山西省松塔水电站枢纽工程坝基渗漏及坝基工程处理

戴永坚

(晋中市水利勘测设计院 030600)

1 工程概况

1.1 工程地理位置及交通

松塔水电站枢纽工程位于山西省寿阳县羊头崖乡西草庄村东的潇河干流上，其坝址距晋中市城区约44km，距寿阳县县城约20km。水电站坝址区有寿阳至昔阳的公路通过，石太铁路线在马首设有火车站，太旧高速公路在寿阳设有入口，交通四通八达，十分便利。

1.2 枢纽工程主要设计指标

枢纽工程包括挡水大坝、溢洪道、泄洪洞、供水管等。

大坝采用碾压均质土坝，坝顶高程1354.3m，河底清基高程1324m，最大坝高30.3m，最大坝底宽174m。从左岸至右岸坝顶桩号为0+000～0+335，坝顶长335m。

溢洪道为河岸开敞式，布置于右岸，全部座于基岩上，溢洪道全长412m，梯形断面，底宽12m，边坡系数0.5，进口底高程1349m。溢洪道由进口控制段、缓坡段、陡坡段、挑流消能段和尾水渠组成。

泄洪洞布置在河道右岸，泄洪洞轴线距右坝头32m。泄洪洞为压力洞，洞径4m，进口底高程为1330m，全长557.55m，出口挑坎高程为1329m，底纵坡0.003 (0+087.8～0+337.86)。

供水管线为DN1000的压力钢管，其进水口布置在水库泄洪压力隧洞桩号0+335.36 处洞身上，进口设拦污栅，自压输水。管道进水口中心线高程为1331.0m，供水管道沿泄洪隧洞右侧衬砌的外侧布置，沿泄洪洞陡槽段、挑流段和尾水渠，通向下游冲砂控制阀门井。

2 坝基渗漏

坝基渗漏主要为第四系覆盖层和基岩渗漏。以下分两部分来叙述坝基渗漏。

2.1 第四系覆盖层渗漏

根据坝址区水文地质特征，按松散层的渗透性和分布情况，从左向右分为两段进行渗漏计算。第一段宽约120m，位于坝基Ⅰ、Ⅱ级阶地，属双层结构，上部为低液限粉土层，平均厚度约5.5m，为中等透水带;下部主要为卵石混合土层，平均厚度3.5m，属强透水层。第二段宽约100m，分布于现代河漫滩上，以卵石混合土、混合土卵石层为主，平均厚度为2.5m，属强透水带。

当坝基为单层透水层时，采用下式计算:

式中 B——渗漏带宽度，m;

q——坝基单宽渗漏量，m3/(d·m);

Kcp——渗透带平均渗透系数，m/d;

H——坝前坝后水位差，m;

2b——坝基宽，m;

T——渗透层厚度，m。

当坝基为两层透水层，且上层为低液限粉土，下层为卵石混合土层时，则按下式计算:

式中 T1——上层渗透层厚度，m;

T2——下层渗透层厚度，m;

K1——上层渗透层渗透系数，m/d;

K2——下层渗透层渗透系数，m/d;

其他符号意义同式(1)。

2006年可研工作时对坝基现代河漫滩，Ⅰ、Ⅱ级阶地下部的卵石混合土层进行了探坑、竖井渗水试验，坝基竖井、探坑渗水试验成果见表1。土层的渗透系数根据1997年室内试验取1.39m/d。

表1 坝基第四系卵石混合土层探坑、竖井渗水试验成果

第一段坝基位于Ⅰ、Ⅱ级阶地，属双层透水层，采用式(2)进行渗漏计算;第二段位于河漫滩，为单层透水层，采用式(1)进行渗漏计算。经估算，第四系松散层渗漏量为1970m3/d。估算结果见表2。

2.2 基岩渗漏

根据坝基历次各钻孔压(注)水试验成果(此处从略)，透水率一般在3.8～66.7Lu 之间，试验值差异性较大，说明坝基岩层透水率不均匀性较大，但总体还具有上大下小的趋势。各钻孔透水率大于10Lu的下限高程:ZKc97-4、ZKc97-5 分别为946.20m、938.25m，ZKc06-1、ZK08-4、ZK08-5 在钻探深度范围内透水率均大于10Lu，ZK08-3、ZK08-6、ZK08-7、ZK08-8 分别为937.35m、923.28m、931.94m、924.19m。根据钻孔压(注)水试验结果，考虑库水深度等因素，假定高程920m 处为相对隔水层;基岩面高程取972m，透水层平均厚度取52m。

表2 第四系覆盖层渗漏量估算

据坝基钻孔压水试验资料，采用如下经验公式计算基岩透水带的渗透系数:

式中 K——基岩渗透系数，m/d;

q——透水率，Lu;

L——试段长度，m;

r——钻孔半径，m，取0.054m。

按式(3)计算出各试段的渗透系数(此处从略)，取渗透系数的大值平均值作为计算基岩渗漏带的渗透系数，渗透系数取0.27m/d。

将有关参数代入式(1)，估算得坝基基岩渗漏量约为480m3/d。估算结果见表3。

表3 坝基基岩渗漏量计算成果

由于基岩整体渗透系数与坝基覆盖层的相差较大，故坝基渗漏以覆盖层为主，但基岩也存在一定的渗漏量，在覆盖层未进行防渗处理时，可以近似将基岩作为隔水层。若对上覆松散层进行较好的防渗处理后，基岩强风化层和裂隙发育带将是主要的渗漏通道。

