北掌水库坝基主要工程地质问题及处理措施

2020-08-10郝永刚

山西水利科技 2020年1期

郝永刚

（山西省水利水电勘测设计研究院有限公司山西太原 030024）

北掌水库位于汾西县，汾河一级支流对竹河中上游一支沟内。主要为汾西工业园、城市用水及农业灌区供水。水库总库容465.4 万m3，拟建均质土坝，最大坝高46 m。属小（1）型水库，工程等别为Ⅳ等，均质土坝、溢洪道及导流泄洪洞等主要建筑物为4 级，次要建筑物及临时建筑物为5 级。

1 坝址区工程地质

坝址区沟谷为“U”型谷，沟谷宽约150 m，坝址处因修建淤积坝造地，地形较宽阔平坦。两岸山势较雄厚，冲沟较发育，坝轴线处左岸发育一小型冲沟，长约200 m。此外坝址两岸上下游各发育两条较大冲沟，长500～800 m。两岸自然坡度40°～70°，相对高差50～100 m，属典型梁峁状黄土地貌。坝址区沟谷方向为N85°E，无基流。

坝址区发育基岩地层为石炭系太原组页岩、砂岩及灰岩，厚约46 m，多分布于两岸及沟谷底部，河床部位局部出露。第四系松散层分布从上至下为：

人工堆积（Qs）回填土、耕植土，岩性为低液限黏土，含植物根系，属中等-高压缩性土，渗透性等级为弱-中等透水性，具湿陷性，厚0.5～4.0 m，分布于河谷表层，原河床部分回填土较厚，两岸较薄。

坝址区范围内多被松散堆积物覆盖，基岩仅在近坝址区上游右岸冲沟口局部出露，构造形迹不清，未发现断裂构造。出露地层为石炭系上统太原组地层，岩层产状N15°W/NE∠5～8°。

区内地下水由两岸向沟谷，上游向下游径流排泄。地下水类型主要有松散岩类孔隙水和碎屑岩类裂隙水。

坝址区土体主要物理力学性质见表1。

表1 坝址区土体物理性质特征表

2 主要工程地质问题

河床表层人工堆积低液限黏土结构松散，工程特性差，建议清除。坝基主要置于全新统卵石混合土层、上更新统及中更新统低液限粉（黏）土层。主要存在坝基渗漏及渗透变形、坝肩黄土湿陷性问题。

2.1 坝基渗透变形及渗漏

1）渗透变形

土的渗透变形特征应根据土的颗粒组土、密度和结构状态等因素综合分析确定。本次主要依据《水利水电工程地质勘察规范》（GB50487-2008）进行土的渗透变形判别。

（1）坝基卵石混合土层

对于无黏性土，渗透变形类型的判别方法为：不均匀系数小于等于5 的无黏性土渗透变形类型为流土；不均匀系数大于5 的无黏性土依据细颗粒含量（Pc）进行判别，当细颗粒含量（Pc）大于等于35%时，破坏类型为流土，细颗粒含量（Pc）小于25%时，破坏类型为管涌，其余情况为破坏类型过渡型土。

细颗粒含量（Pc）确定方法为：对于级配不连续的土，至少有一个以上粒组的颗粒含量小于或等于3%，以该粒组在颗分曲线上形成的平缓段的最大粒径和最小粒径的平均值或最小粒径颗粒含量为细颗粒含量；对于级配连续的土，粗细粒区分粒径以公式df=进行计算，d70、d10分别为小于该粒径的含量占总土重10%、70%的颗粒粒径（mm）。

Jcr=2.2（Gs-1）（1-n）2d5/d20

式中：Jcr——土的临界水力比降；

Gs——土的颗粒比重，取值2.69；

n——土的孔隙率，以小数计。取值0.35；

d5、d20——分别为占总土重的5%、20%时对应的土粒粒径（mm），d5=0.2，d20=2.0。

采用上式进行计算，坝基卵石混合土层临界水力比降为Jcr=0.17。

（3）允许水力比降

允许水力比降等于临界水力比降除以安全系数。一般对于水库工程来说，安全系数宜取2。建议允许水力比降值：卵石混合土层J允许=0.09，低液限黏土J允许=0.59。

（4）天然坝基渗透变形可能性判别

根据大坝断面及地层结构估算天然坝基水力坡降J=h/2b，h为坝上下游水头差，2b为坝基宽（m）。经计算，天然坝基水力坡降为0.16。可看出，坝基卵石混合土段J允许小于天然坡降，存在渗透变形问题。

