松塔水电站枢纽工程坝基及坝体土渗透稳定性分析与评价

戴永坚

（晋中市水利勘测设计院 山西晋中 030600）

1 工程概况

1.1 工程地理位置及交通

工程位于山西省寿阳县羊头崖乡西草庄村东500m 处的潇河干流上。水电站坝址距晋中市城区约44km，距寿阳县城约20km。坝址区有昔阳至寿阳的公路通过，太旧高速公路在寿阳有入口，石太铁路线在马首设站，交通网络四通八达，十分便利。

1.2 枢纽工程简介及主要设计指标

枢纽工程建筑物包括水电站、供水发电洞、导流泄洪洞、溢洪道、挡水坝等。大坝坝型为碾压式均质土坝，其主要设计指标见表1。

2 坝基及坝体土渗透稳定性

2.1 坝基覆盖层

坝基地面高程969.7～984.7m，从左往右、自上而下地形由高到低，相对高差约15m。坝基处发育有二级阶地，Ⅰ级阶地高出河床5～8m，阶面高程975～982m，属堆积阶地，顺坝轴线方向宽约90m；Ⅱ级阶地为堆积阶地，阶面高程为980～985m，高出河床 10～15m，顺坝轴线方向宽约40m。河漫滩处地面高程972～977m，顺坝轴线方向宽约 100m。主河床呈蛇曲凸向右岸，河水从右岸坡脚下流过，主河床宽10～30m，地面高程970～971m，河床底部基岩大多裸露。

顺坝轴线方向坝基宽 250m，仅在坝轴线上游Ⅰ级阶地前缘和主河床部位出露 T1l-7 粉砂岩、细砂岩夹薄层泥岩，其余大部为第四系松散覆盖层，覆盖层总厚0～9m，基岩面高程970～977m。从左往右坝基部位覆盖层涉及的地层岩性依次为：

Q3pal上部为低液限粉土，局部地段含少量漂石，漂石粒径约1m，厚2.7～4.5m；下部为卵石混合土、级配不良砂（砾）夹低液限粉土透境体。近左岸坡脚下一带为碎石混合土层，厚3.2～4.5m，为Ⅱ级堆积阶地，覆盖层总厚6～9m。卵石混合土、级配不良砂（砾）顶面高程976～980m，基岩面高程974～977m。

Q41pal上部为低液限粉土，厚2.0～5.9m，下部为卵石混合土、级配不良砂（砾）层，厚2.4～4.0m，为Ⅰ级堆积阶地，覆盖层总厚6～8m。卵石混合土、级配不良砂（砾）顶面高程975～978m，基岩面高程972～975m。

Q42pal为卵石混合土、级配不良砂（砾）层，松散，为河漫滩，厚1～5m，基岩面高程970～972m。

坝基含巨粒土及粗粒土。该类土主要位于Ⅰ、Ⅱ级阶地下部及河漫滩，岩性以卵石混合土为主，夹有级配不良砂（砾）层。

表1 松塔水电站枢纽工程主要设计指标表

2.1.1 渗透变形类型

（1）根据 GB50287—99《水利水电工程地质勘察规范》规定，渗透变形的类型按式（1）、式（2）判别。

式中：PC为土的细颗粒含量，以质量百分率计（%）；n为土的孔隙率（%）。

对于不连续级配土，土的细粒含量PC按级配曲线中平缓段确定，对于连续级配界线粒径则按式（3）确定。

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。

在计算孔隙率时，需要土粒比重Gs 及干密度ρd两个参数。土粒比重取经验值2.65，干密度取2.0g/cm3。由土粒比重和干密度求得孔隙率为24.5%，再由孔隙率求得划分流土与管涌的细颗粒含量界线Pc′为33.1%，据筛分试验成果得出的Pc 与划分流土与管涌的细颗粒含量Pc′对比结果见表2。从表中结果看，坝基土渗透变形类型均为管涌。

（2）根据《水利水电工程地质手册》中提供的经验方法进行判别。判别采用两个标准：一是不均匀系数，二是细粒含量。

不均匀系数判别标准见表3。坝基覆盖层层中不均匀系数一般大于20，故渗透变形类型以管涌为主。

细粒含量判别标准见表4。手册中的细粒含量指粒径小于1mm 的颗粒所占整个土重的比例（%）。

从历次筛分曲线中查得，11组试样中有10组细粒含量在4.2%～23.4%之间，1组为48.6%，大多小于25%，渗透变型类型以管涌为主。

综上所述，坝基覆盖层可能产生的渗透变型类型为管涌。

2.1.2 临界水力比降的确定

根据《水利水电工程地质勘察规范》，流土及管涌的临界水力比降宜采用式（4）、式（5）计算。

表2 坝基覆盖层渗透变形判别计算表

表3 渗透破坏形式与不均匀系数关系表

表4 渗透破坏与颗粒级配和细粒土含量关系表

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分别为占总土重的5%和20%的土粒粒径，mm。计算结果见表5。产生管涌的临界水力比降平均值为0.19。

