山西省天镇县石佛寺水库大坝坝基及坝肩处理工程设计

高　超

(山西省水利水电勘测设计研究院， 山西 太原　030024)



山西省天镇县石佛寺水库大坝坝基及坝肩处理工程设计

高超

(山西省水利水电勘测设计研究院， 山西 太原030024)

天镇县石佛寺水库采用高5m左右的混凝土面板液压升降坝，该坝型的坝基及坝肩处理至关重要，其处理方式是否合理直接关系到工程闸坝结构的安全稳定、水库的成功蓄水及工程投资大小。本文针对天镇县石佛寺水库坝址处的地质条件和地质问题，提出坝基与坝肩的处理方式。

石佛寺水库； 坝基及坝肩处理； 地基处理； 防渗处理

1　工程概况

天镇县位于山西省大同市东北端，地处晋、冀、蒙三省(区)交界处。石佛寺水库位于天镇县境内南洋河上，属海河流域永定河水系。该水库是为了充分开发利用南洋河的地表水，服务当地灌区建设和供水而建的水利工程，是一座以供水为主，兼顾防洪、灌溉的小(1)型水库。水库坝址以上流域面积为2300km2，水库总库容288.7万m3。

水库枢纽坝址处上游河床平坦，坝址处河床缩窄，河谷为“U”形谷。该工程特点是控制流域面积大，洪水泄量较大，汛期全断面泄洪排沙，坝前水深小，所以选择泄洪能力大、易于排沙的拦河闸坝。

该水库枢纽的主要建筑物由拦河闸坝、两岸冲沙引水闸及后箱涵组成。拦河闸坝轴线为一直线，基本与主河槽走向垂直；左、右岸各设一座冲沙引水闸；左岸台地上布设一处管理房。

拦河闸坝经方案比选确定采用钢筋混凝土面板液压升降坝，布置在河床中间，呈直线布置，轴线与河道基本垂直。拦河闸坝坝高5.0m。在河床中布设14扇连续拦河闸坝，每扇闸坝宽6.0m，全长84m，中间不设隔墩。闸坝底板为开敞式宽顶堰，采用C25钢筋混凝土结构。闸门放平敞泄时同自然河道。

2　坝址处的工程地质

2.1河床岩土体

坝址河床上覆地层为第四系全新统洪冲积物，岩性上部为卵石混合土，结构松散，一般粒径2～5mm，卵砾石主要成分为变质岩，磨圆度呈次棱角—次圆状。卵石含量约 18.9%～24.1%，砾石含量49.1%～51.5%，沙粒含量24.8%～25.6%，粉黏粒含量2.0%～4.0%，不均匀系数Cu=123.36～130.5，曲率系数Cc=0.92～1.54。修正后的锥贯击数为2.9～10.4击，小值平均值5.7击，密实度状态为松散—稍密，厚度为6.0～8.0m；中部为级配不良砂，黑灰色，较均匀，其砾石含量23.4%～28.4%，沙粒含量68.5%～74.9%，粉黏粒含量1.7%～3.1%，不均匀系数Cu=4.34～6.05，曲率系数Cc=0.61～2.35。修正后的标准贯入锤击数为5.5～8.3击，小值平均值6.4击，密实度状态为松散，厚度为4.2～5.0m；下部为卵石混合土层，一般粒径3～10mm，卵砾石主要成分为变质岩，磨圆度多呈次圆状，卵石含量约 20.3%～25.6%，砾石含量48.9%～52.5%，沙粒含量23.6%～24.0%，粉黏粒含量1.9%～3.2%，不均匀系数Cu=98.5～130.3，曲率系数Cc=0.85～2.45。修正后的锥贯击数为7.6～14.2击，小值平均值8.7击，密实度状态为稍密—中密，厚度为5.0～7.0m。

下伏基岩为太古界集宁群右所堡组黑云斜长片麻岩，局部夹花岗片麻岩，深部渐变为浅粒岩、麻粒岩。强风化层厚2～5m，弱风化层厚10～15m。河床处钻孔压(注)水试验统计，在高程942.00m以上透水率为8.5～14.0Lu，属中等透水岩体(q=10～100Lu)；在高程942.00m以下透水率为5.4～8.5Lu，属弱透水岩体。基岩干密度2.69～2.72g/cm3，平均值2.76g/cm3，饱和抗压强度32.9 ～58.9MPa，平均值46.4MPa，软化系数0.64～0.86，平均值0.75，泊松比0.24～0.26，平均值0.25，饱和弹性模量1.47×104～6.60×104MPa，平均值4.24×104MPa，饱和抗剪断凝聚力1.33～4.51MPa，内摩擦角50.8°～51.8°。

