山西磨河水电站坝基工程地质问题研究

(山西省水利水电勘测设计研究院，太原 030024)

山西磨河水电站坝基工程地质问题研究

王瑞民

(山西省水利水电勘测设计研究院，太原 030024)

山西磨河水电站坝基地层多为第四系松散层，主要为混合土漂(卵)石，少量的粉土质砂和低液限粉土，结构松散，分选较差，力学强度低，透水性大。本文针对磨河水电站存在的坝基松散层渗漏、渗透变形、坝基基坑涌水、基岩渗漏和左右坝肩绕坝渗漏等问题，研究提出处理问题的措施和对策，对高山峡谷区坝基处理提供指导性建议。

坝基；松散层渗漏；渗透变形；基坑涌水；基岩渗漏

近年来在华北地区由于气候等因素降水量逐年减少，地下水资源已经不能满足当地工农业生产及供水发电的需求，各地纷纷修建供水工程以解决用水困难问题。翟寅章[1]提出了山东省修建的水库坝基工程地质问题，并给出相应处理问题的措施和对策，为建库地基处理提供指导性建议。魏植生[2]等针对景洪水电站坝基存在的抗滑、变形稳定以及渗透稳定等主要工程地质问题，提出相应措施并取得了成效。梁会圃[3]等论述了坝基工程地质特征及主要工程地质问题，对坝基处理设计及大坝稳定安全运行有重大意义。陈伊清[4]针对桑园水电站坝基存在的右坝肩卸荷裂隙与断层切割组合对坝肩稳定影响等工程地质问题，提出了处理措施，解决了坝基岩体的工程地质问题。上述研究成果不但提高了工程的经济效益和社会效益，而且提高了对工程地质问题的认识水平和判断能力。

山西磨河水库工程拟建于陵川县东南磨河之上，地理坐标为北纬35°39′、东经113°28′。该工程为供水及发电的重要水源工程。坝址以上主河道长26km，控制流域面积158km2，拟选坝型为浆砌石重力坝或拱坝，设计坝高45m，坝顶高程931m，总库容400万m3。坝址处河床高程898m，河谷宽约50m，河床覆盖层厚度6.0～10.6m，坝基基岩面高程891.722～894.181m。工程区地处太行山南端的高山峡谷，交通十分不便，仅有为磨河供水工程修建的混凝土道路，蜿蜒曲折，宽度多在2～3m之间，仅可供中小型车辆通行。

1 坝基工程地质条件

1.1 坝基覆盖层工程地质条件

河谷中覆盖层为第四系全新统洪冲积漂(块)石、混合土漂石、卵(砾)石混合土等，厚0～10.6m。由河床表层混合土漂石探井筛分资料可知，漂石含量为23.01%～35.91%，卵石含量为17.11%～27.88%，砾石含量为36.65%～43.22%，砂含量为3.94%～6.38%，不均匀系数Cu=21.21～31.28，曲率系数Cc=0.73～1.07。坝址区覆盖层厚度分布不均，主河道处厚度较大，岩性主要以卵石混合土、混合土卵石为主，局部夹低液限黏土层。

坝基覆盖层具有如下特点：总体较密实，在卵石混合土中局部夹有低液限黏土层，且夹层分布不连续，厚度不等；总体允许承载力较高，局部承载力稍低，变形模量较小，孔隙比较大；整体岩性分布不均一，卵石混合土允许承载力大于0.8MPa，局部夹低液限黏土允许承载力为0.3～0.5MPa。总体来说，覆盖层地基承载力建议值为500～800kPa。

1.2 基岩工程地质条件

1.2.1 坝基岩体及物理力学特性

坝基基岩为寒武系中统张夏组第三岩组灰色、灰黑色鲕状灰岩局部夹薄层泥岩。下伏基岩为寒武系中统张夏组第二岩组灰色、灰黑色豆鲕状灰岩夹泥质条带灰岩及寒武系中统张夏组第一岩组灰色、灰黑色泥质条带灰岩夹泥岩。坝基岩层平缓，岩层产状N60°E/NW∠7°，呈单斜构造，未见断裂构造，节理裂隙较发育，局部岩体完整性较差。基岩强风化层厚度2.6～3.2m，层底高程888.11～891.20m；弱风化层厚度3.0～8.0m，层底高程880.10～882.90m。

