山西磨河水電站壩基工程地質(zhì)問(wèn)題研究

(山西省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，太原 030024)

山西磨河水電站壩基工程地質(zhì)問(wèn)題研究

王瑞民

(山西省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，太原 030024)

山西磨河水電站壩基地層多為第四系松散層，主要為混合土漂(卵)石，少量的粉土質(zhì)砂和低液限粉土，結(jié)構(gòu)松散，分選較差，力學(xué)強(qiáng)度低，透水性大。本文針對(duì)磨河水電站存在的壩基松散層滲漏、滲透變形、壩基基坑涌水、基巖滲漏和左右壩肩繞壩滲漏等問(wèn)題，研究提出處理問(wèn)題的措施和對(duì)策，對(duì)高山峽谷區(qū)壩基處理提供指導(dǎo)性建議。

壩基；松散層滲漏；滲透變形；基坑涌水；基巖滲漏

近年來(lái)在華北地區(qū)由于氣候等因素降水量逐年減少，地下水資源已經(jīng)不能滿足當(dāng)?shù)毓まr(nóng)業(yè)生產(chǎn)及供水發(fā)電的需求，各地紛紛修建供水工程以解決用水困難問(wèn)題。翟寅章[1]提出了山東省修建的水庫(kù)壩基工程地質(zhì)問(wèn)題，并給出相應(yīng)處理問(wèn)題的措施和對(duì)策，為建庫(kù)地基處理提供指導(dǎo)性建議。魏植生[2]等針對(duì)景洪水電站壩基存在的抗滑、變形穩(wěn)定以及滲透穩(wěn)定等主要工程地質(zhì)問(wèn)題，提出相應(yīng)措施并取得了成效。梁會(huì)圃[3]等論述了壩基工程地質(zhì)特征及主要工程地質(zhì)問(wèn)題，對(duì)壩基處理設(shè)計(jì)及大壩穩(wěn)定安全運(yùn)行有重大意義。陳伊清[4]針對(duì)桑園水電站壩基存在的右壩肩卸荷裂隙與斷層切割組合對(duì)壩肩穩(wěn)定影響等工程地質(zhì)問(wèn)題，提出了處理措施，解決了壩基巖體的工程地質(zhì)問(wèn)題。上述研究成果不但提高了工程的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，而且提高了對(duì)工程地質(zhì)問(wèn)題的認(rèn)識(shí)水平和判斷能力。

山西磨河水庫(kù)工程擬建于陵川縣東南磨河之上，地理坐標(biāo)為北緯35°39′、東經(jīng)113°28′。該工程為供水及發(fā)電的重要水源工程。壩址以上主河道長(zhǎng)26km，控制流域面積158km2，擬選壩型為漿砌石重力壩或拱壩，設(shè)計(jì)壩高45m，壩頂高程931m，總庫(kù)容400萬(wàn)m3。壩址處河床高程898m，河谷寬約50m，河床覆蓋層厚度6.0～10.6m，壩基基巖面高程891.722～894.181m。工程區(qū)地處太行山南端的高山峽谷，交通十分不便，僅有為磨河供水工程修建的混凝土道路，蜿蜒曲折，寬度多在2～3m之間，僅可供中小型車輛通行。

1 壩基工程地質(zhì)條件

1.1 壩基覆蓋層工程地質(zhì)條件

河谷中覆蓋層為第四系全新統(tǒng)洪沖積漂(塊)石、混合土漂石、卵(礫)石混合土等，厚0～10.6m。由河床表層混合土漂石探井篩分資料可知，漂石含量為23.01%～35.91%，卵石含量為17.11%～27.88%，礫石含量為36.65%～43.22%，砂含量為3.94%～6.38%，不均勻系數(shù)Cu=21.21～31.28，曲率系數(shù)Cc=0.73～1.07。壩址區(qū)覆蓋層厚度分布不均，主河道處厚度較大，巖性主要以卵石混合土、混合土卵石為主，局部夾低液限黏土層。

