南山水庫滲漏分析

王衛(wèi)東

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

南山水庫滲漏分析

王衛(wèi)東

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

山西省為我國北方黃土的主要發(fā)育區(qū)，水利工程大部分與黃土有關(guān)，因此黃土的工程地質(zhì)特性及水庫滲漏成為水利工程規(guī)劃和設(shè)計(jì)的重要因素。通過對南山水庫地質(zhì)勘察資料的闡述，針對水庫庫區(qū)、壩基地層可能產(chǎn)生的滲漏進(jìn)行分析計(jì)算，為后序工作提供依據(jù)。

黃土發(fā)育；水庫滲漏；滲漏計(jì)算；南山水庫

1 工程概況

南山水庫位于太谷縣北洸鄉(xiāng)白城村東南約3km的黃土臺(tái)地，水庫呈六邊形，南北向長約350m，東西向最寬約610m。設(shè)計(jì)壩型為均質(zhì)土壩，采用挖高填低的方式，開挖土料用于筑壩。水庫設(shè)計(jì)庫底高程838.00m，壩頂高程858.00m，正常蓄水位856.00m，設(shè)計(jì)洪水位856.89m，校核洪水位857.84m，總庫容190萬m3。

2 庫區(qū)地質(zhì)情況

2.1 地形地貌

水庫庫區(qū)地處太原—晉中盆地東南邊緣，汾河地塹南側(cè)。地勢東南高西北低，盆地區(qū)海拔高程780～900m，溝壑較發(fā)育，溝谷切割強(qiáng)烈，地形切割較為破碎，地貌單元為破碎黃土塬。東南部為太岳山脈，海拔高程900～1700m，為低中山區(qū)，山勢陡峻，沖溝發(fā)育。區(qū)內(nèi)地處黃河流域汾河水系，汾河自北向南流經(jīng)太原—晉中盆地區(qū)，其支流有瀟河、烏馬河、象峪河、津水河等。

南山水庫位于山西省果樹研究所東南約1.5km，山西省儲(chǔ)備物資管理局倉庫南側(cè)約500m，地貌單元屬山前堆積黃土臺(tái)地，工程區(qū)沖溝發(fā)育，均為干溝，僅雨季有洪水。主要發(fā)育小南溝（烏馬河支流）及其支溝，小南溝位于庫區(qū)右側(cè)，總體走向?yàn)镹40°W，其支溝總體走向?yàn)镹25°E，溝谷寬10～50m，溝底高程約837～846m，溝壑兩岸高程840～869m。兩岸均為土質(zhì)岸坡，岸坡較陡，坡度40°～65°，局部較陡。受岸坡卸荷及雨水沖刷淘蝕影響，地表溝壑縱橫，土體裂隙較發(fā)育，河谷斷面呈“U”型。此外，水庫下游右岸約80m有一東西向沖溝，溝內(nèi)設(shè)置一排洪渠。

2.2 地層巖性

庫區(qū)出露地層主要為新生界第四系中更新統(tǒng)洪積、上更新統(tǒng)坡洪積及全新統(tǒng)洪沖積，由老到新分述如下：

中更新統(tǒng)洪積：巖性主要為低液限黏土，淺紅色、棕紅色，土質(zhì)較干，結(jié)構(gòu)較密實(shí)，多呈硬塑狀，夾薄層粉細(xì)砂，偶含鈣質(zhì)結(jié)核和礫石，厚10～60m；夾數(shù)層卵石混合土層，結(jié)構(gòu)松散，分選較差，礫卵石成分為砂巖，呈次棱角—次圓狀，粒徑10～80mm。細(xì)粒物為中細(xì)砂，主要礦物成分為長石、石英及巖屑，厚1～5m，廣泛分布于沖溝底部及兩岸岸坡。

上更新統(tǒng)坡洪積：巖性主要為淡黃色低液限粉土，局部含粉細(xì)砂，土質(zhì)較干，結(jié)構(gòu)松散，呈硬塑狀，發(fā)育大孔隙和垂直節(jié)理。本層厚0～5m，分布于黃土臺(tái)地岸坡上部。

全新統(tǒng)洪沖積：巖性上部為淡黃色低液限粉（黏）土，土質(zhì)較干，結(jié)構(gòu)松散，厚3～6m，其下為卵石混合土，結(jié)構(gòu)松散，分選較差，卵礫石成分為砂巖，磨圓度中等，呈次棱角—次圓狀，厚3～5m，分布于沖溝表層。

