汾阳市董寺河治理中的雍水闸工程地质评价

庞瑞瑞

（山西省水利水电勘测设计研究院 山西太原 030024）

董寺河为禹门河的一条支流，发源于汾阳县城西候家墕之南神岭山和石盘山下，为季节性河流，在申家堡村东汇入禹门河，全长16.9 km。大向善-申家堡段综合治理工程起点位于汾阳城区西侧的大向善村附近，经赵家庄、吴南社至申家堡村附近，全长7.9 km，设计河道宽100～230 m，修建两岸堤防总长15.8 km。治理段上游主槽内修建2座高2.8 m的雍水闸，形成2座蓄水大水面；下游设置12座1 m高的跌水堰，形成跌水景观。在治理段河道两岸铺设截雨、污暗管，总长度为12.4 km。利用董寺河两侧堤防建设沿河堤顶快速路，两岸总长13.4 km。汾介线桥下游3座旧桥需要进行改造。治理段蓄水段长1.0 km，根据河道纵坡，在桩号Z0+450、Z0+990处布设1#和2#雍水闸。

1 1#雍水闸工程地质条件

1#雍水闸闸址处董寺河流向约N70°E，河谷宽度约60 m，地形较平坦。两岸为土质岸坡，揭露地层主要为第四系松散堆积物及人工堆积物。现自上而下分述如下：

1）人工堆积（Qs）：主要为淡黄色低液限粉土，含块碎石、砖块、煤渣、砂卵石、生活垃圾以及建筑垃圾等，结构松散-密实，分选性差，分布于河谷地表，本层厚 0.3～1.0 m。

2）第四系全新统洪冲积（Q4pal）：岩性为褐黄色低液限黏土与淡黄色低液限粉土，局部夹卵石混合土透镜体，土颗粒细而均匀，结构松散-稍密，稍湿-饱和，表层含大量植物根系及腐殖质，局部手搓有粉砂感。分布于董寺河河谷，厚度5.1～7.8m。根据室内土工试验，其含水率21.8%～27.7%，平均值24.4%，天然密度1.85～2.12 g/cm3，平均值 2.01 g/cm3，干密度 1.33～1.54 g/cm3，平均值 1.45 g/cm3，孔隙比 0.583～0.844，平均值 0.681，塑性指数 8.7～18.2，平均值 12.6，液性指数 0.29～0.71，平均值 0.52；垂直渗透系数 2.93×10-5～1.06×10-4cm/s。饱和压缩系数 0.13～0.41 MPa-1，平均值 0.27MPa-1，饱和抗剪强度凝聚力5.4～24.5 kPa，平均值11.8 kPa，内摩擦角 11.5～25.0°，平均值 21.1°。钻孔标准贯入锤击数4～5击。闸基下部5.6～7.2 m处夹一层卵石混合土透镜体，褐黄色，结构松散，分选较差，局部有架空现象，砾卵石成分主要为灰岩，少量砂岩，一般粒径30～40 mm，磨圆度为次棱角-次圆状，细粒为中细砂，主要矿物成分为石英、长石、云母及一些岩屑。野外筛分试验资料，卵石含量 13.4%～18.7%，砾含量 38.5%～51.2%，砂粒含量26.3%～44.5%，粉黏粒含量为2.7%～5.1%，不均匀系数 Cu=38.12～96.15，曲率系数 Cc=0.36～2.18，中间粒径 d50=9.81～12.20。据本次野外现场渗水及钻孔注水试验，渗透系数5.6～8.7 m/d，为中-强透水层。

