西非某水电站坝基岩土体透水性初步分析

苏 星，刘亚新

（中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川成都 610072）

西非某水电站坝基岩土体透水性初步分析

苏 星，刘亚新

（中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川成都 610072）

坝基渗漏是指水库蓄水后由于上、下游水头差，使水库中水沿坝基岩土体的孔隙、裂隙、断层等通道向下游的渗漏，不仅造成库水的流失，而且对坝基产生渗透压力，对岩土中的细微颗粒产生冲刷，还可能引起岩土体潜蚀导致坝基失稳。因此，研究坝基岩土体的透水性，采取有针对性的处理措施对坝基渗流进行控制，将其不利影响减少到允许范围内，对保证水工建筑物的安全运营意义重大。本文根据在建的西非某水电站的工程特点，以各阶段的地质资料为基础，对坝基岩土体的渗透性进行分析评价。

坝基；岩土体；渗透系数

1 概 述

西非某水电工程以发电为主，采用混合式开发，坝长4.5 km、最大坝高20.5 m，装机容量为270 MW，水工建筑物主要由大坝和引水发电系统组成。

大坝由主坝和副坝组成，坝型主要有三种，包括均质土坝、土石混合坝、心墙堆石坝。土石坝沿地势较高处修建，并延伸至厂房上游，溢洪道和进水口为混凝土结构嵌入大坝内，既有挡水功能，又有泄水和引水功能。

引水发电系统包括引水渠、进水口、压力钢管、电站厂房和尾水渠。引水渠由开挖覆盖层后形成。进水口为嵌入大坝内的混凝土结构，由3个进水塔组成。压力钢管连接进水口和电站厂房，采用“单机单管”明管布置。电站厂房型式为地面厂房，最大开挖深度60 m。尾水渠沿岔河河床开挖形成，长度2 065 m。电站枢纽布置见图1。

图1 西非某水电站枢纽布置示意

2 地质条件

2.1 基本地质条件

西非某水电站位于平原地区，坝址区两岸地形平缓，海拔高程140～200 m，一般自然坡度7°～10°，属丘陵～平原地貌。河流蜿蜒曲折，总体呈南东30°方向流经坝址区。河谷较宽阔，河水面宽400～800 m，河道内有数个“江心岛”将主河道分割成多条叉河。

枢纽区基岩主要为前寒武系（γ2m）花岗岩、花岗片麻岩。第四系松散堆积物主要分布于河床两岸，仅主河道、厂房和尾水渠有零星基岩出露。坝址区附近未见大的断层发育。地质构造主要表现为节理裂隙，裂面多平直粗糙，闭合无充填，延伸长度多小于3 m。

花岗岩、花岗片麻岩致密、坚硬，较完整，多呈块状构造。工程区地处赤道附近，属于热带雨林气候，高温多雨，岩体风化作用强烈。枢纽区两岸大部分岩体存在全、强风化带，全强风化岩体呈碎裂～散体结构，其结构部分已破坏，除石英外，部分矿物已蚀变为次生矿物。全、强风化岩体厚度一般小于3 m；两岸的弱风化岩体厚度一般小于2.5 m，其下为微新岩体。

2.2 坝基岩土体工程地质分层

按工程地质性状，工程区地层可分为5层，各层岩土体起伏较小总体平缓近水平，按埋深由下至上依次为：

（1）微新岩体：花岗岩、花岗片麻岩，两岸埋深一般在15～30m以下，岩体新鲜完整，裂隙不发育，以整体块状为主。

（2）弱风化岩体：花岗岩、花岗片麻岩，在厂房及河床部位出露地表，厚度一般小于2.5m，裂隙较发育，裂面多轻～中度锈染，岩体以次块状结构为主。

（3）全、强风化层：花岗岩、花岗片麻岩，在萨桑德拉河两岸及山坡有露头出现，岩石矿物已发生蚀变，中上部呈中粗颗粒的砂、风化囊、风化团块，夹泥，下部呈散体～碎裂状的岩块，在残积土层以下广泛分布。

（4）残积土层：主要为砂质粘土、粘土，颜色多呈褐色、黄褐色，该层厚度可达15m。

（5）冲积砂层：主要由细砂、粗砂、粘质砂土等组成，厚度一般小于3m。

3 坝基岩土体透水性分析

3.1 单一岩层透水性

西非某水电站溢洪道、进水口为混凝土结构，坝基置于弱风化～微新岩体，透水性能较差，且对基础设计了帷幕灌浆。两岸土石坝的建基面绝大部分为残积土层，坝基渗漏涉及到冲积层、残积土层、全强风化层、弱风化岩体及强风化岩体渗透条件复杂，以下主要对土石坝坝基岩土体的透水性进行分析。

坝址区地下水按赋存条件可分为基岩裂隙水和第四系孔隙潜水两种类型。基岩裂隙水，主要受岩体节理裂隙控制，张性裂隙含水，局部可见此类裂隙具地下水潜蚀形成的张开现象，此外岩体浅表部发育的卸荷裂隙，利于浅层地下水的活动。第四系孔隙潜水，主要赋存于坝区两岸的残积土层、冲积层及全风化层内。

