石佛寺水库坝址工程地质问题评价及处理

贾国英

（山西省水利水电勘测设计研究院 山西太原 030024）

石佛寺水库工程位于大同市天镇县逯家湾镇石佛寺村南的南洋河上，属海河流域永定河水系洋河的二级支流。设计坝型为混凝土坝与闸结合的闸坝方案，设计坝高8 m，正常蓄水位978.2 m，库容288.7万m3，属小（1）型水库。该水库坝址工程地质条件较复杂，文中对坝址岩土体工程地质特性进行了分析研究，为工程设计布置方案和工程处理提供可靠地质依据。

1 坝址工程地形地质条件

坝址处南洋河流向N14°E，河谷宽约100.0 m，地面高程971～976 m，地形较平坦。主河床靠右侧，左侧为河漫滩。左岸为基岩岸坡，但山体较单薄，高出河床约15 m，其顶部较平缓；右岸为基岩岸坡，山体浑厚，山势较陡竣，山顶高程1 020～1 050 m。河谷呈不对称“U”型谷。

坝址区出露地层岩性为太古界变质岩及第四系松散堆积物。

1）太古界集宁群右所堡组上段（Ar1y2）

岩性主要为黑云斜长片麻岩，局部夹花岗片麻岩。厚度大于800 m。主要分布于南洋河河谷底部及两岸。

岩性主要为卵石混合土、级配不良砾，夹低液限粉土透镜体，结构松散，级配较差。厚度0～40 m。主要分布于坝址左岸阶地及山前洪冲积平原区。

岩性主要为碎（卵）石混合土、级配不良砾，粒径大小不等，结构松散，具架空现象，局部夹低液限粉土。厚度0～20 m。主要分布于坝址右岸阶地及冲沟内。

岩性主要为卵石混合土，中部夹含砾级配不良砂，结构松散，分选较差，砾石成分主要为变质岩，磨圆度为次棱角～次圆状。细粒主要为中细砂，矿物成分为石英、长石及一些岩屑。厚0～21 m。主要分布于坝址南洋河河谷及其支流（沟）内。

5）人工堆积（Qs）

岩性主要为级配不良砂，厚度0～3.0 m。主要分布于河床左岸漫滩及阶地上，为人工洗矿形成。

坝址区地质构造简单，断裂构造不发育，为单斜岩层，岩层片麻理产状：N10～20°W/SW∠50～60°，倾向上游偏左岸。岩体中主要发育四组陡倾角节理裂隙：①N65～75°W/NE∠70～80°； ②N20～30°W/NE∠70～80°； ③N30～40°W/NE∠30～45°； ④N65～75°E/NW或SE∠70～80°。其中第①、②组节理较发育。

根据地下水的赋存条件，区内地下水类型主要为松散岩类孔隙水、变质岩类裂隙水。变质岩裂隙水含水层为集宁群右所堡组黑云斜长片麻岩风化带，地下水主要赋存于风化带裂隙中，富水不均，且具有就地补给就地排泄的特点，主要向南洋河河谷径流排泄。松散岩类孔隙水含水层主要为第四系全新统洪冲积卵石混合土、级配不良砂等，一般富水性较好，水量丰富，自南洋河河谷上游向下游径流排泄。

2 工程地质问题评价及工程处理

2.1 坝基岩土体工程地质特性

坝基河谷主要为卵石混合土层夹含砾级配不良砂层，基岩为右所堡组黑云斜长片麻岩，为中硬岩，强风化层厚2～5 m，弱风化层厚10～15 m。

由于坝基上部卵石混合土层表层含杂物，建议清除表层含杂物的卵石混合土层，厚2.0 m，并对卵石混合土夯实，增加密实度。建议卵石混合土允许承载力200～250 kPa，开挖边坡1∶0.65。根据卵石混合土的颗粒组成、级配、结构等，建议混凝土与卵石混合土抗剪强度摩擦系数f=0.45～0.50。