（3）第四系上更新统洪冲积（Q3pal）：岩性主要为低液限黏土，褐黄色，结构松散-稍密，手搓有滑腻感，可成细土条，饱和，呈流塑-可塑状，属中等压缩性土，具弱-中等透水性，局部手搓有粉砂感。在整个闸基段均有分布，本次勘探揭露厚度5.7～15.0 m。根据室内土工试验，其砂粒组含量1.2%～4.9%，平均值2.5%，粉粒组含量62.3%～85.1%，平均值76.2%，黏粒组含量13.2%～36.5%，平均值21.3%，含水率19.6%～26.1%，平均值23.5%，天然密度 1.97～2.08 g/cm3，平均值 2.02 g/cm3，干密度 1.57～1.70 g/cm3，平均值 1.64 g/cm3，孔隙比0.589～0.742，平均值 0.658，塑性指数 9.2～20.7，平均值 12.8，液性指数 0.19～0.77，平均值 0.45。垂直渗透系数 7.79×10-6～2.33×10-4cm/s，水平渗透系数 4.68×10-5cm/s。饱和压缩系数 0.16～0.42 MPa-1， 平均值为0.29 MPa-1，饱和抗剪强度凝聚力 7.1～26.3 kPa，平均值为 12.9 kPa，内摩擦角 11.5～25.5°，平均值为 21.3°。

本次勘察深度内未揭露地下水，结合当地水文地质调查资料，区内地下水位埋深大于30 m。工程区距汾阳城区较近，附近生活污水等排入河道后受低液限黏土层隔水浮托，形成上层滞水，闸址区内含水层位主要为上部全新统土层。

本次勘察取董寺河河水进行了水化学分析，试验成果见表1。河水及地下水化学类型分别为HCO3-Na型。据《水利水电工程地质勘察规范》（GB50487-2008）附录L中环境水腐蚀性评价判别标准判别：环境水对混凝土无腐蚀，对钢筋混凝土结构中的钢筋具弱腐蚀性，对钢结构具弱腐蚀性。

表1 水质分析试验成果统计表

2 1#雍水闸工程地质评价

1）闸基土承载力

1#闸基持力层为全新统洪冲积（Q4pal）低液限黏土、低液限粉土，存在不均匀变形问题。建议清除地表人工堆积物及含植物根系的低液限粉土，将闸基置于下部全新统洪冲积低液限黏（粉）土层上，建议闸基低液限黏（粉）土的地基承载力70～80 kPa。建议临时开挖边坡：水上 1：0.75～1：1，水下 1：1～1：2。建议雍水闸基础混凝土与低液限黏（粉）土层的摩擦系数为0.20～0.25。

2）湿陷性

闸基（Q4pal）低液限黏（粉）土处于近饱和状态，不具湿陷性，为非湿陷性场地。

3）闸基渗漏及渗透稳定

闸基持力层为第四系全新统洪冲积（Q4pal）褐黄色低液限黏土夹淡黄色低液限粉土，多具微-弱透水性，闸基下部存在卵石混合土透镜体，为强透水层，闸基土层可产生产生一定渗漏，但渗漏量不大。

根据《水利水电工程地质手册》选用公式（1）计算闸基渗漏量。将闸基简化为单层渗漏地质结构进行渗漏量估算。其中将闸基弱-中等透水性的低液限黏土层和中等透水的低液限粉土层简化为单一渗漏层，渗透系数采用厚度加权平均值，计算后与下伏卵石混合土层渗漏量相加，计算得闸基渗漏总量。

式中：Q——闸基渗漏量，m3/d；

K——厚度加权平均渗透系数，m/d；

H——高水位时闸上下游的水位差，m；

2b——闸基宽，m；

T——渗透层平均厚度，m；

B——闸基渗漏长度，m。

经计算，在闸前正常蓄水深度为2.5 m时，总渗漏量为230.1 m3/d。具体计算见表2。

表2 1#雍水闸闸基渗漏量计算表

闸基为全新统洪冲积（Q4pal）褐黄色低液限黏土夹淡黄色低液限粉土，多具微-弱透水性，且在闸上下游连续分布，构成渗漏层位，在闸内外水位差产生的渗压作用下闸基低液限黏（粉）土可产生渗透变形。依据《水利水电工程地质勘察规范》（GB50487-2008）附录G对土层的渗透变形进行判别。根据土层的结构和颗粒组成等综合分析，闸基低液限黏土的渗透变形形式主要为流土。

