陵川仙台水库坝基工程地质问题研究

孟元媛

(山西省水利水电勘测设计研究院 山西太原 030024)

1 工程概况

陵川县仙台水库工程拟建于陵川县东南白洋泉河上，设计坝型为混凝土面板堆石坝加闸坝，最大坝高20 m，坝顶高程838m库容176.4万m3。

坝址位于附城镇台北村下游的白洋泉河，该处白洋泉河流向为由近北向南流，谷底宽约220 m，主河床偏右侧，左侧形成河漫滩。右岸地形成台阶状，下部为土质岸坡，较缓，上部为岩质岸坡，岸坡陡立，局部为陡崖。地形起伏较大，下部岸坡较缓，上部基岩岸坡陡立，局部为陡崖。左岸为岩质岸坡，坡度约75°，为峡谷型河流，为不对称“U”字型河谷。坝址区地质构造简单，断裂构造不发育，岩层平缓，为单斜岩层，岩层产状N45°E/NW∠12°，总体倾向右岸偏上游，坝址处无断裂构造。

2 坝基工程地质条件

2.1 坝基覆盖层工程地质条件

坝址区左侧河床及河漫滩发育地层为第四系全新统洪冲积卵石混合土，局部夹低液限黏土透镜体，结构松散，分选较差，厚度24.3～40.7m。根据野外充水法试验，求得其天然密度为1.91～2.06g/cm3。据河床表层混合土漂石探井筛分资料可知：漂卵石含量15.2%～36.3%；砾石含量27.7%～41.0%；砂含量25.0%～28.2%；粉黏粒含量3.6%～12.0%；不均匀系数61.5～106.8，；曲率系数0.1～7.4。坝址区右侧河床下部发育第四系上更新统洪冲积低液限黏土夹卵石混合土透镜体,结构松散。

据坝址区钻孔锥贯试验数据可知，坝基全新统洪冲积卵石混合土等经杆长校正后的锥贯击数N=5.5～21.4击，属中密～密实状态，坝基上更新统低液限黏土标准贯入试验击数N=4.8～14.5击。据探坑渗水试验成果：坝址区河床及河漫滩卵石混合土渗透系数为13.7～22.1m/d，具强透水性。

2.2 坝基基岩工程地质条件

2.2.1 坝基岩体及物理力学特性

坝基基岩主要为奥陶系中统下马家沟组第六岩组 (O2x-6)灰黑色致密灰岩，奥陶系中统下马家沟组第五岩组(O2x-5)灰黄色、灰白色泥质白云岩夹薄层泥质灰岩及奥陶系中统下马家沟组第四岩组(O2x-4)灰黑色致密灰岩，坝基岩层产状N45°E/NW∠12°，总体上倾向右岸偏上游，坝址处无断裂构造，局部岩体完整性较差。

由岩石物理力学测试结果可知，O2x-6致密灰岩单轴饱和抗压强度为33.7MPa，为较硬岩；软化系数为0.86；变形模量为3.81×104MPa；饱和抗剪凝聚力为6.64MPa；内摩擦角为43.1°。O2x-5泥质白云岩单轴饱和抗压强度为10.2MPa，为较软岩；软化系数为0.63；变形模量为1.09×104MPa；O2x-4致密灰岩单轴饱和抗压强度为52.3MPa，为较硬岩；软化系数为0.81；变形模量为8.03×104MPa；饱和抗剪凝聚力为6.21MPa；内摩擦角为45.6°。

2.2.2 坝基岩体透水性

在坝址区布置钻孔并进行了压（注）水试验，根据试验成果可知坝基下伏基岩中等透水层的渗透系数为0.72～0.98m/d，弱透水层透水率为4.4～16.7Lu。

2.2.3 坝基岩体风化情况分析

由坝址区钻孔岩芯采取率及RQD值可知，坝基强风化岩体岩芯采取率为39.7%～100%，RQD值为0%～28%，岩体完整性差；弱风化带的采取率为48.0%～72.7%，RQD值为10.5%～68.0%，岩体较完整；微风化带的采取率为56.0%～79.2%，RQD值为10.6%～55.0%，岩体较完整。

据声波测孔资料，坝基岩体纵波波速为1832～4688m/s，岩体完整性较好。

3 存在工程地质问题及评价

3.1 坝基覆盖层渗漏

坝基河谷地层为第四系全新统洪冲积卵石混合土，河谷左侧II级堆积阶地地层为上更新统卵石混合土局部夹低液限黏土透镜体等，结构松散。二者在坝基及上下游连续分布，河床及II级堆积阶地卵石混合土渗透系数相差较小，为13.7～22.1m/d，具强透水性，存在坝基渗漏问题。其渗漏量可按下式计算：

式中：Q—渗漏量，m3/d;

B—坝基宽度,m;

k—透水层渗透系数,m/d;

H—大坝上下游水位差,m;

M—渗透层平均厚度,m;

