钢坝闸地基工程地质评价及处理措施

曾宇光

（山西省水利水电勘测设计研究院 山西太原 030024）

1 工程概况

桑干河河道治理工程源子河段位于朔州城区神头镇一带，该段属海河流域桑干河上游支流。工程分源子河河道3.9 km堤防建设、4座壅水建筑物、神头泉组的护岸整治三部分。工程建成后形成景观水面217.55万m2，蓄水总量约200万m3，绿地面积75.8万m2，观光园路及人行步道长度14.1 km，将神头泉建设成天蓝、地绿、水清、景美，人水和谐的水利风景区。其中钢坝闸位于源子河设计桩号2+043 m处河谷左边，坝高5.0 m，总宽140.2 m，共分为5孔，其中单孔净宽20 m。钢坝闸由上游铺盖段、闸室段、下游消力池及海漫段组成，总长度31.1m。其中闸室段长17.5m。钢坝闸右与溢流景观堰相接。

2 地基土工程地质特性

闸坝处发育地层主要为第四系松散堆积物，从上到下分述如下：

1）第四系全新统洪冲积物（Q4pal）

上部为黄褐色含砂低液限粉土，结构松散，含植物根系、腐殖质，稍湿。含砂低液限粉土天然状态下含水率20.5%～25.4%，平均值22.9%，土粒比重2.69，天然密度1.97～2.05 g/cm3，平均值2.00 g/cm3，干密度1.44～1.51 g/cm3，平均值1.47g/cm3，黏粒含量5.9%～13.8%，平均值9.8%，孔隙比e为0.787～0.888，平均0.850，液性指数IL0.60～1.00，平均值0.80，渗透系数1.67×10-3～1.00×10-5cm/s，平均值3.77×10-4cm/s，多具中等透水性。饱和压缩系数av1-2值0.37～0.68 MPa-1，平均值为0.55 MPa-1，属高压缩性土，饱和快剪抗剪强度凝聚力c值4.7～8.6 kPa，标准值4.8 kPa，内摩擦角（ φ）值10.0～15.0°，标准值11.4°。 厚0.7～2.0 m。

下部为级配不良砾，结构松散，卵砾石成分主要为灰岩，多呈次棱角～次圆状，分选较差，局部含低液限粉土透镜体。级配不良砾含量54.1%～75.1%，平均值67.5%，砂含量23.4%～44.3%，平均值31.1%，粉黏粒含量1.0%～1.6%，平均值1.4%，不均匀系数8.1～63.6，平均值28.3。级配不良砾层标准贯入锤击数经杆长修正后7.7～14.5击，平均9.6击，呈稍密状。抗剪强度凝聚力c值取0 kPa，内摩擦角（φ）值29.4°。渗透系数8～13m/d，渗透性等级为中等～强透水。厚10～12.5m。

2）第四系上更新统洪冲积物（Q3pal）

岩性为黄褐色低液限黏土，湿～饱和，结构稍密～中密，夹级配不良砂、卵石混合土透镜体。低液限黏土天然状态下含水率10.2%～25.5%，平均值为19.1%，天然密度1.57～2.05 g/cm3，平均值为1.87 g/cm3，干密度值1.40～1.62 g/cm3，平均值为1.51 g/cm3，孔隙比值0.569～0.943，平均值0.735，液性指数IL-0.83～0.53，平均值小于零，黏粒含量7.6%～26.5%，平均值17.7%，水平渗透系数2.17×10-5～2.41×10-4cm/s，平均值7.75×10-5cm/s，具弱透水性。饱和压缩系数av1-2值0.13～0.27 MPa-1，平均值为0.20 MPa-1，具中等压缩性土，饱和快剪抗剪强度凝聚力c值9.8～17.6 kPa，标准值8.1 kPa，内摩擦角（ φ）值16.0～19.0°，标准值15.4°。钻孔标准贯入锤击数8.5～15.6击，平均值11.5击。厚度大于10 m，坝址处地下水类型主要为松散岩类孔隙水，地下水水位同现河水位接近。

3 地基土承载力

1）理论计算方法

取单孔闸基础作为单元进行分析计算，闸坝基础为矩形基础，钢坝闸在正常使用状态下主要荷载分布有基础自重（G）、上部荷载（F1）、蓄水自重（F2）、静水压力（F3）、扬压力（F4）。其受力情况及基础底面尺寸如图1所示，基础受力为单向（顺河流向）偏心荷载。按《水闸设计规范》（SL235-2001）计算最大基底应力为90 kPa.