据本次勘察土工试验资料，闸基持力层低液限黏土的孔隙率为40.5%，比重为2.71，其临界水力比降为1.02，取安全系数2.0，允许水力比降为0.51。其计算公式见式（2）。

式中：Jcr——土的临界水力比降；

Gs——土粒比重；

n——土的孔隙率。

4）地震液化问题

工程区地震基本烈度为8度，应评价地基土地震液化问题。依据《水利水电工程地质勘察规范》（GB50487-2008）附录P土的液化判别进行评价。

（1）初判

蓄水后，闸基低液限黏土及低液限粉土均处于饱和状态，且本地区地震烈度为8度区，地震动峰值加速度为0.20 g，根据颗分资料，闸基持力层低液限黏土的小于0.005 mm的颗粒含量为13.2%～33.2%，低液限粉土小于0.005 mm的颗粒为6%～14.9%，部分低液限黏土及低液限粉土小于0.005 mm的颗粒质量百分率低于18%，所以初步判别闸基低液限粉（黏）土为可液化土。应对可液化土进行复判。

（2）复判

采用标准贯入锤击数法：

由于标准贯入试验点深度和地下水位在地面以下的深度与工程正常运用时不同，因此实测标准贯入锤击数需按下式进行校正，并以校正后的标准贯入锤击数N作为复判依据。校正后的N值计算法见式（3）。

式中：N′——实测标准贯入锤击数；

ds——工程正常运用时，标准贯入点在当时地面以下的深度，m；

dw——工程正常运用时，地下水位在当时地面以下的深度，m；

d′s——标准贯入试验时，标准贯入点在当时地面以下的深度，m，本工程ds=d′s+2 m；

d′w——标准贯入试验时，地下水位在当时地面以下的深度，m，取0。

液化判别标准贯入锤击数临界值Ncr按下式进行计算：

式中：N0——液化判别标准贯入锤击数基准值，本工程N0取 10；

ρc——土的黏粒颗粒含量质量百分率（%），当ρc＜3%时，ρc取 3%。

根据《水利水电工程地质勘察规范》（GB50487-2008），符合下式要求的土应判为液化土：

液化计算见表3，液化判别深度按15 m考虑。在地震烈度为8度时，在15 m深度范围内，闸基低液限粉土和部分低液限黏土层存在地震液化问题，液化土层下限约10.5 m，建议采取适当工程措施消除或减弱堤基土的液化，确保其安全运行。

5）基坑涌水问题

1#雍水闸位于董寺河河谷，勘察期间河道里有上层滞水存在，且基底高程位于上层滞水水位以下，在基坑开挖时存在涌水问题，应排水。

6）闸后冲刷

1#雍水闸闸后主要由低液限黏（粉）土组成，其结构松散，抗冲刷能力低，在水流作用下易形成冲刷坑，存在闸后冲刷问题。建议采取防护措施。

表3 1#雍水闸闸基地层地震液化评价表

7）左闸肩

左闸肩为土质岸坡，坡度较陡，坡顶较平缓，主要为耕地。岸坡主要为第四系上更新统洪冲积低液限黏土。自然条件下岸坡稳定性较好。蓄水后部分岸坡存在稳定问题。建议削坡处理。

8）右闸肩

右闸肩为土质岸坡，坡度较陡，坡顶较平缓，分布有耕地及建筑物。岸坡主要为人工堆积浆砌石和第四系上更新统洪冲积低液限黏土。目前岸坡稳定性较好。蓄水后部分岸坡存在稳定问题。建议采取削坡理。建议岸坡处理时与现有护坡协调处理。

综上分析，1号雍水闸闸基为第四系全新统洪冲积（Q4pal）淡黄色低液限粉土与褐黄色低液限黏土，主要存在承载力低、不均匀沉降、地震液化、基坑涌水、闸后冲刷等工程地质问题，建议对闸基采用工程措施增加承载力并采取适当工程措施防止或减弱闸基土地震液化影响，确保其正常运行。闸后设消力池、海漫等消能措施，防止闸后冲刷。

