杜家沟水库坝址工程地质问题浅析★

王冠儒 王瑞民

(1.太原理工大学矿业工程学院，山西 太原 030024； 2.山西省水利水电勘测设计研究院，山西 太原 030024)

杜家沟水库坝址工程地质问题浅析★

王冠儒1王瑞民2

(1.太原理工大学矿业工程学院，山西 太原 030024； 2.山西省水利水电勘测设计研究院，山西 太原 030024)

通过分析水库坝址地层地质特征，对水库工程地质存在的坝基渗漏、渗透变形、不均匀变形、坝基基坑涌水、绕坝渗漏、边坡稳定等问题，提出了解决问题的措施和对策，对今后类似工程具有一定参考意义。

坝基，渗漏，渗透变形，基坑涌水，边坡稳定

0 引言

静乐县杜家沟水库为山西省大水网引黄南干线工程的调蓄水库，位于山西省忻州市静乐县杜家庄村下游的杜家沟上。是一座以工业用水为主，兼顾灌溉的小型水利枢纽工程。拟建大坝坝型为混凝土面板堆石坝，拟建水库正常蓄水位1 240.4 m，设计坝顶高程1 242.8 m，坝高40.8 m，库容345.4×104m3。

工程区位于杜家沟下游，属汾河流域。杜家沟河发源于静乐县胡家庄村，于静乐县城南张贵村汇入汾河，属汾河的一级支流，杜家沟河长14.3 km,流域面积30.4 km2。

气候四季分明，十年九旱，属于温带季风气候，夏季暖热且昼夜温差大，冬季寒冷。年平均气温为7 ℃，1月均温-9 ℃，7月均温23 ℃，年降雨量380 mm～500 mm，无霜期120 d～135 d。

1 坝址工程地质条件

坝址位于杜家庄村下游约2.8 km、张贵村上游约1.2 km处，西距汾河约1.6 km，河床高程为1 206.0 m～1 210.0 m，左低右高,河谷呈宽缓的“U”字形，底宽约150 m。该处河流流向约为N63°W。左岸坡度约34°～45°，右岸坡度约33°～59°。两岸坡及河谷底多被松散层覆盖，基岩局部裸露。

上第三系上新统(N2)地层，多具二元结构，上部岩性为深红色低液限粘土，厚0 m～10 m，下部为卵石混合土，左岸厚度9 m～10 m，右岸厚度达26 m左右。分布于山体基岩顶部。

坝址区基岩为三迭系上统延长组(T3y)紫红色细粒砂岩、灰绿色泥岩、灰白色粉、细粒砂岩等。岩层产状N40°～60°W/NE∠4°～6°，岩层主要倾向右岸，同时向上游微倾。

坝址区三迭系上统延长组砂岩：干抗压强度93.3 MPa～96.5 MPa，平均值94.76 MPa；饱和抗压强度42.5 MPa～68.2 MPa，平均值57.9 MPa；软化系数0.46～0.71，平均值0.61；饱和密度2.48 g/cm3～2.61 g/cm3，平均值2.54 g/cm3；饱和吸水率2.87%～2.96%，平均值2.93%；饱和变形模量(1.09～3.09)×104MPa，平均值1.96×104MPa；泊松比饱和状态时0.21～0.36，平均值0.25；饱和抗剪断试验，凝聚力0.58 MPa～2.11 MPa，平均值1.54 MPa，内摩擦角45.6°～51.6°，平均值49.34°。

坝址区三迭系上统延长组泥岩：干抗压强度2.20 MPa～52.3 MPa，平均值38.75 MPa；饱和抗压强度6.40 MPa～6.80 MPa，平均值6.60 MPa；软化系数0.13～0.16，平均值0.14；饱和密度2.12 g/cm3～2.49 g/cm3，平均值2.39 g/cm3；饱和吸水率3.92%～17.23%，平均值7.30%；饱和变形模量(0.02～0.17)×104MPa，平均值0.13×104MPa；泊松比饱和状态时0.23～0.26，平均值0.24。

区内发育有节理裂隙，左岸节理裂隙主要发育两组：1)N30°～50°W/NE∠80°～85°;2)N30°～40°E/NW∠75°～89°，裂隙多微张与闭合，泥质充填或无充填，两组节理近垂直相交，第1)组比较发育，与河流方向近于平行。

右岸节理裂隙主要发育两组：1)N10°～40°W/NE∠80°～89°;2)N30°～50°E/NW∠70°～89°，裂隙多微张与闭合，泥质充填或无充填，两组节理近垂直相交，第1)组比较发育，与河流方向近于平行。

