陵川仙臺(tái)水庫(kù)壩基工程地質(zhì)問(wèn)題研究

孟元媛

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

1 工程概況

陵川縣仙臺(tái)水庫(kù)工程擬建于陵川縣東南白洋泉河上，設(shè)計(jì)壩型為混凝土面板堆石壩加閘壩，最大壩高20 m，壩頂高程838m庫(kù)容176.4萬(wàn)m3。

壩址位于附城鎮(zhèn)臺(tái)北村下游的白洋泉河，該處白洋泉河流向?yàn)橛山毕蚰狭鳎鹊讓捈s220 m，主河床偏右側(cè)，左側(cè)形成河漫灘。右岸地形成臺(tái)階狀，下部為土質(zhì)岸坡，較緩，上部為巖質(zhì)岸坡，岸坡陡立，局部為陡崖。地形起伏較大，下部岸坡較緩，上部基巖岸坡陡立，局部為陡崖。左岸為巖質(zhì)岸坡，坡度約75°，為峽谷型河流，為不對(duì)稱“U”字型河谷。壩址區(qū)地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，斷裂構(gòu)造不發(fā)育，巖層平緩，為單斜巖層，巖層產(chǎn)狀N45°E/NW∠12°，總體傾向右岸偏上游，壩址處無(wú)斷裂構(gòu)造。

2 壩基工程地質(zhì)條件

2.1 壩基覆蓋層工程地質(zhì)條件

壩址區(qū)左側(cè)河床及河漫灘發(fā)育地層為第四系全新統(tǒng)洪沖積卵石混合土，局部夾低液限黏土透鏡體，結(jié)構(gòu)松散，分選較差，厚度24.3～40.7m。根據(jù)野外充水法試驗(yàn)，求得其天然密度為1.91～2.06g/cm3。據(jù)河床表層混合土漂石探井篩分資料可知：漂卵石含量15.2%～36.3%；礫石含量27.7%～41.0%；砂含量25.0%～28.2%；粉黏粒含量3.6%～12.0%；不均勻系數(shù)61.5～106.8，；曲率系數(shù)0.1～7.4。壩址區(qū)右側(cè)河床下部發(fā)育第四系上更新統(tǒng)洪沖積低液限黏土夾卵石混合土透鏡體,結(jié)構(gòu)松散。

據(jù)壩址區(qū)鉆孔錐貫試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，壩基全新統(tǒng)洪沖積卵石混合土等經(jīng)桿長(zhǎng)校正后的錐貫擊數(shù)N=5.5～21.4擊，屬中密～密實(shí)狀態(tài)，壩基上更新統(tǒng)低液限黏土標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)擊數(shù)N=4.8～14.5擊。據(jù)探坑滲水試驗(yàn)成果：壩址區(qū)河床及河漫灘卵石混合土滲透系數(shù)為13.7～22.1m/d，具強(qiáng)透水性。

2.2 壩基基巖工程地質(zhì)條件

2.2.1 壩基巖體及物理力學(xué)特性

壩基基巖主要為奧陶系中統(tǒng)下馬家溝組第六巖組 (O2x-6)灰黑色致密灰?guī)r，奧陶系中統(tǒng)下馬家溝組第五巖組(O2x-5)灰黃色、灰白色泥質(zhì)白云巖夾薄層泥質(zhì)灰?guī)r及奧陶系中統(tǒng)下馬家溝組第四巖組(O2x-4)灰黑色致密灰?guī)r，壩基巖層產(chǎn)狀N45°E/NW∠12°，總體上傾向右岸偏上游，壩址處無(wú)斷裂構(gòu)造，局部巖體完整性較差。

由巖石物理力學(xué)測(cè)試結(jié)果可知，O2x-6致密灰?guī)r單軸飽和抗壓強(qiáng)度為33.7MPa，為較硬巖；軟化系數(shù)為0.86；變形模量為3.81×104MPa；飽和抗剪凝聚力為6.64MPa；內(nèi)摩擦角為43.1°。O2x-5泥質(zhì)白云巖單軸飽和抗壓強(qiáng)度為10.2MPa，為較軟巖；軟化系數(shù)為0.63；變形模量為1.09×104MPa；O2x-4致密灰?guī)r單軸飽和抗壓強(qiáng)度為52.3MPa，為較硬巖；軟化系數(shù)為0.81；變形模量為8.03×104MPa；飽和抗剪凝聚力為6.21MPa；內(nèi)摩擦角為45.6°。

