阁老湾水库坝基存在渗透稳定问题及处理措施

陈世伟

（山西省水利水电勘测设计研究院有限公司 山西太原030024）

1 工程概况

阁老湾水库位于山西省吕梁市兴县康宁镇阁老湾村附近南川河上，系黄河流域蔚汾河水系上的一座以农业灌溉和防洪为主，兼顾工业供水的中型水利枢纽工程。该水库始建于1976年9月，1978年6月竣工投入运行。水库总库容为1 060.6万m3，控制流域面积169 km2。枢纽工程由大坝、溢洪道、泄洪洞及灌溉放水涵管等组成。大坝为水力冲填均质土坝，最大坝高29.0 m，坝顶长688 m。上下游坝坡设有浆砌石排水沟；坡脚设有排水棱体。

2 坝址区地质简述

2.1 地质条件

阁老湾水库坝址处河流流向为N30°W，主河床靠近左岸，右岸为一凸岸黄土台地，发育Ⅰ级基座阶地。主河床段宽30～50 m，右岸坝基（黄土台地阶面）建基面约高于主河床段建基面9～10 m，上下游宽度约260 m。两岸均为土质岸坡，左岸岸坡较陡，坡度60°～70°；右岸为宽缓岸坡，地面平缓。

主河床段坝基为第四系全新统洪冲积（Q4pal），岩性为卵石混合土，结构松散，分选较差，局部夹级配不良砾（砂）透镜体，厚2.5～4.5 m。右岸黄土台地出露第四系上更新统洪冲积（Q3pal），呈二元结构，上部岩性为淡黄色低液限粉（黏）土，稍湿-湿，稍密，厚5～17 m；下部为1.5～2.0 m厚的级配不良砾、含细粒土砾。主河床段及右岸黄土台地下伏基岩为三迭系中统二马营组（T2er）灰绿、紫红色泥岩，局部夹黄绿色长石石英砂岩，厚度大于20 m。

地下水类型为碎屑岩类裂隙水和松散岩类孔隙水两种。碎屑岩类裂隙水含水层岩性为三迭系中统二马营组砂岩及泥岩，主要赋存于岩体构造裂隙和风化裂隙内，富水性一般，泥岩为相对隔水层；松散岩类孔隙水主要赋存于河床及基座阶地卵石混合土、级配不良砂层，富水性较好。

2.2 岩土体物理力学特性

1）主河床段坝基岩土体物理力学特性

主河床段坝基卵石混合土结构松散，分选较差，卵砾石呈次棱角-次圆状，粒径一般为10～60 mm；细粒为中细砂。该卵石混合土筛分资料见表1，其卵石含量16.5%～26.5%，平均值21.7%；砾石含量41.2%～55.8%，平均值47.8%；砂含量20.4%～30.6%，平均值26.6%；粉黏粒含量1.6%～6.5%，平均值3.9%；不均匀系数43.2～104.2，平均值80.0；曲率系数0.49～1.96，平均值1.04。该卵石混合土渗透系数为18.7～26.8 m/d，平均值为23.4 m/d，属强透水层。

表1 坝基粗粒土筛分试验成果统计表

2）右岸坝基（黄土台地）段岩土体物理力学特性

右坝基上部为淡黄色低液限黏（粉）土，其干密度（ρd）为1.28～1.52 g/cm3；天然压缩系数（av1-2）为0.08～1.00 MPa-1，多具中等-高压缩性；孔隙比（e）为0.776～1.102；含黏量为7.6%～18.2%；渗透系数（k）为3.26×10-5～6.06×10-5cm/s。下部为含细粒土砾及卵石混合土，筛分资料见表1，其卵石含量0～17.0%；砾石含量48.3%～70.9%；砂含量22.8%～32.5%；粉黏粒含量5.6%～6.7%；不均匀系数16.3～199.3；曲率系数0.54～5.10。该含细粒土砾及卵石混合土渗透系数为8.5～16.0 m/d，平均值为12.6 m/d，属强透水层。

3 坝基渗透稳定问题及其危害

该水库坝址处主河床段及右岸黄土台地段，坝基粗粒土结构松散，且具强透水性，水库蓄水后存在渗透稳定问题。从主河床段坝后坡脚处出现塌坑情况分析，该处局部现已出现渗透变形。现对该问题进行分析评价。

