胡家莊水庫壩址工程地質(zhì)特征分析

張景軒 王冠儒 王瑞民

（1.華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450046；2.太原理工大學(xué)，山西 太原 030024；3.山西省水利水電勘測設(shè)計研究院，山西 太原 030024）

胡家莊水庫壩址工程地質(zhì)特征分析

張景軒1王冠儒2王瑞民3

（1.華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450046；2.太原理工大學(xué)，山西 太原 030024；3.山西省水利水電勘測設(shè)計研究院，山西 太原 030024）

胡家莊水庫壩址地層為第四系松散層，結(jié)構(gòu)松散，力學(xué)強度低，屬中等透水層。針對胡家莊水庫工程存在的壩基松散層滲漏、滲透變形、不均勻變形、壩基基坑涌水、壩肩繞壩滲漏、黃土濕陷、邊坡穩(wěn)定等問題，研究提出了處理問題的相應(yīng)措施和對策。

滲透變形；不均勻變形；基坑涌水；邊坡穩(wěn)定；胡家莊水庫

保德縣胡家莊水庫為山西省大水網(wǎng)中部引黃工程的調(diào)蓄水庫，位于忻州市保德縣窯洼鄉(xiāng)胡家莊村西溝內(nèi)，是一座以工業(yè)用水為主，兼顧灌溉的小型水利樞紐工程。擬建大壩壩型為均質(zhì)土壩，設(shè)計最大壩高56.82 m，正常蓄水位1 124.1 m，壩頂高程1 124.82 m。

1 壩址工程地質(zhì)條件

壩址區(qū)山梁高程1 106～1 161 m，溝谷高低不平，地面高程1 073～1 077 m，左低右高，相對高差35～85 m，谷底寬50～80 m，壩軸線處寬65 m，為“U”型谷，兩岸自然坡度5°～40°。屬典型梁峁?fàn)铧S土地貌。左岸為單薄山梁，壩軸線處山梁底寬220 m，壩軸線左右壩肩各發(fā)育一小型沖溝。溝谷方向為N13°W，無長流水，豐水期偶有少量水滲出。

壩址區(qū)發(fā)育地層巖性主要為古生界奧陶系中統(tǒng)峰峰組（O2f）灰?guī)r夾泥質(zhì)灰?guī)r，新生界上第三系低液限粘土夾鈣質(zhì)結(jié)核、第四系上更新統(tǒng)風(fēng)積（Q3eol）低液限粉（粘）土及淤積（QL）含礫低液限粉（粘）土。

壩址區(qū)均被上第三系及第四系松散堆積物覆蓋，下覆基巖均為單斜巖層，地質(zhì)構(gòu)造簡單。根據(jù)地下水的賦存條件，壩址區(qū)內(nèi)地下水類型有松散巖類孔隙水和碳酸巖類裂隙巖溶水兩種類型。壩址區(qū)不良物理地質(zhì)現(xiàn)象主要為兩岸土質(zhì)邊坡坍塌。

2 壩址工程地質(zhì)評價

2.1 巖土體工程地質(zhì)特性

壩址區(qū)涉及的地層為：淤積（QL）淡紅色含礫低液限粉（粘）土，分布于壩基上部；上更新統(tǒng)風(fēng)積（Q3eol）灰白黃色低液限粉（粘）土，分布于壩址兩岸上部；上第三系（N2）含鈣質(zhì)結(jié)核低液限粘土，分布于壩基及壩址兩岸下部，下伏基巖為奧陶系中統(tǒng)峰峰組（O2f）灰?guī)r。壩基覆蓋層存在潛水位，埋深1.8～5.4 m；基巖地下水位埋深較深，勘察期間未發(fā)現(xiàn)地下水。

壩基壓水試驗，（N2）低液限粘土透水率0.8～6.5 Lu，平均值為1.9 Lu大值平均值為3.3 Lu，屬微～弱透水性；（O2f）灰?guī)r地層，在zk17b-1中孔深36～41 m段，最大流量129 L/min時抬不起壓力，為強透水段，其它段透水率為4.8～24.8 Lu，平均值為13.2 Lu，大值平均值為19.2 Lu，屬弱～中等透水性。