2.2.2 壩基巖體透水性

在壩址區(qū)布置鉆孔并進(jìn)行了壓（注）水試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)成果可知壩基下伏基巖中等透水層的滲透系數(shù)為0.72～0.98m/d，弱透水層透水率為4.4～16.7Lu。

2.2.3 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，壩基強(qiáng)風(fēng)化巖體巖芯采取率為39.7%～100%，RQD值為0%～28%，巖體完整性差；弱風(fēng)化帶的采取率為48.0%～72.7%，RQD值為10.5%～68.0%，巖體較完整；微風(fēng)化帶的采取率為56.0%～79.2%，RQD值為10.6%～55.0%，巖體較完整。

據(jù)聲波測(cè)孔資料，壩基巖體縱波波速為1832～4688m/s，巖體完整性較好。

3 存在工程地質(zhì)問(wèn)題及評(píng)價(jià)

3.1 壩基覆蓋層滲漏

壩基河谷地層為第四系全新統(tǒng)洪沖積卵石混合土，河谷左側(cè)II級(jí)堆積階地地層為上更新統(tǒng)卵石混合土局部夾低液限黏土透鏡體等，結(jié)構(gòu)松散。二者在壩基及上下游連續(xù)分布，河床及II級(jí)堆積階地卵石混合土滲透系數(shù)相差較小，為13.7～22.1m/d，具強(qiáng)透水性，存在壩基滲漏問(wèn)題。其滲漏量可按下式計(jì)算：

式中：Q—滲漏量，m3/d;

B—壩基寬度,m;

k—透水層滲透系數(shù),m/d;

H—大壩上下游水位差,m;

M—滲透層平均厚度,m;

2b—壩底寬,m。

當(dāng)水庫(kù)正常蓄水位為828.5m時(shí)，壩基覆蓋層滲漏量為17757.7m3/d。建議進(jìn)行防滲處理。

3.2 壩基滲透變形問(wèn)題

壩基持力層主要為全新統(tǒng)洪沖積卵石混合土等，結(jié)構(gòu)松散，分選性差，且在壩基上下游連續(xù)分布。當(dāng)水庫(kù)蓄水后，壩基卵石混合土等在上下游水位差產(chǎn)生的滲流作用下可產(chǎn)生滲透變形。對(duì)其可能產(chǎn)生的滲透變形類型及允許水力比降進(jìn)行如下判別和計(jì)算。

1）滲滲透變形類型判別

據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（GB50487-2008）附錄G，對(duì)于不連續(xù)級(jí)配土，土的細(xì)粒含量P按級(jí)配曲線中平緩段確定；對(duì)于連續(xù)級(jí)配的土，界線粒徑則按如下公式確定。

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。

根據(jù)該地基卵石混合土的不均勻系數(shù)和細(xì)粒含量，按照《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（GB50487-2008），可判別該壩基卵石混合土滲透變形類型主要為管涌。

2）臨界水力比降及允許水力比降

據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（GB50487-2008）附錄G：管涌型臨界水力比降采用以下公式計(jì)算，

式中:Jcr—土的臨界水力比降；

Gs—土的顆粒密度與水的密度之比；

n—土的孔隙率（%）；

d5、d20—分別占總土重的5%和20%的土粒粒徑，mm。

經(jīng)計(jì)算，地基卵石混合土的臨界水力比降Jcr平均值為0.22，考慮到工程的重要性，取安全系數(shù)2，其允許水力比降J為0.11。

3.3 壩基基巖滲漏問(wèn)題

壩基基巖為奧陶系中統(tǒng)下馬家溝組第六巖組 (O2x-6)灰黑色致密灰?guī)r，奧陶系中統(tǒng)下馬家溝組第五巖組(O2x-5)灰黃色、灰白色泥質(zhì)白云巖夾薄層泥質(zhì)灰?guī)r及奧陶系中統(tǒng)下馬家溝組第四巖組(O2x-4)灰黑色致密灰?guī)r。在正常蓄水位828.5m時(shí)，巖體強(qiáng)、弱風(fēng)化層為壩基基巖主要滲漏層，將會(huì)產(chǎn)生滲漏，滲漏量計(jì)算公式類似于前述壩基覆蓋層滲漏公式。