2.2 坝基卵石混合土渗漏及渗透变形问题

坝基持力层为全新统洪冲积卵石混合土夹含砾级配不良砂和强风化岩，具中等～强透水性，构成坝闸基渗漏层位，存在坝基渗漏问题。卵石混合土平均厚度10.5 m，渗透系数为9.9 m/d；强风化岩平均厚度为17 m，渗透系数取1.0 m/d。渗漏带渗透系数取二者加权平均值为4.5 m/d，厚度为26.9 m。

选公式（1）计算坝基渗漏量：

式中：Q——渗漏量，m3/d；

H——坝前正常蓄水位与下游水位差，m；取值6.8 m；

2b—坝基宽度，m；取值12 m；

K—渗透层渗透系数，m/d；取值4.5m/d；

B—渗透层宽度，m；取值170 m；

T—渗透层厚度，m；取值26.9 m。

经计算，在正常蓄水位876.5 m时，坝基渗漏量为3 597.3 m3/d，对坝基应采取防渗措施。

坝基卵石混合土夹含砾级配不良砂在坝闸基及上下游连续分布，构成渗漏层位，而且在坝闸上下游水位差产生的渗压作用下可产生渗透变形。据颗分试验成果，卵石混合土层卵石含量约18.9%～25.6%，砾石含量48.9%～52.5%，砂粒含量23.6%～25.6%，粉黏粒含量1.9%～4.0%，不均匀系数Cu=98.5～130.5，曲率系数Cc=0.85～2.45。经计算，坝基卵石混合土层不均匀系数Cu=98.5～130.5，均大于5，细颗粒含量P=14%～21%，均小于25%，坝基土渗透变形类型为管涌。

卵石混合土层管涌的临界水力比降采用《水利水电工程地质勘察规范》（GB50487-2008）附录G中管涌型或过渡型计算公式（2）：

式中：Jcr——土的临界水力比降；

Gs——土的颗粒密度与水的密度之比，取2.74；

n——土的孔隙率；%；取37.5%；

d5、d20——分别占总土重的5%和20%的土粒粒径，mm；分别为0.113 mm、0.765 mm。

经计算，坝基混合土卵石层临界水力比降Jcr=0.22。考虑本工程的重要性，取安全系数2，坝基卵石混合土层允许水力比降J允许=0.11。

2.3 坝基地震液化问题

工程区抗震基本烈度为7度，坝基全新统洪冲积卵石混合土层小于5 mm颗粒含量质量百分率为27.5%～29.6%，小于30%，初判为不液化土层。全新统洪冲积含砾级配不良砂层，粉黏粒含量1.7%～3.1%，黏粒含量小于16%，初判可能液化土。

采用标准贯入锤击数法进行复判，工程实际运用时标准贯入锤击数N为6.8～8.1击，标准贯入锤击数临界值Ncr为10.4～13.6击，级配不良砂层存在液化问题。

2.4 坝闸后冲刷问题

闸坝下游冲刷是指坝顶溢流对下游岩土体的冲刷作用。闸坝溢流采用闸顶溢流方式，水头落差约5m。闸坝下游地表地层为卵石混合土，卵石含量约18.9%～25.6%，砾石含量48.9%～52.5%，砂粒含量23.6%～25.6%，粉黏粒含量1.9%～4.0%，平均粒径d50=8.5 mm，不均匀系数Cu=98.5%～130.5%，曲率系数Cc=0.85～2.45。其钻孔锥贯击数2.9～10.8击，密实度状态松散～稍密。卵石混合土层砾、砂含量较大，结构较松散，抗冲刷能力低。建议对大坝下游卵石混合土层采取抗冲刷措施。

2.5 左坝肩岩体稳定及绕坝渗漏问题

2.5.1 左坝肩岩体稳定

左坝肩岸坡倾向NE，岸坡坡度45°。岸坡基岩裸露，岩体中裂隙较发育。出露地层岩性主要为集宁群右所堡组黑斜长片麻岩。左坝肩岩层片麻理产状N10～20°W/SW∠50～60°。主要发育四组陡倾角节理裂隙，岩体中软弱结构面不发育，左坝肩岩体整体稳定性较好。

2.5.2 左坝肩绕坝渗漏

坝址左岸上、下游各发育一支沟，两沟之间山梁宽约250 m。左坝肩处基岩裸露，向四周基岩埋深加大，S201省道以南基岩埋深0～40 m。上部覆盖层为第四系上更新统洪冲积级配不良砾夹低液限粉土透镜体，为古河道。

