山西磨河水電站壩基工程地質問題研究

(山西省水利水電勘測設計研究院，太原 030024)

山西磨河水電站壩基工程地質問題研究

王瑞民

(山西省水利水電勘測設計研究院，太原 030024)

山西磨河水電站壩基地層多為第四系松散層，主要為混合土漂(卵)石，少量的粉土質砂和低液限粉土，結構松散，分選較差，力學強度低，透水性大。本文針對磨河水電站存在的壩基松散層滲漏、滲透變形、壩基基坑涌水、基巖滲漏和左右壩肩繞壩滲漏等問題，研究提出處理問題的措施和對策，對高山峽谷區壩基處理提供指導性建議。

壩基；松散層滲漏；滲透變形；基坑涌水；基巖滲漏

近年來在華北地區由于氣候等因素降水量逐年減少，地下水資源已經不能滿足當地工農業生產及供水發電的需求，各地紛紛修建供水工程以解決用水困難問題。翟寅章[1]提出了山東省修建的水庫壩基工程地質問題，并給出相應處理問題的措施和對策，為建庫地基處理提供指導性建議。魏植生[2]等針對景洪水電站壩基存在的抗滑、變形穩定以及滲透穩定等主要工程地質問題，提出相應措施并取得了成效。梁會圃[3]等論述了壩基工程地質特征及主要工程地質問題，對壩基處理設計及大壩穩定安全運行有重大意義。陳伊清[4]針對桑園水電站壩基存在的右壩肩卸荷裂隙與斷層切割組合對壩肩穩定影響等工程地質問題，提出了處理措施，解決了壩基巖體的工程地質問題。上述研究成果不但提高了工程的經濟效益和社會效益，而且提高了對工程地質問題的認識水平和判斷能力。

山西磨河水庫工程擬建于陵川縣東南磨河之上，地理坐標為北緯35°39′、東經113°28′。該工程為供水及發電的重要水源工程。壩址以上主河道長26km，控制流域面積158km2，擬選壩型為漿砌石重力壩或拱壩，設計壩高45m，壩頂高程931m，總庫容400萬m3。壩址處河床高程898m，河谷寬約50m，河床覆蓋層厚度6.0～10.6m，壩基基巖面高程891.722～894.181m。工程區地處太行山南端的高山峽谷，交通十分不便，僅有為磨河供水工程修建的混凝土道路，蜿蜒曲折，寬度多在2～3m之間，僅可供中小型車輛通行。

1 壩基工程地質條件

1.1 壩基覆蓋層工程地質條件

河谷中覆蓋層為第四系全新統洪沖積漂(塊)石、混合土漂石、卵(礫)石混合土等，厚0～10.6m。由河床表層混合土漂石探井篩分資料可知，漂石含量為23.01%～35.91%，卵石含量為17.11%～27.88%，礫石含量為36.65%～43.22%，砂含量為3.94%～6.38%，不均勻系數Cu=21.21～31.28，曲率系數Cc=0.73～1.07。壩址區覆蓋層厚度分布不均，主河道處厚度較大，巖性主要以卵石混合土、混合土卵石為主，局部夾低液限黏土層。

壩基覆蓋層具有如下特點：總體較密實，在卵石混合土中局部夾有低液限黏土層，且夾層分布不連續，厚度不等；總體允許承載力較高，局部承載力稍低，變形模量較小，孔隙比較大；整體巖性分布不均一，卵石混合土允許承載力大于0.8MPa，局部夾低液限黏土允許承載力為0.3～0.5MPa?？傮w來說，覆蓋層地基承載力建議值為500～800kPa。

1.2 基巖工程地質條件

1.2.1 壩基巖體及物理力學特性

壩基基巖為寒武系中統張夏組第三巖組灰色、灰黑色鮞狀灰巖局部夾薄層泥巖。下伏基巖為寒武系中統張夏組第二巖組灰色、灰黑色豆鮞狀灰巖夾泥質條帶灰巖及寒武系中統張夏組第一巖組灰色、灰黑色泥質條帶灰巖夾泥巖。壩基巖層平緩，巖層產狀N60°E/NW∠7°，呈單斜構造，未見斷裂構造，節理裂隙較發育，局部巖體完整性較差?；鶐r強風化層厚度2.6～3.2m，層底高程888.11～891.20m；弱風化層厚度3.0～8.0m，層底高程880.10～882.90m。

