水库坝基覆盖层渗透变形及渗漏分析

庞瑞瑞

(山西省水利水电勘测设计研究院，太原 030024)

水库坝基覆盖层渗透变形及渗漏分析

庞瑞瑞

(山西省水利水电勘测设计研究院，太原 030024)

汾西县北掌水库大坝为均质土坝，坝基覆盖层主要为低液限黏土和卵石混合土，存在渗透变形及渗漏问题，文章根据其地层岩性及试验参数阐明了各个地层渗透变形的类型及渗漏量，从而提出了坝基覆盖层地基处理的方式和方法，为水库的正常施工提供了可靠的依据。

均质土坝；渗透变形；渗漏量；地基处理

1 坝基岩土体工程地质特性

北掌调蓄水库位于汾西县对竹镇北掌村西约1.5km，为均质土坝，坝址河谷表层地层为人工堆积(Qs)回填土、耕植土，岩性为低液限黏土，厚0.5-4.0m。

上部地层为第四系全新统洪冲积(Q4pal)卵石混合土、级配不良砾，次棱角-次圆状，一般砾径3-10cm，卵砾石成份主要为灰岩、砂岩及钙质结核，砂为中粗砂，主要矿物成分为石英、长石。卵石含量约 20.6%-30.2%，砾石含量44.2%-60.2%，砂粒含量15.4%-25.0%，粉黏粒含量2.1%-4.9%，不均匀系数Cu=37.55-98.57，曲率系数Cc=0.84-2.45。钻孔锥贯锤击数5-10击。据竖井渗水试验成果，渗透系数为9.8-15.4m/d，具中等-强透水性。

下部地层为第四系中更新统洪积(Q2pl)低液限黏土，鲜红色，坚硬，湿。厚0-6m。分布于河床两岸。其天然含水率7.4%-22.6%，天然密度1.46-1.95g/cm3，干密度1.34-1.66g/cm3，孔隙比0.627-1.016，塑性指数8.1-15.2，压缩系数av1-2为0.06-0.49MPa-1，具低-中等压缩性，垂直渗透系数7.4×10-5-6.03×10-4cm/s，水平渗透系数2.6×10-5-3.15×10-4cm/s，具弱-中等透水性，黏粒含量9.3%-31.1%。快剪抗剪强度凝聚力c值17.8-31.1kPa，内摩擦角φ值20.0°-24.0°。钻孔标准贯入锤击数5-31击。

下伏基岩为石炭系太原组中段灰岩、泥页岩夹煤层等。

2 坝基覆盖层渗透变形及渗漏

坝基覆盖层表层为耕植土，岩性多为低液限黏土，厚度0.5-2.5m，其中原河床部位为(Qs)人工填土，岩性为低液限黏土，厚约3-4m。下为第四系全新统洪冲积(Q4pal)卵石混合土，局部为级配不良砾，厚约2-3m。再下为第四系中更新统洪积(Q2pl)微红色、鲜红色低液限黏土，含钙质结核层。下伏基岩为石炭系太原组中段(C3t2)灰岩、泥页岩夹煤层。坝基地下水位高程933.8-936.3m，为层间上层滞水。

2.1 渗透变形

依据《水利水电工程地质勘察规范》(GB50487-2008)附录G土的渗透变形判别进行。据试验资料，表层Qs低液限黏土孔隙比e=0.864，孔隙率n=46.4%，Gs=2.70。中更新统Q2pl低液限黏土孔隙比e=0.810，孔隙率n=44.8%，Gs=2.70。经计算，求得Qs低液限黏土Jcr=0.91，Q2pl低液限黏土Jcr=0.94。

第四系全新统洪冲积(Q4pal)卵石混合土卵石含量约 20.6%-30.2%，砾石含量44.2%-60.2%，砂粒含量15.4%-25.0%，粉黏粒含量2.1%-4.9%，不均匀系数Cu=37.55-98.57，曲率系数Cc=0.84-2.45。经计算，卵石混合土层不均匀系数Cu=37.55-98.57，均大于5，df经计算为4.2mm，对应细颗粒含量P=21.5%-23.8%，卵石混合土层渗透变形类型为管涌型。根据试验资料，经计算，坝基混合土卵石层临界水力比降Jcr=0.17。坝基卵石混合土的允许水力比降等于临界水力比降除以安全系数。对于水库工程来说，安全系数取2为宜。

