為孔隙比）。

經計算，流土的臨界水力比降Jcr為0.910，考慮安全系數后建議允許水力比降J允為0.46。

3 主壩、副壩壩基地質分析

3.1 主壩工程地質條件及評價

3.1.1 主壩壩基滲漏、及滲透穩定分析

結合水庫在27年的正常蓄水運行中，高水位運行多次，且溢洪道多次過水的情況下，下游壩腳均未發現有滲水現象的實際情況。綜合分析認為，主壩粘土截水槽起到了一定的防滲效果，主壩壩基基巖存在滲漏，但滲漏量較小，相應的主壩壩基松散層不存在滲透穩定問題，對水庫正常蓄水基本無影響。

3.1.2主壩左、右壩肩繞滲分析

主壩左、右壩肩下部高約13 m的地層巖性為二疊系中統上石盒子組（P1s）砂巖、砂質泥巖及泥巖地層，右岸上部即為副壩壩體。如前述，壩址區巖層平緩，節理裂隙較為發育，主要發育有三組節理，節理面平直光滑，延伸遠，貫通性好，局部可見有泥鈣質充填，其中巖層面及J2組節理與河流方向小角度斜交，其余與河流方向大角度斜交。建壩時未對壩肩采取防滲措施。因此左、右壩肩存在繞壩滲漏的地質條件，庫水可能沿巖層層面、層理及發育的節理裂隙繞滲。

但據本次鉆孔壓水試驗成果，表明壩址附近基巖巖體均屬弱透水，且水庫在27年的正常蓄水運行中，高水位運行多次，溢洪道亦多次過水，水管單位在壩肩下游均未發現有滲水現象。綜合分析認為，主壩左、右壩肩滲水量不大，對水庫正常蓄水基本無影響。

3.2 副壩工程地質條件及評價

副壩壩基基巖，為二疊系下統下石盒子組（P1x）砂質泥巖、泥巖層，夾砂巖透鏡體，據本次鉆孔壓水試驗成果：壩基基巖強風化層透水率約為7.46～10.64 Lu，屬弱透水～中等近弱透水，其下的弱風化層透水率約為2.56～7.07 Lu，屬弱透水。相對于其上覆松散透水層滲透性較小，可作為相對隔水層，故本次不對其進行滲漏量評價，而只對壩基松散透水地層進行評價。

由本次針對副壩的鉆探成果剖面可知：副壩壩基分布有下更新統沖洪積（Q1apl）卵石混合土、含細粒土礫、粉土質礫、及粉土質砂層，沿副壩軸線推測長度約73 m，厚度約11 m；中更新統沖洪積（Q2apl）含細粒土礫、粉土質礫層，夾厚度不大的粉土質砂、及卵石混合土層，本次勘察未查明其具體延展范圍，結合地形地貌情況，推測該層沿副壩軸線延展長度約266 m，厚度約4.3 m；上述透水地層將庫區全新統沖洪積（Q4apl）河床卵石混合土、含細粒土礫、粉土質礫、粉土質砂透水地層，與大壩下游溝通，從而形成庫水向下游的滲漏通道。其中，中更新統沖洪積（Q2apl）砂、礫、卵石混合土層頂高程大致為1 097.63 m，而壩下游地面僅在主壩下游附近低于此高程，故中更新統沖洪積（Q2apl）砂、礫、卵石混合土層的滲漏，按繞壩滲漏考慮。這里僅對通過下更新統沖洪積（Q1apl）透水地層的滲漏量進行評價。

根據大壩工程地質剖面圖，結合水庫多年蓄水情況分析，在正常蓄水位條件下，壩基上游段全新統及中更新統砂、礫、卵石混合土層中滲水，按承壓水考慮，下游段下更新統砂、礫、卵石混合土層滲水按潛水考慮。根據水流連續性原理，通過兩種透水性不同的巖層的流量，應當是相等的。由此推出該情況下壩基滲漏計算適用公式（7）、（8），計算公式：