2b—坝底宽,m。

当水库正常蓄水位为828.5m时，坝基覆盖层渗漏量为17757.7m3/d。建议进行防渗处理。

3.2 坝基渗透变形问题

坝基持力层主要为全新统洪冲积卵石混合土等，结构松散，分选性差，且在坝基上下游连续分布。当水库蓄水后，坝基卵石混合土等在上下游水位差产生的渗流作用下可产生渗透变形。对其可能产生的渗透变形类型及允许水力比降进行如下判别和计算。

1）渗渗透变形类型判别

据《水利水电工程地质勘察规范》（GB50487-2008）附录G，对于不连续级配土，土的细粒含量P按级配曲线中平缓段确定；对于连续级配的土，界线粒径则按如下公式确定。

式中:df—粗细粒的区分粒径,mm；

d70—小于该粒径的含量占总土重70%的颗粒粒径,mm；

d10—小于该粒径的含量占总土重10%的颗粒粒径,mm。

根据该地基卵石混合土的不均匀系数和细粒含量，按照《水利水电工程地质勘察规范》（GB50487-2008），可判别该坝基卵石混合土渗透变形类型主要为管涌。

2）临界水力比降及允许水力比降

据《水利水电工程地质勘察规范》（GB50487-2008）附录G：管涌型临界水力比降采用以下公式计算，

式中:Jcr—土的临界水力比降；

Gs—土的颗粒密度与水的密度之比；

n—土的孔隙率（%）；

d5、d20—分别占总土重的5%和20%的土粒粒径，mm。

经计算，地基卵石混合土的临界水力比降Jcr平均值为0.22，考虑到工程的重要性，取安全系数2，其允许水力比降J为0.11。

3.3 坝基基岩渗漏问题

坝基基岩为奥陶系中统下马家沟组第六岩组 (O2x-6)灰黑色致密灰岩，奥陶系中统下马家沟组第五岩组(O2x-5)灰黄色、灰白色泥质白云岩夹薄层泥质灰岩及奥陶系中统下马家沟组第四岩组(O2x-4)灰黑色致密灰岩。在正常蓄水位828.5m时，岩体强、弱风化层为坝基基岩主要渗漏层，将会产生渗漏，渗漏量计算公式类似于前述坝基覆盖层渗漏公式。

计算结果在正常蓄水位为828.5m时，坝基中等透水层基岩渗漏量为1767.8m3/d，弱透水层基岩渗漏量为289.9m3/d。建议对坝基基岩进行帷幕灌浆处理。

3.4 基坑涌水

坝基卵石混合土层中孔隙水水位埋深大，基坑开挖不存在涌水问题。但河床中存在悬托型小流水，施工时应注意引排水。

3.5 左右坝肩稳定及绕坝渗漏

左坝肩岩体受风化卸荷影响，表层岩体完整性差；岩体中主要发育北东和北西向陡倾角节理裂隙，软弱结构面不发育，岩层倾向上游偏向河谷，岩体稳定性相对较好。

左坝肩岩体受风化和谷底卸荷影响，节理裂隙较发育且有一定张开，具中等透水性，为左坝肩绕坝渗漏通道，存在绕坝渗漏问题。

采用渗漏量计算公式估算，水库正常蓄水为828.5m时，左坝肩绕坝渗漏量为197.8m3/d。建议对左坝肩进行防渗处理。右坝肩岸坡较缓，山顶高程980 m。岸坡坡脚处堆积（Q3dpl）灰黄色低液限黏土夹卵石混合土透镜体，厚度约20 m。基岩主要为奥陶系中统下马家沟组第六岩组灰黑色致密灰岩，奥陶系中统上马家沟组第七岩组灰黄色泥质白云岩夹薄层泥质灰岩及奥陶系中统上马家沟组第八岩组浅灰色薄层白云质灰岩，局部为中厚层，岩性坚硬，岩层倾向于上游偏向山体内部，为斜向岸坡。岩体中主要发育两组节理裂隙，岩溶发育，软弱结构面不发育。建议挖除强风化岩体，将右侧趾板嵌入弱风化岩体中，并对开挖后坝肩及坝肩以上岸坡采取护坡措施。

右坝肩岩体受风化、卸荷影响，节理裂隙较发育且有一定张开，具中等透水性，为右坝肩绕坝渗漏通道，存在绕坝渗漏问题。采用渗漏量计算公式估算，当水库正常蓄水为828.5m时，右坝肩绕坝渗漏量为214.1m3/d。建议对右坝肩进行防渗处理。

4 结论与建议

1）坝址河谷段坝基地基覆盖层主要为全新统洪冲积物，岩性主要为卵石混合土；右侧II级阶地地层为上更新统坡洪积物表层主要为低液限黏土夹卵砾石，其下为卵石混合土。下伏基岩为灰岩及泥质白云岩。强风化层厚3.0～5.0 m。建议将堆石坝体置于卵石混合土层上。左右岸坡现处于稳定状态，建议挖除两岸全部强风化岩体层。

2）坝基及左右坝肩存在渗漏问题，建议对坝基和左右坝肩进行防渗处理。