石门水库坝址区主要工程地质问题及评价

张继红

（晋中市水利局，山西 晋中 030600）

1 工程概况

1.1 库区概况

石门水库位于黄河流域汾河水系，潇河上游、白马河北支上，是一座以防洪为主，兼顾灌溉的小（一）型水库，工程始建于1971年11月，1973年7月竣工。水库设计总库容508万m3，水库设计防洪标准为3.3%，校核防洪标准为0.33%。现淤积139.11万m3。大坝上游控制流域面积91.1 km2，流域内地形为中低山区河谷地形，相对高差在30 m左右，基岩构成了山体的骨架。整个沟道呈U型，以朔源侵蚀为主。

1.2 坝体基本情况

水库枢纽建筑物，包括大坝、溢洪道和卧管式输水涵洞。大坝主体为碾压均质土坝，由主坝和副坝组成。主副坝相连，轴线上游侧夹角为150°，坝顶全长215 m，其中主坝长50 m，坝顶宽3.1 m；副坝长165 m，坝顶宽3.4 m，坝顶高程1 116 m，最大坝高20 m。

溢洪道位于大坝左岸，为开敞式，进口底宽为16 m，总长为187 m，采用消力池消能。卧管式输水涵洞位于大坝左岸，涵洞为浆砌石结构，城门洞型；卧管采用钢筋混凝土结构。

2 坝体填筑土质量分析

2.1 坝体土物理力学指标统计分析

为了复核评价坝体土填筑质量，本次在大坝轴线布置了2个坝体土取样钻孔（ZK2）、5个坝体土取样探井（TK1、TK2、TK2+1、TK3、TK3），钻机取坝体原状土样10组，探井取坝体原状土样土样51组，进行室内土工试验。

坝体填筑土土工试验结果：坝体填筑土岩性为浅黄色、褐黄色、黄褐色、浅棕红色等杂色低液限粘土。总体标贯实测击数10～24击，修正后击数9.33～18.31击，修正后平均值12.99，修正后标准值11.67。

综合分析探井记录和土工试验成果：坝体土主要为低液限粘土，总体密实度较低，且填筑不均匀，填筑质量较差。坝体土总体属中等压缩性，弱透水性。

2.2 坝体土湿陷性评价

通过地质勘察将探井原状土样进行了湿陷试验。按照《湿陷性黄土地区建筑规范》（GB 50025-2004），自重湿陷量Δzs和总湿陷量Δs分别按公式（1）、（2）计算：

式中：δzsi——第i层土的自重湿陷系数；

δsi——第i层土的湿陷系数；

hi——第i层土的厚度，mm；

β0——因地区土质而异的修正系数，本区取0.50；

β——地基土受水浸湿可能性和侧向挤出等因素的修正系数，基底下0～5 m深度内取值1.5，基底下5～10 m深度内取值1.0。

经主、副坝体土层湿陷性计算，主坝坝体土的湿陷量为414.55 mm，自重湿陷量为102.7 mm，相应的湿陷类型为自重湿陷，湿陷等级为Ⅱ级（中等）；副坝坝体土的湿陷量为46～172.45 mm，自重湿陷量为18.4～27.2 mm，相应的湿陷类型为非自重湿陷，湿陷等级为Ⅰ级（轻微）。

