原降龍大壩上壩壩址工程地質(zhì)問題及評(píng)價(jià)

張瑞潔

(運(yùn)城市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,山西 運(yùn)城 044000)

1 原降龍大壩上壩壩址區(qū)工程地質(zhì)

1.1 上壩壩址工程地質(zhì)條件

1.1.1 地形地貌

原降龍大壩位于兩溝交匯處，壩軸走向S41°W，壩頂高程399.03～401.53 m，上游淤積面高程395.57～396.73 m，河谷底寬約140～240 m。下游河床高程371.34～373.66 m，河谷底寬約26～42 m。左岸壩頂高程以上坡度相對(duì)較緩，坡度25°～30°，右岸壩頂高程以上坡度較陡，坡度50°～60°。左壩肩發(fā)育一沖溝，走向S58°W，沖溝出口底部高與壩頂高程一致。

1.1.2 地層巖性

壩址區(qū)出露地層主要為人工填土、第四系全新統(tǒng)坡積層、第四系全新統(tǒng)洪沖積層、第四系上更新統(tǒng)洪沖積層、第四系中更新統(tǒng)洪沖積層、第四系下更新統(tǒng)沖積層。

1.1.2.1 水庫淤積層

水庫淤積層分布于原降龍大壩上游，層厚5.00～24.50 m。巖性主要為低液限黏土，以黃褐色為主，含有較多植物根系，局部含有卵礫石。

1.1.2.2 人工填土(Qs)

主要分布于原降龍大壩壩體，最大厚度24.80 m。巖性主要為低液限黏土，淺黃色，褐黃色，局部夾有級(jí)配不良砂透鏡體。

1.1.2.3 第四系全新統(tǒng)坡積層(Q4dl)

主要分布于兩岸岸坡地表，厚0～4.00 m。巖性主要為低液限黏土、級(jí)配不良砂，淺黃色，稍濕，結(jié)構(gòu)松散。

1.1.2.4 第四系全新統(tǒng)洪沖積(Q4pal)

該層主要分布于現(xiàn)代河床及溝谷地表，層厚0.50～7.00 m。巖性表層為低液粘限土，厚0.50～2.30 m，下部為主要為級(jí)配良好礫，層厚0.50～7.00 m。

Q4pal低液粘限土，淺黃色，含水量12.10%，稍濕；天然重度16.00 kN/m3；干重度14.30 kN/m3；孔隙比0.89，稍密～中密；塑性指數(shù)11.20；黏粒含量19.20%；壓縮系數(shù)0.46 MPa-1，中～高壓縮性；飽和快剪凝聚力11.30 kPa；飽和快剪內(nèi)摩擦角21.40°。

Q4pal級(jí)配良好礫，成分以灰?guī)r、石英砂巖為主，松散，磨圓狀，粒徑多為2～3 cm，可見最大粒徑11 cm,骨架顆粒間充填砂土。

1.1.2.5 第四系上更新統(tǒng)洪沖積層(Q3pal)

主要分布于兩岸階地上，該層總厚度5.00～20.00 m左右。巖性主要為卵石混合土和低液限黏土，卵石混合土層厚1.00～15.00 m，低液限黏土層厚1.00～14.00 m。Q3pal卵石混合土，成分以灰?guī)r、石英砂巖為主，中密，磨圓狀，粒徑多為4～6 cm，可見最大粒徑40 cm,骨架顆粒間充填砂土,局部含有較多砂粒和少量卵礫石。

1.1.2.6 第四系中更新統(tǒng)洪沖積層(Q2pal)

該層主要分布于兩岸上部，層厚>50 m。巖性以液限黏土為主，底部夾有厚7.00～13.00 m碎石混合土。

Q2pal褐黃色，褐紅色，含有少量鈣質(zhì)結(jié)核，局部夾有細(xì)砂薄層。濕陷系數(shù)0.01～0.06，多具輕微～中等濕陷性。

Q2pal碎石混合土，成分以灰?guī)r、石英砂巖為主，中密，次磨圓狀～次棱角狀，粒徑多為4～6 cm，可見最大粒徑60 cm,骨架顆粒間充填砂土。

1.1.2.7 第四系下更新統(tǒng)沖積層(Q1al)

