石佛寺水庫壩址工程地質(zhì)問題評價及處理

賈國英

（山西省水利水電勘測設(shè)計研究院 山西太原 030024）

石佛寺水庫工程位于大同市天鎮(zhèn)縣逯家灣鎮(zhèn)石佛寺村南的南洋河上，屬海河流域永定河水系洋河的二級支流。設(shè)計壩型為混凝土壩與閘結(jié)合的閘壩方案，設(shè)計壩高8 m，正常蓄水位978.2 m，庫容288.7萬m3，屬小（1）型水庫。該水庫壩址工程地質(zhì)條件較復雜，文中對壩址巖土體工程地質(zhì)特性進行了分析研究，為工程設(shè)計布置方案和工程處理提供可靠地質(zhì)依據(jù)。

1 壩址工程地形地質(zhì)條件

壩址處南洋河流向N14°E，河谷寬約100.0 m，地面高程971～976 m，地形較平坦。主河床靠右側(cè)，左側(cè)為河漫灘。左岸為基巖岸坡，但山體較單薄，高出河床約15 m，其頂部較平緩；右岸為基巖岸坡，山體渾厚，山勢較陡竣，山頂高程1 020～1 050 m。河谷呈不對稱“U”型谷。

壩址區(qū)出露地層巖性為太古界變質(zhì)巖及第四系松散堆積物。

1）太古界集寧群右所堡組上段（Ar1y2）

巖性主要為黑云斜長片麻巖，局部夾花崗片麻巖。厚度大于800 m。主要分布于南洋河河谷底部及兩岸。

巖性主要為卵石混合土、級配不良礫，夾低液限粉土透鏡體，結(jié)構(gòu)松散，級配較差。厚度0～40 m。主要分布于壩址左岸階地及山前洪沖積平原區(qū)。

巖性主要為碎（卵）石混合土、級配不良礫，粒徑大小不等，結(jié)構(gòu)松散，具架空現(xiàn)象，局部夾低液限粉土。厚度0～20 m。主要分布于壩址右岸階地及沖溝內(nèi)。

巖性主要為卵石混合土，中部夾含礫級配不良砂，結(jié)構(gòu)松散，分選較差，礫石成分主要為變質(zhì)巖，磨圓度為次棱角～次圓狀。細粒主要為中細砂，礦物成分為石英、長石及一些巖屑。厚0～21 m。主要分布于壩址南洋河河谷及其支流（溝）內(nèi)。

5）人工堆積（Qs）

巖性主要為級配不良砂，厚度0～3.0 m。主要分布于河床左岸漫灘及階地上，為人工洗礦形成。

壩址區(qū)地質(zhì)構(gòu)造簡單，斷裂構(gòu)造不發(fā)育，為單斜巖層，巖層片麻理產(chǎn)狀：N10～20°W/SW∠50～60°，傾向上游偏左岸。巖體中主要發(fā)育四組陡傾角節(jié)理裂隙：①N65～75°W/NE∠70～80°； ②N20～30°W/NE∠70～80°； ③N30～40°W/NE∠30～45°； ④N65～75°E/NW或SE∠70～80°。其中第①、②組節(jié)理較發(fā)育。

根據(jù)地下水的賦存條件，區(qū)內(nèi)地下水類型主要為松散巖類孔隙水、變質(zhì)巖類裂隙水。變質(zhì)巖裂隙水含水層為集寧群右所堡組黑云斜長片麻巖風化帶，地下水主要賦存于風化帶裂隙中，富水不均，且具有就地補給就地排泄的特點，主要向南洋河河谷徑流排泄。松散巖類孔隙水含水層主要為第四系全新統(tǒng)洪沖積卵石混合土、級配不良砂等，一般富水性較好，水量豐富，自南洋河河谷上游向下游徑流排泄。

2 工程地質(zhì)問題評價及工程處理

2.1 壩基巖土體工程地質(zhì)特性

壩基河谷主要為卵石混合土層夾含礫級配不良砂層，基巖為右所堡組黑云斜長片麻巖，為中硬巖，強風化層厚2～5 m，弱風化層厚10～15 m。

由于壩基上部卵石混合土層表層含雜物，建議清除表層含雜物的卵石混合土層，厚2.0 m，并對卵石混合土夯實，增加密實度。建議卵石混合土允許承載力200～250 kPa，開挖邊坡1∶0.65。根據(jù)卵石混合土的顆粒組成、級配、結(jié)構(gòu)等，建議混凝土與卵石混合土抗剪強度摩擦系數(shù)f=0.45～0.50。