通过对坝址左岸灌概用机井地下水位进行调查，可知左岸地下水向南洋河及下游排泄，无因古河道而存在的地下水低洼强径流带。现状左岸地下水水力坡度6.1‰～20.2‰，地下水略高于正常蓄水位，左岸近南洋河处地下水补给河水，地下水位水力坡度较小。

水库正常蓄水位978.2.0 m，水库蓄水后，坝近左岸地下水位低于正常蓄水位，存在沿级配不良砾及强风化基岩绕坝渗漏问题。

据钻孔压(注)水试验及竖井渗水资料，级配不良砾渗透系数5.18～12.3 m/d，具中等～强透水性。

正常蓄水位以下级配不良砾透水带厚10～23 m，平均16.5 m。左坝肩岩体渗透性等级为弱～中等透水性。以岩体透水率小于10 Lu做为相对隔水层。左坝肩上部中等透水带岩体渗透系数1.5～2.5 m/d，基岩中等透水带厚7～10 m，平均取8.5 m。该段渗漏带渗透系数取其加权平均值为8.90 m/d。

在正常蓄水位978.2 m时，根据左坝肩透水性特征，左坝肩上游渗漏层厚度约25 m，下游岩体渗漏层厚度约16.4 m。左坝肩渗漏带宽度按现有地下水位水力坡度6‰推算至正常蓄水位978.2时，长1 010 m。左坝肩绕坝渗漏选用公式（3）进行估算：

式中：Q——绕坝渗漏量，m3/d；

k——基岩渗透系数，m/d；

H——大坝上游与下游水位差，m；

H1、H2——剖面上游、下游透水层厚度，m；

B——绕坝渗漏带宽度，m；B=L/π，L为渗漏带宽度，B取321.7；

r0——坝肩绕渗带最小半径，m。

经计算，在正常蓄水位时，左岸绕坝渗漏量为1 638 m3/d。建议对左坝肩级配不良砾及中等透水岩体进行防渗处理。考虑本工程的重要性和功能，以及左岸透水岩体的分布情况，建议防渗宽度50～60 m为宜。

2.6 右坝肩岩体稳定及绕坝渗漏问题

2.6.1 右坝肩岩体稳定

右坝肩基岩裸露，岸坡倾向W，岸坡坡度40°。片麻理产状N10～20°W/SW∠50～60°。 主要发育四组陡倾角节理裂隙，岩体中软弱结构面不发育，右坝肩岩体整体稳定性较好。

2.6.2 右坝肩绕坝渗漏

右坝肩绕坝渗漏主要是基岩裂隙渗漏，地下水位较河水位稍高。

钻孔揭露深度内岩体渗透性等级为弱透水性～中等透水性。以岩体透水率小于10 Lu做为相对隔水层。右坝肩岩体中等透水带透水率9.0～11.8 Lu，平均值为10.6 Lu，换算渗透系数为K=0.10 m/d。

在正常蓄水位978.2 m时，按式（3）进行计算，右岸绕坝渗漏量为216 m3/d。建议对右坝肩岩体进行帷幕灌浆处理，根据右坝肩地质条件和渗漏层的特点，建议防渗宽度30～40 m。

3 结语

石佛寺水库坝址南洋河为峡谷型河段，发育地层主要为太古界集宁群右所堡组黑云斜长片麻岩和第四系松散堆积物。坝基持力层为全新统洪冲积卵石混合土，主要存在坝基渗漏及渗透变形问题，建议对坝基卵石混合土和风化基岩进行防渗，深度进入弱风化岩体5～8 m。全新统洪冲积物中部夹含砾级配不良砂，经采用标准贯入试验判断为可液化层，但考虑到其上部卵石混合土具强透水性，起较好的排水作用，地震时液化不易发生，可不进行处理。坝闸后泄流段主要为卵石混合土层，其抗冲刷能力较低，建议设海漫和消力池，防止泄流时冲刷淘蚀影响闸基稳定。左右坝肩岩体稳定性较好，主要存在绕渗问题，建议进行防渗。