該層廣泛分布于壩址區(qū)下部。巖性上部為級(jí)配不良砂，層厚8.50～30.00 m，下部為低液限黏土，該層未揭穿，已揭露厚度50 m。

Q1al級(jí)配不良砂，褐黃色，密實(shí)，中壓縮性，級(jí)配較差。Q1al低液限黏土，褐紅色，堅(jiān)硬，密實(shí)，局部夾有細(xì)砂薄層。

1.1.3 地質(zhì)構(gòu)造

壩址區(qū)被大面積松散層覆蓋，未發(fā)現(xiàn)斷裂構(gòu)造跡象。

1.1.4 水文地質(zhì)

壩址區(qū)河段地下水主要為松散巖類孔隙水，壩址區(qū)原降龍大壩上游地下水位386.64～387.34 m，原降龍大壩下游河床地下水位371.49～372.20 m，左岸階地地下水水位373.75 m，右岸未揭露地下水。擬建壩軸處河水位374.10 m,河水補(bǔ)充地下水。

根據(jù)中壩址水的腐蝕性評(píng)價(jià)結(jié)果，地下水對(duì)混凝土具有一般酸性型弱腐蝕，對(duì)混凝土無鎂粒子型腐蝕，對(duì)混凝土無硫酸鹽型腐蝕，地下水對(duì)鋼筋混凝土中的鋼筋無腐蝕，地下水對(duì)鋼結(jié)構(gòu)具有弱腐蝕。

2 原降龍大壩上壩壩址工程地質(zhì)問題

2.1 壩基滲漏

根據(jù)鉆探揭露，河床表層級(jí)配良好礫層厚4.80～7.00 m。兩岸階地卵石混合土層厚4.50～12.40 m，其下為低液限黏土。根據(jù)顆分資料查《水利水電工程地質(zhì)手冊(cè)》，級(jí)配良好礫滲透系數(shù)90 m/d，卵石混合土滲透系數(shù)15 m/d，為強(qiáng)透水層，低液限黏土滲透系數(shù)為1.20×10-7～2.17×10-6cm/s，為相對(duì)隔水層。

壩基主要滲漏層為河床級(jí)配良好礫層和兩岸階地卵石混合土層。壩基滲漏量的計(jì)算按式(1)計(jì)算。

(1)

式中：Q—滲漏量(m3/d)；B—滲漏帶寬度(m)；mcp—滲透帶平均滲透系數(shù)(m/d)；H—壩前壩后水位差(m)；2b—壩基寬(m)；T—滲透層厚度(m)。

經(jīng)計(jì)算，Q4pal級(jí)配良好礫層滲漏量4 449 m3/d， Q3pal卵石混合土層滲漏量3 068 m3/d。計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 壩基滲漏量計(jì)算成果表

2.2 繞壩滲漏

左右壩肩Q1al級(jí)配不良砂層均向兩岸和下游延伸，根據(jù)已建降龍水庫輸水洞當(dāng)時(shí)的施工人員介紹，該洞通過左岸山梁地段，洞底位于Q1al低液限黏土上，洞身位于Q1al級(jí)配不良砂層中，穿過山梁后，砂層尖滅，根據(jù)施工人員描述的砂層尖滅位置及為庫區(qū)測(cè)繪，推測(cè)砂層向左岸延伸寬度為250 m，向右岸延伸寬度為260 m。正常蓄水位403.70 m以下，左壩肩Q1al級(jí)配不良砂層厚0.80～1.10 m，平均厚1.00 m，右壩肩Q1al級(jí)配不良砂層厚0～0.70 m，平均厚0.40 m，Q1al級(jí)配不良砂層滲透系數(shù)1.72×10-3～7.03×10-3cm/s，平均值3.73×10-3cm/s，中等透水，水庫正常蓄水后存在繞壩滲漏問題。

經(jīng)計(jì)算，左壩肩繞壩滲漏量79.34 m3/d，右壩肩繞壩滲漏量79.47 m3/d，兩壩肩總滲漏量158.81 m3/d。

2.3 壩基滲透穩(wěn)定

壩基地層主要為Q4pal級(jí)配良好礫層、Q3pal卵石混合土層、Q3pal低液限黏土層及Q1al低液限黏土層，壩基土滲透變形根據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》進(jìn)行。

