北掌水庫(kù)壩基主要工程地質(zhì)問(wèn)題及處理措施

郝永剛

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

北掌水庫(kù)位于汾西縣，汾河一級(jí)支流對(duì)竹河中上游一支溝內(nèi)。主要為汾西工業(yè)園、城市用水及農(nóng)業(yè)灌區(qū)供水。水庫(kù)總庫(kù)容465.4 萬(wàn)m3，擬建均質(zhì)土壩，最大壩高46 m。屬?。?）型水庫(kù)，工程等別為Ⅳ等，均質(zhì)土壩、溢洪道及導(dǎo)流泄洪洞等主要建筑物為4 級(jí)，次要建筑物及臨時(shí)建筑物為5 級(jí)。

1 壩址區(qū)工程地質(zhì)

壩址區(qū)溝谷為“U”型谷，溝谷寬約150 m，壩址處因修建淤積壩造地，地形較寬闊平坦。兩岸山勢(shì)較雄厚，沖溝較發(fā)育，壩軸線處左岸發(fā)育一小型沖溝，長(zhǎng)約200 m。此外壩址兩岸上下游各發(fā)育兩條較大沖溝，長(zhǎng)500～800 m。兩岸自然坡度40°～70°，相對(duì)高差50～100 m，屬典型梁峁?fàn)铧S土地貌。壩址區(qū)溝谷方向?yàn)镹85°E，無(wú)基流。

壩址區(qū)發(fā)育基巖地層為石炭系太原組頁(yè)巖、砂巖及灰?guī)r，厚約46 m，多分布于兩岸及溝谷底部，河床部位局部出露。第四系松散層分布從上至下為：

人工堆積（Qs）回填土、耕植土，巖性為低液限黏土，含植物根系，屬中等-高壓縮性土，滲透性等級(jí)為弱-中等透水性，具濕陷性，厚0.5～4.0 m，分布于河谷表層，原河床部分回填土較厚，兩岸較薄。

壩址區(qū)范圍內(nèi)多被松散堆積物覆蓋，基巖僅在近壩址區(qū)上游右岸沖溝口局部出露，構(gòu)造形跡不清，未發(fā)現(xiàn)斷裂構(gòu)造。出露地層為石炭系上統(tǒng)太原組地層，巖層產(chǎn)狀N15°W/NE∠5～8°。

區(qū)內(nèi)地下水由兩岸向溝谷，上游向下游徑流排泄。地下水類型主要有松散巖類孔隙水和碎屑巖類裂隙水。

壩址區(qū)土體主要物理力學(xué)性質(zhì)見表1。

表1 壩址區(qū)土體物理性質(zhì)特征表

2 主要工程地質(zhì)問(wèn)題

河床表層人工堆積低液限黏土結(jié)構(gòu)松散，工程特性差，建議清除。壩基主要置于全新統(tǒng)卵石混合土層、上更新統(tǒng)及中更新統(tǒng)低液限粉（黏）土層。主要存在壩基滲漏及滲透變形、壩肩黃土濕陷性問(wèn)題。

2.1 壩基滲透變形及滲漏

1）滲透變形

土的滲透變形特征應(yīng)根據(jù)土的顆粒組土、密度和結(jié)構(gòu)狀態(tài)等因素綜合分析確定。本次主要依據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（GB50487-2008）進(jìn)行土的滲透變形判別。

（1）壩基卵石混合土層

對(duì)于無(wú)黏性土，滲透變形類型的判別方法為：不均勻系數(shù)小于等于5 的無(wú)黏性土滲透變形類型為流土；不均勻系數(shù)大于5 的無(wú)黏性土依據(jù)細(xì)顆粒含量（Pc）進(jìn)行判別，當(dāng)細(xì)顆粒含量（Pc）大于等于35%時(shí)，破壞類型為流土，細(xì)顆粒含量（Pc）小于25%時(shí)，破壞類型為管涌，其余情況為破壞類型過(guò)渡型土。

細(xì)顆粒含量（Pc）確定方法為：對(duì)于級(jí)配不連續(xù)的土，至少有一個(gè)以上粒組的顆粒含量小于或等于3%，以該粒組在顆分曲線上形成的平緩段的最大粒徑和最小粒徑的平均值或最小粒徑顆粒含量為細(xì)顆粒含量；對(duì)于級(jí)配連續(xù)的土，粗細(xì)粒區(qū)分粒徑以公式df=進(jìn)行計(jì)算，d70、d10分別為小于該粒徑的含量占總土重10%、70%的顆粒粒徑（mm）。

Jcr=2.2（Gs-1）（1-n）2d5/d20

式中：Jcr——土的臨界水力比降；

Gs——土的顆粒比重，取值2.69；

n——土的孔隙率，以小數(shù)計(jì)。取值0.35；

d5、d20——分別為占總土重的5%、20%時(shí)對(duì)應(yīng)的土粒粒徑（mm），d5=0.2，d20=2.0。

采用上式進(jìn)行計(jì)算，壩基卵石混合土層臨界水力比降為Jcr=0.17。

（3）允許水力比降

允許水力比降等于臨界水力比降除以安全系數(shù)。一般對(duì)于水庫(kù)工程來(lái)說(shuō)，安全系數(shù)宜取2。建議允許水力比降值：卵石混合土層J允許=0.09，低液限黏土J允許=0.59。