左右闸肩主要为全新统洪低液限黏土，自然条件下岸坡稳定性较好，主要存在岸坡稳定问题。建议采取削坡。

3 2#雍水闸工程地质条件

2#雍水闸闸址处董寺河流向约S54°E，主河槽宽度约30 m，左右两侧均发育较宽的Ⅰ级堆积阶地，地形较缓，宽约90 m，地形较平坦。两岸为土质岸坡，出露地层主要为第四系松散堆积物及人工堆积物。现自上而下分述如下：

1）人工堆积（Qs）：主要为淡黄色低液限粉土，含块碎石、砖块、煤渣、砂卵石、生活垃圾以及建筑垃圾等，结构松散-密实，分选性差，分布于河道两侧表面。

2）第四系全新统洪冲积（Q4pal）)：岩性为褐黄色低液限黏土与淡黄色低液限粉土，土颗粒细而均匀，结构松散-稍密，稍湿-饱和，表层含大量植物根系及腐殖质，局部手搓有粉砂感。厚度大于10 m。低液限黏土，淡黄色，土颗粒细而均匀，结构松散-稍密，稍湿～饱和，属中等压缩性土，具弱-中等透水性，表层为耕植土，含大量植物根系及腐殖质，局部手搓有粉砂感。根据室内土工试验，其含水率11.3%～27.7%，平均值22.2%，天然密度 1.84～2.08 g/cm3，平均值 1.98 g/cm3，干密度 1.35～1.53 g/cm3，平均值 1.45 g/cm3，孔隙比0.525～0.674，平均值 0.591，塑性指数 9.0～14.4，平均值 11.3，液性指数-0.29～0.80，平均值 0.45；水平渗透系数 1.55×10-5～8.65×10-5cm/s，垂直渗透系数 1.82×10-5～1.22×10-4cm/s。饱和压缩系数 0.15～0.34 MPa-1，平均值0.25 MPa-1，饱和抗剪强度凝聚力 9.9～22.8 kPa，平均值 13.1 kPa，内摩擦角 20～24.5°，平均值 22.7°。

本次勘察深度内未揭露地下水，结合当地水文地质调查资料，区内地下水位埋深大于30 m。工程区距汾阳城区较近，附近生活污水等排入河道后受低液限黏土层隔水浮托，形成上层滞水，闸址区内含水层主要为上部全新统土层。本次勘察取董寺河河水进行了水化学分析，试验成果见表1。河水及地下水化学类型分别为HCO3-Na型。据《水利水电工程地质勘察规范》（GB50487-2008）附录L中环境水腐蚀性评价判别标准判别：环境水对混凝土无腐蚀，对钢筋混凝土结构中的钢筋具弱腐蚀性，对钢结构具弱腐蚀性。

4 2#雍水闸工程地质评价

1）闸基土承载力

2#闸基持力层为全新统洪冲积（Q4pal）低液限黏土、低液限粉土，存在不均匀变形问题，建议清除地表人工堆积物及含植物根系的低液限粉土，将堤基置于下部全新统洪冲积低液限黏（粉）土层上，并采取相应工程措施增加其承载力。闸基低液限粉（黏）土的地基承载力 70～80kPa。建议临时开挖边坡∶水上 1∶0.75～1∶1，水下1∶1～1∶25。雍水闸基础混凝土与低液限黏土层的摩擦系数为0.20～0.25。

2）闸基渗漏及渗透稳定

闸基主要为第四系全新统洪冲积（Q4pal）褐黄色低液限黏土夹淡黄色低液限粉土，多具微-弱透水性，蓄水后通过闸基土层可产生渗漏，闸基存在渗漏问题。采用公式（1）进行估算，各参数取值见表4，经计算，在闸前正常蓄水深度为2.5 m时，闸基渗漏量为62.7m3/d。