2.2左岸岩土体

坝址左岸上、下游各发育一支沟，两沟之间山梁宽约250m。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0～40m。上伏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。据钻孔资料，地下水水位972.30～972.91m，略高于现河水位971.4m。

左岸表层覆盖层为第四系上更新统洪冲积物，岩性为级配不良砾，夹低液限粉土透镜体。级配不良砾石主要成分为变质岩，磨圆度呈次棱角—次圆状。厚0～40.0m。卵石含量约 5.6%～9.1%，砾石含量64.5%～70.1%，沙粒含量21.7%～24.5%，粉黏粒含量0.4%～3.1%，不均匀系数Cu=22.31～30.81，曲率系数Cc=1.30～2.96。级配不良砾层修正后的锥贯击数为2.9～9.5击，小值平均值5.4击，除表层密实度较松散外，其下多处于稍密状态。渗透系数K=5.18～12.3m/d，属中等—强透水层。

下伏基岩为太古界集宁群右所堡组黑云斜长片麻岩。强风化层厚3～8m，弱风化层厚10～15m。据左岸钻孔压(注)水试验，在高程937.00m以上属中等透水岩体(q=10～100Lu)，在高程937.00m以下属弱透水岩体。以岩体透水率小于10Lu做为相对隔水层，左坝肩上部中等透水带岩体渗透系数1.5～2.5m/d，基岩中等透水带厚7～10m，平均8.5m。

该段渗漏带渗透系数取其加权平均值为11.0m/d。经计算，在正常蓄水位978.2m时，左坝肩绕坝渗漏为3031m3/d。需要对坝肩级配不良砾及中等透水岩体进行防渗处理。

2.3右坝肩基岩

右岸山体基岩裸露，岩性为集宁群右所堡组黑云斜长片麻岩。强风化层厚5～9.5m，弱风化层厚10～15m。据右岸钻孔压(注)水试验，在高程951.00m以上属中等透水岩体(q=10～100Lu)，在高程951.00m以下属弱透水岩体。以岩体透水率小于10Lu作为相对隔水层，右坝肩岩体中等透水带透水率9.0～11.8Lu，平均值为10.6Lu，换算渗透系数为K=0.10m/d。经计算，在正常蓄水位978.2m时，右岸绕坝渗漏量为400m3/d。需要对坝肩岩体进行帷幕灌浆处理。

3　闸坝坝基地基处理

坝址河床左岸漫滩为人工堆积级配不良砂，结构松散，设计拟将其清除。闸基置于上部卵石混合土层，考虑卵石混合层结构松散，存在不均匀变形问题，需要进行地基处理。

工程区地震基本烈度为7度，坝基覆盖层存在地震液化问题。依据《水利水电工程地质勘察规范》(GB 50487—2008)附录P中土的液化判别进行评价。经初判和复判，坝基基底以下为可能液化土层(卵石混合土)、厚4～6m，其下为液化土层(级配不良沙)、厚4.2～5m。坝基上部卵石混合土、级配不良沙层分布不均，需要将表层Qs级配不良沙层挖除，并对坝基下部的卵石混合土层及级配不良沙层采取碎石挤密桩或围封措施进行处理，消除或防止液化问题。

根据地质情况，设计拟对坝基覆盖层的卵石混合土和级配不良沙采取碎石挤密桩进行处理。综合比较各种地基处理方式，根据《建筑地基处理技术规范》(JGJ 79—2012)，对位于卵石混合土上的闸坝底板基础选用振冲碎石桩进行地基处理，以增加坝基的承载力，提高坝基的稳定性，减少或消除地基的有害沉降，消除卵石混合土和级配不良沙层的液化问题。坝基处理范围为84m×12.0m，桩位布置采用等边三角形。桩距为2.0m，桩径为300mm，桩长3.5～16.2m。桩顶和闸坝基础之间铺设一层300mm厚的碎石垫层。

4　闸坝坝基防渗处理

坝基覆盖层为强透水层，需要采取防渗措施。设计拟在闸坝轴线上游5.2m处设一条防渗轴线，对坝基和左岸覆盖层采用高压旋喷灌浆防渗处理，对坝基和两坝肩的基岩采用帷幕灌浆防渗处理。

