山西省柏叶口水库坝基工程地质条件评价

任 佳，刘水吉，张梧荫

（1山西省柏叶口水库建设管理局，太原030002；2山西省水利水电勘测设计研究院，太原030024）

1 坝基工程地质

1.1 坝基工程地质条件

1.1.1 地形地貌

柏叶口水库坝址位于文峪河中上游，该处文峪河河谷宽度坝轴线上游宽120～140 m，坝轴线下游宽95～120 m，河床主流宽15～20 m。河谷中间发育一河谷深槽，深槽覆盖层揭露厚度 10.5～15.1 m，推测宽度 10～15 m。

1.1.2 地层岩性

坝基建基面地层为全新统洪冲积物，其岩性为卵石混合土、混合土卵石，局部为砂层透镜体。厚度一般7～8 m。

下伏基岩面相对高程一般在8～10 m（此处相对高程系以坝的最低趾板底高程为相对高程的零点，下同），在河床中间深槽处相对高程在1.0～5.0 m。基岩主要为下太古界界河口群一段灰、灰白色混合花岗岩、变粒岩岩组（ML-Ar1j）。大致在坝轴线下游130 m地段下伏基岩为界河口群二段肉红色混合花岗岩组（Mg-Ar1j2）。河谷基岩中局部穿插大理岩（M-Ar1j）、变质辉长岩（辉绿岩）（βμ21）及肉红色变质花岗岩或变质伟晶岩（γ）。大理岩、变质辉长岩（辉绿岩）、变质花岗岩、变质伟晶岩一般呈条带状、脉状分布，大理岩和变质辉长岩（辉绿岩）在许多地段呈伴生产出。

1.1.3 地质构造

河床中还有F16断层及F32断层通过，F16断层在坝轴线上游500 m通过，对大坝无影响。

F32断层为推测断层，该断层带内的ZK09y-6、ZK9-14号孔中变质辉长岩（辉绿岩）岩芯破碎，一些地段岩芯呈泥状，推测断层附近的ZKb-10、ZK09y-2、5、4号孔岩芯破碎，采取率及RQD值较低。推测断层在河床部位位于设计下游坝坡脚以外。

1.1.4 物理地质现象

河床基岩全强风化层厚0～10 m，一般厚度1～5 m，节理裂隙密集带内厚可达20～30 m，弱风化带一般厚14～26 m。一般右侧风化程度较左侧大。

趾板处河床基岩全、强风化带一般厚1～10 m，弱风化带一般厚16～55 m。其中左侧河谷基岩全、强风化带厚1～8 m，强风化带下限相对高程1.5～10 m；弱风化带厚16～23 m，弱风化带下限相对高程-21～-17 m；右侧河谷基岩全、强风化带厚5～10 m，强风化带下限高程-1.5～-0.5 m；弱风化带厚35～55 m，弱风化带下限高程-55～55 m。址板线上游侧及下游侧分别存在一节理密集带（带1、带2），带内全强风化带厚度推测 20～30 m。

总体看，河床基岩风化厚度右侧较左侧厚。尤其在趾板处表现较为明显。

1.1.5 水文地质条件

河床部位地下水类型为松散岩类孔隙水和基岩裂隙水，水位埋深1～2 m，水位相对高程在14～15.6 m之间。地下水总体由上游向下游流动，水力梯度一般较平缓。

据ZK09-6、ZK09-11号钻孔抽水试验，河床（Q4pal）覆盖层渗透系数为23.90～37.17 m/d。据ZKb-2号孔注水试验，其渗透系数为24.61 m/d，为强透水层。

据野外大型卵石混合土、混合土卵石样室内试验，其渗透系数为 4.40×10-2～3.20×10-1cm/s，平均值为 1.80×10-1cm/s，即38.02～276.48 m/d，平均值为155.52 m/d，具强透水性。

1.2 坝基工程地质评价

1.2.1 坝基渗漏

坝基覆盖层渗透系数为23.90～37.17 m/d，为强透水性，坝基上部岩体大多具中等一强透水性，钻孔注水试验渗透系数为2～38 m/d；下部多具中等一弱透水性，钻孔压水试验透水率为4.4～18.6 Lu（中等透水性下限高程为：趾板处河谷左侧相对高程为0 m，中部-80 m，河谷右侧-50 m；轴线处河谷左侧-20 m，右侧-50 m）。水库蓄水后坝基渗漏可能较大。因覆盖层与基岩渗透系数相差很大，故坝基渗漏主要为覆盖层渗漏，在覆盖层进行有效防渗处理后，基岩风化带、裂隙带渗漏通道将是主要的通道。

1）面板坝型坝基渗漏量估算

单层透水坝基由单一透水岩层组成，在其厚度等于或小于坝底宽度且坝身不透水的情况下，可用卡明斯基公式计算。

在未考虑趾板的情况下，由于坝基覆盖层为强透水层，坝基强风化基岩多为中等一强透水性，水库蓄水后库水将主要通过覆盖层及强风化层向坝后产生渗漏。坝基覆盖层平均厚度8.5 m，平均宽度120 m，强风化基岩平均厚度7 m，宽度150 m；渗透系数取覆盖层与强风化岩层加权平均值21.76 m/d，渗透层宽度取加权平均值135 m。大坝坝底宽度245 m，可采用卡明斯基公式计算渗漏量：