（QL）含礫低液限粉（粘）土，其天然含水率15.6～22.3%，平均值19.3%，天然密度1.79～1.934 g/cm3，平均值1.84 g/cm3，干密度1.47～1.62 g/cm3，平均值1.54 g/cm3，水平滲透系數(shù)6.16×10-5cm/s，垂直滲透系數(shù)1.50×10-5cm/s，屬弱透水性。飽和狀態(tài)壓縮系數(shù)（av1-2）0.14～0.34 MPa-1，平均值0.24 MPa-1，屬中等壓縮性土，飽和壓縮模量（Es1-2）4.9～11.1 MPa，平均值7.3 MPa，飽和快剪抗剪強度凝聚力C值15.0～29.3 kPa，內(nèi)摩擦角φ值22.4°～29.1°。

（Q3eol）低液限粉（粘）土，其天然含水率11.0%～15.3%，平均值13.0%，天然密度1.51～1.55 g/cm3，平均值1.54 g/cm3，干密度1.34～1.40 g/cm3，平均值1.36 g/cm3，水平滲透系數(shù)2.56×10-5cm/s，垂直滲透系數(shù)3.57×10-5～9.91×10-5cm/s，平均值5.20×10-5cm/s，屬弱透水性。天然狀態(tài)壓縮系數(shù)（av1-2）0.15～0.97 MPa-1，平均值0.40 MPa-1，屬中等～高壓縮性土，壓縮模量（Es1-2）2.0～12.5 MPa，平均值8.4 MPa，飽和狀態(tài)壓縮系數(shù)（av1-2）0.29～0.98 MPa-1，平均值0.50 MPa-1，飽和壓縮模量（Es1-2）2.0～6.9 MPa，平均值5.0 MPa，飽和快剪抗剪強度凝聚力C值8.1～18.7 kPa，內(nèi)摩擦角φ值18.0°～20.5°。自重濕陷系數(shù)δzs為0.001～0.046，濕陷系數(shù)δ200為0.002～0.048，土體多具輕微～中等濕陷性。

壩基及兩岸下部（N2）低液限粘土，其天然含水率15.0%～23.0%，平均值19.0%，天然密度1.68～1.94 g/cm3，平均值1.83 g/cm3，干密度1.40～1.64 g/cm3，平均值1.53 g/cm3，水平滲透系數(shù)3.92×10-6～5.63×10-6cm/s，平均值4.78×10-6cm/s，垂直滲透系數(shù)5.15×10-7～5.46×10-5cm/s，平均值6.29×10-6cm/s，屬極微～弱透水性。飽和狀態(tài)壓縮系數(shù)（av1-2）0.05～0.38 MPa-1，平均值0.17 MPa-1，屬低～中等壓縮性土，飽和壓縮模量（Es1-2）4.6～30.0 MPa，平均值12.0 MPa，飽和快剪抗剪強度凝聚力C值8.3～51.0 kPa內(nèi)摩擦角φ值19.5°～30.5°。

壩基（QL）、（N2）低液限粉（粘）土層標(biāo)準(zhǔn)貫（錐）入試驗，（QL）含礫低液限粉（粘）土錐貫實打錘擊數(shù)3～5擊，平均值4擊，經(jīng)桿長修正后錘擊數(shù)2.8～5.2擊，平均值4.0擊；（QL）含礫低液限粉（粘）土標(biāo)貫實打錘擊數(shù)14～32擊，平均值24.8擊，經(jīng)桿長修正后錘擊數(shù)13.2～31.9擊，平均值23.2擊；（N2）低液限粘土標(biāo)貫實打錘擊數(shù)21～37擊，平均值29.2擊，經(jīng)桿長修正后錘擊數(shù)15.0～28.8擊，平均值20.5擊。

壩基（O2f）灰?guī)r，天然密度2.76～2.79 g/cm3，平均值2.77 g/cm3，烘干密度2.75～2.79 g/cm3，平均值2.77 g/cm3，飽和密度2.77～2.80 g/cm3，平均值2.78 g/cm3，單軸飽和抗壓強度70.1～106.1 MPa，平均值82.5 MPa，屬于堅硬巖，飽和變形模量（4.39～5.22）×104MPa，平均值4.68×104MPa，飽和抗剪斷凝聚力1.52～8.58 MPa，內(nèi)摩擦角43.8°～53.59°。