由巖石物理力學測試結果可知，壩基中鮞狀灰巖的單軸飽和抗壓強度(Rb)為42.9～104.8MPa，平均為73.7MPa，為硬質巖石。飽和抗剪強度內摩擦角(φ)為33.3°～40.5°，黏聚力(c)為6.2～8.33MPa。泥質條帶灰巖的單軸飽和抗壓強度(Rb)為42.9～92.6MPa，平均為67.8MPa，為硬質巖石。飽和抗剪強度內摩擦角(φ)為43.8°～43.9°，黏聚力(c)為4.41～5.94MPa。故地基承載力建議值為2000～2500kPa。壩基下部基巖高程886.1～889.4m間存在薄層泥巖，泥巖厚度一般在2～12mm之間，巖性較軟，容易風化，為潛在軟弱結構面。

1.2.2 壩基巖體透水性

在壩址區基巖段布置鉆孔并進行壓(注)水試驗，根據試驗成果可知壩基巖體為弱—中等透水層，壓水試驗透水率為2.6～11.7Lu，中等透水層厚度一般為5～16m，中等透水巖層下限高程一般為878.181～885.930m，河流靠左岸位置中等透水性巖體厚度較薄，右岸中等透水層厚度較大，其下為弱透水層。

1.2.3 壩基巖體風化情況分析

由壩址區鉆孔巖芯采取率及RQD值可知，壩基壩軸線及上游巖體鉆孔的采取率及RQD值均較高，均值大于80%，巖體質量分級屬中等—好，巖體為中等完整—完整；重力壩壩腳線鉆孔巖芯采取率低，RQD值大部分小于47%，只有局部大于50%，巖體質量屬很差—差級別，巖體破碎，并發育小型溶洞。

根據聲波測孔資料對鉆孔巖芯風化層進行統計，推測壩基巖體強風化層厚度為2.6～3.2m，平均波速為2480～3213m/s，巖體完整系數為0.26～0.55，波速比為0.51～0.74，巖體較完整，基巖面表層巖體的風化情況差別較大，厚度分布不均勻。根據《工程巖體分級標準》，強風化巖體完整性指數(Kv)取0.3，飽和單軸抗壓強度(Rc)取65MPa，采用公式BQ=90+3Rc+250Kv計算巖體基本質量指數BQ，為336，巖體基本質量級別為Ⅳ類；弱風化巖體完整性指數(Kv)取平均值0.54，飽和單軸抗壓強度(Rc)取116.52MPa，計算巖體基本質量指數BQ為460.8，巖體基本質量級別為Ⅲ類。

2 壩基工程地質問題及評價

2.1 壩基松散層滲漏問題

壩基松散覆蓋層主要為混合土漂(卵)石，結構松散，透水性大，厚0～10.6m。根據現場混合土漂石層滲水試驗得滲透系數K=33.7m/d，為強透水層。壩基松散層滲漏量按下式計算：

Q=KcpBTH/(2b+T)

式中Q——滲漏量,m3/d；

2b——壩基寬度,m；

B——滲透層寬度,m；

H——壩前正常蓄水位與下游水位差,m；

Kcp——滲透層平均滲透系數,m/d；

T——滲透層厚度,m。

當正常蓄水位為928.5m時，壩基松散層滲漏量為8768.46m3/d。

2.2 壩基松散層滲透變形問題

壩基地層為第四系松散層，物質組成以卵石混合土為主，含少量的粉土質砂和低液限粉土，厚0～10.6m。根據《水利水電工程地質勘察規范》，知判別滲透變形的標準為

式中pcp——最優細粒顆粒含量,%；

n——孔隙率,%。

經計算pcp=33%。壩址區卵石混合土為連續級配的土，區分粗粒徑和細粒粒徑的界線粒徑df按下式計算：

式中df——粗細粒的區分粒徑，mm；

d70——小于該粒徑的含量占總土重70%的顆粒粒徑，mm；

d10——小于該粒徑的含量占總土重10%的顆粒粒徑，mm。

經計算df=35.8mm。根據篩分資料可知顆粒粒徑小于35.8mm的顆粒含量為23%。壩基地層滲透變形類型為管涌，建議將壩基覆蓋層全部清除。

2.3 壩基基坑涌水問題

基巖強風化層厚2.6～3.2m，壩基地面高程898.0～902.0m，河水水位901.2m，地下水位為901.2m，強透水層厚度(包括基巖強風化層)平均為10.2m，基坑涌水受上、下游兩側河床覆蓋層中松散巖類孔隙水與底部碳酸鹽巖溶裂隙水補給，壩基開挖存在基坑涌水問題?；佑克抗浪悴捎眉僭O井壁、井底同時涌水非完整井計算公式：

