关峡水库地基承载力及透水性评价

黄登伟

（甘肃甘兰水利水电勘测设计院有限责任公司，甘肃 兰州 730000）

0 引言

关峡水库位于天水市秦州区以南约65 km，大门乡西南约3 km处的大山沟下游河段，该水库是一座拦河蓄水工程，主要任务为解决天水镇5个行政村居民、牲畜供水。水库总库容270万m3，由大坝、导流泄洪洞、溢洪道、上坝公路等组成，工程等别为四等小（1）型，水源为大山沟地表水和第四系孔隙潜水，坝址为大山沟古河道冲淤后形成的天然盆地。水库蓄水至正常高水位1698.71 m时，水库面积为0.413 km2，南～北宽1.18 km，东～西方向水面宽度约0.3 km。本文主要通过钻探、物探、坑探等方法研究大坝坝基覆盖层地层结构、地基承载力和坝基岩体透水性。

1 工程概况

关峡水库是一座沥青心墙砂砾石坝，坝顶高程1700.8 m，最大坝高31.88 m，全长147.97 m。坝顶宽6.0 m，坝顶上游侧设防浪墙高1.4 m。坝体上游坝坡为1∶2.5、下游坝坡自上而下分别为1∶2.0、1∶2.5。上游坝坡采用干砌块石护面，下游坝坡采用C20钢筋混凝土网格草皮护坡。坝体填筑料为砂砾石。心墙采用浇筑式沥青砼心墙结构，最大高度31.88 m，厚度0.4 m，靠近基座2.0 m范围内心墙加厚，由0.4 m渐变至1.2 m。心墙上下游设置1.5 m宽砂砾石过渡层。

目前，水库处于大坝填筑阶段，通过现场开挖、碾压和帷幕、固结灌浆确定坝基砂砾石层承载力及基岩透水性均能满足设计要求。

2 工程地质条件分析

左坝肩位于河道左岸山坡处，天然岸坡坡角44°左右，上部为坡积碎石土，厚4.5 m～14.2 m，下部为基岩，岩体主要物理力学指标见表1，岩性以中泥盆统灰绿色砂岩或粉砂岩为主，岩层产状NE37～65°∠32～47°，倾向河道，与坝轴线呈11°夹角。

表1 关峡水库坝址区岩体主要物理力学指标

（1）根据钻孔岩体声波测试报告显示[1]，基岩强风化层压缩波波速为1834.49 m/s～1894.66 m/s，弱分化层压缩波波速为2199.95 m/s～2327.55 m/s。坝基位于大山沟河床、河漫滩及Ⅰ级阶地上，河床砂砾石层厚6 m～7 m，下部为基岩，岩性与右坝肩基本相同。

（2）根据钻孔岩体声波测试报告显示，基岩强风化层压缩波波速为1864.47 m/s～2053.76 m/s，弱分化层压缩波波速为 2370.27 m/s～2582.63 m/s，中风化层压缩波波速为2834.42 m/s～2877.26 m/s，微风化层压缩波波速为3150.19 m/s。右坝肩地处大山沟右岸,天然岸坡坡角44°左右，上部为坡积碎石土，厚1.0 m～10.0 m，下部为基岩，岩性与左坝肩基本相同。

（3）根据钻孔岩体声波测试报告显示，基岩全风化层压缩波波速为1253.42 m/s，强分化层压缩波波速为1837.13 m/s，弱分化层压缩波波速为2335.76 m/s。

3 地基承载力及透水性评价

3.1 地基承载力

根据甘肃甘兰水利水电勘测建筑设计院2015年10月份提供的《天水市秦州区关峡水库岩土工程勘察报告》中对左坝肩碎石土和坝基砂砾石中进行了重型动力触探试验分析[2]，其统计结果见表2。

表2 N63.5动力触探试验修正值统计表

动力触探试验结果表明，坝基砂砾石层2 m以上动探平均值为6.5击，处于稍密状态，地基承载力为fk=0.22 MPa；2 m～5 m动探平均值为16.5击，处于中密状态，地基承载力为fk=0.87 MPa；5 m～7 m动探平均值为25.5击，处于密实状态，地基承载力为fk=0.93 MPa。山顶下部6 m～7.1 m碎石土动探平均值为30.1击，处于密实状态，地基承载力为fk=0.93 MPa。山坡坡脚2 m以上动探平均值为3.52击，处于松散状态，地基承载力为fk=0.12 MPa；下部2 m～7 m动探平均值为28.3击，处于密实状态，地基承载力fk=0.9 MPa。设计将结构松散、中密的砂砾石及残坡积碎石土挖除后，通过现场载荷试验确定密实状态砂砾石层地基承载力为fk=1.0 MPa，与动力触探试验基本一致，可作为大坝持力层。