2.3 坝体土渗透变形评价

坝体土渗透变形类型采用公式（3）、（4）判别，流土的临界水力比降采用公式（6）确定。

（1）渗透变形类型

渗透变形类型判别公式为：

式中：Pc——土的细粒含量，以质量百分率计，%；

n——土的孔隙率，%。

连续级配土区分粗细粒径的界限粒径df按下式计算。

式中：df——粗细粒的区分粒径，mm；

d70、d10——分别占总土重的70%、10%的土粒粒径，mm。

经分析判别，坝体土的渗透变形类型为流土。

（2）允许水力比降

流土型临界水力比降用公式6计算：

式中：Jcr——土的临界水力比降；

Gs——土的重量体积比；

n——土的孔隙率，（n=e/（1+e），e为孔隙比）。

经计算，流土的临界水力比降Jcr为0.910，考虑安全系数后建议允许水力比降J允为0.46。

3 主坝、副坝坝基地质分析

3.1 主坝工程地质条件及评价

3.1.1 主坝坝基渗漏、及渗透稳定分析

结合水库在27年的正常蓄水运行中，高水位运行多次，且溢洪道多次过水的情况下，下游坝脚均未发现有渗水现象的实际情况。综合分析认为，主坝粘土截水槽起到了一定的防渗效果，主坝坝基基岩存在渗漏，但渗漏量较小，相应的主坝坝基松散层不存在渗透稳定问题，对水库正常蓄水基本无影响。

3.1.2主坝左、右坝肩绕渗分析

主坝左、右坝肩下部高约13 m的地层岩性为二叠系中统上石盒子组（P1s）砂岩、砂质泥岩及泥岩地层，右岸上部即为副坝坝体。如前述，坝址区岩层平缓，节理裂隙较为发育，主要发育有三组节理，节理面平直光滑，延伸远，贯通性好，局部可见有泥钙质充填，其中岩层面及J2组节理与河流方向小角度斜交，其余与河流方向大角度斜交。建坝时未对坝肩采取防渗措施。因此左、右坝肩存在绕坝渗漏的地质条件，库水可能沿岩层层面、层理及发育的节理裂隙绕渗。

但据本次钻孔压水试验成果，表明坝址附近基岩岩体均属弱透水，且水库在27年的正常蓄水运行中，高水位运行多次，溢洪道亦多次过水，水管单位在坝肩下游均未发现有渗水现象。综合分析认为，主坝左、右坝肩渗水量不大，对水库正常蓄水基本无影响。

3.2 副坝工程地质条件及评价

副坝坝基基岩，为二叠系下统下石盒子组（P1x）砂质泥岩、泥岩层，夹砂岩透镜体，据本次钻孔压水试验成果：坝基基岩强风化层透水率约为7.46～10.64 Lu，属弱透水～中等近弱透水，其下的弱风化层透水率约为2.56～7.07 Lu，属弱透水。相对于其上覆松散透水层渗透性较小，可作为相对隔水层，故本次不对其进行渗漏量评价，而只对坝基松散透水地层进行评价。

由本次针对副坝的钻探成果剖面可知：副坝坝基分布有下更新统冲洪积（Q1apl）卵石混合土、含细粒土砾、粉土质砾、及粉土质砂层，沿副坝轴线推测长度约73 m，厚度约11 m；中更新统冲洪积（Q2apl）含细粒土砾、粉土质砾层，夹厚度不大的粉土质砂、及卵石混合土层，本次勘察未查明其具体延展范围，结合地形地貌情况，推测该层沿副坝轴线延展长度约266 m，厚度约4.3 m；上述透水地层将库区全新统冲洪积（Q4apl）河床卵石混合土、含细粒土砾、粉土质砾、粉土质砂透水地层，与大坝下游沟通，从而形成库水向下游的渗漏通道。其中，中更新统冲洪积（Q2apl）砂、砾、卵石混合土层顶高程大致为1 097.63 m，而坝下游地面仅在主坝下游附近低于此高程，故中更新统冲洪积（Q2apl）砂、砾、卵石混合土层的渗漏，按绕坝渗漏考虑。这里仅对通过下更新统冲洪积（Q1apl）透水地层的渗漏量进行评价。

根据大坝工程地质剖面图，结合水库多年蓄水情况分析，在正常蓄水位条件下，坝基上游段全新统及中更新统砂、砾、卵石混合土层中渗水，按承压水考虑，下游段下更新统砂、砾、卵石混合土层渗水按潜水考虑。根据水流连续性原理，通过两种透水性不同的岩层的流量，应当是相等的。由此推出该情况下坝基渗漏计算适用公式（7）、（8），计算公式：

