某煤矿生态湖工程坝基岩土体渗透稳定研究

吴清荣

(宁夏回族自治区煤田地质局 宁夏 银川 750002)

1 工程概况

宁东煤田是国家确定的13个大型煤炭基地之一，鸳鸯湖矿区是国家规划的45个矿区之一，矿区的总体规划已得到国家发展改革委员会的批准。红柳井田是鸳鸯湖矿区规划中的骨干矿井，也是为煤炭间接液化项目配套建设的矿井，规划矿井年生产能力为800万t。红柳井田地质条件简单，煤炭资源量丰富，开采技术条件好，煤质优良。矿井采用主斜井副立井联合开拓，系统简单。

红柳井田矿坑涌水量大，地下水含盐量高，经地表处理系统处理后，部分中水回用。红柳矿和相邻的麦垛山矿剩余的无法再处理利用的高矿化度水预计为7000m3/d，为了存放这部分水，拟在地面建设生态湖工程。根据红柳煤矿筹建指挥部的要求，生态湖工程的库容要满足存放两矿5年～10年的尾水排放量。

该工程库区面积相对较小，地貌属于半沙漠丘陵地带。库区地形是由红柳井田进场公路、东侧煤矸石电厂1462m高地、西侧1447m高地、南侧1449m高地和主、副坝围成的拟蓄水盆地。库底高程1415m～1421m，北高南低。

根据钻孔揭露的地层结合区域地质调查，库区主要地层如下：第四系风积粉砂、风积粉土；第三系清水组粉砂质泥岩；白垩系洛河组粉砂岩、洛河组泥质粉砂岩、洛河组细砂岩；侏罗系安定组细砂岩与泥岩互层、安定组泥质粉砂岩、直罗组细砂岩、直罗组泥质粉砂岩、延安组粉砂质泥岩。不同系地层之间为角度不整合接触，同系地层为整合接触。

另外，拟建生态湖场地未见有断裂或断层活动迹象，已有断裂也均未通过拟建场地。其中，从场区西侧通过的张家庙向斜，距离场区约500m；从场区东侧的通过的马柳逆断层，距离场区约1000m。因此，可不考虑其对生态湖工程的影响。

2 坝基岩土体渗透稳定评价

2.1 第四系松散粉土层渗透稳定分析

主坝左坝肩第四系覆盖层较薄，右坝肩相对较厚，中间局部地段往北覆盖层变薄。副坝左右两侧覆盖层相对较厚，中间谷地靠南侧较薄。

第四系覆盖层厚度0m～8.00m，岩性为低液限风积粉土，稍密，处于坚硬状态，为中等偏低压缩性土，室内颗分试验成果见图1。

图1 第四系粉土的颗分曲线

土样的砾粒（20mm～2mm）含量在0%～1.0%之间，砂粒（2mm～0.075mm）含量在19.9%～26.6%之间，粉粒（0.075mm～0.005mm）含量在61.3%～66.7%，粘粒（＜0.005mm）含量在12.0%～18.0%之间。不均匀系数在15.4～36.9之间（都大于5.0），曲率系数均在1.84～5.79之间，土样颗粒级配处于良好及不良状态。

2.1.1 渗透变形类型

（1）规范判别

据《水利水电工程地质勘察规范》（GB50287-99）渗透变形类型的判别按以下公式进行：

式中，Pc——土的细颗粒含量，以质量百分率计（%）；

n——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下面公式确定：

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)。

取土粒比重 Gs、干密度 ρd分别为2.70，1.45g/cm3，df=0.0171，则可求得孔隙率为46.5%。再由孔隙率计算得划分流土与管涌的细颗粒含量界线为46.7%，而据筛分试验成果所得出的Pc为13.3%，因此判断坝基土渗透变形类型全部为流土方式。

（2）《水利水电工程地质手册》判别

判别采用两个指标：一是不均匀系数，二是细粒含量。

不均匀系数判别：坝基覆盖层中不均匀系数一般大于10，小于20，仅有1组土样的不均匀系数为36.9。经分析，本组土样代表性不强，故渗透变形类型级可能为流土也可能为管涌。

细粒含量判别：《水利水电工程地质手册》中的细粒含量指粒径小于1mm的颗粒所占整个土重的比例（%），本次颗分资料粒径小于1mm的细粒含量为98.8%～99.7%，平均含量99.2%。且本层粉土不缺少中间粒径，根据d15/d85求得该值等于0.0415，远小于5.0，故判断该层粉土为不产生管涌破坏，可能产生流土破坏，渗透变型类型为流土。