3.2 透水性分析

根据基岩压水试验分析[3]，当压力在1.0 MPa时左坝肩25.5 m～49 m、右坝肩4 m～13.5 m，坝基5 m～18 m透水率大于10 Lu，为中等透水层[4]，其余各段透水率均小于10 Lu，为弱透水层见图1，通过大坝透水率进行分析，可知大坝两岸主要存在绕坝渗漏和坝基渗漏问题，现分述如下。

图1 关峡水库坝轴线渗透剖面图

（1）绕坝渗漏

根据左坝肩4个钻孔压水试验资料显示，在正常蓄水位1698.71m以下，左坝肩基岩10m～40m范围内透水率为10.6Lu～42.6 Lu，属中等透水层(q=10 Lu～100 Lu)；40 m～50 m范围内透水率为10.6 Lu～5.03 Lu，属弱透水层(q=1 Lu～10 Lu)。右坝肩4个钻孔压水试验资料显示，右坝肩7.0 m～26.0 m范围内透水率为10.0 Lu～14.0 Lu，属中等透水层(q=10 Lu～100 Lu)；26.0 m～55 m范围内透水率为10.0 Lu～5.5 Lu，属弱透水层(q=1Lu～10Lu)，其余透水率多小于 5 Lu，为弱透水带(q＜5 Lu)，可作为相对隔水层考虑。

按q=5 Lu为岩体相对不透水的隔水边界，假定水流呈层流状态，按维利金公式计算绕坝渗漏量见表3[5]。

式中：Q为绕坝渗漏量，m3/d；K为岩体渗透系数，m/d；H为上、下游水头差，m；H1为上游渗透层厚度，m；H2为下游渗透层厚度，m；B为绕坝渗漏宽度，m；r0为绕坝渗漏半径，m。

表3 左、右坝肩绕坝渗漏量计算表

经计算，左坝肩绕坝渗漏量为132.5 m3/d～531.9 m3/d，右坝肩绕坝渗漏量为65.8 m3/d～168.1 m3/d，左右坝肩总渗漏量为198.3 m3/d～700 m3/d，渗漏量较大，建议对两坝肩透水率q＞10 Lu的岩体进行帷幕灌浆处理，对5 Lu＜q＜10 Lu范围内的岩体进行帷幕灌浆处理，施工阶段对两坝肩进行帷幕、固结灌浆处理后，其透水率大都小于5 Lu，处理后的岩体满足设计要求，可作为相对隔水层。

（2）坝基渗漏

根据坝基9个钻孔压水试验资料显示，坝基基岩7 m～23 m范围基岩透水率为12.5 Lu～20 Lu，属中等透水层(q=10 Lu～100 Lu)；23 m～32 m范围内基岩透水率为12.5 Lu～7.3 Lu，属弱透水层(q=1 Lu～10 Lu)；以下岩体透水率多小于5 Lu，可作为相对隔水层考虑。

坝基渗漏量按水流呈层流状态的水文地质为边界条件，砂砾石层采用达西定律估算其渗漏量，基岩用卡明斯基近似公式法估算其渗漏量见表4[6]：

表4 坝基渗漏量计算成果表

①砂砾石层渗漏量

式中：Q为坝基砂砾石层渗漏量，m3/d；K为坝基砂砾石渗透系数，m/d；M为坝基相对透水层厚度（渗透深度），m；2b为坝底宽度，m；H1-H2为坝基上下游水头差（m）；B为坝基渗漏长度，m。

②基岩渗漏量

式中：Q为坝基渗漏量，m3/d；K为坝基岩体渗透系数，m/d；B为坝基渗漏长度，m；M为坝基相对透水层厚度（渗透深度），m；H为坝基上下游水头差，m；2b为坝底宽度，m。

经估算，坝基砂砾石层渗漏量为1617 m3/d～2695 m3/d，基岩隔水层以上岩石渗漏量为384.4 m3/d～1045.1 m3/d。坝基总渗漏量2001.4 m3/d～3740.1 m3/d，在水库高水位运行时，坝基渗漏量是比较大的，建议清除河床透水率较大的砂砾石层和基岩强风化层，将沥青心墙以齿墙的形式嵌入下部基岩上，并对下部透水率5 Lu＜q＜10 Lu范围内的岩体进行帷幕灌浆处理。通过施工阶段对坝基帷幕灌浆处理后，其透水率大都小于5 Lu，处理后的岩体满足设计要求，可作为相对隔水层。

4 结语

施工期间现场载荷试验确定的承载力与地质勘探过程中采用动力触探试验得出的承载力基本一致，因此，在勘察时采用钻孔动力触探试验，以锤击数预测地基土承载力是可行的。通过施工期间帷幕、固结灌浆的灌浆率对比分析，在同等压力条件下灌浆率与透水率基本一致，因此，勘察阶段采用钻孔压水试验分析施工期间浆液的灌浆率也是可行的。建议水库工程在勘察阶段，加强野外勘探过程中的现场试验，对大坝设计提供合理的设计依据，确保大坝的稳定性及安全性，保障工程的顺利实施，为社会创造效益。