壩基覆蓋層具有如下特點(diǎn)：總體較密實(shí)，在卵石混合土中局部夾有低液限黏土層，且?jiàn)A層分布不連續(xù)，厚度不等；總體允許承載力較高，局部承載力稍低，變形模量較小，孔隙比較大；整體巖性分布不均一，卵石混合土允許承載力大于0.8MPa，局部夾低液限黏土允許承載力為0.3～0.5MPa?？傮w來(lái)說(shuō)，覆蓋層地基承載力建議值為500～800kPa。

1.2 基巖工程地質(zhì)條件

1.2.1 壩基巖體及物理力學(xué)特性

壩基基巖為寒武系中統(tǒng)張夏組第三巖組灰色、灰黑色鮞狀灰?guī)r局部夾薄層泥巖。下伏基巖為寒武系中統(tǒng)張夏組第二巖組灰色、灰黑色豆鮞狀灰?guī)r夾泥質(zhì)條帶灰?guī)r及寒武系中統(tǒng)張夏組第一巖組灰色、灰黑色泥質(zhì)條帶灰?guī)r夾泥巖。壩基巖層平緩，巖層產(chǎn)狀N60°E/NW∠7°，呈單斜構(gòu)造，未見(jiàn)斷裂構(gòu)造，節(jié)理裂隙較發(fā)育，局部巖體完整性較差?；鶐r強(qiáng)風(fēng)化層厚度2.6～3.2m，層底高程888.11～891.20m；弱風(fēng)化層厚度3.0～8.0m，層底高程880.10～882.90m。

由巖石物理力學(xué)測(cè)試結(jié)果可知，壩基中鮞狀灰?guī)r的單軸飽和抗壓強(qiáng)度(Rb)為42.9～104.8MPa，平均為73.7MPa，為硬質(zhì)巖石。飽和抗剪強(qiáng)度內(nèi)摩擦角(φ)為33.3°～40.5°，黏聚力(c)為6.2～8.33MPa。泥質(zhì)條帶灰?guī)r的單軸飽和抗壓強(qiáng)度(Rb)為42.9～92.6MPa，平均為67.8MPa，為硬質(zhì)巖石。飽和抗剪強(qiáng)度內(nèi)摩擦角(φ)為43.8°～43.9°，黏聚力(c)為4.41～5.94MPa。故地基承載力建議值為2000～2500kPa。壩基下部基巖高程886.1～889.4m間存在薄層泥巖，泥巖厚度一般在2～12mm之間，巖性較軟，容易風(fēng)化，為潛在軟弱結(jié)構(gòu)面。

1.2.2 壩基巖體透水性

在壩址區(qū)基巖段布置鉆孔并進(jìn)行壓(注)水試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)成果可知壩基巖體為弱—中等透水層，壓水試驗(yàn)透水率為2.6～11.7Lu，中等透水層厚度一般為5～16m，中等透水巖層下限高程一般為878.181～885.930m，河流靠左岸位置中等透水性巖體厚度較薄，右岸中等透水層厚度較大，其下為弱透水層。

1.2.3 壩基巖體風(fēng)化情況分析

由壩址區(qū)鉆孔巖芯采取率及RQD值可知，壩基壩軸線及上游巖體鉆孔的采取率及RQD值均較高，均值大于80%，巖體質(zhì)量分級(jí)屬中等—好，巖體為中等完整—完整；重力壩壩腳線鉆孔巖芯采取率低，RQD值大部分小于47%，只有局部大于50%，巖體質(zhì)量屬很差—差級(jí)別，巖體破碎，并發(fā)育小型溶洞。

根據(jù)聲波測(cè)孔資料對(duì)鉆孔巖芯風(fēng)化層進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，推測(cè)壩基巖體強(qiáng)風(fēng)化層厚度為2.6～3.2m，平均波速為2480～3213m/s，巖體完整系數(shù)為0.26～0.55，波速比為0.51～0.74，巖體較完整，基巖面表層巖體的風(fēng)化情況差別較大，厚度分布不均勻。根據(jù)《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》，強(qiáng)風(fēng)化巖體完整性指數(shù)(Kv)取0.3，飽和單軸抗壓強(qiáng)度(Rc)取65MPa，采用公式BQ=90+3Rc+250Kv計(jì)算巖體基本質(zhì)量指數(shù)BQ，為336，巖體基本質(zhì)量級(jí)別為Ⅳ類；弱風(fēng)化巖體完整性指數(shù)(Kv)取平均值0.54，飽和單軸抗壓強(qiáng)度(Rc)取116.52MPa，計(jì)算巖體基本質(zhì)量指數(shù)BQ為460.8，巖體基本質(zhì)量級(jí)別為Ⅲ類。