2.2 建基面選擇及地基承載力

壩基覆蓋層上部為淤地壩淤積（QL）含礫低液限粉（粘）土，厚5～10 m；其下為上第三系上新統(tǒng)（N2）含鈣質(zhì)結(jié)核低液限粘土層，厚19～23 m；下伏基巖為奧陶系中統(tǒng)峰峰組（O2f）灰?guī)r。

（QL）含礫低液限粉（粘）土，結(jié)構(gòu)松散，易產(chǎn)生不均勻沉降問題，不能滿足均質(zhì)土壩壩基持力層要求，應(yīng)全部挖除，將建基面選N2低液限粘土層，可滿足工程要求。

建議（QL）低液限粘土層地基承載力地質(zhì)建議值為80～100 kPa。（N2）低液限粘土層地基承載力地質(zhì)建議值為130～160 kPa。

2.3 壩基覆蓋層滲漏及滲透變形

2.3.1 壩基（QL）含礫低液限粉（粘）土層滲漏

壩基表層（QL）含礫低液限粉（粘）土，厚5～10 m，結(jié)構(gòu)松散，土質(zhì)不均，參照上壩址鉆孔zk17b-3注水試驗資料，該層5.1～9.4 m段滲透系數(shù)9.8×10-3cm/s，屬中等透水層，為主要滲漏層。壩基存在滲漏問題。滲漏量估算公式如下

式中：壩基寬度B取48.0 m；透水層滲透系數(shù)k取8.5 m/d；大壩上下游水位差H取48.5 m；滲透層平均厚度M取8.0 m；壩底寬2b取265.0 m。

經(jīng)計算，水庫正常蓄水位1 124.1 m時，壩基（QL）含礫低液限粉（粘）土滲漏量為577.6 m3/d。

2.3.2 基滲透穩(wěn)定性

壩基表層（QL）含礫低液限粉（粘）土，厚5～10 m，結(jié)構(gòu)松散，土質(zhì)不均，水庫蓄水后，壩基（QL）含礫低液限粉（粘）土等在上下游水位差產(chǎn)生的滲壓作用下可產(chǎn)生滲透變形。

依據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（GB 50487-2008）附錄G土的滲透變形判別進行。（QL）含礫低液限粉（粘）土為粘性土，其滲透變型類型為流土。

低液限粘土流土的臨界水力比降計算公式：Jcr=（Gs-1）（1-n）。

據(jù)鉆孔取樣試驗資料，低液限粘土孔隙比e為0.629，孔隙率n=38.6%，Gs=2.73。求得低液限粘土Jcr為1.06。

壩基土的允許水力比降等于臨界水力比降除以安全系數(shù)。對于水庫工程來說，安全系數(shù)取2為宜，Jcr=0.53；考慮鉆孔取樣的壓密性，含礫低液限粉（粘）土Jcr為0.40。

2.4 不均勻變形問題

壩基表層（（QL）含礫低液限粉（粘）土，厚5～10 m，結(jié)構(gòu)松散，存在不均勻變形問題。建議進行清除。

2.5 基坑涌水及邊坡穩(wěn)定

豐水期河道內(nèi)有潛水滲出，勘察時潛水位埋深1.8～5.4 m，壩基基坑開挖存在基坑涌水問題，建議根據(jù)開挖情況，采取有效排水處理措施。

基坑開挖邊坡為含礫低液限粉（粘）土層，其結(jié)構(gòu)松散，且部分處于飽和狀態(tài)，穩(wěn)定性差，存在邊坡穩(wěn)定問題。建議基坑臨時開挖邊坡：含礫低液粉（粘）土1∶0.75～1∶1.0，必要時采取支護措施。