坝址区地下水类型有第四系孔隙水和基岩裂隙水两种。前者分布于河床，埋深0.3 m～1.0 m，水位高程为1 206 m左右，水位随季节性变化。基岩裂隙水分布于两岩，水位均高于河水位，均向河床排泄。在泥岩隔水层顶部偶有泉水出露。

河床坝基在埋深12.5 m以上基岩透水率近于10 Lu，透水性较强，埋深12.5 m以下段透水率近于5 Lu，透水性较弱；左、右坝肩岩体强风化层属中等透水层，其他属弱透水层。

坝址区主要物理地质现象为基岩风化与崩塌。据钻孔揭露，左岸基岩强风化层厚2.0 m～3.0 m，弱风化层厚3.0 m～5.0 m，右岸基岩强风化层厚2.5 m～3.5 m，弱风化层厚3.0 m～4.0 m，坝基强风化层厚1 m～3 m，弱风化层厚3.0 m～5.0 m。崩塌发生在岸坡基岩陡立之处，在坡脚处堆积有崩积块碎石。

2 坝址工程地质评价

下坝址面板坝主要可能存在的工程地质问题为坝基渗透稳定、坝基渗漏、绕坝渗漏、岸坡稳定等。

2.1坝基渗透稳定

1)渗透变形类型。

下坝址坝基覆盖层主要由卵石混合土构成，根据GB 50487—2008水利水电工程地质勘察规范附录G提供的标准判断，地基卵石混合土的不均匀系数Cu=40.63～65.26，平均值为52.95，大于5，曲率系数Cc=4.28～5.28，平均值为4.78，大于3，属于不连续级配土，由级配曲线可以查出，粒径0.2 mm～0.1 mm段粒组的颗粒含量小于3%，形成了平缓段，故可将粒组该段均值0.15 mm粒径作为粗、细颗粒的区分粒径，再由级配曲线上查出，相应于0.15 mm粒径的细颗粒含量P值约为2%<25%，故渗透变形类型为管涌。

据《水利水电工程地质手册》提供的用不均匀系数的标准判断，坝基卵石混合土不均匀系数平均值为52.95，大于20，可能产生管涌破坏。

通过以上方法的判定，结合土的密度、渗透性能等有关资料，参考其他工程进行的专门试验和经验，分析认为坝基卵石混合土层可能发生的渗透变形类型为管涌。

2)允许水力比降。

卵石混合土层级配不连续，允许水力比降按规范取经验值J允许=0.15。

3)渗透稳定性。

经估算，水库正常蓄水时坝基实际平均水力比降约0.53，大于允许水力比降，因此，坝基下卵石混合土有可能产生管涌破坏。坝基处理建议采取挖除覆盖层、将趾板置于基岩层、帷幕灌浆等必要的预防措施。

2.2坝基渗漏

1)覆盖层渗漏。

坝基覆盖层主要为第四系全新统及上更新统洪冲积卵石混合土层，厚2.0 m～8.0 m。

渗漏量估算公式：

Q=B·K·H·T/(2b+T)

(1)

其中，坝基宽度B取180.0 m，透水层渗透系数k取20.0 m/d，大坝上下游水位差H取33.9 m，渗透层平均厚度T取4.0 m，坝底宽2b取116.0 m。

经计算坝基覆盖层渗漏量Q=4 068.0 m3/d。

2)基岩渗漏。

坝基基岩渗漏主要是砂岩的渗漏，泥岩为相对隔水层，经钻孔压水试验，坝基砂岩岩体在上部的12.5 m范围内吕荣值近于10 Lu，透水性较强，中下部透水性较弱。计算时取压水试验的大值平均值8.8 Lu，即约0.10 m/d进行计算。可采用式(1)进行渗漏量估算。

其中，坝基宽度(B)取180.0 m，透水层渗透系数(K)取0.1 m/d，大坝上下游水位差(H)取33.9 m，渗透层平均厚度(T)取28.60 m，坝底宽(2b)取116.0 m。

经计算坝基基岩渗漏量Q=120.7 m3/d。

通过上述计算可知，坝基总渗漏量约为4 189 m3/d。坝基渗漏主要是覆盖层的渗漏，建议对卵石混合土、基岩强风化层进行帷幕灌浆处理。

2.3绕坝渗漏

正常蓄水位以下，下坝址左右两岸多由延长组地层组成，岩性为厚层砂岩、泥岩。其中砂岩体中裂隙发育，裂隙内无充填或少充填，形成天然的基岩含水空隙与地下水渗透通道。泥岩层形成两岸相对隔水层。