2 壩基工程地質(zhì)問(wèn)題及評(píng)價(jià)

2.1 壩基松散層滲漏問(wèn)題

壩基松散覆蓋層主要為混合土漂(卵)石，結(jié)構(gòu)松散，透水性大，厚0～10.6m。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)混合土漂石層滲水試驗(yàn)得滲透系數(shù)K=33.7m/d，為強(qiáng)透水層。壩基松散層滲漏量按下式計(jì)算：

Q=KcpBTH/(2b+T)

式中Q——滲漏量,m3/d；

2b——壩基寬度,m；

B——滲透層寬度,m；

H——壩前正常蓄水位與下游水位差,m；

Kcp——滲透層平均滲透系數(shù),m/d；

T——滲透層厚度,m。

當(dāng)正常蓄水位為928.5m時(shí)，壩基松散層滲漏量為8768.46m3/d。

2.2 壩基松散層滲透變形問(wèn)題

壩基地層為第四系松散層，物質(zhì)組成以卵石混合土為主，含少量的粉土質(zhì)砂和低液限粉土，厚0～10.6m。根據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》，知判別滲透變形的標(biāo)準(zhǔn)為

式中pcp——最優(yōu)細(xì)粒顆粒含量,%；

n——孔隙率,%。

經(jīng)計(jì)算pcp=33%。壩址區(qū)卵石混合土為連續(xù)級(jí)配的土，區(qū)分粗粒徑和細(xì)粒粒徑的界線粒徑df按下式計(jì)算：

式中df——粗細(xì)粒的區(qū)分粒徑，mm；

d70——小于該粒徑的含量占總土重70%的顆粒粒徑，mm；

d10——小于該粒徑的含量占總土重10%的顆粒粒徑，mm。

經(jīng)計(jì)算df=35.8mm。根據(jù)篩分資料可知顆粒粒徑小于35.8mm的顆粒含量為23%。壩基地層滲透變形類型為管涌，建議將壩基覆蓋層全部清除。

2.3 壩基基坑涌水問(wèn)題

基巖強(qiáng)風(fēng)化層厚2.6～3.2m，壩基地面高程898.0～902.0m，河水水位901.2m，地下水位為901.2m，強(qiáng)透水層厚度(包括基巖強(qiáng)風(fēng)化層)平均為10.2m，基坑涌水受上、下游兩側(cè)河床覆蓋層中松散巖類孔隙水與底部碳酸鹽巖溶裂隙水補(bǔ)給，壩基開(kāi)挖存在基坑涌水問(wèn)題?；佑克抗浪悴捎眉僭O(shè)井壁、井底同時(shí)涌水非完整井計(jì)算公式：

式中Q——基坑涌水量,m3/d；

K——滲透系數(shù),m/d；

K1——坑壁含水層平均滲透系數(shù),m/d；

K2——坑底含水層平均滲透系數(shù),m/d；

s——水位降深,m；

r——假想半徑，m；

R——影響半徑,m；

η——與L/B有關(guān)的系數(shù)；

h0——靜止水位至坑底深度,m；

B——基坑寬度,m；

L——基坑長(zhǎng)度,m；

H——潛水層厚度,m。

當(dāng)正常蓄水位為928.5m時(shí)，基坑涌水量為1507.9m3/d。建議采取排水措施進(jìn)行處理。

2.4 壩基基巖滲漏問(wèn)題

壩基基巖主要滲漏地層為壩基中、強(qiáng)透水巖體，根據(jù)鉆孔揭露可知中等透水層厚度為0.8～16.0m，其下限高程為883.1～889.2m。在正常蓄水位928.5m時(shí)，壩基中等透水巖體將會(huì)產(chǎn)生滲漏，滲漏量計(jì)算公式為