式中Q——基坑涌水量,m3/d；

K——滲透系數,m/d；

K1——坑壁含水層平均滲透系數,m/d；

K2——坑底含水層平均滲透系數,m/d；

s——水位降深,m；

r——假想半徑，m；

R——影響半徑,m；

η——與L/B有關的系數；

h0——靜止水位至坑底深度,m；

B——基坑寬度,m；

L——基坑長度,m；

H——潛水層厚度,m。

當正常蓄水位為928.5m時，基坑涌水量為1507.9m3/d。建議采取排水措施進行處理。

2.4 壩基基巖滲漏問題

壩基基巖主要滲漏地層為壩基中、強透水巖體，根據鉆孔揭露可知中等透水層厚度為0.8～16.0m，其下限高程為883.1～889.2m。在正常蓄水位928.5m時，壩基中等透水巖體將會產生滲漏，滲漏量計算公式為

Q=KcpBTH/(2b+T)

式中Q——滲漏量，m3/d；

2b——大壩壩底寬度，m；

H——大壩上、下游水位差，m；

B——壩長度，m；

Kcp——壩基基巖滲透系數，m/d；

T——壩基滲漏層厚度，m。

當正常蓄水位為928.5m時，滲漏量為375.7m3/d。

2.5 壩基抗滑穩定分析

壩基建基面主要巖性為寒武系中統張夏組第三巖組灰色、灰黑色鮞狀灰巖局部夾薄層泥巖。薄層泥巖埋藏較淺，分布于高程886.1～889.4m范圍內；傾向壩址上游，傾角為7°。壩基下部存在寒武系中統張夏組第二巖組灰色、灰黑色泥質條帶灰巖夾竹葉狀灰巖及薄層泥巖，地層破碎。這些軟弱夾層結構面在泡水后可能產生泥化、軟化等現象，從而喪失原有地質結構，形成不穩定的地質結構面，對壩基抗滑穩定產生不利影響。綜上所述，壩基存在抗滑穩定問題。建議混凝土與壩基基巖的f′=0.7～0.75、c′=0.5～0.6MPa、f=0.5～0.52。

3 結 論

a.磨河供水改擴建樞紐壩基地層多為第四系松散層，主要為混合土漂(卵)石，含少量的粉土質砂和低液限粉土，結構松散，分選較差，力學強度低，透水性大，使壩基存在諸多工程問題。

b.壩基主要存在的工程問題是壩基松散層滲漏、壩基松散層滲透變形、基坑涌水、基巖滲漏及壩基抗滑穩定性問題。針對這些問題提出相應對策措施，對高山峽谷區壩基建設提供指導性建議。

[1] 翟寅章.山東省平原水庫壩基工程地質問題及對策[J].山東水利,2006(4)：43-46.

[2] 魏植生,鄭海益,胡浩川.景洪水電站壩基工程地質問題的研究[J].水力發電,2008,34(4)：25-27.

[3] 梁會圃,葛勇.小浪底大壩壩基工程地質特性及問題[J].土工基礎,2002,16(3)：37-40.

[4] 陳伊清.桑園水電站壩基工程地質問題的分析與解決[J].水力發電,1999(12):11-14.

StudyonDamFoundationProjectGeologicalProblemsinShanxiMoheHydropowerStation

WANG Rui-min

(ShanxiHydroelectricInvestigation&DesignInstitute,Taiyuan030024,China)

Shanxi Mohe Hydropower Station dam foundation strata are mostly quaternary loose beds, which are mainly composed of mixed soil boulders (gravels), a small amount of silty sand and silt with low liquid limit. The strata are characterized by loose structure, poor sorting, low mechanical strength and high water permeability. In the paper, solutions and countermeasures are proposed by studying aiming at problems in Mohe Hydropower Station, such as dam foundation seepage in loose beds, penetration deformation, dam foundation excavation gushing, bedrock leakage and leakage around the dam in left and right abutments. Guidance suggestions are provided aiming at dam foundation treatment in areas with mountains and canyons.

dam foundation; loose bed leakage; penetration deformation; foundation pit gushing; bedrock leakage

TV223

A

1673-8241(2014)08-0054-04