山西省张峰水库枢纽工程坝基渗透性与渗漏分析

王灵生

山西省张峰水库枢纽工程坝基渗透性与渗漏分析

王灵生

（晋中市水利勘测设计院 山西晋中 030600）

在工程地质与水文地质资料的基础上，对张峰水库枢纽工程坝基渗透性与渗漏进行了分析与评价。

张峰水库 枢纽工程 坝基 渗透性 渗漏

1 工程概况

张峰水库位于山西省晋城市沁水县郑庄镇张峰村沁河干流上。工程包括枢纽工程和输水工程两部分，属大（2）型Ⅱ等工程，主要建筑物等级为2级。

枢纽工程包括拦河坝、导流泄洪洞、溢洪道、供水发电洞、渠首电站及渠首输水泵站等。大坝坝顶高程763.8m，最大坝高72.2m，正常蓄水位759.0m，总库容3.94亿m3。

输水工程为Ⅲ等工程，包括总干、一干、大阳联接段、二干、三干，有隧洞、渠道、倒虹吸、渡槽、扬水站及压力管道等。

2 坝基渗透性与渗漏分析

2.1水文地质条件

据坝基覆盖层前期抽水试验（三组）资料，渗透系数值为8.90、9.35、9.80m/d。本次勘察在坝基覆盖层安排了八组抽水试验，试验资料列于表1。从坝基覆盖层的抽水试验资料来看，漂石混合土与混合土卵石的渗透系数较大，级配不良砾与粉细砂层的渗透系数较小。

表1中，SJ03b-15的渗透系数很大，异常的原因可能是由于截水槽开挖时扰动所致，舍其值后求得平均值为8.774m/d。地质建议值取10m/d。

据本次坝基基岩的抽水试验，布置了四个大口径专门性抽水试验孔，进行非稳定流抽水试验，求得基岩渗透系数见表2。从资料分析来看，廊道上游基岩的渗透性小，下游基岩的渗透性大，从上游至下游渗透性逐渐增大。

表1 坝基覆盖层抽水试验汇总表

表2 坝基钻孔抽水试验统计表

2.2坝基基坑和截水槽涌水分析

坝址河床地面高程699.0～700.4m。地下水位埋深1.2～2.5m，高程697.7～699.4m。基坑开挖后，基坑接受上、下游第四系松散层孔隙水及两侧和坑底基岩裂隙水的补给。拟选坝型有粘土心墙堆石坝、粘土斜心墙堆石坝，其清基基坑开挖范围较大。基坑开挖时首先进行清基处理，在此基础上，再进行心墙处的基坑开挖。清基时形成的基坑范围大、深度浅，与坝基地下水位高程697.7～698.4m接近，故基坑涌水量相对较小。堆石坝心墙处的基坑及截水槽基坑开挖深度大，其开挖下限达到基岩面以下，基坑涌水量较大。

将基坑假想为大口井，采用井壁、井底同时进水非完整井计算公式：

式中：

Q——基坑涌水量（m3/d）；

k1——坑壁含水层平均渗透系数取（m）；

k2——坑底含水层平均渗透系数（m/d）；

r——假想半径（m）；

R——影响半径（m）；

S——水位降深（m）；

h0——静止水位至坑底深度（m）。

假想半径r按下式计算：

式中：

η——与L/B有关的系数。清基时取1.18，截水槽开挖时取1.08；

L——基坑长度（m）；

B——基坑宽度（m）；

影响半径R按下式计算：

式中：

s——水位降深（m）；

H——潜水层厚度（m）；

K——渗透系数（m/d）。

（1）堆石坝清基时的基坑涌水量

清基时形成的基坑长300m，宽230m，开挖下限高程取三区平均697.0m，基坑较浅，主要是坑底进水，其含水层为第四系松散层，计算时取公式1的后半部分，即：Q=4k2rs。

参数选择：第四系松散层渗透系数为10m/d；坝基左段及左坝肩基岩属弱透水岩石，坝基中、右段基岩属极强～强透水岩石，平均渗透系数25m/d。

坝基左、中段在基岩面以下约35m深处，有一厚10～15m基本连续的微透水带，可视为相对隔水层，隔水层顶板高程取660m。坝基覆盖层地下水位高程取699.4m，潜水层厚度39.4m，水位降深取至基坑开挖下限高程以下0.5m，即696.5m。

清基时基坑底部含水层属双层结构，上部覆盖层平均厚度4m，下层极强—强透水岩石平均厚度33m。双层结构含水层的平均渗透系数采用厚度加权算术平均法进行选取K2=20.1m/d。

经计算，斜心墙、心墙堆石坝清基时基坑涌水量为36454.6m3/d，相当于0.422m3/s。

（2）截水槽开挖时的基坑涌水量

截水槽长300m，宽40m，开挖下限691.6m，水位降深取至691.1m，计算影响半径时的渗透系数取坑底含水层平均渗透系数K2=20.1m/d。

经计算，斜心墙、心墙堆石坝开挖基坑涌水量为62117.5m3/d，相当于0.719m3/s。

2.3坝基渗透性及渗漏量分析

（1）坝基覆盖层渗漏量

坝基覆盖层平均厚度7m，宽度300m；坝基第四系覆盖层平均渗透系数按10m/d考虑，覆盖层渗漏量采用下式计算：

式中：

q——坝基单宽渗漏量(m3/d·m)；

K——平均渗透系数(m/d)；

H——坝前正常蓄水深(m)；

2b——坝基宽(m)；

T——渗透层平均厚度(m)；

B——渗透层平均宽度(m)；

Q——渗漏量(m3/d)。

计算结果列于表3，经计算，坝基覆盖层渗漏量为5227.8m3/d，相当于0.0605m3/s。

表3 坝基覆盖层渗漏量估算表

（2)坝基基岩渗漏

根据张峰水库坝址防渗帷幕轴线（粘土斜心墙堆石坝）工程地质剖面图(Iwm-Iwm/)，坝基岩石按透水程度从左往右可分三段：

①左段(水平距离1585～1635m，宽约50m)