坝基卵石混合土层防渗采用高压旋喷防渗墙，坝基高压旋喷防渗范围为防渗轴线桩号FS0+222.4～FS0+312.0。高压旋喷灌浆采用三管法施工，采用单排灌浆孔布置，孔距0.8m，防渗墙顶高程972.20m，防渗墙深入基岩1.0m。设计要求高喷灌浆墙体渗透系数不大于1×10-6cm/s、墙体结石强度5～15MPa。为满足设计要求，初步确定灌浆孔距0.8m，灌浆压力35MPa，气压0.7MPa，浆压0.8MPa，水泥采用普通硅酸盐水泥，水灰比1∶1。上述技术指标值均为初定值，灌浆施工前应在现场进行高压旋喷灌浆试验，满足设计要求后再进行施工。

坝基卵石混合土层下的岩体具中等—弱透水性，综合考虑中等透水带分布情况，根据地质专业建议，设计对坝基岩体的中等透水带进行帷幕灌浆处理。坝基帷幕灌浆范围为防渗桩号FS0+216.3～FS0+320.6。单排孔布置，帷幕灌浆伸入中等透水带下限1.0m，孔距2.0m，单孔帷幕灌浆深度为16.0～31.0m。

5　闸坝两坝肩防渗处理

5.1左坝肩防渗处理

为增加左坝肩绕坝渗径，减少左坝肩的绕坝渗漏量，设计对左坝肩的卵石混合土层及其下的基岩进行防渗处理。对左坝肩高程为978.70m以下(正常蓄水位978.20m)的卵石混合土层进行高压旋喷灌浆。左坝肩高压旋喷灌浆处理范围为防渗桩号FS0+000～FS0+169.6，底部深入基岩1m，施工要求与坝基处相同。同时对其下的基岩采用帷幕灌浆处理，左坝肩帷幕灌浆处理范围为防渗桩号FS0+000～FS0+216.3，帷幕灌浆孔深入岩基的中等透水带下限1.0m，单排孔布置，孔距2.0m。单孔帷幕灌浆平均深度为16.0～68.0m 。

5.2右坝肩防渗处理

为增加右坝肩绕坝渗径，减少右坝肩的绕坝渗漏量，设计对右坝肩部分基岩采用帷幕灌浆处理。右坝肩帷幕灌浆处理范围为防渗桩号FS0+320.6～FS0+394。帷幕灌浆孔深入岩基的中等透水带下限1.0m，单排孔布置，孔距2.0m。单孔帷幕灌浆平均深度为32.0～40.0m。

6　结　语

天镇县石佛寺水库采用的混凝土面板液压升降坝是近几年发展较快的一种新型活动坝，但多数坝高仅2m左右。国内5m左右的坝高较少，仅在安徽、河南有工程采用，山西省境内还没有。该坝型的坝基及坝肩处理至关重要，其处理方式直接关系到工程闸坝结构的安全稳定和水库的成功蓄水，且该部分投资占整个工程投资的比重较大，故其设计是否经济合理对工程投资的影响较大。

[1]GB 50487—2008水利水电工程地质勘察规范[S].北京：中国计划出版社，2009.

[2]SL 265—2001水闸设计规范[S].北京：中国水利水电出版社，2001.

[3]SL 191—2008水工混凝土结构设计规范[S].北京：中国水利水电出版社，2008.

[4]GB/T 50662—2011水工建筑物抗冰冻设计规范[S].北京：中国计划出版社，2011.

[5]JGJ 79—2012建筑地基处理技术规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2012.

Design of dam foundation and abutment treatment project in Shanxi Tianzhen County Shifosi Reservoir Dam

GAO Chao

(Shanxi Water Conservancy and Hydropower Survey and Design Institute, Taiyuan 030024, China)

Tianzhen County Shifosi Reservoir is provided with concrete face hydraulic elevator dam as high as about 5m. The dam foundation and dam abutment treatment is critical. Whether the treatment approach is reasonable or not is directly related to the safety and stability of the project dam structure, successful reservoir water storage and project investment. In the paper, dam foundation and dam abutment treatment mode is proposed aiming at the geological conditions and geological problems of Tianzhen County Shifosi Reservoir dam site.

Shifosi Reservoir; dam foundation and abutment treatment; foundation treatment; anti-seepage treatment

10.16616/j.cnki.11- 4446/TV.2016.08.009

TV640.31

B

1005- 4774(2016)08- 0033- 03