西湖水庫存在的地質(zhì)問題及處理措施

王紅菊，倪惠松

（河北省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，天津 300250）

西湖水庫存在的地質(zhì)問題及處理措施

王紅菊，倪惠松

（河北省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，天津 300250）

西湖調(diào)蓄水庫是調(diào)節(jié)南水北調(diào)中線和引黃來水的平原水庫，地基主要為第四系全新統(tǒng)壤土、砂壤土、粉細(xì)砂，其中粉細(xì)砂、砂壤土的滲透系數(shù)較大，庫區(qū)存在多條古河道，壩基部位有可能產(chǎn)生滲漏、滲透變形等問題。庫區(qū)地震基本烈度為7°，經(jīng)判別水庫蓄水后，砂壤土、粉細(xì)砂層存在地震液化問題，必須采取適當(dāng)處理措施才能保證安全蓄水。

滲漏；浸沒；滲透變形；地震液化；防滲板墻；振沖碎石樁

1 概述

擬建的西湖調(diào)蓄水庫為平原水庫，是衡水市用于調(diào)節(jié)南水北調(diào)中線總干渠和引黃來水的配套調(diào)蓄工程。建筑物位于衡水市桃城區(qū)與冀州市交界處，滏東排河以南，現(xiàn)衡水湖（東湖）以西，冀州老城區(qū)西北，距衡水市15km。衡水湖東堤為京大公路，南部有冀碼公路，西湖水庫區(qū)東側(cè)距106國道較近，場(chǎng)區(qū)交通便利。

水庫設(shè)計(jì)總庫容3800萬m3，正常蓄水位23.5m，庫底高程16.1m，平均挖深2.1m。圍堤為均質(zhì)土堤，軸線總長8992m，平均堤高7.3m。水庫總占地面積 6km2。

2 工程地質(zhì)條件

場(chǎng)區(qū)地形自西南向東北逐漸傾斜，擬建的西湖調(diào)蓄水庫區(qū)歷史上曾是滯洪洼地，地勢(shì)平坦開闊，均為耕地，地面高程18.2～19.5m，周邊分布有良心莊、段村、劉家埝等十余個(gè)村莊。

庫區(qū)西部存在因磚廠取土而形成的深坑，坑深3.5～6.6m，勘察期間坑中有水，頗似人工湖面。

庫區(qū)東側(cè)距離衡水湖（東湖）2km，北側(cè)緊臨滏東排河，基本常年過水，勘察期間水面高程16.4m?？辈炱陂g庫區(qū)地下水埋深0.6～3.2m （多數(shù)為1.0～2.3m），高程17.96～15.72m，西南低，北部及東北部高。

場(chǎng)區(qū)地表以下15m深度范圍內(nèi)，圍堤粘性土單一結(jié)構(gòu)段總長5950m，粘、砂多層結(jié)構(gòu)段總長3042m。地層巖性上部為第四系全新統(tǒng)沖洪積（Q4al+pl）壤土、砂壤土、粘土（呈透鏡體狀），淺黃～黃褐色；中部為第四系全新統(tǒng)湖沼積（Q4l+h）粘土、壤土、砂壤土、粉細(xì)砂，淺灰～灰黑色，局部灰黃色，可見姜石、貝殼等，粉細(xì)砂一般分布在古河道地段，厚度差別較大，最大單層厚度9.1m。

庫區(qū)附近淺部分布北東向古河道2～4條，主要見于東北部圍堤，西南僅局部分布且寬度較小。

水庫區(qū)地震動(dòng)峰值加速度0.10g，對(duì)應(yīng)地震基本烈度7°，設(shè)計(jì)地震分組位于第二組，建筑場(chǎng)地類別屬Ⅲ類。

3 庫區(qū)及圍堤主要工程地質(zhì)問題

3.1 滲漏及古河道

3.1.1 滲漏帶

經(jīng)勘察發(fā)現(xiàn)，庫區(qū)2～10m深度內(nèi)分布砂壤土、粉細(xì)砂，滲透系數(shù)建議值為 5.5×10-4～4.2×10-3cm/s，屬中等透水性土層，庫區(qū)易產(chǎn)生滲漏，影響蓄水效果。滲透水流沿壩基向外擴(kuò)散，有可能引起堤壩下游地層的滲透變形，引發(fā)流土、管涌或沼澤化等。