该段基岩岩体渗透性垂向上分三个带，从基岩面至高程661～666m为弱透水带，厚度27～32m，透水率1.1～9.4Lu，平均值5.9Lu；高程661～668m至651～656m之间为微透水带，厚度10～12m；高程651～630m之间为中等透水带，厚度0～24m，透水率12.6～33Lu，平均值15Lu，其下为微透水带。

②中段(水平距离1635～1815m，宽约180m)

该段基岩岩体渗透性垂向上分三个带，基岩面至高程664～680m为极强～强透水带，厚度20～35m，透水率137～20210Lu，平均值2837.8Lu；高程670～661m至655～651m之间为微透水带，厚度10～15m；高程655～628m之间为中等透水带，厚度10～28m，透水率10.5～56.5Lu，平均值15Lu，其下为微透水带。

③右段(水平距离1815～1885m，宽约70m)

该段基岩岩体渗透性垂向上分三个带，基岩面至高程635～685m以上，属极强～强透水带，厚度10～55m，透水率55.2～280Lu，平均值102Lu；高程635～685m至630～650m为中等透水带，厚度5～35m，透水率10.5～46Lu，平均值15Lu，其下与微透水带相接。

坝基岩体渗透性在横向（坝轴线方向）上，极强～强透水带基本上分布在河床中段及近右岸地段，并有向右岸逐渐减弱的趋势。近右岸地段，基岩面以下属弱透水带。河床中段及近右岸地段，中等透水带位于极强～强透水带以下，透水性也有向右岸逐渐减弱的趋势。坝基岩体渗透性在各地段的差异是：河床中段最大，右岸次之，左岸最小。水平距离1585～1795m段(左、中段，宽约210m)，在基岩面以下35m左右深处，顶面高程670～661m至底面655～651m，有一厚10～15m自左向右延伸、厚度逐渐变小、透水性较小的岩体，该段内分布连续，在水平距离1795m处尖灭，其q值小于lLu，为微透水带（可视为相对不透水带）。水平距离1795～1885m段(右段，宽约90m)，坝基岩体透水性大的岩体厚度较大，由上而下渗透性逐渐变小，中等透水带下限为基岩面以下约63m，高程为630～650m。

在纵向（顺河流方向）上，从上游至下游透水性有逐渐增强的趋势，这一情况可能与各地段所处构造部位有关，即上游段邻近向斜轴部位置，而下游段则靠近背斜轴部位置。从坝基渗透性来看，岩石透水性下游强于上游是有利的。河床中段的极强～强透水带近沿ZK113～ZK111～ZK115～ZK104～ZK114各钻孔连线方向(约为N45° W)延伸，这一情况可能与坝区最发育的走向N30°W方向节理有密切关系。

为了确定坝基基岩渗透系数(K)和透水率(q)间的比值关系，在ZK104、ZK115、ZK111三个钻孔共进行了四段抽水试验。经相关性分析，初步确定渗透系数与压水试验透水率的相关关系式为K=0.016q。

据Iwm-Iwm/中各钻孔压水试验成果资料，经整理计算，坝基各透水带特征及透水率q与渗透系数K对比成果见表4。

表4 坝基岩石渗透带透水率q与渗透系数K统计表

根据以上的分析，坝基基岩渗透岩层主要分布于中段及右段上部，为极强～强透水岩体。坝基基岩渗漏量估算采用公式4、5，计算结果列于表5。经计算，K值取25m/d，坝基基岩渗漏量为44806m3/d，相当于0.518m3/s。

关于坝基渗漏量，在1973年的地质报告中，亦作了分析和计算，并且委托黄委院进行了电拟试验，在水库正常蓄水位767.4m的情况下，对5种帷幕形式(包括不帷幕)进行了对比计算，其结果列于表6。

3 结论

（1）综上所述，坝基覆盖层及基岩总的渗漏量为50034m3/d，相当于0.579m3/s。建议对坝基覆盖层及基岩透水带进行防渗处理，设置两排防渗帷幕。第一排防渗帷幕应渗入至基岩面以下20～30m处，高程665～675m，此处左、中段部位存在一层厚10～15m、q值小于1Lu的微透水带，帷幕线深度可插入该带之内2～3m与之相接。第二排防渗帷幕建议深入到基岩面以下63m左右深处的中等透水带，其下限高程为658m，或按照水工设计要求进行选择适宜的深度。中段上部极强～强透水带透水率很大，透水率大多在2000Lu以上，最大者达20210Lu，说明该段坝基岩体裂隙发育，贯通性好，灌浆时需考虑采取封堵措施。

（2）坝基覆盖层表层级配不良砂层存在流土渗透变形，结构松散，建议清除。下部级配不良砾、混合土卵石层存在渗漏、管涌渗透变形，但结构密实、组成较稳定，具有较高的强度，可以作为坝基持力层，应采取防渗处理。

（3）坝基岩体河床中段及近右岸地段透水性最大，右岸次之，左岸最小。从上游至下游透水性渐增。坝基基岩渗漏量很大，需做工程处理。

表5 坝基基岩渗漏量估算表

表6 坝基5种帷幕电拟试验渗漏量估算表

10.3969/j.issn.1672-2469.2014.03.025

TV223

B

1672-2469（2014）03-0070-04

25作者简介：王灵生（1968年—），男，高级工程师。