Q=KcpBTH/(2b+T)

式中Q——滲漏量，m3/d；

2b——大壩壩底寬度，m；

H——大壩上、下游水位差，m；

B——壩長(zhǎng)度，m；

Kcp——壩基基巖滲透系數(shù)，m/d；

T——壩基滲漏層厚度，m。

當(dāng)正常蓄水位為928.5m時(shí)，滲漏量為375.7m3/d。

2.5 壩基抗滑穩(wěn)定分析

壩基建基面主要巖性為寒武系中統(tǒng)張夏組第三巖組灰色、灰黑色鮞狀灰?guī)r局部夾薄層泥巖。薄層泥巖埋藏較淺，分布于高程886.1～889.4m范圍內(nèi)；傾向壩址上游，傾角為7°。壩基下部存在寒武系中統(tǒng)張夏組第二巖組灰色、灰黑色泥質(zhì)條帶灰?guī)r夾竹葉狀灰?guī)r及薄層泥巖，地層破碎。這些軟弱夾層結(jié)構(gòu)面在泡水后可能產(chǎn)生泥化、軟化等現(xiàn)象，從而喪失原有地質(zhì)結(jié)構(gòu)，形成不穩(wěn)定的地質(zhì)結(jié)構(gòu)面，對(duì)壩基抗滑穩(wěn)定產(chǎn)生不利影響。綜上所述，壩基存在抗滑穩(wěn)定問(wèn)題。建議混凝土與壩基基巖的f′=0.7～0.75、c′=0.5～0.6MPa、f=0.5～0.52。

3 結(jié) 論

a.磨河供水改擴(kuò)建樞紐壩基地層多為第四系松散層，主要為混合土漂(卵)石，含少量的粉土質(zhì)砂和低液限粉土，結(jié)構(gòu)松散，分選較差，力學(xué)強(qiáng)度低，透水性大，使壩基存在諸多工程問(wèn)題。

b.壩基主要存在的工程問(wèn)題是壩基松散層滲漏、壩基松散層滲透變形、基坑涌水、基巖滲漏及壩基抗滑穩(wěn)定性問(wèn)題。針對(duì)這些問(wèn)題提出相應(yīng)對(duì)策措施，對(duì)高山峽谷區(qū)壩基建設(shè)提供指導(dǎo)性建議。

[1] 翟寅章.山東省平原水庫(kù)壩基工程地質(zhì)問(wèn)題及對(duì)策[J].山東水利,2006(4)：43-46.

[2] 魏植生,鄭海益,胡浩川.景洪水電站壩基工程地質(zhì)問(wèn)題的研究[J].水力發(fā)電,2008,34(4)：25-27.

[3] 梁會(huì)圃,葛勇.小浪底大壩壩基工程地質(zhì)特性及問(wèn)題[J].土工基礎(chǔ),2002,16(3)：37-40.

[4] 陳伊清.桑園水電站壩基工程地質(zhì)問(wèn)題的分析與解決[J].水力發(fā)電,1999(12):11-14.

StudyonDamFoundationProjectGeologicalProblemsinShanxiMoheHydropowerStation

WANG Rui-min

(ShanxiHydroelectricInvestigation&DesignInstitute,Taiyuan030024,China)

Shanxi Mohe Hydropower Station dam foundation strata are mostly quaternary loose beds, which are mainly composed of mixed soil boulders (gravels), a small amount of silty sand and silt with low liquid limit. The strata are characterized by loose structure, poor sorting, low mechanical strength and high water permeability. In the paper, solutions and countermeasures are proposed by studying aiming at problems in Mohe Hydropower Station, such as dam foundation seepage in loose beds, penetration deformation, dam foundation excavation gushing, bedrock leakage and leakage around the dam in left and right abutments. Guidance suggestions are provided aiming at dam foundation treatment in areas with mountains and canyons.

dam foundation; loose bed leakage; penetration deformation; foundation pit gushing; bedrock leakage

TV223

A

1673-8241(2014)08-0054-04