3.1 坝基渗透稳定评价

该坝基主河床段及右岸黄土台地段发育厚层卵石混合土及含细粒土砾，结构松散，在上下游连续分布并出露于坝脚，且具强透水性。水库蓄水后，在上下游水头作用下，存在渗透变形问题。以下对其可能产生的渗透变形类型及允许水力比降进行判别和计算。

1）渗透变形类型判别

据《水利水电工程地质勘察规范》（GB50487-2008）附录G：黏性土的渗透变形类型主要是流土；无黏性土渗透变形类型的具体判别方法和步骤如下：

（1）不均匀系数小于等于5的可判为流土；对于不均匀系数大于5的土，渗透变形类型由P（细颗粒含量）来确定，当细颗粒含量P≥35%时判定为流土，当细颗粒含量为25%≤P＜35%时判定为过渡型，当细颗粒含量P＜25%时判定为管涌。

（2）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的平缓段的最大粒径和最小组粒径的平均值或最小粒径作为粗、细颗粒的区分粒径d，相应于该粒径的颗粒含量为细颗粒含量P。

②连续级配的土，粗、细颗粒的区分粒按下式计算。

式中：df为粗细粒的区分粒径，mm；d70为小于该粒径的含量占总土重70%的颗粒粒径，mm；d10为小于该粒径的含量占总土重10%的颗粒粒径，mm。

该坝基主河床段（Q4pal）和右岸段（Q3pal）卵石混合土及含细粒土砾的颗分曲线见图1，其不均匀系数及细粒含量详见表2。经判别，坝基主河床段和右岸段卵石混合土及含细粒土砾的渗透变形类型为过渡型和管涌型。

图1 坝基粗粒土颗分曲线

表2 坝基粗粒土渗透变形类型及临界水力比降统计表

2）临界水力比降及允许水力比降

据《水利水电工程地质勘察规范》（GB50487-2008）附录G：过渡型和管涌型临界水力比降采用公式2计算。

式中：Jcr为土的临界水力比降；Gs为土的颗粒密度与水的密度之比；n为土的孔隙率（%）；d5、d20为分别占总土重的5%和20%的土粒粒径，mm。

经计算，坝基主河床段（Q4pal）卵石混合土的临界水力比降Jcr为0.16～0.24，平均值为0.20；右岸段（Q3pal）卵石混合土及含细粒土砾的临界水力比降Jcr为0.22～0.31，平均值为0.27（详见表2）。考虑到工程的重要性，安全系数取2，则该坝基卵石混合土及含细粒土砾的允许水力比降J允为0.08～0.16。

3.2 坝基实际水力比降及现已出现地质危害

现状大坝坝底宽为82 m，水库正常蓄水位与坝后坡脚处最低处地面高程（坝后地下水出露点）之差为20.22 m，经计算，坝基实际水力比降为0.25。该值介于坝基卵石混合土及含细粒土砾的临界水力比降0.16～0.31，存在渗透变形的稳患。

另据现场勘察发现，在主河床段坝后坡脚左侧排水棱体上出现一塌坑，坑深约0.4 m，坑径约2 m；其周边地形也出现不同程度变形。据管理部门技术人员口述，当水库水位较高时，该处有出溢水流并局部可发现冒泡现象。初步分析该处已发生渗透变形，渗透变形类型为管涌。

4 处理措施

针对该坝基存在渗透变形问题的具体地质特点，本次设计采用高压旋喷防渗墙进行处理。设计该防渗墙墙底伸入坝基下伏基岩（相对不透水层）以下1.0 m，墙顶高出水库正常蓄水位0.5 m，设计桩径0.8 m，桩距为0.6 m；防渗墙有效厚度不低于0.5 m，有效高度为22～26 m。施工时采用150型地质钻机钻孔，高喷台车灌浆，三重管法施工。

同时，设计在坝后坡脚处设置反滤层，并拆除旧排水棱体，重新修筑排水棱体。施工后增大了坝基段渗流途径，增大了坝基允许水力比降，确保坝基处于渗流稳定状态，使该水库继续发挥其可观的社会效益和经济效益。