2.4 地基土震動(dòng)液化

壩基表層河床為Q4pal級(jí)配良好礫層，兩岸階地為Q3pal卵石混合土層和低液限黏土，其下為Q1al低液限黏土。

Q4pal混合土卵石層<5 mm顆粒含量的質(zhì)量百分率13.00%～15.60%，小于30%，初判不液化。

Q3pal低液限黏土和卵石混合土層及Q1al低液限黏土屬于地質(zhì)年代為Q3及以前的土，初判不液化。

綜上所述，壩基土為不液化土。

2.5 壩基不均勻沉降

級(jí)配良好礫層結(jié)構(gòu)松散，透水層性強(qiáng)，存在較大的不均勻沉降問題。

兩岸階地主要為卵石混合土層，局部夾低液限黏土透鏡體，低液限黏土天然狀態(tài)土質(zhì)堅(jiān)硬，強(qiáng)度相對(duì)較高，遇水飽和后，強(qiáng)度顯著降低，存在大的不均勻沉降問題。

2.6 壩肩穩(wěn)定

壩肩出露地層上部為Q2pal低液限黏土，局部夾有塊石混合土層，該層位于正常蓄水位以上，下部主要為Q1al級(jí)配不良砂和低液限黏土，Q1al低液限黏土和部分Q1al級(jí)配不良砂位于庫水位以下。

左壩肩坡度40°～50°，局部直立，右壩肩高程405.50 m以上坡度相對(duì)較陡，坡度30°～40°，局部直立。

水庫正常運(yùn)行后，在庫水長期浸泡和庫水位驟降等情況下，對(duì)壩肩進(jìn)行掏蝕，以及風(fēng)力、雨雪等外力的影響，都會(huì)產(chǎn)生上部較大范圍土體坍塌，侵占庫容和影響大壩安全，建議對(duì)兩壩肩上部的級(jí)配不良砂采取防護(hù)固壁措施。

2.7 原降龍大壩壩體質(zhì)量

右壩端壩體土3.00 m以上，左壩端4.20 m以上壩體土孔隙比0.98，干重度13.70 kN/m3，填筑質(zhì)量較差，且左壩端2.80～4.20 m夾有砂層。其余地段壩體土干重度15.40～20.90 kN/m3， 平均值19.60 kN/m3，孔隙比0.52～0.98，平均值0.63，塑性指數(shù)10.20～15.50，平均值12.90，黏粒含量14.30%～47.70%，平均值28.50%，填筑質(zhì)量較好。建議將原降龍大壩兩壩端4.20 m以上的壩體進(jìn)行清除，重新填筑。

2.8 基坑涌水及臨時(shí)開挖邊坡穩(wěn)定性

河床地下水位371.49～372.20 m，基坑位于地下水位以下，基坑開挖存在基坑涌水問題，需采取降排水措施。

基坑壁為級(jí)配良好礫，滲透系數(shù)90 m/d，為強(qiáng)透水層；基坑底為低液限黏土，滲透系數(shù)為1.20×10-7～2.17×10-6cm/s，為相對(duì)隔水層。

級(jí)配良好礫層邊坡在水下自穩(wěn)能力差，再大的水力比降作用下，易產(chǎn)生管涌破壞造成失穩(wěn)，建議臨時(shí)開挖邊坡1∶1.50～1∶1.75。建議在上下游圍堰處設(shè)防滲圍幕。

