汾河新二壩壩基存在地質問題及處理方法

陳世偉

（山西省水利水電勘測設計研究院 山西太原 030024）

1 工程概況

新建新二壩為汾河流域生態(tài)修復工程的一部分，位于太原市小店區(qū)劉家堡村附近。閘壩由壅水閘壩和船閘組成。壅水閘長234.2 m，包括2孔弧形閘（尺寸15 m×5.2 m）和 5孔鋼壩閘（尺寸 40 m×3 m）；船閘凈寬9 m，為單線單級船閘。該項目實施后將實現太原汾河公園至汾河二壩之間河道的通航任務，并形成濕地面積163 km2，設計總蓄水量為315.8萬m3。

2 地質概述

2.1 地質條件

閘壩處汾河流向為S49°W，主河槽位于河床中部，兩側為河漫灘，河床寬290 m，地形起伏不大。

壩基巖性上部為第四系全新統(tǒng)洪沖積（Q4pal）淡黃、淺灰色粉土質砂及含細粒土砂，粒徑多為粉細粒，結構松散，局部夾低液限粉（黏）土層，厚11～16 m。下部含黏量增大，相變?yōu)榈S、褐灰色低液限黏（粉）土層，多飽和，可塑-軟塑狀，局部夾級配不良砂及粉土質砂層，厚度大于4 m。

地下水類型為松散巖類孔隙水，儲存于第四系全新統(tǒng)洪沖積級配不良砂、粉土質砂中。其滲透系數為1.2～4.6 m/d，平均值為3.1 m/d，具中等透水性。下部低液限黏（粉）土滲透性弱-微，可視為相對隔水層。地下水位為0～2.5 m。

2.2 壩基土工程特性

壩基上部粉土質砂及含細粒土砂土工試驗成果表1，其含水率為11.2%～24.0%；天然密度為1.40～2.12 g/cm3；干密度為 1.26～1.68g/cm3；孔隙比為 0.434～1.129；飽和壓縮系數（av1-2）0.11～0.59 MPa-1，多具中等壓縮性；飽和固結快剪凝聚力為6.5～27.5 kPa，內摩擦角為19.5°～27.5°；經桿長修正后標準貫入錘擊數為5.5～11.9擊。下部低液限黏（粉）土的含水率為21.9%～33.7%；天然密度為 1.84～2.02 g/cm3；干密度為 1.29～1.49 g/cm3；孔隙比為 0.635～0.932；飽和壓縮系數（av1-2）0.25～0.64 MPa-1，多具中等壓縮性；飽和固結快剪凝聚力為 8.8～27.5kPa，內摩擦角為 20.5°～24.5°；滲透系數為 0.11×10-5～8.92×10-5cm/s，具微-弱透水性；經桿長修正后標準貫入錘擊數為6.1～13.1擊。

表1 壩基上部粉土質砂物理力學試驗成果統(tǒng)計表

3 壩基土存在地質問題

3.1 不均勻變形

該閘壩持力層主要為第四系全新統(tǒng)洪沖積巖性粉土質砂及含細粒土砂，稍濕-飽和，結構松散，且局部夾低液限粉（黏）土層，土質不均，存在不均勻變形問題。

3.2 滲漏

壩基上部巖性主要為粉土質砂及含細粒土砂，其滲透系數為1.2～4.6 m/d，屬中等透水層，且在壩基及上下游連續(xù)分布，構成滲漏層位。下部低液限（粉）黏土具微-弱透水性，可視為隔水層。當蓄水區(qū)正常蓄水后，壩基存在滲漏問題。經采用公式（1）對壩基滲漏量進行估算。式中:Q為壩基滲漏量（m3/d）；B為計算段寬度（m）；k為壩基土滲透系數（m/d）；H 為正常蓄水位時閘壩上下游水位差（m）；M為壩基透水層厚度（m）；2b為壩基平均寬度（m）。經計算，當蓄水區(qū)處于正常蓄水位時，壩基滲漏量為2 230 m3/d。

