山西省張峰水庫樞紐工程壩基滲透性與滲漏分析

王靈生

山西省張峰水庫樞紐工程壩基滲透性與滲漏分析

王靈生

（晉中市水利勘測設計院 山西晉中 030600）

在工程地質(zhì)與水文地質(zhì)資料的基礎上，對張峰水庫樞紐工程壩基滲透性與滲漏進行了分析與評價。

張峰水庫 樞紐工程 壩基 滲透性 滲漏

1 工程概況

張峰水庫位于山西省晉城市沁水縣鄭莊鎮(zhèn)張峰村沁河干流上。工程包括樞紐工程和輸水工程兩部分，屬大（2）型Ⅱ等工程，主要建筑物等級為2級。

樞紐工程包括攔河壩、導流泄洪洞、溢洪道、供水發(fā)電洞、渠首電站及渠首輸水泵站等。大壩壩頂高程763.8m，最大壩高72.2m，正常蓄水位759.0m，總庫容3.94億m3。

輸水工程為Ⅲ等工程，包括總干、一干、大陽聯(lián)接段、二干、三干，有隧洞、渠道、倒虹吸、渡槽、揚水站及壓力管道等。

2 壩基滲透性與滲漏分析

2.1水文地質(zhì)條件

據(jù)壩基覆蓋層前期抽水試驗（三組）資料，滲透系數(shù)值為8.90、9.35、9.80m/d。本次勘察在壩基覆蓋層安排了八組抽水試驗，試驗資料列于表1。從壩基覆蓋層的抽水試驗資料來看，漂石混合土與混合土卵石的滲透系數(shù)較大，級配不良礫與粉細砂層的滲透系數(shù)較小。

表1中，SJ03b-15的滲透系數(shù)很大，異常的原因可能是由于截水槽開挖時擾動所致，舍其值后求得平均值為8.774m/d。地質(zhì)建議值取10m/d。

據(jù)本次壩基基巖的抽水試驗，布置了四個大口徑專門性抽水試驗孔，進行非穩(wěn)定流抽水試驗，求得基巖滲透系數(shù)見表2。從資料分析來看，廊道上游基巖的滲透性小，下游基巖的滲透性大，從上游至下游滲透性逐漸增大。

表1 壩基覆蓋層抽水試驗匯總表

表2 壩基鉆孔抽水試驗統(tǒng)計表

2.2壩基基坑和截水槽涌水分析

壩址河床地面高程699.0～700.4m。地下水位埋深1.2～2.5m，高程697.7～699.4m。基坑開挖后，基坑接受上、下游第四系松散層孔隙水及兩側(cè)和坑底基巖裂隙水的補給。擬選壩型有粘土心墻堆石壩、粘土斜心墻堆石壩，其清基基坑開挖范圍較大?；娱_挖時首先進行清基處理，在此基礎上，再進行心墻處的基坑開挖。清基時形成的基坑范圍大、深度淺，與壩基地下水位高程697.7～698.4m接近，故基坑涌水量相對較小。堆石壩心墻處的基坑及截水槽基坑開挖深度大，其開挖下限達到基巖面以下，基坑涌水量較大。

將基坑假想為大口井，采用井壁、井底同時進水非完整井計算公式：

式中：

Q——基坑涌水量（m3/d）；

k1——坑壁含水層平均滲透系數(shù)?。╩）；

k2——坑底含水層平均滲透系數(shù)（m/d）；

r——假想半徑（m）；

R——影響半徑（m）；

S——水位降深（m）；

h0——靜止水位至坑底深度（m）。

假想半徑r按下式計算：

式中：

η——與L/B有關的系數(shù)。清基時取1.18，截水槽開挖時取1.08；

L——基坑長度（m）；

B——基坑寬度（m）；

影響半徑R按下式計算：

式中：

s——水位降深（m）；

H——潛水層厚度（m）；

K——滲透系數(shù)（m/d）。

（1）堆石壩清基時的基坑涌水量

清基時形成的基坑長300m，寬230m，開挖下限高程取三區(qū)平均697.0m，基坑較淺，主要是坑底進水，其含水層為第四系松散層，計算時取公式1的后半部分，即：Q=4k2rs。