式中：Q——滲漏量，m3/d；

q——單寬流量，m3/（d·m）；

B——滲漏帶寬度，取73 m；

k1——上游承壓段滲透系數，取全新統與中更新統綜合滲透系數18.56 m/d。

k2——下游潛水段滲透系數，取下更新統滲透系數7.43 m/d；

H1——壩上游水頭，取18.5 m；

H2——壩下游水頭，取7.5 m；

L1——上游承壓段滲徑長，取35.5 m；

L2——下游潛水段滲徑長，取71.5 m；

T1——上游承壓段滲透層厚度，取5.0 m。

經計算，在水庫正常蓄水位條件下，通過下更新統沖洪積（Q1apl）透水地層的滲漏量為1 101.57 m3/d。

水庫在27年正常蓄水運行中，高水位運行多次，溢洪道亦多次過水，水管單位在下游均未發現有明顯滲水現象。綜合分析認為，副壩壩基雖存在上述滲水現象，但滲水是以潛水形式與下游地下水或地表水自然銜接，在下游壩腳出溢時滲壓不大，地表不易被察覺發現。加之現壩前淤積厚度已達約11.5 m，將進一步延長水庫滲漏水滲徑，減小滲壓，起到一定的防滲作用。故認為，副壩壩基松散層雖存在滲漏現象，但不會產生滲透穩定問題。

如前述，副壩基及其右岸中更新統沖洪積（Q2apl）砂、礫、卵石混合土層的滲漏，按繞壩滲漏考慮用公式9計算，滲漏量估算引用公式：

式中：Q——繞壩滲漏量，m3/d；

k——中更新統滲透系數，取12.96 m/d；

H——壩前壩后水頭差，取溢洪道進口高程1 109.62 m與現狀壩下游低點1 096.37 m的差，為13.25 m；

M——滲透層厚度，取4.3 m；

B——繞滲帶寬度，取266 m；

r0——繞壩滲漏最小半圓半徑，取51 m；

經計算，在水庫正常蓄水位條件下，通過中更新統沖洪積（Q1apl）透水地層的滲漏量為388.24 m3/d。

以上計算中未將松散層下覆基巖的滲漏量計入（將副壩壩基基巖視為相對隔水層），也未考慮水庫壩前約11.5 m厚淤積層的影響，故滲漏量只是粗略的估算。下更新統沖洪積（Q1apl）透水地層與中更新統沖洪積（Q1apl）透水地層的合計滲漏量為1 489.81 m3/d。建議對副壩壩基及其右岸松散層透水地層采取必要的防滲措施。

4 結論

（1）主壩壩體土的濕陷量為414.55 mm，自重濕陷量為102.7 mm，相應的濕陷類型為自重濕陷，濕陷等級為Ⅱ級（中等）。副壩壩體土的濕陷量為46～172.45 mm，自重濕陷量為18.4～27.2 mm，相應的濕陷類型為非自重濕陷，濕陷等級為Ⅰ級（輕微）。綜合分析可知，壩體土總體屬中等壓縮性，弱透水性，主要為低液限粘土，總體密實度較低，且填筑不均勻，填筑質量較差。

建議對壩頂面進行硬化、對壩下游坡及兩壩肩修整、并進行護坡排水處理。

（2）主壩壩基基巖存在滲漏，但滲漏量較小，相應的主壩壩基松散層不存在滲透穩定問題，對水庫正常蓄水基本無影響。主壩左、右壩肩滲水量不大，對水庫正常蓄水基本無影響。

副壩壩基滲漏、及滲透穩定計算，未將松散層下覆基巖的滲漏量計入，只將副壩壩基基巖視為相對隔水層，也未考慮水庫壩前約11.5 m厚淤積層的影響，故滲漏量只是粗略的估算。下更新統沖洪積（Q1apl）透水地層與中更新統沖洪積（Q1apl）透水地層的合計滲漏量為1 489.81 m3/d。

建議對副壩壩基及其右岸松散層透水地層，采取必要的防滲措施。