楊光輝
(1太原理工大學 山西太原030024;2山西省水利水電勘測設計研究院 山西太原030024)
守口堡水庫壩址位于守口堡村北黑水河河谷中,屬?。?)型水庫,工程等別為Ⅲ等,壩型為混凝土重力壩,主要建筑物為3級,次要建筑物為4級,設計庫容964.00萬m3,設計壩高64.9m,正常蓄水位相對高程240 m。
壩基巖層片理產狀:N80°W/SW∠32°,傾向右岸下游方向,受動力變質及混合巖化作用,層面不甚發育。壩基無大的斷裂發育。僅在靠右岸處發育有小型斷層及裂隙破碎帶,破碎帶寬度為0.1~2m,延伸200~300 m,為角礫和泥質全充填,影響帶寬度5~30 m。
巖體節理裂隙較發育,主要發育四組:①組N32~46°W/NE∠69~82°,②組 N12~27°E/SE∠49~69°,③組 N68~78°W/NE∠31~79°,④組 N63~74°E/NW∠61~72°。
據鉆孔揭露基巖強風化層厚度0.90~5.00 m,弱風化層厚度4.30~8.75m,弱風化層下限相對高程178.5~190.5m。據鉆孔壓水資料分析,壩基巖體在基巖面以下,在相對高程149~196m以上巖體屬中等透水性,厚度3~28m。壩基左側河床中等透水巖體厚度16~28m,右側中等透水巖體厚度3~5m。以下為弱透水巖體,鉆探深度內未揭露微透水巖體。
壩址覆蓋層地下水位隨季節變化,勘探期間地下水位相對高程202.38~203.8m。
壩基松散覆蓋層主要為卵石混合土,結構松散,透水性大,厚度6.5~19.8m,平均厚度16.5m。卵石混合土抽水試驗、現場注水試驗滲透系數8.7~12.3m/d,按10.3m/d來計。同時考慮到強風化層透水性亦較大,計算時也計入其中,強風化層0.9~5.0 m,按3.0 m計,鉆孔注水試驗滲透系數為1.12~2.69m/d,滲透系數取2.5m/d。加權平均滲透系數Kcp為9.1m/d。
壩基松散層滲漏量按以下公式進行計算:
式中:Q—滲漏量,m3/d;
H—壩前正常蓄水位與下游水位差,m;
2b—壩基寬度,m;
Kcp—滲透層平均滲透系數,m/d;
B—滲透層寬度,m;
T—滲透層厚度,m。
經過計算,大壩基礎松散層滲漏量計算成果見表1。
表1 壩基松散層滲漏計算表
由表1可知,在正常蓄水位240.08m時,壩基松散層滲漏量為19659.9m3/d。壩基松散覆蓋層滲漏性大,建議進行清除。
壩基地層為第四系松散層,物質組成以卵石混合土為主,局部夾有細砂透鏡體,結構松散,分選較差,磨圓一般。厚度6.5~19.8m。
壩基卵石混合土顆粒分析試驗:卵石含量30.8%~32.79%,礫石含量55.0%~57.2%,砂含量10.4%~15.3%,不均勻系數Cu=60~66.3,曲率系數 Cc=5.8~10.2。
3.2.1 滲透變形類型
據《水利水電工程地質勘察規范》(GB50287-2008)附錄G土的滲透變形判別規定,對不均勻系數大于5的土可按其細顆粒含量(P),以質量百分率計(%)以下列判別式來判別:
流土:P≥35%
過渡型:25%≤P<35%
管涌:P<25%
計算結果表明,壩基土滲透變形類型為管涌。
根據《水利水電工程地質手冊》中提供的經驗方法進行了判別。判別采用了雙標準:一是不均勻系數,二是細粒含量。
1)不均勻系數判別:壩基混合土卵石中,試樣的不均勻系數Cu=60~66.3,均大于20,故滲透變形類型為管涌破壞。
2)細粒含量判別:手冊中的細粒含量指粒徑小于1mm的顆粒所占整個土重的比例(%)。從篩分統計,試樣細粒含量介于10.63%~11.07%之間,均小于25%,滲透變形類型為管涌。
綜上所述,按兩種判別方法的判定,壩基土滲透變形類型為管涌。
3.2.2 允許水力比降的確定
