閣老灣水庫壩基存在滲透穩(wěn)定問題及處理措施

陳世偉

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

1 工程概況

閣老灣水庫位于山西省呂梁市興縣康寧鎮(zhèn)閣老灣村附近南川河上，系黃河流域蔚汾河水系上的一座以農(nóng)業(yè)灌溉和防洪為主，兼顧工業(yè)供水的中型水利樞紐工程。該水庫始建于1976年9月，1978年6月竣工投入運(yùn)行。水庫總庫容為1 060.6萬m3，控制流域面積169 km2。樞紐工程由大壩、溢洪道、泄洪洞及灌溉放水涵管等組成。大壩為水力沖填均質(zhì)土壩，最大壩高29.0 m，壩頂長688 m。上下游壩坡設(shè)有漿砌石排水溝；坡腳設(shè)有排水棱體。

2 壩址區(qū)地質(zhì)簡述

2.1 地質(zhì)條件

閣老灣水庫壩址處河流流向?yàn)镹30°W，主河床靠近左岸，右岸為一凸岸黃土臺地，發(fā)育Ⅰ級基座階地。主河床段寬30～50 m，右岸壩基（黃土臺地階面）建基面約高于主河床段建基面9～10 m，上下游寬度約260 m。兩岸均為土質(zhì)岸坡，左岸岸坡較陡，坡度60°～70°；右岸為寬緩岸坡，地面平緩。

主河床段壩基為第四系全新統(tǒng)洪沖積（Q4pal），巖性為卵石混合土，結(jié)構(gòu)松散，分選較差，局部夾級配不良礫（砂）透鏡體，厚2.5～4.5 m。右岸黃土臺地出露第四系上更新統(tǒng)洪沖積（Q3pal），呈二元結(jié)構(gòu)，上部巖性為淡黃色低液限粉（黏）土，稍濕-濕，稍密，厚5～17 m；下部為1.5～2.0 m厚的級配不良礫、含細(xì)粒土礫。主河床段及右岸黃土臺地下伏基巖為三迭系中統(tǒng)二馬營組（T2er）灰綠、紫紅色泥巖，局部夾黃綠色長石石英砂巖，厚度大于20 m。

地下水類型為碎屑巖類裂隙水和松散巖類孔隙水兩種。碎屑巖類裂隙水含水層巖性為三迭系中統(tǒng)二馬營組砂巖及泥巖，主要賦存于巖體構(gòu)造裂隙和風(fēng)化裂隙內(nèi)，富水性一般，泥巖為相對隔水層；松散巖類孔隙水主要賦存于河床及基座階地卵石混合土、級配不良砂層，富水性較好。

2.2 巖土體物理力學(xué)特性

1）主河床段壩基巖土體物理力學(xué)特性

主河床段壩基卵石混合土結(jié)構(gòu)松散，分選較差，卵礫石呈次棱角-次圓狀，粒徑一般為10～60 mm；細(xì)粒為中細(xì)砂。該卵石混合土篩分資料見表1，其卵石含量16.5%～26.5%，平均值21.7%；礫石含量41.2%～55.8%，平均值47.8%；砂含量20.4%～30.6%，平均值26.6%；粉黏粒含量1.6%～6.5%，平均值3.9%；不均勻系數(shù)43.2～104.2，平均值80.0；曲率系數(shù)0.49～1.96，平均值1.04。該卵石混合土滲透系數(shù)為18.7～26.8 m/d，平均值為23.4 m/d，屬強(qiáng)透水層。

表1 壩基粗粒土篩分試驗(yàn)成果統(tǒng)計(jì)表

2）右岸壩基（黃土臺地）段巖土體物理力學(xué)特性

右壩基上部為淡黃色低液限黏（粉）土，其干密度（ρd）為1.28～1.52 g/cm3；天然壓縮系數(shù)（av1-2）為0.08～1.00 MPa-1，多具中等-高壓縮性；孔隙比（e）為0.776～1.102；含黏量為7.6%～18.2%；滲透系數(shù)（k）為3.26×10-5～6.06×10-5cm/s。下部為含細(xì)粒土礫及卵石混合土，篩分資料見表1，其卵石含量0～17.0%；礫石含量48.3%～70.9%；砂含量22.8%～32.5%；粉黏粒含量5.6%～6.7%；不均勻系數(shù)16.3～199.3；曲率系數(shù)0.54～5.10。該含細(xì)粒土礫及卵石混合土滲透系數(shù)為8.5～16.0 m/d，平均值為12.6 m/d，屬強(qiáng)透水層。

3 壩基滲透穩(wěn)定問題及其危害

該水庫壩址處主河床段及右岸黃土臺地段，壩基粗粒土結(jié)構(gòu)松散，且具強(qiáng)透水性，水庫蓄水后存在滲透穩(wěn)定問題。從主河床段壩后坡腳處出現(xiàn)塌坑情況分析，該處局部現(xiàn)已出現(xiàn)滲透變形?，F(xiàn)對該問題進(jìn)行分析評價。