由岩石物理力学测试结果可知，坝基中鲕状灰岩的单轴饱和抗压强度(Rb)为42.9～104.8MPa，平均为73.7MPa，为硬质岩石。饱和抗剪强度内摩擦角(φ)为33.3°～40.5°，黏聚力(c)为6.2～8.33MPa。泥质条带灰岩的单轴饱和抗压强度(Rb)为42.9～92.6MPa，平均为67.8MPa，为硬质岩石。饱和抗剪强度内摩擦角(φ)为43.8°～43.9°，黏聚力(c)为4.41～5.94MPa。故地基承载力建议值为2000～2500kPa。坝基下部基岩高程886.1～889.4m间存在薄层泥岩，泥岩厚度一般在2～12mm之间，岩性较软，容易风化，为潜在软弱结构面。

1.2.2 坝基岩体透水性

在坝址区基岩段布置钻孔并进行压(注)水试验，根据试验成果可知坝基岩体为弱—中等透水层，压水试验透水率为2.6～11.7Lu，中等透水层厚度一般为5～16m，中等透水岩层下限高程一般为878.181～885.930m，河流靠左岸位置中等透水性岩体厚度较薄，右岸中等透水层厚度较大，其下为弱透水层。

1.2.3 坝基岩体风化情况分析

由坝址区钻孔岩芯采取率及RQD值可知，坝基坝轴线及上游岩体钻孔的采取率及RQD值均较高，均值大于80%，岩体质量分级属中等—好，岩体为中等完整—完整；重力坝坝脚线钻孔岩芯采取率低，RQD值大部分小于47%，只有局部大于50%，岩体质量属很差—差级别，岩体破碎，并发育小型溶洞。

根据声波测孔资料对钻孔岩芯风化层进行统计，推测坝基岩体强风化层厚度为2.6～3.2m，平均波速为2480～3213m/s，岩体完整系数为0.26～0.55，波速比为0.51～0.74，岩体较完整，基岩面表层岩体的风化情况差别较大，厚度分布不均匀。根据《工程岩体分级标准》，强风化岩体完整性指数(Kv)取0.3，饱和单轴抗压强度(Rc)取65MPa，采用公式BQ=90+3Rc+250Kv计算岩体基本质量指数BQ，为336，岩体基本质量级别为Ⅳ类；弱风化岩体完整性指数(Kv)取平均值0.54，饱和单轴抗压强度(Rc)取116.52MPa，计算岩体基本质量指数BQ为460.8，岩体基本质量级别为Ⅲ类。

2 坝基工程地质问题及评价

2.1 坝基松散层渗漏问题

坝基松散覆盖层主要为混合土漂(卵)石，结构松散，透水性大，厚0～10.6m。根据现场混合土漂石层渗水试验得渗透系数K=33.7m/d，为强透水层。坝基松散层渗漏量按下式计算：

Q=KcpBTH/(2b+T)