冲积层主要为粘质砂土，该层结构松散，主要分布在河床两岸，厚度一般小于3 m，平均厚度1.5 m。室内试验显示，在无荷载的条件下，渗透系数为1.4 ×10-4～1.8×10-4cm／s，负荷条件下，渗透系数为3×10-5cm／s和2.8×10-5cm／s。根据现场地质勘察及试验情况，结合相关规程规范及可行性研究阶段的成果，采用工程类比法，提出冲积层的渗透系数建议参考值为1×10-4cm／s和1×10-5cm／s，为弱透水层。

残积土层主要为砂质粘土、粘土，厚度可达15m，平均厚度5.7 m。试验结果表明，该层结构较密实，对于低坝基础或低地应力建筑物基础可以利用。该层共进行了25组试验，从75%的试验中得到的渗透率大约为10-5cm／s；从25%的试验中，得到的渗透率大约为10-6cm／s，由此得出该层的渗透率在10-5cm／s和10-6cm／s之间变化，为微透水层。

全风化层进行了37组Nasberg或Lefranc钻孔试验，其中10%的实验渗透率大约为10-3cm／s，40%的实验渗透率大约为10-4cm／s，45%的实验渗透率大约为10-5cm／s，5%的实验渗透率大约为10-6cm／s。全风化层下伏的强风化岩体由于裂隙发育，风化程度不均匀，中粗颗粒的砂粒、泥质条带、风化团块及岩块混杂，导致透水率略高。全强风化层的厚度一般小于3 m，平均厚度约为1.8 m，综合现场地质勘察及试验情况，采用工程类比法，提出该层的渗透系数建议参考值为1×10-2cm／s和1× 10-4cm／s，为中等透水层。

弱风化岩体的厚度一般小于2.5 m，平均厚度约1.5 m。可研阶段坝区钻孔的压水试验结果表明弱风化岩体的透水率一般为3～15 Lu，大部分试验值集中在3～6 Lu之间，个别试段可达20 Lu。该层岩体厚度总体较小，浅表部裂隙较发育、岩体较破碎，以试验成果为基础提出透水率建议参考值为3～20 Lu，相对应的渗透系数为2.47×10-5～2.92× 10-4cm／s，为弱偏中等透水。

压水试验成果显示，随着埋深的增大岩体透水率降低趋势明显。弱风化以下的微新岩体从试验结果来看，试验段的透水率除个别达3 Lu外普遍小于1 Lu，大部分集中在0.5～0.01 Lu之间，表明该层岩体主要处于微～极微透水状态，透水率参考建议值小于1 Lu，对应的渗透系数小于1×10-5cm／s。土石坝典型断面见图2。

图2所示为西非某工程土石坝的典型断面图，微新岩体致密、完整、裂隙不发育，渗透系数小于10-5cm／s，可视为相对隔水层。冲积砂层、残积土层、全强风化层及弱风化岩体为含水层。

图2 土石坝典型断面示意

3.2 坝基岩土体综合透水性分析

由于本工程所涉及的各层岩土体的渗透系数均不相同，坝基以下含水层为非均质含水层，整体透水性随方向发生变化为各向异性。其中冲积砂层、残积土层的透水性为各向同性；全强风化层、弱风化岩体的透水性受裂隙发育程度及产状的控制发生变化为各向异性，考虑到坝区岩体裂隙普遍为陡倾角且走向大体垂直于坝轴线或与坝轴线呈小角度，为简化计算以各向同性来进行分析。

若将坝基的非均质含水层假想为均质含水层，该假想的均质含水层在坝基蓄水后的水力坡度及厚度和原含水层相同，则可计算水平层状非均质含水层水平方向的平均渗透系数Kx和垂直方向的平均渗透系数Ky，各层岩土体的渗透参数见表1。

表1 坝基各层岩土体厚度及渗透参数

由于土石坝建基面的冲积砂层已被挖除，因此坝基含水层岩土体透水性分析不考虑冲积砂层的影响。以L2、L3、L4和K2、K3、K4分别代表残积土层、全风化层、弱风化岩体的平均层厚和渗透系数计算值，根据地下水动力学的相关计算公式可得：

Kx是水平非均质界面流动的平均渗透系数为2.13×10-4cm／s，而Ky是垂直非均质界面流动的平均渗透系数为1.14×10-5cm／s。对于层状非均质含水系统，水流平行界面时的平均渗透系数（Kx）最大，水流垂直界面时的平均渗透系数（Ky）最小，其他方向的渗透系数在上述两个数值之间渐变，由此可知坝基岩土体含水层的平均渗透系数（K）在1.14 ×10-5cm／s和2.13×10-4cm／s之间于不同方向变化，总体呈弱透水。

4 结束语

控制坝基渗漏的方法很多，为减少坝基渗漏量，可以采用上游水平铺盖、垂直混凝土防渗墙及帷幕灌浆等措施。大坝库水为坝基渗漏的主要补给水源，西非某水电站大坝上下游以及整个库区两岸广泛分布的残积土层透水性较弱，其渗透系数仅为1 ×10-6cm／s≤K＜1×10-5cm／s为微透水层，相当于对整个坝区、库区设置了一道天然的水平防渗铺盖，有效的阻隔了大坝库水对坝基渗漏的补给水源，对整个土石坝的坝基防渗极为有利。综合以上分析，西非某水电站的土石坝不需要进行特殊的防渗处理措施。

TV223.6

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1003-9805（2015）04-0016-03

2014-11-04

苏星（1983-），男，甘肃庆阳市人，工程师，从事水电工程地质勘察工作。