式中：Q——渗漏量，m3/d；

q——单宽流量，m3/（d·m）；

B——渗漏带宽度，取73 m；

k1——上游承压段渗透系数，取全新统与中更新统综合渗透系数18.56 m/d。

k2——下游潜水段渗透系数，取下更新统渗透系数7.43 m/d；

H1——坝上游水头，取18.5 m；

H2——坝下游水头，取7.5 m；

L1——上游承压段渗径长，取35.5 m；

L2——下游潜水段渗径长，取71.5 m；

T1——上游承压段渗透层厚度，取5.0 m。

经计算，在水库正常蓄水位条件下，通过下更新统冲洪积（Q1apl）透水地层的渗漏量为1 101.57 m3/d。

水库在27年正常蓄水运行中，高水位运行多次，溢洪道亦多次过水，水管单位在下游均未发现有明显渗水现象。综合分析认为，副坝坝基虽存在上述渗水现象，但渗水是以潜水形式与下游地下水或地表水自然衔接，在下游坝脚出溢时渗压不大，地表不易被察觉发现。加之现坝前淤积厚度已达约11.5 m，将进一步延长水库渗漏水渗径，减小渗压，起到一定的防渗作用。故认为，副坝坝基松散层虽存在渗漏现象，但不会产生渗透稳定问题。

如前述，副坝基及其右岸中更新统冲洪积（Q2apl）砂、砾、卵石混合土层的渗漏，按绕坝渗漏考虑用公式9计算，渗漏量估算引用公式：

式中：Q——绕坝渗漏量，m3/d；

k——中更新统渗透系数，取12.96 m/d；

H——坝前坝后水头差，取溢洪道进口高程1 109.62 m与现状坝下游低点1 096.37 m的差，为13.25 m；

M——渗透层厚度，取4.3 m；

B——绕渗带宽度，取266 m；

r0——绕坝渗漏最小半圆半径，取51 m；

经计算，在水库正常蓄水位条件下，通过中更新统冲洪积（Q1apl）透水地层的渗漏量为388.24 m3/d。

以上计算中未将松散层下覆基岩的渗漏量计入（将副坝坝基基岩视为相对隔水层），也未考虑水库坝前约11.5 m厚淤积层的影响，故渗漏量只是粗略的估算。下更新统冲洪积（Q1apl）透水地层与中更新统冲洪积（Q1apl）透水地层的合计渗漏量为1 489.81 m3/d。建议对副坝坝基及其右岸松散层透水地层采取必要的防渗措施。

4 结论

（1）主坝坝体土的湿陷量为414.55 mm，自重湿陷量为102.7 mm，相应的湿陷类型为自重湿陷，湿陷等级为Ⅱ级（中等）。副坝坝体土的湿陷量为46～172.45 mm，自重湿陷量为18.4～27.2 mm，相应的湿陷类型为非自重湿陷，湿陷等级为Ⅰ级（轻微）。综合分析可知，坝体土总体属中等压缩性，弱透水性，主要为低液限粘土，总体密实度较低，且填筑不均匀，填筑质量较差。

建议对坝顶面进行硬化、对坝下游坡及两坝肩修整、并进行护坡排水处理。

（2）主坝坝基基岩存在渗漏，但渗漏量较小，相应的主坝坝基松散层不存在渗透稳定问题，对水库正常蓄水基本无影响。主坝左、右坝肩渗水量不大，对水库正常蓄水基本无影响。

副坝坝基渗漏、及渗透稳定计算，未将松散层下覆基岩的渗漏量计入，只将副坝坝基基岩视为相对隔水层，也未考虑水库坝前约11.5 m厚淤积层的影响，故渗漏量只是粗略的估算。下更新统冲洪积（Q1apl）透水地层与中更新统冲洪积（Q1apl）透水地层的合计渗漏量为1 489.81 m3/d。

建议对副坝坝基及其右岸松散层透水地层，采取必要的防渗措施。