2.3 庫區(qū)土體工程地質(zhì)特性

水庫庫底高程838.00m，以挖方為主。庫區(qū)發(fā)育地層為庫內(nèi)谷底為第四系全新統(tǒng)洪沖積物，巖性上部為淡黃色低液限粉（黏）土，厚3.9～6.5m，下部為卵石混合土、級配不良礫等，結(jié)構(gòu)松散，分選較差，厚0～4.5m，分布于沖溝谷底兩側(cè)及表層。庫岸為第四系上更新統(tǒng)坡洪積低液限粉（黏）土，結(jié)構(gòu)松散，含粉細(xì)砂，厚1.0～6.2m，分布于黃土臺(tái)地岸坡上部，下覆第四系中更新統(tǒng)洪積低液限黏土，結(jié)構(gòu)較密實(shí)，局部夾卵石混合土、級配不良砂透鏡體，厚40～60m，在岸坡及沖溝底部分布廣泛?？辈鞎r(shí)對不同時(shí)代的土層進(jìn)行了現(xiàn)場原位試驗(yàn)和取原狀樣進(jìn)行了室內(nèi)土工試驗(yàn)，并進(jìn)行試驗(yàn)成果統(tǒng)計(jì)。

第四系全新統(tǒng)洪沖積巖土體：低液限粉（黏）土天然含水率3.8%～7.2%，平均值5.6%；天然密度1.68～1.74g/cm3，平均值1.71g/cm3；干密度1.59～1.68g/cm3，平均值1.62g/cm3；孔隙比0.61～0.70，平均值0.67；壓縮系數(shù)av1-20.13MPa-1，具中等壓縮性；垂直滲透系數(shù)9.13×10-4cm/s，水平滲透系數(shù)2.09×10-4cm/s，具中等透水性；黏粒含量12.1%～16.7%。粉土質(zhì)砂天然含水率3.9%；天然密度1.68g/cm3；干密度1.62g/cm3；孔隙比0.66；壓縮系數(shù)av1-20.13MPa-1，具中等壓縮性；垂直滲透系數(shù)3.34×10-3cm/s，具中等透水性；黏粒含量11.9%。

第四系上更統(tǒng)坡洪積巖土體：低液限黏（粉）土天然含水率3.5%～11.4%，平均值7.3%；干密度1.32～1.67g/cm3，平均值1.49g/cm3；天然壓縮系數(shù)0.07～0.22MPa-1，平均值0.15MPa-1，具低—中等壓縮性；飽和壓縮系數(shù)0.50～0.76MPa-1，平均值0.63MPa-1，具高壓縮性；垂直滲透系數(shù)5.82×10-5cm/s，具弱透水性；飽和抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，凝聚力11.6～13.8kPa，平均值12.7kPa，內(nèi)摩擦角22.0°～23.0°，平均值22.5°。粉土質(zhì)砂天然含水率3.5%；干密度1.57g/cm3；天然壓縮系數(shù)0.14MPa-1，具中等壓縮性；飽和壓縮系數(shù)0.29MPa-1，具中等壓縮性。

第四系中更統(tǒng)洪積巖土體：低液限黏土天然含水率4.1%～12.6%，平均值8.1%；干密度1.20～1.68g/cm3，平均值1.43g/cm3；天然壓縮系數(shù)0.07～1.16MPa-1，平均值0.39MPa-1，具低—高壓縮性；飽和壓縮系數(shù)0.18～1.01MPa-1，平均值0.60MPa-1，具中等—高壓縮性；垂直滲透系數(shù)1.85×10-5～2.72×10-4cm/s，平均值7.89×10-5cm/s，水平滲透系數(shù)2.60×10-5～8.78×10-5cm/s，平均值5.69×10-5cm/s，具弱透水性。

3 庫區(qū)及壩基滲漏

水庫區(qū)地下水類型為松散巖類孔隙水。地下水主要接受大氣降水補(bǔ)給，自上游向下游徑流排泄。地下水主要賦存于第四系全新統(tǒng)洪沖積卵石混合土（級配不良礫）中，其富水性主要受顆粒大小、級配和地層結(jié)構(gòu)等控制，一般富水性較好，但局部因含泥量增大，富水性變差。