采用《水闸设计规范》（SL235-2001）附录H地基允许承载力计算方法，采用限制塑性区开展深度的临塑荷载方法计算地基允许承载力。计算公式如下：

图1 基础尺寸及受力图（单位：m）

式中：[R]——按临塑荷载方法计算地基允许承载力，kPa；

Nb、Nd、Nc——承载力系数，可由计算公式或查表取得，主要与地基土内摩擦角（φ）有关；

γb——基础底面以下土的重度，地下水位以下取浮重度，kN/m3；

γd——基础底面以上土的加权平均重度，地下水位以下取浮重度；kN/m3；

b——基础底面宽度，m，大于6 m时按6 m取值，对于砂土小于3 m时按3 m取值；

c——地基土的黏聚力标准值，kPa。

采用上述公式分别对地基分布土层进行计算，结果见表1。

2）按原位测试及经验查表法

参考《工程地质手册》（第四版），据地基土原位测试及物理力学参数，地基土允许承载力见表2。

结合工程经验及地基岩土体实际受力情况，确定地基允许承载力。表层含砂低液限粉土及级配不良砾层为浅层地基土，较符合浅基础临塑荷载理论计算公式，地基允许承载力建议值含砂低液限粉土60 kPa、级配不良砾220 kPa；低液限黏土层埋深10～13 m，地基允许承载力采用按标准贯入及物性指标确定取320 kPa。

表1 按临塑荷载方法计算地基允许承载力参数及成果表

经荷载计算，闸坝最大基底压力90 kPa，可取级配不良砾层为主要持力层。

表2 按原位测试及经验查表法确定地基允许承载力表

4 渗漏及渗透稳定问题

坝（堰）基置于全新统级配不良砾层，厚10～12.5m，渗透系数8～13 m/d，渗透性等级为中等～强透水。在闸基连续分布，构成渗漏层位，存在坝基渗漏问题，其下中更新统低液限黏土为相对隔水层。再者，在闸上下游水头差产生的渗透压力作用下级配不良砾可产生渗透变形，存在渗透稳定问题。

1）级配不良砾层渗漏计算

级配不良砾层渗漏量按以下公式进行计算：

式中：Q——渗漏量，m3/d；

H——坝前正常蓄水位与下游水位差，m；

2b——坝基宽度，m；

K——渗透层渗透系数，m/d；

B——渗透层宽度，m；

T——渗透层厚度，m。

经计算，坝基松散层渗漏量计算成果见表3。

表3 闸基级配不良砾层渗漏计算表

可知，闸基级配不良砾层渗漏量为2 653 m3/d，渗漏性大，建议采取防渗措施。

2）渗透变形类型

据《水利水电工程地质勘察规范》（GB50287-2008）附录G土的渗透变形判别规定，低液限粉土为黏性土，其渗透变形类型为流土。级配不良砾按土的细颗粒含量（P），以质量百分率计（%），以下列判别式来判别：

流土：P≥35%

过渡型：25%≤P＜35%

管涌：P＜25%

细颗粒含量的确定应符合下列规定：

①级配不连续的土：颗粒大小分布曲线上至少有一个以上粒组的颗粒含量小于或等于3%的土，称为级配不连续的土。以上述粒组在颗粒大小分布曲线上形成平缓段的最大粒径和最小粒径的平均值或最小粒径作为粗、细颗粒的区分粒径df，相应于该粒径的颗粒含量为细颗粒含量。

②级配连续的土：粗、细颗粒的区分粒径为

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。

由现场级配不良砾取样颗分曲线判定，级配不良砾为级配连续的土，计算其粗细粒区分粒径df为0.2～2.3 mm，相对应的细颗粒含量P为5%～22%，均小于25%，判定级配不良砾渗透变形类型为管涌型。

3）允许水力比降的确定

临界水力比降采用《水利水电工程地质勘察规范》（GB50287-2008）附录G中公式计算，低液限粉土采用流土型计算公式

级配不良砾层采用管涌型或过渡型计算公式：

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，低液限粉土取2.69，级配不良砾取2.65；

n——土的孔隙率（%）,低液限粉土45%，级配不良砾取48%；

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d5、d20——分别占总土重的5%和20%的土粒粒径，mm，分别取0.35、1.27。

经计算，低液限粉土临界水力比降Jcr=0.93，级配不良砾层临界水力比降Jcr=0.27。

坝基级配不良砾层的允许水力比降等于临界水力比降除以安全系数。当渗透稳定对水工建筑物危害较大时，安全系数取2为宜。建议低液限粉土J允许=0.46，级配不良砾层J允许=0.13。

4）渗透变形可能性判别

据闸基处坝基渗透地质剖面，计算闸基渗透上升段的水力坡降J升平。闸基表层为低液限粉土，层厚0.7～2.0 m，平均渗透系数3.77×10-4cm/s，合0.32 m/d。下为级配不良砾层，厚10～12.5 m，渗透系数8～13 m/d。闸基渗透上升渗流段的水力坡降可按下式计算：

H——闸坝上、下游水位差；

T1、T2——低液限粉土层、级配不良砾层的厚度；

K1、K2——低液限粉土层、级配不良砾层的渗透系数；

2b——坝基宽度。

经计算，天然闸基渗透上升段的水力比降J升平为2.4，大于闸基允许水力比降，存在渗透变形破坏问题，需进行处理。

5 结论

闸基级配不良砾地基承载力满足荷载要求，可作为持力层。级配不良砾层为强渗漏层，存在渗漏问题。且天然状态下低液限粉土及级配不良砾允许水力比降小于天然然状况下闸后渗透上升段的水力比降。建议在闸基上游作水平铺盖或在基础下设垂直防渗墙，防渗墙应深入下部相对隔水层低液限黏土层1～2 m，以减少渗漏量，加长渗透途径，确保工程安全。