3.3 滲透穩(wěn)定

壩基持力層主要為粉土質砂及含細粒土砂層，結構松散，且在壩基及上下游連續(xù)分布。在壩基上下游水位差產生的滲壓作用下，該地層可產生滲透變形。以下對其產生的滲透變形類型及允許水力比降進行判別和計算。

1）滲透變形類型判別

根據壩基粉土質砂及含細粒土砂的物質組成、粉黏粒含量和結構等，按照《水利水電工程地質勘察規(guī)范》（GB50487-2008）附錄G，經判別，壩基粉土質砂及含細粒土砂的滲透變形類型為流土。

2）臨界水力比降及允許水力比降

據《水利水電工程地質勘察規(guī)范》（GB50487-2008）附錄G:流土型臨界水力比降應采用公式（2）進行計算。式中:Jcr為土的臨界水力比降；Gs為土粒比重；n為土的孔隙率。經計算，其臨界水力比降為0.78，考慮到工程的重要性，安全系數取2，其允許水力比降J為 0.39。

3.4 液化

1）初判

壩基上部粉土質砂及含細粒土砂厚10.5～15.8 m，下部低液限黏（粉）土厚度大于4 m。蓄水區(qū)正常蓄水后壩基土處于飽和狀態(tài)，且工程區(qū)地震烈度為8度區(qū)。據《水利水電工程地質勘察規(guī)范》（GB50487-2008）附錄P，經初判，上部粉土質砂及含細粒土砂為可液化土層，下部低液限黏（粉）土層大多為不液化土層。

2）復判

地震液化復判采用標準貫入錘擊數法。標準貫入錘擊數臨界值Ncr按公式（3）計算確定。式中Ncr為液化判別標準貫入錘擊數臨界值；N0為液化判別標準貫入錘擊數基準值；ds為標準貫入試驗時，標準貫入點在當時地面以下的深度（m）；dw為標準貫入試驗時，地下水位在當時地面以下的深度（m）；ρc為土的黏粒顆粒含量質量百分率（%），當 ρc＜3%，ρc取 3%。經計算，結果見表2。由表2可知，閘壩基上部粉土質砂及含細粒土砂存在地震液化問題，液化土層厚11.3～13.3 m。

表2 壩基土液化判別計算成果表

4 處理方法

該工程閘壩持力層主要為粉土質砂及含細粒土砂，結構松散，承載力低，主要存在不均勻變形、滲漏、滲透變形及地震液化等工程地質問題。針對壩基土工程地質特性及存在的地質問題，設計采用高壓旋噴防滲墻和振沖碎石樁進行地基處理。

為消除壩基土滲漏及滲透變形問題，設計采用高壓旋噴防滲墻進行處理。具體擬在壩基設一道垂直于河流向的防滲墻，同時在順河向鋼閘壩底板處設另外一道防滲墻，兩者形成“T”字狀。另外，在兩岸再設兩道防滲墻并延伸至上游翼墻底處。要求防滲墻伸入相對不透水層以下1.0 m，深12～17 m，樁徑0.8 m，樁距為0.6 m。

為提高地基土的承載力、減小不均勻變形量，消除地基土震動液化問題，設計采用振沖碎石樁進行處理。振沖碎石樁不僅可以擠密樁間土，提高其密實度和承載力；而且可在地基中形成良好的豎向排水通道，當地震發(fā)生時，有效消散地基土中的孔隙水壓力，從而消除地基土地震液化。具體擬將振沖碎石樁處理范圍向閘壩基礎外擴6.5 m，樁徑0.8 m，布樁形式為等邊三角形，樁距2.5 m，樁端應伸至不液化層頂部，樁長 11～16 m。

5 結語

近年來，保護并修復汾河流域生態(tài)環(huán)境越來越受到相關部門的重視，各類閘壩蓄水工程相繼開工。該類工程中閘壩壩基巖性主要為粉土質砂及含細粒土砂，大多存在不均勻變形、滲漏、滲透變形及地震液化等工程地質問題。本文對該類地質問題進行了詳實的評價，并給出了技術經濟的處理方法，值得類似工程學習并借鑒。