參數(shù)選擇：第四系松散層滲透系數(shù)為10m/d；壩基左段及左壩肩基巖屬弱透水巖石，壩基中、右段基巖屬極強～強透水巖石，平均滲透系數(shù)25m/d。

壩基左、中段在基巖面以下約35m深處，有一厚10～15m基本連續(xù)的微透水帶，可視為相對隔水層，隔水層頂板高程取660m。壩基覆蓋層地下水位高程取699.4m，潛水層厚度39.4m，水位降深取至基坑開挖下限高程以下0.5m，即696.5m。

清基時基坑底部含水層屬雙層結(jié)構(gòu)，上部覆蓋層平均厚度4m，下層極強—強透水巖石平均厚度33m。雙層結(jié)構(gòu)含水層的平均滲透系數(shù)采用厚度加權(quán)算術(shù)平均法進行選取K2=20.1m/d。

經(jīng)計算，斜心墻、心墻堆石壩清基時基坑涌水量為36454.6m3/d，相當于0.422m3/s。

（2）截水槽開挖時的基坑涌水量

截水槽長300m，寬40m，開挖下限691.6m，水位降深取至691.1m，計算影響半徑時的滲透系數(shù)取坑底含水層平均滲透系數(shù)K2=20.1m/d。

經(jīng)計算，斜心墻、心墻堆石壩開挖基坑涌水量為62117.5m3/d，相當于0.719m3/s。

2.3壩基滲透性及滲漏量分析

（1）壩基覆蓋層滲漏量

壩基覆蓋層平均厚度7m，寬度300m；壩基第四系覆蓋層平均滲透系數(shù)按10m/d考慮，覆蓋層滲漏量采用下式計算：

式中：

q——壩基單寬滲漏量(m3/d·m)；

K——平均滲透系數(shù)(m/d)；

H——壩前正常蓄水深(m)；

2b——壩基寬(m)；

T——滲透層平均厚度(m)；

B——滲透層平均寬度(m)；

Q——滲漏量(m3/d)。

計算結(jié)果列于表3，經(jīng)計算，壩基覆蓋層滲漏量為5227.8m3/d，相當于0.0605m3/s。

表3 壩基覆蓋層滲漏量估算表

（2)壩基基巖滲漏

根據(jù)張峰水庫壩址防滲帷幕軸線（粘土斜心墻堆石壩）工程地質(zhì)剖面圖(Iwm-Iwm/)，壩基巖石按透水程度從左往右可分三段：

①左段(水平距離1585～1635m，寬約50m)

該段基巖巖體滲透性垂向上分三個帶，從基巖面至高程661～666m為弱透水帶，厚度27～32m，透水率1.1～9.4Lu，平均值5.9Lu；高程661～668m至651～656m之間為微透水帶，厚度10～12m；高程651～630m之間為中等透水帶，厚度0～24m，透水率12.6～33Lu，平均值15Lu，其下為微透水帶。

②中段(水平距離1635～1815m，寬約180m)

該段基巖巖體滲透性垂向上分三個帶，基巖面至高程664～680m為極強～強透水帶，厚度20～35m，透水率137～20210Lu，平均值2837.8Lu；高程670～661m至655～651m之間為微透水帶，厚度10～15m；高程655～628m之間為中等透水帶，厚度10～28m，透水率10.5～56.5Lu，平均值15Lu，其下為微透水帶。

③右段(水平距離1815～1885m，寬約70m)

該段基巖巖體滲透性垂向上分三個帶，基巖面至高程635～685m以上，屬極強～強透水帶，厚度10～55m，透水率55.2～280Lu，平均值102Lu；高程635～685m至630～650m為中等透水帶，厚度5～35m，透水率10.5～46Lu，平均值15Lu，其下與微透水帶相接。