1)臨界水力比降的確定:混合土卵石層管涌的臨界水力比降確定采用《水利水電工程地質勘察規范》(GB50287-2008)附錄G中管涌型或過渡型計算公式:
式中:Jcr—土的臨界水力比降;
Gs—土的顆粒密度與水的密度之比,取經驗值2.65;
n—土的孔隙率(%),取值24.5%;
d5、d20—分別占總土重的5%和20%的土粒粒徑,mm,分別取值 0.84、9.7。
經計算,壩基混合土卵石層臨界水力比降Jcr為0.18。
據壩基探坑、豎井滲水試驗成果,壩基覆蓋層滲透系數在14.6~27.9m/d之間,根據《水利水電工程地質手冊》中管涌臨界臨界水力比降與滲透系數關系曲線查得,Jcr=0.30~0.42;壩基覆蓋層細粒含量一般在10.63%~11.07%之間,據《水利水電工程地質手冊》中臨界水力比降與細粒含量(<1mm)關系曲線查得,臨界水力比降Jcr取值范圍為0.11~0.3。
經綜合考慮后,建議產生管涌的臨界水力比降總體按0.24考慮。
2)允許水力比降的確定:據《水利水電工程地質勘察規范》(GB50287-99),宜以土的臨界水力比降除以1.5~2.0的安全系數后做為土的允許水力比降,考慮到本工程的重要性,安全系數取2.0,因此,壩基土產生管涌變形的允許水力比降為0.12,建議進行大壩設計時,壩基允許水力比降總體按0.12考慮。
綜合各種因素考慮,建議卵石混合土層J允許取值0.12。
混凝土重力壩壩基建基面應具有足夠的力學強度、足夠的抗滑穩定安全性、足夠的抗變形性能和良好的抗滲性能,并有足夠的耐久性,防止巖體性質在高壓水的長期作用下發生惡化。良好的壩基應具有巖體完整性、足夠的抗變形和承載能力、弱的透水性和整體穩定性,以免變形過大引起地基破壞。由于壩基覆蓋層存在管涌破壞,建議全部清除。
壩基巖體中發育的節理裂隙是壩基滲漏的主要滲漏通道,壩基巖體上部為中等~弱透水性巖體,在庫水作用下將會產生壩基滲漏。
圖1 壩軸線的壩基剖面圖
根據壩軸線上鉆孔壓(注)水試驗資料,壩基巖體的透水性分布特征:
(1)壩軸線剖面(見圖1)水平距離155~265m地段,基巖面相對高程189~207m。(a)壩基巖體中等透水帶(q=10~100 Lu)厚度15~28m,下限相對高程157~174m,透水率10~16.2Lu,平均值10.1Lu。(b)弱透水帶上部(q=5~10 Lu)厚度16.5~30 m,下限相對高程143~150 m,透水率7.4~9.8Lu,平均值9.1Lu。(c)在相對高程143~150 m以下的巖體透水率小于5Lu,為相對隔水層。
(2)壩軸線剖面水平距離265~410 m地段,基巖面相對高程189~207m。(a)壩基巖體中等透水帶(q=10~100 Lu)厚度3~15m,下限相對高程174~196m,巖體滲透系數1.121~2.685m/d,平均值1.903m/d。(b)弱透水帶上部(q=5~10 Lu)厚度30~41m,下限相對高程150~155m,透水率5.0~9.8Lu,平均值6.4Lu。(c)在相對高程150~155m以下巖體透水率小于5Lu為相對隔水層。
依據壩基巖體的透水性分布特點,壩基滲漏量采用分段計算。計算時以巖體透水率小于5Lu巖體為相對隔水頂板。
壩基滲漏量扔按公式(1)計算,計算結果見表2。
表2 壩基滲漏計算統計表
經計算,壩基基巖滲漏量為1225.80 m3/d。建議對壩基做帷幕灌漿處理,處理下限相對高程150~155m。
1)壩址河床有較厚覆蓋層,工程地質條件差,存在滲漏及滲透穩定等工程地質問題,建議清除。
2)壩基巖體工程地質條件較好,存在壩基滲漏、壩基抗滑穩定、基坑涌水及開挖邊坡穩定等工程地質問題。建議大壩基礎置于弱風化巖體中,對壩基巖體進行帷幕灌漿處理,并做好基坑排水及邊坡支護等處理措施。