2.2 壩基卵石混合土滲漏及滲透變形問題

壩基持力層為全新統(tǒng)洪沖積卵石混合土夾含礫級配不良砂和強風化巖，具中等～強透水性，構(gòu)成壩閘基滲漏層位，存在壩基滲漏問題。卵石混合土平均厚度10.5 m，滲透系數(shù)為9.9 m/d；強風化巖平均厚度為17 m，滲透系數(shù)取1.0 m/d。滲漏帶滲透系數(shù)取二者加權(quán)平均值為4.5 m/d，厚度為26.9 m。

選公式（1）計算壩基滲漏量：

式中：Q——滲漏量，m3/d；

H——壩前正常蓄水位與下游水位差，m；取值6.8 m；

2b—壩基寬度，m；取值12 m；

K—滲透層滲透系數(shù)，m/d；取值4.5m/d；

B—滲透層寬度，m；取值170 m；

T—滲透層厚度，m；取值26.9 m。

經(jīng)計算，在正常蓄水位876.5 m時，壩基滲漏量為3 597.3 m3/d，對壩基應(yīng)采取防滲措施。

壩基卵石混合土夾含礫級配不良砂在壩閘基及上下游連續(xù)分布，構(gòu)成滲漏層位，而且在壩閘上下游水位差產(chǎn)生的滲壓作用下可產(chǎn)生滲透變形。據(jù)顆分試驗成果，卵石混合土層卵石含量約18.9%～25.6%，礫石含量48.9%～52.5%，砂粒含量23.6%～25.6%，粉黏粒含量1.9%～4.0%，不均勻系數(shù)Cu=98.5～130.5，曲率系數(shù)Cc=0.85～2.45。經(jīng)計算，壩基卵石混合土層不均勻系數(shù)Cu=98.5～130.5，均大于5，細顆粒含量P=14%～21%，均小于25%，壩基土滲透變形類型為管涌。

卵石混合土層管涌的臨界水力比降采用《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（GB50487-2008）附錄G中管涌型或過渡型計算公式（2）：

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，取2.74；

n——土的孔隙率；%；取37.5%；

d5、d20——分別占總土重的5%和20%的土粒粒徑，mm；分別為0.113 mm、0.765 mm。

經(jīng)計算，壩基混合土卵石層臨界水力比降Jcr=0.22?？紤]本工程的重要性，取安全系數(shù)2，壩基卵石混合土層允許水力比降J允許=0.11。

2.3 壩基地震液化問題

工程區(qū)抗震基本烈度為7度，壩基全新統(tǒng)洪沖積卵石混合土層小于5 mm顆粒含量質(zhì)量百分率為27.5%～29.6%，小于30%，初判為不液化土層。全新統(tǒng)洪沖積含礫級配不良砂層，粉黏粒含量1.7%～3.1%，黏粒含量小于16%，初判可能液化土。

采用標準貫入錘擊數(shù)法進行復判，工程實際運用時標準貫入錘擊數(shù)N為6.8～8.1擊，標準貫入錘擊數(shù)臨界值Ncr為10.4～13.6擊，級配不良砂層存在液化問題。

2.4 壩閘后沖刷問題

閘壩下游沖刷是指壩頂溢流對下游巖土體的沖刷作用。閘壩溢流采用閘頂溢流方式，水頭落差約5m。閘壩下游地表地層為卵石混合土，卵石含量約18.9%～25.6%，礫石含量48.9%～52.5%，砂粒含量23.6%～25.6%，粉黏粒含量1.9%～4.0%，平均粒徑d50=8.5 mm，不均勻系數(shù)Cu=98.5%～130.5%，曲率系數(shù)Cc=0.85～2.45。其鉆孔錐貫擊數(shù)2.9～10.8擊，密實度狀態(tài)松散～稍密。卵石混合土層礫、砂含量較大，結(jié)構(gòu)較松散，抗沖刷能力低。建議對大壩下游卵石混合土層采取抗沖刷措施。

2.5 左壩肩巖體穩(wěn)定及繞壩滲漏問題

2.5.1 左壩肩巖體穩(wěn)定

左壩肩岸坡傾向NE，岸坡坡度45°。岸坡基巖裸露，巖體中裂隙較發(fā)育。出露地層巖性主要為集寧群右所堡組黑斜長片麻巖。左壩肩巖層片麻理產(chǎn)狀N10～20°W/SW∠50～60°。主要發(fā)育四組陡傾角節(jié)理裂隙，巖體中軟弱結(jié)構(gòu)面不發(fā)育，左壩肩巖體整體穩(wěn)定性較好。