壩基巖體滲透性在橫向（壩軸線方向）上，極強～強透水帶基本上分布在河床中段及近右岸地段，并有向右岸逐漸減弱的趨勢。近右岸地段，基巖面以下屬弱透水帶。河床中段及近右岸地段，中等透水帶位于極強～強透水帶以下，透水性也有向右岸逐漸減弱的趨勢。壩基巖體滲透性在各地段的差異是：河床中段最大，右岸次之，左岸最小。水平距離1585～1795m段(左、中段，寬約210m)，在基巖面以下35m左右深處，頂面高程670～661m至底面655～651m，有一厚10～15m自左向右延伸、厚度逐漸變小、透水性較小的巖體，該段內(nèi)分布連續(xù)，在水平距離1795m處尖滅，其q值小于lLu，為微透水帶（可視為相對不透水帶）。水平距離1795～1885m段(右段，寬約90m)，壩基巖體透水性大的巖體厚度較大，由上而下滲透性逐漸變小，中等透水帶下限為基巖面以下約63m，高程為630～650m。

在縱向（順河流方向）上，從上游至下游透水性有逐漸增強的趨勢，這一情況可能與各地段所處構(gòu)造部位有關，即上游段鄰近向斜軸部位置，而下游段則靠近背斜軸部位置。從壩基滲透性來看，巖石透水性下游強于上游是有利的。河床中段的極強～強透水帶近沿ZK113～ZK111～ZK115～ZK104～ZK114各鉆孔連線方向(約為N45° W)延伸，這一情況可能與壩區(qū)最發(fā)育的走向N30°W方向節(jié)理有密切關系。

為了確定壩基基巖滲透系數(shù)(K)和透水率(q)間的比值關系，在ZK104、ZK115、ZK111三個鉆孔共進行了四段抽水試驗。經(jīng)相關性分析，初步確定滲透系數(shù)與壓水試驗透水率的相關關系式為K=0.016q。

據(jù)Iwm-Iwm/中各鉆孔壓水試驗成果資料，經(jīng)整理計算，壩基各透水帶特征及透水率q與滲透系數(shù)K對比成果見表4。

表4 壩基巖石滲透帶透水率q與滲透系數(shù)K統(tǒng)計表

根據(jù)以上的分析，壩基基巖滲透巖層主要分布于中段及右段上部，為極強～強透水巖體。壩基基巖滲漏量估算采用公式4、5，計算結(jié)果列于表5。經(jīng)計算，K值取25m/d，壩基基巖滲漏量為44806m3/d，相當于0.518m3/s。

關于壩基滲漏量，在1973年的地質(zhì)報告中，亦作了分析和計算，并且委托黃委院進行了電擬試驗，在水庫正常蓄水位767.4m的情況下，對5種帷幕形式(包括不帷幕)進行了對比計算，其結(jié)果列于表6。

3 結(jié)論

（1）綜上所述，壩基覆蓋層及基巖總的滲漏量為50034m3/d，相當于0.579m3/s。建議對壩基覆蓋層及基巖透水帶進行防滲處理，設置兩排防滲帷幕。第一排防滲帷幕應滲入至基巖面以下20～30m處，高程665～675m，此處左、中段部位存在一層厚10～15m、q值小于1Lu的微透水帶，帷幕線深度可插入該帶之內(nèi)2～3m與之相接。第二排防滲帷幕建議深入到基巖面以下63m左右深處的中等透水帶，其下限高程為658m，或按照水工設計要求進行選擇適宜的深度。中段上部極強～強透水帶透水率很大，透水率大多在2000Lu以上，最大者達20210Lu，說明該段壩基巖體裂隙發(fā)育，貫通性好，灌漿時需考慮采取封堵措施。

（2）壩基覆蓋層表層級配不良砂層存在流土滲透變形，結(jié)構(gòu)松散，建議清除。下部級配不良礫、混合土卵石層存在滲漏、管涌滲透變形，但結(jié)構(gòu)密實、組成較穩(wěn)定，具有較高的強度，可以作為壩基持力層，應采取防滲處理。

（3）壩基巖體河床中段及近右岸地段透水性最大，右岸次之，左岸最小。從上游至下游透水性漸增。壩基基巖滲漏量很大，需做工程處理。

表5 壩基基巖滲漏量估算表

表6 壩基5種帷幕電擬試驗滲漏量估算表

10.3969/j.issn.1672-2469.2014.03.025

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1672-2469（2014）03-0070-04

25作者簡介：王靈生（1968年—），男，高級工程師。