計(jì)算結(jié)果在正常蓄水位為828.5m時(shí)，壩基中等透水層基巖滲漏量為1767.8m3/d，弱透水層基巖滲漏量為289.9m3/d。建議對(duì)壩基基巖進(jìn)行帷幕灌漿處理。

3.4 基坑涌水

壩基卵石混合土層中孔隙水水位埋深大，基坑開(kāi)挖不存在涌水問(wèn)題。但河床中存在懸托型小流水，施工時(shí)應(yīng)注意引排水。

3.5 左右壩肩穩(wěn)定及繞壩滲漏

左壩肩巖體受風(fēng)化卸荷影響，表層巖體完整性差；巖體中主要發(fā)育北東和北西向陡傾角節(jié)理裂隙，軟弱結(jié)構(gòu)面不發(fā)育，巖層傾向上游偏向河谷，巖體穩(wěn)定性相對(duì)較好。

左壩肩巖體受風(fēng)化和谷底卸荷影響，節(jié)理裂隙較發(fā)育且有一定張開(kāi)，具中等透水性，為左壩肩繞壩滲漏通道，存在繞壩滲漏問(wèn)題。

采用滲漏量計(jì)算公式估算，水庫(kù)正常蓄水為828.5m時(shí)，左壩肩繞壩滲漏量為197.8m3/d。建議對(duì)左壩肩進(jìn)行防滲處理。右壩肩岸坡較緩，山頂高程980 m。岸坡坡腳處堆積（Q3dpl）灰黃色低液限黏土夾卵石混合土透鏡體，厚度約20 m?；鶐r主要為奧陶系中統(tǒng)下馬家溝組第六巖組灰黑色致密灰?guī)r，奧陶系中統(tǒng)上馬家溝組第七巖組灰黃色泥質(zhì)白云巖夾薄層泥質(zhì)灰?guī)r及奧陶系中統(tǒng)上馬家溝組第八巖組淺灰色薄層白云質(zhì)灰?guī)r，局部為中厚層，巖性堅(jiān)硬，巖層傾向于上游偏向山體內(nèi)部，為斜向岸坡。巖體中主要發(fā)育兩組節(jié)理裂隙，巖溶發(fā)育，軟弱結(jié)構(gòu)面不發(fā)育。建議挖除強(qiáng)風(fēng)化巖體，將右側(cè)趾板嵌入弱風(fēng)化巖體中，并對(duì)開(kāi)挖后壩肩及壩肩以上岸坡采取護(hù)坡措施。

右壩肩巖體受風(fēng)化、卸荷影響，節(jié)理裂隙較發(fā)育且有一定張開(kāi)，具中等透水性，為右壩肩繞壩滲漏通道，存在繞壩滲漏問(wèn)題。采用滲漏量計(jì)算公式估算，當(dāng)水庫(kù)正常蓄水為828.5m時(shí)，右壩肩繞壩滲漏量為214.1m3/d。建議對(duì)右壩肩進(jìn)行防滲處理。

4 結(jié)論與建議

1）壩址河谷段壩基地基覆蓋層主要為全新統(tǒng)洪沖積物，巖性主要為卵石混合土；右側(cè)II級(jí)階地地層為上更新統(tǒng)坡洪積物表層主要為低液限黏土夾卵礫石，其下為卵石混合土。下伏基巖為灰?guī)r及泥質(zhì)白云巖。強(qiáng)風(fēng)化層厚3.0～5.0 m。建議將堆石壩體置于卵石混合土層上。左右岸坡現(xiàn)處于穩(wěn)定狀態(tài)，建議挖除兩岸全部強(qiáng)風(fēng)化巖體層。

2）壩基及左右壩肩存在滲漏問(wèn)題，建議對(duì)壩基和左右壩肩進(jìn)行防滲處理。