2.9 地基承載力

淤積低液限黏土含水量20.10%，干重度14.80 kN/m3，孔隙比0.84，標(biāo)貫擊數(shù)13.60擊，建議承載力特征值100 kPa。

壩體人工填筑土含水量18.00%，干重度19.60 kN/m3，孔隙比0.63，標(biāo)貫擊數(shù)15.00擊，建議承載力特征值160 kPa。

低液粘限土含水量12.10%，干重度14.30 kN/m3；孔隙比0.89，建議承載力特征值110 kPa。

級(jí)配良好礫層動(dòng)探擊數(shù)36.00擊，建議承載力特征值190 kPa；卵石混合土層動(dòng)探擊數(shù)40.90擊，建議承載力特征值230 kPa；低液限黏土層含水量15.00%，干重度15.50 kN/m3，孔隙比0.74，標(biāo)貫擊數(shù)17.20擊，建議承載力特征值120 kPa；低液限黏土層含水量10.70%，干重度13.10 kN/m3，孔隙比1.07，建議承載力特征值105 kPa；級(jí)配不良砂層含水量4.40%，干重度15.00 kN/m3；孔隙比0.78；水上休止角35°，水下休止角30.10°，建議承載力特征值180 kPa；低液限黏土層含水量17.40%，干重度17.60 kN/m3；孔隙比0.55，標(biāo)貫擊數(shù)52.50擊，建議承載力特征值250 kPa。

3 原降龍大壩上壩址區(qū)工程地質(zhì)評(píng)價(jià)

水庫淤積低液限黏土層厚5.00～24.50 m，抗剪強(qiáng)度較低，但滲透系數(shù)較小，為微～弱透水，可作為天然防滲鋪蓋。

原降龍大壩兩壩端4.20 m以上的壩體填筑質(zhì)量較差，且夾有砂層，其余地段壩體填筑質(zhì)量較好，建議將原降龍大壩兩壩端4.20 m以上的壩體進(jìn)行清除，重新填筑。

主河床段Q4pal級(jí)配良好礫層厚4.80～7.00 m，結(jié)構(gòu)松散，存在滲漏，滲透穩(wěn)定、不均勻沉降等問題，建議予以全部清除，將壩基置于Q1al低液限黏土層。

Q3pal卵石混合土層厚1.00～15.00 m，承載力較高，但存在滲漏、滲透穩(wěn)定、不均勻沉降等問題；Q3pal低液限黏土層厚1.00～14.00 m，承載力較低，還存在不均勻沉降問題、滲漏和滲透穩(wěn)定。建議采用防滲墻對(duì)Q3pal卵石混合土層和Q3pal低液限粘土層進(jìn)行處理，防滲墻進(jìn)入Q1al低液限黏土層≥2.50 m。建議對(duì)壩基范圍內(nèi)進(jìn)行夯實(shí)處理。

左右壩肩Q1al級(jí)配不良砂層均向兩岸和下游沿伸，正常蓄水位403.70 m以下，左壩肩Q1al級(jí)配不良砂層厚0.80～1.10 m，右壩肩Q1al級(jí)配不良砂層厚0～0.70 m，水庫正常蓄水后存在繞壩滲漏問題。建議對(duì)左右壩肩和近壩庫岸采取防滲措施。

基坑開挖中存在基坑涌水問題，建議臨時(shí)開挖邊坡1∶1.50～1∶1.75。建議在上下游圍堰處設(shè)防滲圍幕。

4 結(jié)語

原降龍大壩上壩址區(qū)工程主河床段沉積有厚Q4pal級(jí)配良好礫層厚4.80～7.00 m，結(jié)構(gòu)松散，存在滲漏，滲透穩(wěn)定、不均勻沉降等問題，建議予以全部清除，將壩基置于Q1al低液限黏土層。兩岸階地Q3pal卵石混合土層厚1.00～15.00 m，承載力較高，但存在滲漏、滲透穩(wěn)定、不均勻沉降等問題；Q3pal低液限黏土層厚1.00～14.00 m，承載力較低，還存在不均勻沉降問題、滲漏和滲透穩(wěn)定問題。建議采用防滲墻對(duì)Q3pal卵石混合土層和Q3pal低液限黏土層進(jìn)行處理，防滲墻進(jìn)入Q1al低液限黏土層≥2.50 m。建議對(duì)壩基范圍內(nèi)進(jìn)行夯實(shí)處理。

左右壩肩坡度較陡，局部直立，水庫正常運(yùn)行后，受風(fēng)力、雨雪及庫水等外力的掏蝕，上部會(huì)產(chǎn)生較大范圍土體坍塌，侵占庫容和影響大壩安全。建議近壩庫岸采取防護(hù)措施，并對(duì)兩壩肩上部的Q1al級(jí)配不良砂采取防護(hù)固壁措施。