庫區(qū)及圍堤軸線剖面為中部層壤土、粘土層具弱～微透水性，可作為相對(duì)隔水層，分布較連續(xù)，但厚度變化較大，最小厚度1.5m。

通過鉆探及物探資料可知，庫區(qū)分布淺部古河道2～4條，最大寬度600m，一般寬150～200m。東北部圍堤發(fā)現(xiàn)4段存在問題，頂板埋深4～5.8m，底板埋深16～18.9m，分布灰黑色砂壤土及厚層粉細(xì)砂，砂層最大厚度9.1m，一般厚度5～8m。

3.1.2 古河道

由于古河道的多期性及頻繁擺動(dòng)，庫區(qū)雖有壤土和粘土沉積，但厚度相差較大，局部相對(duì)不透水層較?。ㄗ畋?.5m），滲漏發(fā)生的可能性較大。

采用卡明斯基滲漏量計(jì)算公式，上游按正常蓄水位，下游按勘察期間水位，分8段進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算深度至地面以下20m。庫區(qū)滲漏量的計(jì)算結(jié)果為：當(dāng)蓄水位保持在23.5m時(shí)，如不采取任何防滲措施，滲漏量218.55萬m3/a，范圍值180萬～260萬m3/a，主要為側(cè)向滲漏。為保證水庫的蓄水效果，應(yīng)進(jìn)行防滲處理。

3.2 浸沒

根據(jù)相關(guān)地質(zhì)勘察規(guī)范，對(duì)于平原水庫的周邊或圍堤的外側(cè)，地面高程低于庫水位時(shí)，判定為易浸沒地區(qū)，西湖水庫設(shè)計(jì)水位23.5m，地面高程18.2～19.5m，因此圍堤外側(cè)一定范圍內(nèi)存在發(fā)生浸沒的可能性。

庫區(qū)表層多為壤土，局部粉質(zhì)粘土，壤土毛細(xì)水上升高度（Hk）為 1.75m，安全超高（△H，根系層的厚度）采用 0.3m，浸沒的臨界地下水位埋深 Hcr＝Hk＋△H。

經(jīng)計(jì)算，浸沒的臨界地下水埋深為2.05m。水庫對(duì)下游浸沒有一定影響，隨著時(shí)間的延長浸沒還將繼續(xù)。由于周邊部分地段現(xiàn)狀地下水埋藏較淺，水庫蓄水后浸沒范圍將會(huì)加大。

3.3 圍堤土體的滲透變形

由于堤基部位局部存在較厚的粉細(xì)砂、砂壤土層，發(fā)生滲透變形的可能性較大，為進(jìn)一步查明可能發(fā)生的滲透變形破壞型式，在四側(cè)圍堤中分別選取砂壤土或粉砂層較厚的1～2個(gè)鉆孔進(jìn)行土體滲透變形判別。

由于細(xì)砂的不均勻系數(shù)大部分小于5，因此，滲透變形類型多為流土，砂壤土為粘性土，滲透變形類型為流土。

3.4 飽和砂土地震液化

西湖水庫庫區(qū)地震基本烈度為7°，存在第四系全新統(tǒng)的砂壤土、粉砂及粘粒含量小于18%的土，初步判定有液化的可能性。

根據(jù)鉆孔剪切波測(cè)試結(jié)果，淺部的砂壤土、粉細(xì)砂大部分具液化潛勢(shì)。

采用標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)法對(duì)圍堤無粘性土和少粘性土進(jìn)行復(fù)判，地表以下15m深度范圍內(nèi)的砂壤土、粉細(xì)砂多為液化土層，少部分為非液化土。

經(jīng)計(jì)算，液化指數(shù)多4～13，屬于輕微～中等液化，應(yīng)進(jìn)行抗液化處理。

4 處理措施

4.1 地基防滲

根據(jù)地質(zhì)條件，考慮防滲效果，較適用的防滲型式有混凝土防滲墻、垂直鋪塑、振動(dòng)沉模防滲板墻3種型式。

4.1.1 對(duì)比方案

（1）混凝土防滲墻?；炷练罎B墻利用專用造槽機(jī)械設(shè)備造槽，并在槽孔內(nèi)注泥漿，然后用導(dǎo)管向槽孔澆筑混凝土并置換出泥漿。混凝土防滲墻取墻厚30cm。該方案防滲效果好，適用性廣，地質(zhì)條件要求較寬，但施工速度慢，造價(jià)較高。

