汾河中游核心区液压坝坝基地质问题及处理措施

杨石眉

（山西省水利水电勘测设计研究院，山西 太原 030024）

汾河中游核心区液压坝坝基地质问题及处理措施

杨石眉

（山西省水利水电勘测设计研究院，山西 太原 030024）

汾河中游核心区干流1～5号液压坝坝基地层结构相似，其中汾河流域生态修复中游核心区干流上拟建15座液压坝中坝基地质条件最差，存在工程地质问题最多，地基处理最具代表性的有5座液压坝。对1～5号液压坝坝基工程地质条件进行了描述，查明了1～5号液压坝坝基存在的主要工程地质问题，最后采用网格状水泥搅拌连续防渗墙对地基进行了处理，从而保证了1～5号液压坝按期开工和安全运营。

液压坝；地震液化；渗漏量；防渗墙；水泥搅拌

1 工程概述

汾河发源于宁武县东寨镇管涔山脉楼子山脚下，由水母洞、龙眼泉及象顶石河汇流成河，流经忻州、太原、晋中、吕梁、临汾、运城市6个地市、34个县（市），在运城市万荣县庙前村附近汇入黄河，干流全长716km，流域面积39471km2。多年来，受自然和人类活动等多种因素影响，汾河流域生态环境受到严重破坏。2015年，山西省委省政府决定启动汾河流域生态修复工程，旨在恢复汾河河道水域面积，通过蓄滞洪水，充分利用雨洪资源，改善附近生态环境；增强地下水的补给；增强河道水质的自然净化和修复能力，改善水质，最终使汾河流域的生态重现碧波荡漾、鱼鸟翱翔的大河风光。

汾河流域生态修复中游核心区干流蓄水工程，拟在汾河中下游清徐县西谷乡（汾河二坝下游约2.8km处）至介休市义安镇（汾河三坝下游约27.0km处）之间约80km的汾河干流上修建15座液压坝及蓄水区，其坝址分别位于太原市的清徐县，晋中市的祁县、平遥县和介休市境内。其中1～5号液压坝位于清徐县西谷乡东木庄村至柳杜乡东南社村沿线汾河干流上，设计液压坝坝高4.0～5.0m，坝顶高程755.5～761.0m，坝长230～260m，正常蓄水位755.5～761.0m，蓄水区范围全长约12.5km。

2 区域地质情况

工程区地处太原—晋中断陷盆地中北部。地貌单元属汾河洪冲积平原区，地形平坦，地势总体沿汾河由上游向下游微倾，地面高程700～900m。

发育地层岩性主要为新生界上第三系及第四系松散堆积物，主要分布于盆地内汾河两岸及河谷，其中河湖堆积物厚度较大。岩性主要为级配不良砂，低液限粉土及低液限黏土等。

本区新生代以来，构造运动主要表现为四周地表大面积不均匀抬升，形成了太原—晋中断陷盆地。目前地壳处于相对稳定期，区域稳定性尚好。工程区地震动峰值加速度值0.20g，反应谱特征周期值0.35s，相应地震基本烈度Ⅷ度。

区内地下水类型主要为松散岩类孔隙水。含水层主要为第四系沉积的粉土质砂、级配不良砂、级配不良砾、卵石混合土等粗粒土。一般富水性较好，地下水埋藏较浅。地下水主要接受大气降水补给及边山侧向补给，自汾河上游向下游径流排泄。

3 液压坝坝基工程地质

1～5号液压坝坝基地层结构相似，所存在的工程地质问题也相近。

3.1 工程地质条件

1～5号液压坝坝址处，河床宽230～260m，两侧现为滩地，地形较为平缓，地面高程750.70～760.35m。两岸为土质防洪堤，堤高3.5～6.2m。

坝基地层主要为第四系全新统洪冲积。上部岩性为级配不良砂及含细粒土砂，淡黄—浅灰色，稍湿—饱和，结构松散，局部夹低液限粉土层透镜体，厚10.8～16.8m。其含水率5.3%～18.5%；天然密度1.39～1.67g/cm3；干密度1.23～1.48g/cm3；孔隙比0.811～1.175；饱和固结快剪凝聚力13.9～17.4kPa，内摩擦角16.0°～20.5°。渗透系数1.4～3.5m/d，平均值2.4m/d，具中等透水性。中间夹低液限粉土层，淡黄、浅灰色，湿—饱和，为可塑状，厚1.0～7.3m。其含水率20.7%～35.9%；天然密度1.77～2.06g/cm3；干密度1.30～1.71g/cm3；孔隙比0.576～1.104；压缩系数0.09～0.74MPa-1，多具中等压缩性；饱和固结快剪凝聚力10.0～23.2kPa，内摩擦角19.0°～25.5°；渗透系数1.85×10-4～5.90×10-4cm/s，具弱透水性。下部为低液限黏土，褐黄—褐灰色，饱和，可塑—软塑状，局部夹级配不良砂和低液限粉土透镜体，该层厚度大于3.0m。其含水率23.9%～37.9%；天然密度1.83～2.03g/cm3；干密度1.33～1.74g/cm3；孔隙比0.576～0.912；压缩系数0.16～0.77MPa-1，多具中等压缩性；饱和固结快剪凝聚力7.1～22.5kPa，内摩擦角19.0°～25.0°；渗透系数3.45×10-6～2.52×10-5cm/s，具微—弱透水性。

地下水类型为松散岩类孔隙水。含水层主要为第四系全新统洪冲积级配不良砂、含细粒土砂等。地下水主要接受大气降水补给。地下水自汾河上游向下游径流排泄，地下水位埋深一般为0～3.2m。