式中Q——渗漏量,m3/d；

2b——坝基宽度,m；

B——渗透层宽度,m；

H——坝前正常蓄水位与下游水位差,m；

Kcp——渗透层平均渗透系数,m/d；

T——渗透层厚度,m。

当正常蓄水位为928.5m时，坝基松散层渗漏量为8768.46m3/d。

2.2 坝基松散层渗透变形问题

坝基地层为第四系松散层，物质组成以卵石混合土为主，含少量的粉土质砂和低液限粉土，厚0～10.6m。根据《水利水电工程地质勘察规范》，知判别渗透变形的标准为

式中pcp——最优细粒颗粒含量,%；

n——孔隙率,%。

经计算pcp=33%。坝址区卵石混合土为连续级配的土，区分粗粒径和细粒粒径的界线粒径df按下式计算：

式中df——粗细粒的区分粒径，mm；

d70——小于该粒径的含量占总土重70%的颗粒粒径，mm；

d10——小于该粒径的含量占总土重10%的颗粒粒径，mm。

经计算df=35.8mm。根据筛分资料可知颗粒粒径小于35.8mm的颗粒含量为23%。坝基地层渗透变形类型为管涌，建议将坝基覆盖层全部清除。

2.3 坝基基坑涌水问题

基岩强风化层厚2.6～3.2m，坝基地面高程898.0～902.0m，河水水位901.2m，地下水位为901.2m，强透水层厚度(包括基岩强风化层)平均为10.2m，基坑涌水受上、下游两侧河床覆盖层中松散岩类孔隙水与底部碳酸盐岩溶裂隙水补给，坝基开挖存在基坑涌水问题。基坑涌水量估算采用假设井壁、井底同时涌水非完整井计算公式：

式中Q——基坑涌水量,m3/d；

K——渗透系数,m/d；

K1——坑壁含水层平均渗透系数,m/d；

K2——坑底含水层平均渗透系数,m/d；

s——水位降深,m；

r——假想半径，m；

R——影响半径,m；

η——与L/B有关的系数；

h0——静止水位至坑底深度,m；

B——基坑宽度,m；

L——基坑长度,m；

H——潜水层厚度,m。

当正常蓄水位为928.5m时，基坑涌水量为1507.9m3/d。建议采取排水措施进行处理。

2.4 坝基基岩渗漏问题

坝基基岩主要渗漏地层为坝基中、强透水岩体，根据钻孔揭露可知中等透水层厚度为0.8～16.0m，其下限高程为883.1～889.2m。在正常蓄水位928.5m时，坝基中等透水岩体将会产生渗漏，渗漏量计算公式为

Q=KcpBTH/(2b+T)

式中Q——渗漏量，m3/d；

2b——大坝坝底宽度，m；

H——大坝上、下游水位差，m；

B——坝长度，m；

Kcp——坝基基岩渗透系数，m/d；

T——坝基渗漏层厚度，m。

当正常蓄水位为928.5m时，渗漏量为375.7m3/d。

2.5 坝基抗滑稳定分析

坝基建基面主要岩性为寒武系中统张夏组第三岩组灰色、灰黑色鲕状灰岩局部夹薄层泥岩。薄层泥岩埋藏较浅，分布于高程886.1～889.4m范围内；倾向坝址上游，倾角为7°。坝基下部存在寒武系中统张夏组第二岩组灰色、灰黑色泥质条带灰岩夹竹叶状灰岩及薄层泥岩，地层破碎。这些软弱夹层结构面在泡水后可能产生泥化、软化等现象，从而丧失原有地质结构，形成不稳定的地质结构面，对坝基抗滑稳定产生不利影响。综上所述，坝基存在抗滑稳定问题。建议混凝土与坝基基岩的f′=0.7～0.75、c′=0.5～0.6MPa、f=0.5～0.52。

3 结 论

a.磨河供水改扩建枢纽坝基地层多为第四系松散层，主要为混合土漂(卵)石，含少量的粉土质砂和低液限粉土，结构松散，分选较差，力学强度低，透水性大，使坝基存在诸多工程问题。

b.坝基主要存在的工程问题是坝基松散层渗漏、坝基松散层渗透变形、基坑涌水、基岩渗漏及坝基抗滑稳定性问题。针对这些问题提出相应对策措施，对高山峡谷区坝基建设提供指导性建议。

[1] 翟寅章.山东省平原水库坝基工程地质问题及对策[J].山东水利,2006(4)：43-46.

[2] 魏植生,郑海益,胡浩川.景洪水电站坝基工程地质问题的研究[J].水力发电,2008,34(4)：25-27.

[3] 梁会圃,葛勇.小浪底大坝坝基工程地质特性及问题[J].土工基础,2002,16(3)：37-40.

[4] 陈伊清.桑园水电站坝基工程地质问题的分析与解决[J].水力发电,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