汾河中游核心區(qū)液壓壩壩基地質(zhì)問題及處理措施

楊石眉

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

汾河中游核心區(qū)液壓壩壩基地質(zhì)問題及處理措施

楊石眉

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

汾河中游核心區(qū)干流1～5號(hào)液壓壩壩基地層結(jié)構(gòu)相似，其中汾河流域生態(tài)修復(fù)中游核心區(qū)干流上擬建15座液壓壩中壩基地質(zhì)條件最差，存在工程地質(zhì)問題最多，地基處理最具代表性的有5座液壓壩。對(duì)1～5號(hào)液壓壩壩基工程地質(zhì)條件進(jìn)行了描述，查明了1～5號(hào)液壓壩壩基存在的主要工程地質(zhì)問題，最后采用網(wǎng)格狀水泥攪拌連續(xù)防滲墻對(duì)地基進(jìn)行了處理，從而保證了1～5號(hào)液壓壩按期開工和安全運(yùn)營。

液壓壩；地震液化；滲漏量；防滲墻；水泥攪拌

1 工程概述

汾河發(fā)源于寧武縣東寨鎮(zhèn)管涔山脈樓子山腳下，由水母洞、龍眼泉及象頂石河匯流成河，流經(jīng)忻州、太原、晉中、呂梁、臨汾、運(yùn)城市6個(gè)地市、34個(gè)縣（市），在運(yùn)城市萬榮縣廟前村附近匯入黃河，干流全長716km，流域面積39471km2。多年來，受自然和人類活動(dòng)等多種因素影響，汾河流域生態(tài)環(huán)境受到嚴(yán)重破壞。2015年，山西省委省政府決定啟動(dòng)汾河流域生態(tài)修復(fù)工程，旨在恢復(fù)汾河河道水域面積，通過蓄滯洪水，充分利用雨洪資源，改善附近生態(tài)環(huán)境；增強(qiáng)地下水的補(bǔ)給；增強(qiáng)河道水質(zhì)的自然凈化和修復(fù)能力，改善水質(zhì)，最終使汾河流域的生態(tài)重現(xiàn)碧波蕩漾、魚鳥翱翔的大河風(fēng)光。

汾河流域生態(tài)修復(fù)中游核心區(qū)干流蓄水工程，擬在汾河中下游清徐縣西谷鄉(xiāng)（汾河二壩下游約2.8km處）至介休市義安鎮(zhèn)（汾河三壩下游約27.0km處）之間約80km的汾河干流上修建15座液壓壩及蓄水區(qū)，其壩址分別位于太原市的清徐縣，晉中市的祁縣、平遙縣和介休市境內(nèi)。其中1～5號(hào)液壓壩位于清徐縣西谷鄉(xiāng)東木莊村至柳杜鄉(xiāng)東南社村沿線汾河干流上，設(shè)計(jì)液壓壩壩高4.0～5.0m，壩頂高程755.5～761.0m，壩長230～260m，正常蓄水位755.5～761.0m，蓄水區(qū)范圍全長約12.5km。

2 區(qū)域地質(zhì)情況

工程區(qū)地處太原—晉中斷陷盆地中北部。地貌單元屬汾河洪沖積平原區(qū)，地形平坦，地勢總體沿汾河由上游向下游微傾，地面高程700～900m。

發(fā)育地層巖性主要為新生界上第三系及第四系松散堆積物，主要分布于盆地內(nèi)汾河兩岸及河谷，其中河湖堆積物厚度較大。巖性主要為級(jí)配不良砂，低液限粉土及低液限黏土等。

本區(qū)新生代以來，構(gòu)造運(yùn)動(dòng)主要表現(xiàn)為四周地表大面積不均勻抬升，形成了太原—晉中斷陷盆地。目前地殼處于相對(duì)穩(wěn)定期，區(qū)域穩(wěn)定性尚好。工程區(qū)地震動(dòng)峰值加速度值0.20g，反應(yīng)譜特征周期值0.35s，相應(yīng)地震基本烈度Ⅷ度。

區(qū)內(nèi)地下水類型主要為松散巖類孔隙水。含水層主要為第四系沉積的粉土質(zhì)砂、級(jí)配不良砂、級(jí)配不良礫、卵石混合土等粗粒土。一般富水性較好，地下水埋藏較淺。地下水主要接受大氣降水補(bǔ)給及邊山側(cè)向補(bǔ)給，自汾河上游向下游徑流排泄。

3 液壓壩壩基工程地質(zhì)