（4）天然壩基滲透變形可能性判別

根據(jù)大壩斷面及地層結(jié)構(gòu)估算天然壩基水力坡降J=h/2b，h為壩上下游水頭差，2b為壩基寬（m）。經(jīng)計(jì)算，天然壩基水力坡降為0.16?？煽闯?，壩基卵石混合土段J允許小于天然坡降，存在滲透變形問(wèn)題。

2）壩基覆蓋層滲漏問(wèn)題

Q=K·B·T·H/（2b+T）

式中：Q——壩基卵石混合土層滲漏量，m3/d；

H——大壩上下游水位差，m，H=39.5 m；

2b——壩基寬度，m；2b=248 m；

K——壩基土滲漏層滲透系數(shù)，m/d，K=12.9 m/d；

B——壩基卵石混合土滲漏層寬度，m，B=78 m；

T——壩基卵石混合土滲漏層厚度，m，T=2.5 m。

采用上式計(jì)算，壩基卵石混合土層滲漏量為396.7 m3/d。

壩基卵石混合土層抗壓縮及抗剪強(qiáng)度較好，可作為大壩持力層，但存在滲漏及滲透變形問(wèn)題，且厚度不大，建議設(shè)置截水槽防滲措施。

2.2 左、右壩肩黃土濕陷性

黃土濕陷性判別依據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（GB50487-2008）附錄T 進(jìn)行初判，并且依據(jù)《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》（GB50025-2018）來(lái)進(jìn)行復(fù)判。

（1）初判

（2）復(fù)判

依據(jù)《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》（GB50025-2018）進(jìn)行復(fù)判。左壩肩黃土自重濕陷量計(jì)算值Δzs的計(jì)算公式如下：

式中：Δzs——自重濕陷量計(jì)算值，mm；

δzsi——第i層土自重濕陷系數(shù)；

hi——第i層土的厚度，mm，由每個(gè)土樣代表的土層厚度確定；

βo——因土質(zhì)地區(qū)而異的修正系數(shù)，本區(qū)按規(guī)范屬其他地區(qū)，取0.5。

左壩肩黃土自重濕陷量的計(jì)算值Δzs自天然地面算起，至其下至非濕陷黃土層的頂面。自重濕陷系數(shù)δzs值小于0.015 的土層不累計(jì)。計(jì)算見表1。

左壩肩黃土地基總濕陷量計(jì)算值Δs（mm）按下式計(jì)算：

式中：Δs——地基濕陷量計(jì)算值，mm；

δsi——第i層土的濕陷系數(shù)；

hi——第i層土的厚度，mm，由每個(gè)土樣代表的土層厚度確定；

β——考慮地基土的受水浸濕可能性和側(cè)向擠出等因素的修正系數(shù)。一般情況下，基底下5 m 深度范圍內(nèi)取1.5；基底下5 ～10 m 深度內(nèi)取1.0；基底下10 m 以下，至非自重濕陷性黃土層頂面，在自重濕陷性黃土場(chǎng)地，可取工程所在地區(qū)的βo值。計(jì)算結(jié)果見表2。

地基濕陷量計(jì)算值的計(jì)算深度，自地面下1.5 m至非濕陷黃土層的頂面。其中濕陷系數(shù)δs（10 m 以下為δzs）小于0.015 的土層不累計(jì)。

（3）濕陷性判別結(jié)果

左壩肩低液限黏土存在濕陷性問(wèn)題。濕陷性平面分布特征為左岸坡腳（SJ14-3）附近，為非自重濕陷性場(chǎng)地，濕陷等級(jí)為Ⅰ（輕微），濕陷下限深度5.0 m。左壩肩臨坡低液限黏土（SJ14-2）處為自重濕陷性場(chǎng)地，濕陷等級(jí)為Ⅳ（很嚴(yán)重），濕陷下限深度23.2 m。左壩肩岸坡住里低液限黏土（SJ14-1）為自重濕陷性場(chǎng)地，濕陷等級(jí)為Ⅲ（嚴(yán)重），濕陷下限深度18.7 m。

表2 左壩肩低液限黏土濕陷性計(jì)算成果表

（4）處理措施

左壩肩自然邊坡20°～60°，現(xiàn)狀地形為條狀耕地，濕陷性土層埋深向山坡方向漸漸增大。設(shè)計(jì)擬處理壩肩以下及向外延伸20 m 范圍內(nèi)所有濕陷性土層?？紤]邊坡穩(wěn)定、工期及濕陷性土層分布及物性指標(biāo)，建議采取素土擠密樁措施處理，考慮擠密樁對(duì)邊坡穩(wěn)定也存在一定影響，在施工組織設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)對(duì)各孔施工工序作出合理安排。

3 結(jié)論及建議

壩址區(qū)河床表層Qs低液限粉（黏）土工程特性差，建議清除。壩基主要置于全新統(tǒng)卵石混合土層、上更新統(tǒng)及中更新統(tǒng)低液限黏（粉）土層。主要存在壩基滲漏及滲透變形問(wèn)題、左壩肩黃土濕陷性問(wèn)題。建議壩基河床段設(shè)截水槽，并對(duì)左岸濕陷性土層采取素土擠密樁措施進(jìn)行處理。該工程已按建議處理措施實(shí)施，效果良好。