3.1 壩基滲透穩(wěn)定評價

該壩基主河床段及右岸黃土臺地段發(fā)育厚層卵石混合土及含細(xì)粒土礫，結(jié)構(gòu)松散，在上下游連續(xù)分布并出露于壩腳，且具強(qiáng)透水性。水庫蓄水后，在上下游水頭作用下，存在滲透變形問題。以下對其可能產(chǎn)生的滲透變形類型及允許水力比降進(jìn)行判別和計(jì)算。

1）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：黏性土的滲透變形類型主要是流土；無黏性土滲透變形類型的具體判別方法和步驟如下：

（1）不均勻系數(shù)小于等于5的可判為流土；對于不均勻系數(shù)大于5的土，滲透變形類型由P（細(xì)顆粒含量）來確定，當(dāng)細(xì)顆粒含量P≥35%時判定為流土，當(dāng)細(xì)顆粒含量為25%≤P＜35%時判定為過渡型，當(dāng)細(xì)顆粒含量P＜25%時判定為管涌。

（2）細(xì)顆粒含量的確定應(yīng)符合下列規(guī)定：

①級配不連續(xù)的土：顆粒大小分布曲線上至少有一個以上粒組的顆粒含量小于或等于3%的土，稱為級配不連續(xù)的土。以上述粒組在顆粒大小分布曲線上形成的平緩段的最大粒徑和最小組粒徑的平均值或最小粒徑作為粗、細(xì)顆粒的區(qū)分粒徑d，相應(yīng)于該粒徑的顆粒含量為細(xì)顆粒含量P。

②連續(xù)級配的土，粗、細(xì)顆粒的區(qū)分粒按下式計(jì)算。

式中：df為粗細(xì)粒的區(qū)分粒徑，mm；d70為小于該粒徑的含量占總土重70%的顆粒粒徑，mm；d10為小于該粒徑的含量占總土重10%的顆粒粒徑，mm。

該壩基主河床段（Q4pal）和右岸段（Q3pal）卵石混合土及含細(xì)粒土礫的顆分曲線見圖1，其不均勻系數(shù)及細(xì)粒含量詳見表2。經(jīng)判別，壩基主河床段和右岸段卵石混合土及含細(xì)粒土礫的滲透變形類型為過渡型和管涌型。

圖1 壩基粗粒土顆分曲線

表2 壩基粗粒土滲透變形類型及臨界水力比降統(tǒng)計(jì)表

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：過渡型和管涌型臨界水力比降采用公式2計(jì)算。

式中：Jcr為土的臨界水力比降；Gs為土的顆粒密度與水的密度之比；n為土的孔隙率（%）；d5、d20為分別占總土重的5%和20%的土粒粒徑，mm。

經(jīng)計(jì)算，壩基主河床段（Q4pal）卵石混合土的臨界水力比降Jcr為0.16～0.24，平均值為0.20；右岸段（Q3pal）卵石混合土及含細(xì)粒土礫的臨界水力比降Jcr為0.22～0.31，平均值為0.27（詳見表2）?？紤]到工程的重要性，安全系數(shù)取2，則該壩基卵石混合土及含細(xì)粒土礫的允許水力比降J允為0.08～0.16。

3.2 壩基實(shí)際水力比降及現(xiàn)已出現(xiàn)地質(zhì)危害

現(xiàn)狀大壩壩底寬為82 m，水庫正常蓄水位與壩后坡腳處最低處地面高程（壩后地下水出露點(diǎn)）之差為20.22 m，經(jīng)計(jì)算，壩基實(shí)際水力比降為0.25。該值介于壩基卵石混合土及含細(xì)粒土礫的臨界水力比降0.16～0.31，存在滲透變形的穩(wěn)患。

另據(jù)現(xiàn)場勘察發(fā)現(xiàn)，在主河床段壩后坡腳左側(cè)排水棱體上出現(xiàn)一塌坑，坑深約0.4 m，坑徑約2 m；其周邊地形也出現(xiàn)不同程度變形。據(jù)管理部門技術(shù)人員口述，當(dāng)水庫水位較高時，該處有出溢水流并局部可發(fā)現(xiàn)冒泡現(xiàn)象。初步分析該處已發(fā)生滲透變形，滲透變形類型為管涌。

4 處理措施

針對該壩基存在滲透變形問題的具體地質(zhì)特點(diǎn)，本次設(shè)計(jì)采用高壓旋噴防滲墻進(jìn)行處理。設(shè)計(jì)該防滲墻墻底伸入壩基下伏基巖（相對不透水層）以下1.0 m，墻頂高出水庫正常蓄水位0.5 m，設(shè)計(jì)樁徑0.8 m，樁距為0.6 m；防滲墻有效厚度不低于0.5 m，有效高度為22～26 m。施工時采用150型地質(zhì)鉆機(jī)鉆孔，高噴臺車灌漿，三重管法施工。

同時，設(shè)計(jì)在壩后坡腳處設(shè)置反濾層，并拆除舊排水棱體，重新修筑排水棱體。施工后增大了壩基段滲流途徑，增大了壩基允許水力比降，確保壩基處于滲流穩(wěn)定狀態(tài)，使該水庫繼續(xù)發(fā)揮其可觀的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。