综合各种因素考虑，建议低液限黏土J允许=0.45，卵石混合土层J允许=0.09。

2.2 渗漏问题

坝基覆盖层上部为人工填土，渗透系数为6.7×10-5-3.7×10-4cm/s，为弱-中等透水层。下部为第四系全新统洪冲积卵石混合土，结构松散，具中等-强透水性，厚度1.4-3.8m。卵石混合土竖井渗水试验渗透系数9.8-15.4m/d，为坝基主要渗漏层位。下部(Q2pl)低液限黏土及(C3t)页岩为相对隔水层。

坝基松散层渗漏量按以下公式进行计算：

Q=K·B·T·H/(2b+T)

(1)

式中：Q为渗漏量，m3/d；H为坝前正常蓄水位与下游水位差，m；2b为坝基宽度，m；K为渗透层渗透系数，m/d；B为渗透层宽度，m；T为渗透层厚度，m。

经计算，坝基松散层渗漏量计算成果在正常蓄水位971.02m时，坝基松散层渗漏量为 396.7m3/d。坝基松散覆盖层渗漏性大，建议进行清除。

坝基覆盖层卵石混合土层在库水作用下将产生渗透变形破坏及渗漏问题，建议进行清除或截水槽防渗处理[1]。

3 左右坝肩绕坝渗漏

左右坝肩山体较雄厚，坝肩均为一山梁，其中高程971.5m处左坝肩山梁宽约400m，右坝肩梁宽约300m。坝肩土体表层为第四系上更新统低液限黏土，偶含钙质结核及砂卵石透镜体。其下为中更新统低液限黏土夹钙质结核层。左坝肩下伏基岩埋深大，地表未出露。在简化水文地质条件下，绕坝渗漏采用裘布依公式(公式1)计算左坝肩绕坝的渗漏量。

(2)

式中：Q为绕坝渗漏量，m3/d；k为渗透系数,m/d；取值 0.13m/d;H为大坝上游与下游水位差，m； 取值33.6m；H1、H2为剖面上游、下游透水层厚度，m；H1取值44.5m，H2取值10.9m；B为绕坝渗漏带宽度，m；取值660m；r0为坝肩绕渗带最小半径，m；取值4m。

经计算，左坝肩绕坝渗漏量为194.9m3/d，建议采取工程措施进行处理。

右坝肩上游冲沟口基岩局部出露，为石炭系太原组中段中厚层灰岩、泥页岩，其中灰岩段厚约5m，裂隙较发育，具中等透水性，上部第四系中更新统低液限黏土多具弱透水性，综合取二者加权平均值，取渗透系数为0.16m/d，取上下游水位差为33.6m，取H1为44.5m，取H2为10.9m，绕坝渗漏带宽度取600m，坝肩绕渗带最小半径取4m。

经计算，右坝肩绕坝渗漏量为239.8m3/d，建议采取工程措施进行处理。

4 坝肩边坡稳定问题

左右坝肩为土质边坡，其中左坝肩坝顶高程以上现多为耕地，呈台阶状，自然边坡10°-20°，土体多为第四系上更新统低液限黏土，边坡稳定性较好。右坝肩坝顶高程以上，在1020m高程以下自然边坡30°-50°，在1020m高程以上自然边坡10°-20°，在雨水冲刷作用下，局部易发生坍塌或崩塌，建议进行必要削坡处理。另外，水库蓄水后，近坝库岸会产生不同程度坍岸，将会对坝体形成不利影响。建议对右岸边坡采取必要的防护措施。

5 坝基处理建议

坝基表层(Qs)低液限粉土、低液限黏土结构松散，工程特性差，一般厚0.5-2.5m，原沟底河床部位较厚，达3.0-4.0m。其下全新统冲洪积(Q4pal)卵石混合土层结构松散，多架空，厚2.0-3.0m，存在渗漏及渗透变形问题。其下多为第四系中更新统洪积(Q2pl)低液限黏土层，原河谷部位为石炭系太原组灰岩、泥页岩夹煤层，工程地质特性好。建议清除表层(Qs)低液限粉土、低液限黏土及全新统冲洪积(Q4pal)卵石混合土层，将坝基置于第四系中更新统洪积(Q2pl)低液限黏土层或基岩上。

[1]王军，任光明，王启鸿，等.甘肃省某电站深厚覆盖层渗透变形分析[J].水电能源科学，2010(09)：52-54.

1007-7596(2017)07-0106-02

2017-06-18

庞瑞瑞(1979-)，女，山西垣曲人，工程师，从事工程地质与水文地质工作。

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