表4 2#雍水闸闸基渗漏量计算表

闸基为全新统洪冲积（Q4pal）褐黄色低液限黏土夹淡黄色低液限粉土，多具中等-弱透水性，且在闸上下游连续分布，构成渗漏层位，在闸内外水位差产生的渗压作用下闸基低液限黏（粉）土可产生渗透变形。依据《水利水电工程地质勘察规范》（GB50487-2008）附录G对土层的渗透变形进行判别。根据土层的结构和颗粒组成等综合分析，闸基低液限黏土的渗透变形形式主要为流土。依据本次勘察土工试验资料，堤基持力层低液限黏土的孔隙率为40.0%，比重为2.72，利用公式（2）求得其临界水力比降为1.03，取安全系数2.0，求得允许水力比降为0.51。

3）地震液化问题

工程区地震基本烈度为8度，应评价地基土地震液化问题。依据《水利水电工程地质勘察规范》（GB50487-2008）附录P土的液化判别进行评价。

（1）初判

蓄水后，闸基低液限黏土及低液限粉土均处于饱和状态，且本地区地震烈度为8度区，地震动峰值加速度为0.20 g，根据颗分资料，闸基持力层低液限黏土的小于0.005 mm的颗粒含量为15.2%～24.5%，低液限粉土小于0.005 mm的颗粒为12.9%～14.9%，部分低液限黏土及低液限粉土小于0.005 mm的颗粒质量百分率低于18%，所以初步判别闸基低液限粉（黏）土为可液化土。应对可液化土进行复判。

（2）复判

工程区地震基本烈度为8度，应评价地基土地震液化问题。依据《水利水电工程地质勘察规范》（GB50487-2008）附录P进行评价。

复判方法采用标准贯入锤击数法。液化判别深度按15 m考虑。经复判，结果见表5。

在地震烈度为8度时，在15 m深度范围内，闸基低液限粉土和部分低液限黏土层存在地震液化问题，液化土层下限约6.5 m，建议采取适当工程措施消除或减弱堤基土的液化，确保其安全运行。

4）湿陷性

闸基（Q4pal）低液限黏（粉）土处于近饱和状态，不具湿陷性，为非湿陷性场地。

5）基坑涌水问题

表5 2#雍水闸闸基全新统地层地震液化评价表

2#雍水闸位于董寺河河谷，勘察期间河道里有上层滞水存在，且基底高程位于上层滞水水位以下，在基坑开挖时存在涌水问题，应排水。

6）闸后冲刷

2#雍水闸闸后主要由低液限黏（粉）土组成，其结构松散，抗冲刷能力低，在水流作用下易形成冲刷坑，存在闸后冲刷问题。建议采取防护措施。

7）左闸肩

左闸肩为土质岸坡，坡度较陡，坡顶较平缓，主要为耕地。岸坡主要为第四系上更新统洪冲积低液限黏土。自然条件下岸坡稳定性较好。蓄水后此类岸坡抗冲刷能力较差，存在岸坡稳定问题。建议采取削坡、支护处理。

8）右闸肩

右闸肩为土质岸坡，坡度较陡，坡顶较平缓，分布有耕地及建筑物。岸坡主要为人工堆积浆砌石和第四系上更新统洪冲积低液限黏土。目前岸坡稳定性较好。蓄水后此类岸坡抗冲刷能力较差，存在岸坡稳定问题。建议采取削坡、支护处理。建议岸坡处理时与现有护坡协调处理。

综上分析，2#雍水闸闸基为第四系全新统洪冲积（Q4pal）淡黄色低液限粉土与褐黄色低液限黏土，主要存在承载力低、不均匀变形、地震液化、基坑涌水、闸后冲刷等工程地质问题，建议对闸基采用工程措施增加承载力并采取适当工程措施防止或减弱闸基土地震液化影响，确保其正常运行。闸后设消力池、海漫等消能措施，防止闸后冲刷。

左右闸肩主要为全新统洪低液限黏土，自然条件下岸坡稳定性较好，主要存在岸坡稳定问题。建议采取削坡、支护处理。建议岸坡处理时与现有护坡协调处理。

5 结语

综上所述，1#及2#雍水闸持力层为全新统洪冲积低液限黏土、低液限粉土。1#闸基土存在不均匀沉降变形、渗漏及渗透稳定、地震液化、湿陷、闸后冲刷问题，建议采取相应工程措施进行处理。