据坝基探坑、竖井渗水试验成果，坝基覆盖层渗透系数在14.6～27.9m/d 之间。根据《水利水电工程地质手册》中管涌临界水力比降与渗透系数关系曲线查得，Jcr=0.30～0.42，坝基覆盖层细粒含量一般在4.2%～23.4%之间。据《水利水电工程地质手册》中临界水力比降与细粒含量（＜1mm）关系曲线查得，Jcr=0.13～0.3。

经综合考虑后，建议产生管涌的临界水力比降总体按0.24 考虑。

2.1.3 允许水力比降的确定

表5 坝基覆盖层渗透变形判别计算表

根据GB50287—99《水利水电工程地质勘察规范》，宜以土的临界水力比降除以1.5～2.0 的安全系数做为土的允许水力比降。考虑到本工程的重要性，安全系数取2.0，坝基土产生管涌变形的允许水力比降为0.12，建议进行大坝设计时，坝基允许水力比降总体按0.12 考虑。

2.1.4 天然坝基渗透变形可能性判别

首先根据坝基渗透性地质剖面，计算天然坝基渗透上升段的平均水力比降J升平的大小。根据地质资料，坝基上部低液限黏（粉）土层厚0～5.9m，取2m，平均渗透系数取K=1.39m/d（1997年资料）。其下卵石混合土层平均厚约3.0m，渗透系数取坝基渗水试验平均值23.4m/d。

各带坝后上升渗流段的平均水力比降按式（6）计算。

式中：J升平为坝后上升渗流段的平均水力比降；H1、H2为坝上、下游水位；T1、T2为上、下层的厚度；K1、K2为上、下层的渗透系数；2b为坝基宽度。

根据坝体各项设计指标，坝后上升渗流段的平均水力比降为0.74，计算结果见表6。

表6 天然坝基水力比降计算表

由表中计算结果看，天然坝基渗透上升段的平均水力比降为 0.74，大于坝基允许水力比降0.12，因此，坝基卵石混合土、混合土卵石层将产生管涌破坏。

2.2 坝基细粒土层

坝基Ⅰ、Ⅱ级阶地上部的Q41pal、Q3pal上部低液限粉土天然状态为中等压缩性土，土层具湿陷性，层厚2.0～5.9m，其可能的渗透变形类型为流土。根据工程类比，建议其允许水力比降总体按0.5 考虑。

2.3 坝基基岩强风化层

坝基基岩为三叠系下统刘家沟组 T1l-3－T1l-7 岩组，岩性以细砂岩、粉砂岩为主，并有砂质泥岩、泥岩夹层。岩层产状为N30°～50°W/SW∠5°～8°，倾向下游偏左岸。主要发育二组节理裂隙，产状为：①N20º～40ºE/SE∠40º～85º；②N80°～90W°/SW∠80°～90°。第①组中存在少数缓倾角裂隙。在坝线下游约120m 发育一f2断层，倾向下游，倾角较大，约76°。据钻探资料分析，坝基基岩强风化层厚约1～5m。

基岩强风化层由于岩石破碎、原节理张开，矿物蚀变、粒径不均一、结构松散、黏土矿物及细粒物质相对较多，且渗透性较强，存在渗透变形的可能性，可能的变形形式为管涌。根据经验，强风化带临界水力比降建议按2.4 考虑，允许水力比降取1.2。坝基强风化带以下基岩，由于整体性强，无顺河向大的断层或裂隙通过，细粒颗粒含量少，故产生渗透变形的可能性极小。

2.4 坝体填土

据不均匀系数及细粒含量判断，坝体填土的渗透破坏形式为流土。产生流土的临界水力比降按式（4）进行计算。据袁家山土料场土料的土工试验成果，土的颗粒密度Gs 取2.70，与配样干密度对应的平均孔隙比e 取0.632，换算成孔隙率为n=0.387。经计算，产生流土的临界水力比降为1.04。安全系数取2.0，建议坝体填土允许水力比降按0.52 考虑。

3 结论与建议

（1）库区。库区不存在沿库岸的永久渗漏问题，但存在沿库底的渗漏，这部分渗漏量不大，可沿坝基或绕坝流出库外。库区基岩库岸稳定条件较好，局部土层岸坡段存在坍岸问题。蓄水后库区将淹没独堆、南庄、刘庄、蝉头崖、里庄等自然村，里庄至曲曲沟库尾一带将有约0.68km2农田及房屋受浸没。库区淤积物主要来源上游水流携带的泥砂及库岸再造产物。建库后产生水库诱发地震的可能性不大。

（2）坝基。坝基覆盖层厚 0～9m，覆盖层及强风化层存在渗透变形问题，渗透变形类型主要为管涌。坝基存在渗漏问题，以覆盖层渗漏为主。坝基覆盖层上部的低液限粉（黏）土为湿陷性土层，存在湿陷及不均匀变形问题。建议全部清除覆盖层或部分清除覆盖层并对剩余覆盖层进行防渗处理。建议对坝基基岩进行帷幕灌浆处理。

（3）其它建议。建议水库建成蓄水后，对坝址区右岸古河道范围内设置的观测孔进行地下水位长期观测，并在古河道出口处进行渗漏量等观测。