（2）垂直鋪塑。使用聚乙烯薄膜作為防滲材料，用專門開槽機(jī)成槽，鋪入聚乙烯膜后回填坑槽。該方案施工簡(jiǎn)便，造價(jià)低，但是在施工過程中聚乙烯膜容易被刺破從而影響防滲效果，另外地下水的腐蝕性會(huì)嚴(yán)重影響聚乙烯膜的使用壽命。

（3）振動(dòng)沉模板墻。防滲墻體材料為常規(guī)塑性水泥砂漿，利用振動(dòng)沉模設(shè)備將空腹模板沉入土層，隨即向空腹內(nèi)注滿漿液，形成連續(xù)防滲墻。該方案防滲效果好，工藝簡(jiǎn)單，施工效率高，造價(jià)低。

綜合分析，推薦（3），采用施工效率高、整體性好、造價(jià)低的振動(dòng)沉模防滲板墻作為基礎(chǔ)防滲措施。

4.1.2 振動(dòng)沉模防滲板墻設(shè)計(jì)

振動(dòng)沉模防滲板墻主要作用是截?cái)鄧袒A(chǔ)上部的滲透系數(shù)較大的砂壤土層，減少水庫滲漏。

根據(jù)圍堤基礎(chǔ)的地層分布情況，除地質(zhì)條件較好的樁號(hào)4+730～5+180段和樁號(hào) 6+500～6+810段外，圍堤基礎(chǔ)均設(shè)振動(dòng)沉模防滲板墻，深度在5.4～22.5m，局部深度27.5m，以截?cái)嗷A(chǔ)砂壤土和粉細(xì)砂滲漏通道。

板墻厚度根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算。

式中 d為墻厚 （m）；△Hmax為作用在墻上的最大水頭差（m）；K 為抗?jié)B坡降安全系數(shù)，取 3～5；Jmax為滲透破壞坡降，不小于500。

計(jì)算中 △Hmax=7.0m，K=5，Jmax=500， 計(jì)算墻厚0.07m。考慮工程的重要性及施工難度和施工質(zhì)量，設(shè)計(jì)墻厚取0.15m。

4.2 截滲溝

為保護(hù)圍堤的安全，防止引起庫外農(nóng)田鹽漬，及時(shí)排除圍堤滲水及堤坡雨水，在圍堤下游壓坡平臺(tái)以外布置截滲溝。

圍堤樁號(hào)0+700～7+700為新建截滲溝，庫區(qū)北側(cè)直接將基礎(chǔ)滲水和堤坡瀝水排入滏東排河。

截滲溝底寬 2.0m，起始底高程 16.5m，比降1/20000，平均深度2.3m，末端設(shè)節(jié)制閘，節(jié)制閘底板頂高程16.1m。

截滲溝圍堤側(cè)邊坡1∶2.5，外側(cè)邊坡1∶2.0。 圍堤側(cè)采用厚30cm干砌石護(hù)坡，下設(shè)厚20cm粗砂墊層和土工布反濾；底部和外邊坡不做防護(hù)。

4.3 堤身排水

降低浸潤線和孔隙壓力，改變滲流方向，防止?jié)B流出逸處產(chǎn)生滲透變形，保護(hù)堤坡土不產(chǎn)生凍脹破壞，圍堤需設(shè)置堤身排水。根據(jù)工程實(shí)際情況，進(jìn)行了下游貼坡排水和褥墊排水兩種型式比較。

（1）貼坡排水構(gòu)造簡(jiǎn)單，與堤身施工干擾較小，易于檢修，但對(duì)降低堤身浸潤線作用不明顯，且易因冰凍而失效。

（2）褥墊排水施工干擾較大，不易檢修，但其損壞幾率較底，可以有效降低堤身浸潤線，有利于堤身穩(wěn)定，增加堤身的抗震性能。綜合分析比較，堤身排水推薦褥墊排水型式。