1～5號(hào)液壓壩壩基地層結(jié)構(gòu)相似，所存在的工程地質(zhì)問題也相近。

3.1 工程地質(zhì)條件

1～5號(hào)液壓壩壩址處，河床寬230～260m，兩側(cè)現(xiàn)為灘地，地形較為平緩，地面高程750.70～760.35m。兩岸為土質(zhì)防洪堤，堤高3.5～6.2m。

壩基地層主要為第四系全新統(tǒng)洪沖積。上部巖性為級(jí)配不良砂及含細(xì)粒土砂，淡黃—淺灰色，稍濕—飽和，結(jié)構(gòu)松散，局部夾低液限粉土層透鏡體，厚10.8～16.8m。其含水率5.3%～18.5%；天然密度1.39～1.67g/cm3；干密度1.23～1.48g/cm3；孔隙比0.811～1.175；飽和固結(jié)快剪凝聚力13.9～17.4kPa，內(nèi)摩擦角16.0°～20.5°。滲透系數(shù)1.4～3.5m/d，平均值2.4m/d，具中等透水性。中間夾低液限粉土層，淡黃、淺灰色，濕—飽和，為可塑狀，厚1.0～7.3m。其含水率20.7%～35.9%；天然密度1.77～2.06g/cm3；干密度1.30～1.71g/cm3；孔隙比0.576～1.104；壓縮系數(shù)0.09～0.74MPa-1，多具中等壓縮性；飽和固結(jié)快剪凝聚力10.0～23.2kPa，內(nèi)摩擦角19.0°～25.5°；滲透系數(shù)1.85×10-4～5.90×10-4cm/s，具弱透水性。下部為低液限黏土，褐黃—褐灰色，飽和，可塑—軟塑狀，局部夾級(jí)配不良砂和低液限粉土透鏡體，該層厚度大于3.0m。其含水率23.9%～37.9%；天然密度1.83～2.03g/cm3；干密度1.33～1.74g/cm3；孔隙比0.576～0.912；壓縮系數(shù)0.16～0.77MPa-1，多具中等壓縮性；飽和固結(jié)快剪凝聚力7.1～22.5kPa，內(nèi)摩擦角19.0°～25.0°；滲透系數(shù)3.45×10-6～2.52×10-5cm/s，具微—弱透水性。

地下水類型為松散巖類孔隙水。含水層主要為第四系全新統(tǒng)洪沖積級(jí)配不良砂、含細(xì)粒土砂等。地下水主要接受大氣降水補(bǔ)給。地下水自汾河上游向下游徑流排泄，地下水位埋深一般為0～3.2m。

3.2 工程地質(zhì)評(píng)價(jià)

1～5號(hào)液壓壩壩基上部級(jí)配不良砂、含細(xì)粒土砂及中間所夾低液限粉土層工程地質(zhì)條件差，主要存在地震液化、壩基滲漏及壩基土滲透變形等工程地質(zhì)問題。下部低液限黏土工程地質(zhì)特性較好。

3.2.1 壩基土液化問題

1～5號(hào)液壓壩壩基級(jí)配不良砂、含細(xì)粒土砂及其下的低液限粉土夾層的粒徑小于0.005mm的顆粒含量質(zhì)量百分率小于18%，初判其為可液化土層，下部低液限黏土層為不液化土層。

壩基土液化復(fù)判采用標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)法。由于壩基地下水位埋深與工程正常運(yùn)用時(shí)不同，因此實(shí)測標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)N′需按式（1）進(jìn)行校正，并以校正后的標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)N作為復(fù)判依據(jù)；液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)臨界值Ncr采用式（2）進(jìn)行計(jì)算。

式中：N′——實(shí)測標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)；

ds——工程正常運(yùn)用時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)貫入點(diǎn)在當(dāng)時(shí)地面以下的深度，m，標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)點(diǎn)深度與工程正常運(yùn)用時(shí)相同；

d′s——標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)貫入點(diǎn)在當(dāng)時(shí)地面以下的深度，m；

dw——工程正常運(yùn)用時(shí)，地下水位在當(dāng)時(shí)地面以下的深度，m；

d′w——標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)時(shí)，地下水位在當(dāng)時(shí)地面以下的深度，m；

Ncr——液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)臨界值；

N0——液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)基準(zhǔn)值，取10；

ρc——土的黏粒顆粒含量質(zhì)量百分率，%，當(dāng)ρc＜3%，取3%。

當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)N小于臨界值Ncr時(shí)應(yīng)判為液化土，經(jīng)計(jì)算，1～5號(hào)液壓壩壩基級(jí)配不良砂、含細(xì)粒土砂及其下的低液限粉土夾層在地震烈度為8°時(shí)可產(chǎn)生地震液化，存在地震液化問題，各壩基可液化土層厚度見表1。