3.2 工程地质评价

1～5号液压坝坝基上部级配不良砂、含细粒土砂及中间所夹低液限粉土层工程地质条件差，主要存在地震液化、坝基渗漏及坝基土渗透变形等工程地质问题。下部低液限黏土工程地质特性较好。

3.2.1 坝基土液化问题

1～5号液压坝坝基级配不良砂、含细粒土砂及其下的低液限粉土夹层的粒径小于0.005mm的颗粒含量质量百分率小于18%，初判其为可液化土层，下部低液限黏土层为不液化土层。

坝基土液化复判采用标准贯入锤击数法。由于坝基地下水位埋深与工程正常运用时不同，因此实测标准贯入锤击数N′需按式（1）进行校正，并以校正后的标准贯入锤击数N作为复判依据；液化判别标准贯入锤击数临界值Ncr采用式（2）进行计算。

式中：N′——实测标准贯入锤击数；

ds——工程正常运用时，标准贯入点在当时地面以下的深度，m，标准贯入试验点深度与工程正常运用时相同；

d′s——标准贯入试验时，标准贯入点在当时地面以下的深度，m；

dw——工程正常运用时，地下水位在当时地面以下的深度，m；

d′w——标准贯入试验时，地下水位在当时地面以下的深度，m；

Ncr——液化判别标准贯入锤击数临界值；

N0——液化判别标准贯入锤击数基准值，取10；

ρc——土的黏粒颗粒含量质量百分率，%，当ρc＜3%，取3%。

当标准贯入锤击数N小于临界值Ncr时应判为液化土，经计算，1～5号液压坝坝基级配不良砂、含细粒土砂及其下的低液限粉土夹层在地震烈度为8°时可产生地震液化，存在地震液化问题，各坝基可液化土层厚度见表1。

3.2.2 坝基土渗漏问题

1～5号液压坝坝基上部级配不良砂及含细粒土砂的渗透系数为1.4～3.5m/d，具中等透水性，为透水层；其下低液限粉土层的渗透系数为（1.85～5.90）×10-4cm/s，具弱透水性，为弱透水层；下部低液限黏土的渗透系数为3.45×10-6～2.52×10-5cm/s，具微—弱透水性，为相对隔水层。当1～5号液压坝正常蓄水后，坝基级配不良砂、含细粒土砂及低液限粉土层存在渗漏问题。为此，采用式（3）对1～5号液压坝坝基级配不良砂、含细粒土砂及低液限粉土层的渗漏量进行估算。

式中：Q——堤基渗漏量，m3/d；

B——计算段宽度，m；

k——堤基土渗透系数，m/d；

H——正常蓄水位时防洪堤内外（闸坝上下游）水位差，m；

M——堤基透水层厚度，m；

2b——平均堤基宽度，m。

经计算，1～5号液压坝正常蓄水后，坝基土渗漏量为757～1694m3/d。

3.2.3 坝基土渗透稳定性

1～5号液压坝坝基持力层为级配不良砂、含细粒土砂层，其结构松散，且在坝基及上下游连续分布，各液压坝正常蓄水后，在液压坝上下游水位差产生的渗压作用下，坝基持力层级配不良砂、含细粒土砂可产生渗透变形。据1～5号液压坝坝基级配不良砂、含细粒土砂的物质组成、粉黏粒含量和结构等，经判别，坝基级配不良砂、含细粒土砂的渗透变形类型为流土。流土型临界水力比降采用式（4）进行计算。

式中：Jcr——土的临界水力比降；

Gs——土粒比重；

n——土的孔隙率（以小数计）。

考虑到各液压坝的重要性，安全系数取2，求得各坝基土的允许水力比降为0.39～0.46。

4 结论及建议

1～5号液压坝坝基地层持力层为级配不良砂及含细粒土砂，厚10.8～16.8m；中间夹低液限粉土层，厚1.0～7.3m；其下为低液限黏土，厚度大于3m。坝基级配不良砂、含细粒土砂及低液限粉土层主要存在地震液化、坝基渗漏及渗透变形等工程地质问题。

由于液压坝坝型对坝基不均匀变形要求非常严格，为彻底消除坝基地震液化、坝基渗漏及渗透变形等问题，地基处理时主要考虑对地基土进行围封以消除地基土液化问题；同时在坝基筑防渗墙，减小坝基渗漏量的同时，可增大坝基地下水的渗流途径，降低坝基地下水的水力比降，从而消除坝基土渗透变形隐患。为此，施工时1～5号液压坝坝基创造性地采用网格状水泥搅拌连续防渗墙，施工工艺及要求主要参考水泥搅拌桩制作工艺。网格状水泥搅拌连续防渗墙具体要求如下：防渗墙有效墙径0.3m；防渗墙垂直河流方向共设两道，间距8～10m；防渗墙平行河流方向设40～50条，间距4～6m；防渗墙墙底应伸入坝基下部低液限黏土层0.5～1.0m；待网格状水泥搅拌连续防渗墙验收合格后，在网格内换0.5m厚碎石层；最后在网格状水泥搅拌连续防渗墙及碎石层之上回填0.2～0.3m厚的沥青水泥砂浆，以确保坝基的连续性和均匀性。

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］C ［

］1004-7042（2016）10-0036-03

杨石眉（1965-），男，1998年毕业于华北水利水电学院工程地质与水文地质专业，高级工程师。

2016-08-21；

2016-09-25