3 坝基工程处理建议

3.1 坝基覆盖层

坝基覆盖层存在渗透变形，该层又是坝基渗漏的主要通道，且渗漏量较大。此外，坝基上部的低液限粉土层干密度低，为中等压缩性土，具湿陷性，存在不均匀沉陷而影响坝体安全。因此需对坝基覆盖层进行工程处理。建议的工程处理方案有两个。

a.整体挖除。将坝基覆盖层全部清除至基岩面，挖除覆盖层后的基岩面高程在970～977m 之间，相对高差7m，部分地段可能有基岩陡坎，总体上由左向右、由上游向下游倾斜，现代河床处基岩面最低。

b.部分挖除。将坝基Ⅰ、Ⅱ级阶地中Q3pa1、Q41pa1上部低液限粉土层挖除，以防止过大的压缩及湿陷变形，下部的含巨粒土及粗粒土层保留，并设截水槽防渗;现代河漫滩部位的Q42pa1含巨粒土及粗粒土层由于结构松散、岩性及层厚变化大，且总体方量不大，建议全部清除;坝基Ⅱ级阶地中的Q3pa1上部土层挖除后，保留部分主要为卵石混合土、级配不良砂(砾)夹低液限粉土透境体和部分碎石混合土层。坝基Ⅰ级阶地的Q41pa1上部土层挖除后，大多以卵石混合土层为主，局部夹低液限粉土透境体。二者开挖后均应考虑碾压或采取其他工程措施，以增加地基密实程度，消除影响范围内地基可能存在的架空结构等隐患;若想部分保留Q3pa1、Q41pa1上部的低液限粉土层，可考虑采取强夯措施，但需先进行强夯试验，以确定该措施的可行性。

3.2 坝基基岩

坝基基岩存在渗漏问题，强风化层存在管涌渗透变形可能，建议对坝基基岩进行帷幕灌浆处理。

坝基范围内自上而下存在T11-6、T11-4、T11-2 三个岩性以砂质泥岩、泥岩为主，夹粉砂岩、细砂岩的软弱岩组，各岩组厚度分别为8～10m、15～18m、6～8m，从岩性上可将其视为相对隔水层，但据钻孔压水试验成果分析，在垂向和水平方向上，其隔水作用不是十分明显，由于受岩性变化和节理裂隙发育程度的影响，形不成统一的、连续的相对隔水层。左坝基(水平距离400～530m，段长130m)，在勘探深度范围内(ZK08-5号孔孔深85m)，其透水率一般大于10Lu，局部大于100Lu，该段T11-6、T11-4、T11-2 岩性较软弱岩组基本不起隔水作用，其渗透性相对较强。右坝基(水平距离530～660m，段长130m)，从钻孔压水试验成果分析，T11-6岩组不起隔水作用，T11-4 岩组内其透水率大多小于10Lu，T11-4 岩组具有一定的隔水作用，可视为局部相对隔水层。

建议帷幕灌浆下限一般应深入至中等透水带下限以下5m。左坝基ZK08-5号孔附近中强透水带较厚，其厚度已超过坝高，应根据渗流分析、防渗要求等确定帷幕深度，建议该段帷幕深入至强透水带以下5m，即现地面下埋深75m(高程约909m)以下，并宜考虑双排或多排灌浆孔。右坝基防渗帷幕下限的确定应主要以钻孔压水试验成果为依据，也可结合T11-4 岩组的相对隔水作用，将防渗帷幕伸入到T11-4 岩组内一定深度，这样可少量降低防渗工作量。

坝轴线下游约120m 处存在f2断层，其走向与轴线近于平行，破碎带宽约1.5～2.5m 左右，地表可见泥质物充填，建库后将压于坝下。虽然该断层并未直接联通上下游，但由于坝址区有近于平行河流走向的节理裂隙存在，使库水与断层发生水力联系，经分析，水库蓄水后断层带内的水动力条件可能趋于活跃，对渗流稳定可能有不利影响，建议采取适当处理措施。

坝基基岩中存在泥化夹层，对重力坝而言，坝基抗滑稳定性较差。该阶段设计拟采用土石坝，可不考虑对泥化夹层进行处理。

4 结论与建议

a.大坝坝基覆盖层厚0～9m，其覆盖层及覆盖层下强风化层存在渗透变形问题，其渗透变形类型主要为管涌。大坝坝基存在渗漏问题，但以覆盖层渗漏为主。坝基覆盖层包括两部分，其上部地层为低液限粉(黏)土，该地层存在湿陷性，因此坝基存在湿陷及不均匀变形问题。故建议将其覆盖层全部或部分清除，并对剩余覆盖层进行防渗处理，并建议对大坝坝基基岩进行帷幕灌浆处理。

b.坝基承载力。坝基Q3pa1、Q41pa1上部低液限粉土层干密度低，仅1.28～1.30g/cm3，土层具湿陷性，建议其承载力标准值fk=90～100kPa。

坝基Q3pa1、Q41pa1含巨粒土及粗粒土，土层稍密实，但部分地段粗颗粒磨圆度差，以薄板状为主，建议承载力标准值fk=200～250kPa。

坝基Q42pa1含巨粒土及粗粒土，土层较松散，层厚及颗粒组成变化较大，部分地段为透镜状砂层，建议承载力标准值fk=180～200kPa。

坝基基岩强风化层原岩以砂岩为主，建议承载力标准值fk=600～800kPa。

坝基基岩弱风化层上部岩石以砂岩为主，建议承载力标准值fk=1500～2000kPa。