3.2.2 壩基土滲漏問題

1～5號(hào)液壓壩壩基上部級(jí)配不良砂及含細(xì)粒土砂的滲透系數(shù)為1.4～3.5m/d，具中等透水性，為透水層；其下低液限粉土層的滲透系數(shù)為（1.85～5.90）×10-4cm/s，具弱透水性，為弱透水層；下部低液限黏土的滲透系數(shù)為3.45×10-6～2.52×10-5cm/s，具微—弱透水性，為相對(duì)隔水層。當(dāng)1～5號(hào)液壓壩正常蓄水后，壩基級(jí)配不良砂、含細(xì)粒土砂及低液限粉土層存在滲漏問題。為此，采用式（3）對(duì)1～5號(hào)液壓壩壩基級(jí)配不良砂、含細(xì)粒土砂及低液限粉土層的滲漏量進(jìn)行估算。

式中：Q——堤基滲漏量，m3/d；

B——計(jì)算段寬度，m；

k——堤基土滲透系數(shù)，m/d；

H——正常蓄水位時(shí)防洪堤內(nèi)外（閘壩上下游）水位差，m；

M——堤基透水層厚度，m；

2b——平均堤基寬度，m。

經(jīng)計(jì)算，1～5號(hào)液壓壩正常蓄水后，壩基土滲漏量為757～1694m3/d。

3.2.3 壩基土滲透穩(wěn)定性

1～5號(hào)液壓壩壩基持力層為級(jí)配不良砂、含細(xì)粒土砂層，其結(jié)構(gòu)松散，且在壩基及上下游連續(xù)分布，各液壓壩正常蓄水后，在液壓壩上下游水位差產(chǎn)生的滲壓作用下，壩基持力層級(jí)配不良砂、含細(xì)粒土砂可產(chǎn)生滲透變形。據(jù)1～5號(hào)液壓壩壩基級(jí)配不良砂、含細(xì)粒土砂的物質(zhì)組成、粉黏粒含量和結(jié)構(gòu)等，經(jīng)判別，壩基級(jí)配不良砂、含細(xì)粒土砂的滲透變形類型為流土。流土型臨界水力比降采用式（4）進(jìn)行計(jì)算。

式中：Jcr——土的臨界水力比降；

Gs——土粒比重；

n——土的孔隙率（以小數(shù)計(jì)）。

考慮到各液壓壩的重要性，安全系數(shù)取2，求得各壩基土的允許水力比降為0.39～0.46。

4 結(jié)論及建議

1～5號(hào)液壓壩壩基地層持力層為級(jí)配不良砂及含細(xì)粒土砂，厚10.8～16.8m；中間夾低液限粉土層，厚1.0～7.3m；其下為低液限黏土，厚度大于3m。壩基級(jí)配不良砂、含細(xì)粒土砂及低液限粉土層主要存在地震液化、壩基滲漏及滲透變形等工程地質(zhì)問題。

由于液壓壩壩型對(duì)壩基不均勻變形要求非常嚴(yán)格，為徹底消除壩基地震液化、壩基滲漏及滲透變形等問題，地基處理時(shí)主要考慮對(duì)地基土進(jìn)行圍封以消除地基土液化問題；同時(shí)在壩基筑防滲墻，減小壩基滲漏量的同時(shí)，可增大壩基地下水的滲流途徑，降低壩基地下水的水力比降，從而消除壩基土滲透變形隱患。為此，施工時(shí)1～5號(hào)液壓壩壩基創(chuàng)造性地采用網(wǎng)格狀水泥攪拌連續(xù)防滲墻，施工工藝及要求主要參考水泥攪拌樁制作工藝。網(wǎng)格狀水泥攪拌連續(xù)防滲墻具體要求如下：防滲墻有效墻徑0.3m；防滲墻垂直河流方向共設(shè)兩道，間距8～10m；防滲墻平行河流方向設(shè)40～50條，間距4～6m；防滲墻墻底應(yīng)伸入壩基下部低液限黏土層0.5～1.0m；待網(wǎng)格狀水泥攪拌連續(xù)防滲墻驗(yàn)收合格后，在網(wǎng)格內(nèi)換0.5m厚碎石層；最后在網(wǎng)格狀水泥攪拌連續(xù)防滲墻及碎石層之上回填0.2～0.3m厚的瀝青水泥砂漿，以確保壩基的連續(xù)性和均勻性。

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］C ［

］1004-7042（2016）10-0036-03

楊石眉（1965-），男，1998年畢業(yè)于華北水利水電學(xué)院工程地質(zhì)與水文地質(zhì)專業(yè)，高級(jí)工程師。

2016-08-21；

2016-09-25