2）坝基覆盖层渗漏问题

Q=K·B·T·H/（2b+T）

式中：Q——坝基卵石混合土层渗漏量，m3/d；

H——大坝上下游水位差，m，H=39.5 m；

2b——坝基宽度，m；2b=248 m；

K——坝基土渗漏层渗透系数，m/d，K=12.9 m/d；

B——坝基卵石混合土渗漏层宽度，m，B=78 m；

T——坝基卵石混合土渗漏层厚度，m，T=2.5 m。

采用上式计算，坝基卵石混合土层渗漏量为396.7 m3/d。

坝基卵石混合土层抗压缩及抗剪强度较好，可作为大坝持力层，但存在渗漏及渗透变形问题，且厚度不大，建议设置截水槽防渗措施。

2.2 左、右坝肩黄土湿陷性

黄土湿陷性判别依据《水利水电工程地质勘察规范》（GB50487-2008）附录T 进行初判，并且依据《湿陷性黄土地区建筑规范》（GB50025-2018）来进行复判。

（1）初判

（2）复判

依据《湿陷性黄土地区建筑规范》（GB50025-2018）进行复判。左坝肩黄土自重湿陷量计算值Δzs的计算公式如下：

式中：Δzs——自重湿陷量计算值，mm；

δzsi——第i层土自重湿陷系数；

hi——第i层土的厚度，mm，由每个土样代表的土层厚度确定；

βo——因土质地区而异的修正系数，本区按规范属其他地区，取0.5。

左坝肩黄土自重湿陷量的计算值Δzs自天然地面算起，至其下至非湿陷黄土层的顶面。自重湿陷系数δzs值小于0.015 的土层不累计。计算见表1。

左坝肩黄土地基总湿陷量计算值Δs（mm）按下式计算：

式中：Δs——地基湿陷量计算值，mm；

δsi——第i层土的湿陷系数；

hi——第i层土的厚度，mm，由每个土样代表的土层厚度确定；

β——考虑地基土的受水浸湿可能性和侧向挤出等因素的修正系数。一般情况下，基底下5 m 深度范围内取1.5；基底下5 ～10 m 深度内取1.0；基底下10 m 以下，至非自重湿陷性黄土层顶面，在自重湿陷性黄土场地，可取工程所在地区的βo值。计算结果见表2。

地基湿陷量计算值的计算深度，自地面下1.5 m至非湿陷黄土层的顶面。其中湿陷系数δs（10 m 以下为δzs）小于0.015 的土层不累计。

（3）湿陷性判别结果

左坝肩低液限黏土存在湿陷性问题。湿陷性平面分布特征为左岸坡脚（SJ14-3）附近，为非自重湿陷性场地，湿陷等级为Ⅰ（轻微），湿陷下限深度5.0 m。左坝肩临坡低液限黏土（SJ14-2）处为自重湿陷性场地，湿陷等级为Ⅳ（很严重），湿陷下限深度23.2 m。左坝肩岸坡住里低液限黏土（SJ14-1）为自重湿陷性场地，湿陷等级为Ⅲ（严重），湿陷下限深度18.7 m。

表2 左坝肩低液限黏土湿陷性计算成果表

（4）处理措施

左坝肩自然边坡20°～60°，现状地形为条状耕地，湿陷性土层埋深向山坡方向渐渐增大。设计拟处理坝肩以下及向外延伸20 m 范围内所有湿陷性土层。考虑边坡稳定、工期及湿陷性土层分布及物性指标，建议采取素土挤密桩措施处理，考虑挤密桩对边坡稳定也存在一定影响，在施工组织设计时应对各孔施工工序作出合理安排。