卡明斯基公式：

坝基渗透总量：

式中：q—坝基单宽渗漏量，m3/d·m；

k—渗透系数，m/d，取 21.76 m/d；

H—坝前正常蓄水深，m，取69 m；

2b—坝基宽，m，取 244 m；

T—渗透层平均厚度，m，取15.5 m；

B—渗透层平均宽度，m，取135 m；

Q—渗漏量，m3/d。

经估算，在未考虑趾板的情况下坝基渗漏量为12 107 m3/d。

在考虑趾板情况下，根据坝基各钻孔压水试验成果，坝基基岩相对隔水层高程大致按1 000 m考虑。采用式（1）、式（2）估算趾板底高程（左侧50 m相对高程为6 m，右侧100 m段为0 m，加权平均相对高程2 m）以下基岩渗漏量，渗透系数取加权平均值0.23 m/d，2b-趾板宽取10 m；T-渗透层平均厚度取52 m，B-趾板处渗透层宽度取150 m。经估算，在考虑修筑趾板的情况下坝基渗漏量约为2 083 m3/d。

综上可知，坝基覆盖层及基岩存在渗漏问题，建议趾板置于弱风化基岩上，并对其下基岩进行帷幕灌浆处理。建议帷幕处理下限相对高程按-50 m控制。

1.2.2 渗透稳定

1）坝基覆盖层

坝基覆盖层以卵石混合土为主，颗粒不均匀，级配不良，有可能产生渗透变形，分析其渗透变形类型为管涌。据渗透变形试验，试验配样干密度2.00～2.16 g/cm3，平均值为2.08 g/cm3状态下，试样的渗透破坏形式均为管涌。临界比降范围值0.18～0.59，平均值为 0.31，破坏比降范围值 0.41～1.04，平均值为0.64。天然密度越大，临界比降及破坏比降也越大。建议覆盖层允许水力比降按0.15考虑。建议清除覆盖层或采取防渗措施。

2）坝基全强风化基岩

从坝基钻探资料看，大部分地段基岩强风化层岩芯呈碎块状或短柱状，但也有少量孔中强风化层中有泥状物。由于该层岩石破碎，原节理裂隙张开，矿物蚀变，粒径不一，有部分黏土矿物及细粒物质。加之强风化带渗透性较强，多在4～12 m/d之间。故全强风化基岩也存在渗透变形的可能性，变形的可能形式为管涌。据经验建议全强风层临界水力比降按2.6考虑，允许水力比降建议按1.3考虑。建议面板堆石坝型趾板清除全强风化基岩，将趾板置于弱风化基岩上。

2 结论及建议

柏叶口水库大坝按混凝土面板堆石坝型进行建设，坝基大部分地段处于强风化层基岩，渗漏问题是主要问题，下面将对坝基的影响因素以及渗漏问题的处理进行一些总结并提出一些建议。

2.1 地震动参数

工程区地震动峰值加速度值为0.10 g，地震动反应谱特征周期0.4 s，地震基本烈度为Ⅶ度。

2.2 坝基渗漏

对于坝基覆盖层及基岩覆盖层及基岩存在渗漏问题，分两步进行了处理，第一步通过基坑开挖将其覆盖层及强风化岩体全部挖除，使其趾板直接坐落在弱风化基岩上，以此解决覆盖层存在的渗漏问题；第二步通过帷幕灌浆解决坝基基岩存在渗漏问题。

2.3 大坝右岸基础砂层处理方案

鉴于大坝基础开挖过程中，右岸基坑靠近岸坡处，发现一段粉细沙、淤泥夹层，应进行局部置换及加固处理措施。

大坝建基面高程以下深度2 m范围内的粉细沙全部挖除，至砂砾石层或基岩面为止。用砂砾石对挖除体进行回填并分层碾压，压实后相对密度大于或等于0.8。补齐后，需达到原设计高程。

对于形成的岸坡局部倒悬，采用上部削坡、下部回填C20混凝土的方式进行处理，坡度不陡于1:0.5。

2.4 大坝基坑防渗板最低趾板底高程建基面以下深坑处理方案

1）首先对其深坑内全强风化破碎岩体及淤泥进行挖除。

2）对深坑周边表面用高压水枪进行清洗，接着抽排坑中积水，然后用块石回填局部坑深1~2 m，在此基础上采用PC220挖机将回填块石反复压实，以形成较密实的地基，埋设直径1 m的混凝土管〔立管〕，管内放6英寸污水泵抽排泥水，控制水位在块石面以下0.5 m。

3）深坑中块石面以上用C15抛石混凝土回填，抛石比例为20%，混凝土表面与坑周围地基平顺连接，当回填至相对高程0.05 m时，铺设φ8@200钢筋网与四周防渗板钢筋网相连，回填顶高程为0.15 m（防渗板顶高程）。

4）对于基坑防渗板趾板底高程建基面以下深坑至龙头坑一线风化破碎带岩体，进行固结灌浆处理。