综上所述，坝基覆盖层可能产生的渗透变型类型为流土。

2.1.2 临界水力比降的确定

据《水利水电工程地质勘察规范》（GB50287-99），流土的临界水力比降宜采用公式1；根据《水利水电工程地质手册》，无粘性土的临界水力坡降宜采用公式2。

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（%）；

γd——土的干容重(t/m3)。

产生流土的临界水力比降平均值为0.88，流土的临界比降0.15，最终按0.15～0.88考虑。据坝基探坑渗水试验成果，坝基覆盖层渗透系数平均值为1.26m/d，根据《水利水电工程地质手册》中表3-3-9，地基下游安全出逸坡降中下游基脚临界比降0.50～0.60；盖重层末端 0.60～0.70。

综合考虑后，建议产生流土的临界水力比降总体按0.55考虑。

2.1.3 允许水力比降的确定

据《水利水电工程地质勘察规范》（GB50287-99），宜以土的临界水力比降除以1.5～2.0的安全系数后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，因此，坝基土产生流土变形的允许水力比降为0.28，建议进行大坝设计时，坝基允许水力比降总体按0.28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。据地质资料，坝基上部低液限粉土层厚0m～8.0m，取平均值4.5m，平均渗透系数取K=1.26m/d（渗坑试验资料）。其下基岩层已揭露厚度约60.0m，渗透系数取0.034247m/d，属弱透水带。

各带坝后上升渗流段的平均水力比降可按下式计算：

式中，H1、H2——坝上、下游水位；

T1、T2——上、下层的厚度；

K1、K2——上、下层的渗透系数；

2b——坝基宽度。

据坝体各项设计指标，坝后上升渗流段的平均水力比降为0.065。考虑了下伏基岩综合厚度60.0m和下伏粉砂质泥岩平均厚度5.9m两种工况。天然坝基渗透上升段的平均水力比降为0.014～0.117，小于坝基允许水力比降，因此坝基粉土不会产生流土破坏。

2.2 基岩渗透稳定分析

坝基岩性以粉砂质泥岩、细砂岩、粉砂岩为主，并有泥质粉砂岩、细砂岩夹层。第三系岩层产状为：N88°～91°E/∠10°～15°；白垩系岩层产状为N330°～335°E/∠5°～10°；侏罗系岩层产状为N119°～125°E/∠18°～25°。第四系下伏第三系粉砂质泥岩，泥质胶结，粘性较大，已有开挖断面，曝露后失水干缩裂隙发育，崩解指数近乎100%，渗透性为微透水～弱透水性，比第四系覆盖层的渗透性弱1-2个数量级，相对隔水。

坝基第三系以下白垩系和侏罗系基岩，渗透性也多为弱透水性，且岩体相对完整，勘测及区调资料表明该区无大的断层或裂隙通过，故坝基基岩不会产生渗透变形。

3 结论与建议

库区地层主要为第四系风积粉土，第三系粉砂质泥岩，白垩系和侏罗系粉砂质泥岩、细砂岩、粉砂岩等。第四系粉土的渗透性属于中等透水性，下伏基岩的渗透性属于微～弱透水性。

研究表明第四系覆盖粉土层处于级配良好和不良之间，渗透变形类型为流土破坏方式。坝基渗透上升段的平均水力比降为0.014～0.117，小于坝基允许水力比降允许比降0.28，流土破坏不会发生，因此，坝基岩土体渗透稳定性较好，只需要采取一般提高均质土坝的渗透稳定性措施。陕西水利

[1]中华人民共和国行业标准编写组.《岩土工程勘察规范》（GB50021-2001）；

[2]中华人民共和国行业标准编写组.《水利水电工程地质勘察规范》SL 50287-99；

[3]中华人民共和国行业标准编写组.《土工试验规程》SL 237-1999；

[4]中华人民共和国行业标准编写组.《水利水电工程钻孔压水试验规程》SL31-2003；

[5]中华人民共和国行业标准编写组.《中小型水利水电工程地质勘察规范》SL55-2005；

[6]中华人民共和国行业标准编写组.《矿区水文地质工程地质勘探规范》（GB 12719-91）。