2.6 左右壩肩滲漏問題

水庫正常蓄水位1 124.1 m。水庫左岸正常蓄水位以下發(fā)育地層巖性上部為第四系上更新統(tǒng)風(fēng)積（）低液限粉（粘）土；下部為上第三系上新統(tǒng)（N2）低液限粘土。據(jù)工程區(qū)（）低液限粉（粘）土試驗資料，水平滲透系數(shù)Kh=2.56×10-5～5.91×10-4cm/s，垂直滲透系數(shù)Kv=3.16×10-5～8.29×10-4cm/s，屬弱～中等透水性，（N2）低液限粘土層為相對隔水層。左壩肩存在沿低液限粉土層產(chǎn)生一定程度的繞滲問題。

滲漏量估算公式：Q=0.366kH（h1+h2）lg

式中：滲透系數(shù)k取0.72 m/d；大壩上下游水位差H取48.5 m；上游含水層平均厚度h1，左壩肩取14 m，右壩肩取5 m；下游含水層平均厚度h2左壩肩取14 m，右壩肩取5 m；繞壩滲漏寬度B，左壩肩取120 m，右壩肩取50 m；繞壩滲漏最小半圓半徑r0，左壩肩取50 m，右壩肩取30 m。

經(jīng)估算，水庫正常蓄水1 124.1 m時，左壩肩繞壩滲漏量Q為135.4 m3/d，右壩肩繞壩滲漏量Q為28.2 m3/d。建議對兩壩肩進行防滲處理，左壩肩深度為0～30 m，并沿壩軸線向岸坡方向水平延伸長120 m；右壩肩深度為0～15 m，并沿壩軸線向岸坡方向水平延伸長50 m。

建議將右壩肩上部低液限粉土全部清除，壩肩置于（N2）低液限粘土層上，必要時采取防滲措施。

2.7 壩肩黃土濕陷性問題

濕陷性判別根據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（GB 50487—2008）附錄T進行初判，根據(jù)《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》（GB 50025—2004）進行復(fù)判。

壩肩（Q3eol）低液限粉（粘）土，初判為濕陷性土，（N2）低液限粘土層為不濕陷土層。

式中：δzsi為第i層土自重濕陷系數(shù)；hi為第i層土的厚度（mm）；βo為因土質(zhì)地區(qū)而異的修正系數(shù)，取1.2。

自重濕陷量的計算值Δzs，應(yīng)自天然地面算起，至其下非濕陷黃土層的頂面為止。其中自重濕陷系數(shù)δzs值小于0.015的土層不累計。

濕陷量的計算值Δs（mm）公式：Δs=

式中：δsi為第i層土的濕陷系數(shù)；hi為第i層土的厚度（mm）；β為考慮基底下地基土的受水浸濕可能性和側(cè)向擠出等因素的修正系數(shù)，在缺乏實測資料時，基底下5 m（或壓縮層）深度內(nèi)可取1.5；基底下5～10 m深度內(nèi)可取1.0；基底下10 m以下，至非自重濕陷性黃土層頂面，在自重濕陷性黃土場地，可取工程所在地區(qū)的βo值。

2.8 壩肩邊坡穩(wěn)定問題

建議對兩岸進行削坡處理，開挖坡坡度1∶1～1∶1.25，另外兩岸邊坡屬高邊坡，削坡時應(yīng)設(shè)置多層馬道。

建議對壩基（QL）含礫低液限粉（粘）土層進行全部清除；對兩壩肩（）低液限粉（粘）土進行換填或其它工程措施處理，壩肩地表出露的（N2）低液限粘土表層進行清除，深度1～2 m。

3 結(jié)論

胡家莊水庫壩址地層多為第四系松散層，主要為含礫低液限粉（粘）土、低液限粉土、低液限粘土；含礫低液限粉（粘）土、低液限粉土，結(jié)構(gòu)松散，力學(xué)強度低，屬中等透水層。使得壩址存在壩基松散層滲漏、壩基松散層滲透變形、不均勻變形、基坑涌水、壩肩繞壩滲漏、黃土濕陷、邊坡穩(wěn)定等工程問題，針對這些問題提出了相應(yīng)對策措施。

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C

1004-7042（2017）10-0032-03

張景軒（1985-），男，華北水利水電大學(xué)地質(zhì)工程專業(yè)本科在讀。

2017-08-15；

2017-09-23