根据坝址区地层结构，左、右坝肩隔水底板按泥岩顶板考虑(左岸按1 225 m、右岸按1 221 m隔水顶板考虑)，其渗透系数可取ZK1号钻孔中T3y-7岩组砂岩层压水试验结果的大值平均值即13.2 Lu(约0.148 m/d)，水库正常高水位与潜水位相交点距库岸之距离值(L)按两岸推测的地下水位水力坡降向两岸外推求得，其左岸约577 m，右岸为453 m，估算选用简单水文地质条件下裘布依计算公式:

(2)

B=L/π

(3)

其中，渗透系数K取0.148 m/d；坝前坝后水头差H取34.03 m；水库正常高水位高出隔水层顶板的高度H1，左岸取15.5 m，右岸取19.5 m；河水位高出隔水层顶板的高度h1取0 m；绕坝渗漏宽度B，左岸取114.59 m，右岸取144.19 m；水库正常高水位与潜水位相交点距库岸之距离L，左岸取360.0 m，右岸取453.0 m；绕坝渗漏最小半圆半径r0取58.0 m。

经计算，左岸绕渗量Q=7 m3/d，右岸绕渗量Q=11 m3/d。建议进行帷幕灌浆处理，帷幕深度至进入T3y-6组泥岩层3 m～5 m，左坝肩处理宽度深入坝肩岩体内部40 m～60 m；右坝肩为一单薄山梁，上下游间渗径短，坝肩岩体在库水长期水压下发生的绕坝渗漏可能会加剧，建议处理宽度深入坝肩岩体内部100 m左右。

2.4地震液化

据GB 50487—2008水利水电工程地质勘察规范，坝址区地基有第四系全新统(Q4)地层，卵石混合土中粒径小于5 mm颗粒含量的质量百分率分别约为19%,25%，均小于30%，初判可排除液化可能。卵石混合土中局部夹有砂层透镜体，由于其厚度小，连续性差，分布范围有限，可不考虑其液化影响。

2.5地基均匀性

卵石混合土组成大小不一，局部具架空结构，部分地段可能夹有厚薄不一的砂层透镜体，地基均匀性差。

2.6地基承载力及开挖边坡

坝址区各岩性承载力地质建议值如下：

开挖边坡地质建议值：低液限粘土1∶0.65(临时)、1∶0.75(永久)，卵石混合土(水上)1∶0.65(临时)、1∶0.75～1∶1.0(永久),卵石混合土(水下)1∶1.0(临时)、1∶1.25～1∶1.50(永久)，砂岩1∶0.3～1∶0.5,泥岩1∶0.5～1∶0.75。

3 结语

杜家沟水库坝址地层为三迭系上统延长组紫红色细粒砂岩、灰绿色泥岩、灰白色粉、细粒砂岩及第四系低液限粘土、卵石混合土；卵石混合土，结构松散，属中等～强透水层。这使得坝址存在诸多工程地质问题。坝址主要存在的工程问题是坝基渗漏、坝基松散层渗透变形、不均匀变形、基坑涌水、坝肩绕坝渗漏、边坡稳定等问题，针对这些问题提出相应的处理建议。

[1] 周开山，田玉中.沉抗水库坝基第四系覆盖层工程地质特征研究[J].西南工学院学报，1999,14(2)：63-68.

[2] GB 50487—2008，水利水电工程地质勘察规范[S].

[3] 李德群，程汝恩，岑 萍.乌兰河断裂地质特性及对水库坝基稳定性的影响[J].水利规划与设计，2015(11)：94-97.

[4] 余 波，张 毅.大花水水电站库区岩溶水文地质特征及库首渗漏评价[J].贵州水利水电，2007,21(2)：2-9.

AnalysisofengineeringgeologicalproblemsatdamsiteofDujiagoureservoir★

WangGuanru1WangRuimin2

(1.MiningEngineeringCollege,TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030024,China; 2.ShanxiWaterConservancyDowerReaearchandDesignInstitute,Taiyuan030024,China)

Through the analysis of the geological characteristics of reservoir dam formation, some measures and countermeasures are put forward to solve such problems as dam foundation seepage, seepage deformation, uneven deformation, water inrush from dam foundation, seepage around dam and stability of slope, which have certain reference significance for similar projects in the future.

dam foundation, seepage, seepage deformation, water inrush from foundation pit, slope stability

1009-6825(2017)30-0205-03

2017-08-15★:山西省应用基础研究项目(201701D221025)

王冠儒(1966- )，女，硕士，高级实验师； 王瑞民(1965- )，男，教授级高级工程师

P641

A