庫區(qū)松散巖類孔隙水具有統(tǒng)一的地下水位，勘察期間壩址區(qū)地下水埋深一般在15～20m。據(jù)鉆孔注水及探坑滲水試驗(yàn)，庫區(qū)全新統(tǒng)洪沖積卵石混合土的滲透系數(shù)為12.3～25.2m/d，平均值為17.7m/d，具強(qiáng)透水性。

3.1 庫區(qū)滲漏

庫區(qū)838.00m高程以下出露地層巖性為全新統(tǒng)洪沖積低液限粉（黏）土、粉土質(zhì)砂、卵石混合土與中更新統(tǒng)洪積低液限黏土。

全新統(tǒng)洪沖積：低液限粉（黏）土、粉土質(zhì)砂垂直滲透系數(shù)9.13×10-4～3.34×10-3cm/s，平均值2.13×10-3cm/s，屬中等透水層，厚3.9～6.5m；卵石混合土層滲透系數(shù)12.3～25.2m/d，屬強(qiáng)透水層，厚0～4.5m。

中更新統(tǒng)洪積：低液限黏土垂直滲透系數(shù)1.85× 10-5～2.72×10-4cm/s，平均值為7.89×10-5cm/s，屬弱透水層，厚40～60m。

全新統(tǒng)洪沖積上部含砂低液限粉（黏）土、粉土質(zhì)砂具中等透水性，且局部厚度較薄，水庫蓄水后，將通過該層與下部卵石混合土產(chǎn)生庫底滲漏。由于庫區(qū)地層具有一定的透水性，區(qū)內(nèi)地下水位埋藏較深，水庫蓄水后存在向庫底的永久滲漏問題。

根據(jù)庫區(qū)地層分布情況，綜合考慮庫區(qū)地形地質(zhì)條件，第四系全新統(tǒng)洪沖積物上部為淡黃色低液限粉（黏）土，厚3.9～6.5m，下部為卵石混合土、級配不良礫等，結(jié)構(gòu)松散，分選較差，厚0～4.5m，當(dāng)水庫庫底開挖到高程838.00m時(shí)，庫底大部分第四系全新統(tǒng)洪沖積卵石混合土、級配不良礫將被全部挖除或挖除一部分。

經(jīng)測算，庫底滲漏剖面總面積約5380m2，其中第四系全新統(tǒng)洪沖積物滲水面積約250m2，第四系中更新統(tǒng)洪積低液限黏土層滲水面積為5130m2。全新統(tǒng)洪積含砂低液限粉（黏）土與卵石混合土的滲透系數(shù)取加權(quán)平均值3.0m/d；中更新統(tǒng)洪積低液限黏土的滲透系數(shù)取7.89×10-5cm/s，即0.07m/d。

根據(jù)達(dá)西定律計(jì)算得，在正常蓄水位856.00m時(shí)，庫底滲漏量為332.7m3/d。從滲漏計(jì)算中可以看出，全新統(tǒng)洪沖積含砂低液限粉（黏）土與卵石混合土為壩下主要滲漏地層。建議對庫底進(jìn)行防滲處理，可考慮用中更新統(tǒng)洪積低液限黏土鋪蓋碾壓或鋪土工布等方法。

3.2 壩基滲漏

壩基地層主要為第四系上更新統(tǒng)、中更新統(tǒng)低液限粉（黏）土，過溝段為全新統(tǒng)洪沖積低液限粉（黏）土、卵石混合土。據(jù)原狀樣土工試驗(yàn)及探坑滲水試驗(yàn)資料，全新統(tǒng)低液限粉（黏）土的滲透系數(shù)為2.45× 10-4cm/s，具弱透水性；卵石混合土的滲透系數(shù)為12.3～25.2m/d，具強(qiáng)透水性。上更新統(tǒng)坡洪積低液限黏土的滲透系數(shù)為3.04×10-4cm/s，中更新統(tǒng)洪積低液限黏土的滲透系數(shù)為6.04×10-5cm/s，具弱透水性。

水庫蓄水后，卵石混合土層構(gòu)成壩基主要滲漏層位，第四系低液限粉（黏）土也存在一定滲透性，壩基存在滲漏問題。采用下式對壩基滲漏量進(jìn)行估算。

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