2.5.2 左壩肩繞壩滲漏

壩址左岸上、下游各發(fā)育一支溝，兩溝之間山梁寬約250 m。左壩肩處基巖裸露，向四周基巖埋深加大，S201省道以南基巖埋深0～40 m。上部覆蓋層為第四系上更新統(tǒng)洪沖積級配不良礫夾低液限粉土透鏡體，為古河道。

通過對壩址左岸灌概用機井地下水位進行調(diào)查，可知左岸地下水向南洋河及下游排泄，無因古河道而存在的地下水低洼強徑流帶?，F(xiàn)狀左岸地下水水力坡度6.1‰～20.2‰，地下水略高于正常蓄水位，左岸近南洋河處地下水補給河水，地下水位水力坡度較小。

水庫正常蓄水位978.2.0 m，水庫蓄水后，壩近左岸地下水位低于正常蓄水位，存在沿級配不良礫及強風化基巖繞壩滲漏問題。

據(jù)鉆孔壓(注)水試驗及豎井滲水資料，級配不良礫滲透系數(shù)5.18～12.3 m/d，具中等～強透水性。

正常蓄水位以下級配不良礫透水帶厚10～23 m，平均16.5 m。左壩肩巖體滲透性等級為弱～中等透水性。以巖體透水率小于10 Lu做為相對隔水層。左壩肩上部中等透水帶巖體滲透系數(shù)1.5～2.5 m/d，基巖中等透水帶厚7～10 m，平均取8.5 m。該段滲漏帶滲透系數(shù)取其加權(quán)平均值為8.90 m/d。

在正常蓄水位978.2 m時，根據(jù)左壩肩透水性特征，左壩肩上游滲漏層厚度約25 m，下游巖體滲漏層厚度約16.4 m。左壩肩滲漏帶寬度按現(xiàn)有地下水位水力坡度6‰推算至正常蓄水位978.2時，長1 010 m。左壩肩繞壩滲漏選用公式（3）進行估算：

式中：Q——繞壩滲漏量，m3/d；

k——基巖滲透系數(shù)，m/d；

H——大壩上游與下游水位差，m；

H1、H2——剖面上游、下游透水層厚度，m；

B——繞壩滲漏帶寬度，m；B=L/π，L為滲漏帶寬度，B取321.7；

r0——壩肩繞滲帶最小半徑，m。

經(jīng)計算，在正常蓄水位時，左岸繞壩滲漏量為1 638 m3/d。建議對左壩肩級配不良礫及中等透水巖體進行防滲處理。考慮本工程的重要性和功能，以及左岸透水巖體的分布情況，建議防滲寬度50～60 m為宜。

2.6 右壩肩巖體穩(wěn)定及繞壩滲漏問題

2.6.1 右壩肩巖體穩(wěn)定

右壩肩基巖裸露，岸坡傾向W，岸坡坡度40°。片麻理產(chǎn)狀N10～20°W/SW∠50～60°。 主要發(fā)育四組陡傾角節(jié)理裂隙，巖體中軟弱結(jié)構(gòu)面不發(fā)育，右壩肩巖體整體穩(wěn)定性較好。

2.6.2 右壩肩繞壩滲漏

右壩肩繞壩滲漏主要是基巖裂隙滲漏，地下水位較河水位稍高。

鉆孔揭露深度內(nèi)巖體滲透性等級為弱透水性～中等透水性。以巖體透水率小于10 Lu做為相對隔水層。右壩肩巖體中等透水帶透水率9.0～11.8 Lu，平均值為10.6 Lu，換算滲透系數(shù)為K=0.10 m/d。

在正常蓄水位978.2 m時，按式（3）進行計算，右岸繞壩滲漏量為216 m3/d。建議對右壩肩巖體進行帷幕灌漿處理，根據(jù)右壩肩地質(zhì)條件和滲漏層的特點，建議防滲寬度30～40 m。

3 結(jié)語

石佛寺水庫壩址南洋河為峽谷型河段，發(fā)育地層主要為太古界集寧群右所堡組黑云斜長片麻巖和第四系松散堆積物。壩基持力層為全新統(tǒng)洪沖積卵石混合土，主要存在壩基滲漏及滲透變形問題，建議對壩基卵石混合土和風化基巖進行防滲，深度進入弱風化巖體5～8 m。全新統(tǒng)洪沖積物中部夾含礫級配不良砂，經(jīng)采用標準貫入試驗判斷為可液化層，但考慮到其上部卵石混合土具強透水性，起較好的排水作用，地震時液化不易發(fā)生，可不進行處理。壩閘后泄流段主要為卵石混合土層，其抗沖刷能力較低，建議設(shè)海漫和消力池，防止泄流時沖刷淘蝕影響閘基穩(wěn)定。左右壩肩巖體穩(wěn)定性較好，主要存在繞滲問題，建議進行防滲。