排水體伸入堤身長度取25m，為減少施工干擾，采用土工布包裹碎石型式，厚度取50cm。

4.4 地基液化處理

由于地下水埋深除局部超過2.0m外，其余埋深僅1.0m，采用翻壓和強(qiáng)夯加密液化土層施工難度大，不適合本工程，因此擬定上游壩腳采用振沖碎石樁結(jié)合上部蓋重方案，下游壩腳結(jié)合庫區(qū)開挖富余土料采用壓重方案對(duì)液化土層進(jìn)行處理。

根據(jù)GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》，當(dāng)上覆蓋非液化土層厚度符合下列條件時(shí)，可不考慮液化影響：

式中 du為上覆蓋非液化土層厚度（m）；d0為液化特征深度 （m），7°地震砂土取7m；db為基礎(chǔ)埋置深度（m），不超過2m時(shí)取2m。

經(jīng)計(jì)算，上覆蓋非液化土層厚度大于7.0m。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，考慮在7°地震的特殊工況下盡量保證圍堤主斷面不被破壞，將下游壓坡平臺(tái)頂高程提高至堤頂高程，保證圍堤主斷面下游坡腳滿足蓋重要求；圍堤上游自防浪墻上游側(cè)至主斷面坡腳之間采用振沖碎石樁進(jìn)行處理，振沖碎石樁深度結(jié)合上部非液化土的厚度確定4.0～5.0m，間距2.2～1.8m，直徑 0.8m。

由于振沖碎石樁具有強(qiáng)透水性，為避免形成滲漏通道，在振沖碎石樁頂部結(jié)合防液化蓋重要求設(shè)置不小于厚2.5m的防滲土層，防滲土層與每個(gè)振沖碎石樁之間設(shè)置1層厚30cm的中粗砂反濾層。

5 結(jié)語

西湖調(diào)蓄水庫作為平原水庫，雖然存在滲漏、浸沒、滲透變形、地震液化等工程地質(zhì)問題，但通過采取振動(dòng)沉模防滲墻進(jìn)行堤基防滲，在壩后設(shè)置截滲溝和壩體內(nèi)部排水系統(tǒng)，對(duì)堤基采用振沖碎石樁結(jié)合上部蓋重等工程措施，可以有效減少水庫的滲漏損失，預(yù)防浸沒、鹽漬化、堤壩滲透變形，防止地震液化引起的堤壩破壞。

［1］王殿武，于本洋.平原水庫問題研究［M］．北京：中國水利出版社，2003.

［2］李廣誠，司富安，等.堤防工程地質(zhì)勘察與評(píng)價(jià)［M］．北京：中國水利水電出版社，2003．

［3］薛禹群.地下水動(dòng)力學(xué)［M］．北京：地質(zhì)出版社，1986．

［4］DB37/1342—2009M ，平原水庫工程設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［5］河北省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院.河北省衡水市西湖調(diào)蓄工程可行性研究報(bào)告［R］．2012.

The Geologic Problem and Dispose Measure of Xihu Reservoir

WANG Hong-ju,NI Hui-song

（Hebei Research Institute of Investigation&Design of Water Conservancy&Hydropower,Tianjin 300250，China）

Xihu Reservoir is plain reservoir whose action is regulating the water from middle route of South-to-North water transfer project and Huang River water transfer.It’s groundsill is loam，sandy loam，silty sand&fine sand in quaternary deposit holocene，among them， the permeability of silty sand&fine sand，sandy loam is upper，and old channels are exist.The dam foundation is likely to produce geologic problem on leakage，seepage failure etc.The earthquake seismic is seven degree there.By distinguish，the sandy loam and silty sand have earthquake liquefaction potential after water impoundment in the reservoir.We must adopt proper dispose measure in order to ensure the safety of water impoundment.

leakage； immerge； seepage failure； earthquake liquefaction； stub cutoff wall；vibro replacement stone column

TV223

B

1672-9900（2014）04-0035-03

2014-02-13

王紅菊（1968-），女（漢族），河北滿城人，正高級(jí)工程師，主要從事巖土工程勘察及施工工作，（Tel）13820429921。