耿莊水庫庫區(qū)地質(zhì)條件及地質(zhì)問題評價

渠繼明

（山西省水利水電勘測設(shè)計研究院有限公司山西太原030024）

1 水庫概況

耿莊水庫是萬家寨引黃北干線向朔州市供水線路末端的調(diào)節(jié)水庫，水庫按雙庫設(shè)計，總庫容236 萬m3，兩庫庫容均為118 萬m3,死庫容均為13 萬m3。Ⅰ庫位于工程區(qū)西部，Ⅱ庫位于工程區(qū)東部，屬半挖半填平原圍封水庫，大壩為碾壓均質(zhì)土壩，全庫盆采用復合土工膜防滲。兩庫壩頂高程均為1128.0 m，正常蓄水位為1 126.5m，Ⅰ庫設(shè)計庫底高程1120.7～1 122.5 m，Ⅱ庫設(shè)計庫底高程1 119.9～1 123.0 m。主要建筑物為大壩、調(diào)壓井、進水口、出水口泄水建筑物以及環(huán)庫公路等，大壩為均質(zhì)土壩。屬?、裥退畮臁Ｔ谒畮鞏|側(cè)有一條南北向的天然氣管線。

2 區(qū)域地質(zhì)條件

區(qū)域地勢北高南低，受構(gòu)造運動及新構(gòu)造運動的作用，本區(qū)可分為構(gòu)造剝蝕低山區(qū)、邊山構(gòu)造剝蝕丘陵區(qū)和山前傾斜平原區(qū)三種地貌單元。研究區(qū)所涉及的地貌單元主要有邊山構(gòu)造剝蝕丘陵區(qū)和山前傾斜平原區(qū)，以山前傾斜平原區(qū)為主。

區(qū)內(nèi)出露地層有：下古生界寒武、奧陶系碳酸鹽巖，上古生界石炭、二迭系砂巖、頁巖、泥巖、鋁土巖，新生界上第三系黏土及第四系松散堆積物。

研究區(qū)地質(zhì)構(gòu)造單元處于呂梁—太行斷塊云崗塊坳西南端，桑干河新裂陷西北邊部。研究區(qū)構(gòu)造格架受區(qū)域地應(yīng)力和構(gòu)造活動控制。晉冀魯豫運動（加里東運動）和海西運動形成了奧陶系與石炭系中統(tǒng)平行不整合。中生代燕山運動在本區(qū)表現(xiàn)為主應(yīng)力場是以東部相對向北，西部相對向南的直線扭動作用，形成云崗塊坳和偏關(guān)神池塊坪雛形。云崗塊坳總體為向斜。向斜內(nèi)微型波狀褶皺、次級斷裂發(fā)育，并伴有中酸性巖漿巖侵入。

研究區(qū)地震動峰值加速度為0.10 g，反應(yīng)譜特征周期為0.45 s，地震基本烈度為Ⅶ度。

按照地下水的賦存條件，可將區(qū)域地下水分為碳酸鹽巖類巖溶水、松散巖類孔隙水、碎屑巖類裂隙水和碎屑巖夾碳酸鹽巖類裂隙巖溶水。

區(qū)域內(nèi)主要物理地質(zhì)現(xiàn)象是滑坡坍塌、煤礦采空區(qū)塌陷、泥石流、巖溶與風化。

3 庫區(qū)工程地質(zhì)條件

水庫地貌上屬于山前傾斜平原區(qū)，北鄰邊山構(gòu)造剝蝕黃土丘陵區(qū)。

水庫涉及的地層由新至老依次有：人工堆積（Qs）、第四系上更新統(tǒng)洪積（Q3pl）、第四系中更新統(tǒng)洪積（Q2pl）。

人工堆積（Qs）：人工堆積物主要由庫區(qū)內(nèi)現(xiàn)有人工建筑物及筑路構(gòu)成。

第四系上更新統(tǒng)洪積（Q3pl）：在庫區(qū)地表廣泛分布，該層厚度一般3.4～25 m，巖性為淺黃-棕黃色低液限黏土，局部夾有少量的砂、礫類，土層上部干，中下部較濕、硬塑-堅硬，含水率為4.6%～31.9%，平均值為13.52%，干密度為1.29～1.61 g/cm3，平均值為1.45 g/cm3，天然狀態(tài)壓縮系數(shù)av1-2=0.04～0.81 MPa-1，多具中等壓縮性，部分土層具高壓縮性，飽和狀態(tài)壓縮系數(shù)av1-2=0.11～0.56 MPa-1，多具中-高壓縮性，濕陷系數(shù)0～0.225，多具濕陷性，標準貫入試驗實擊數(shù)平均值為16.5 擊，修正后的平均值為15.1 擊。

第四系中更新統(tǒng)洪積（Q2pl）：在整個庫區(qū)均有分布，多埋于地表以下，只在溝壁陡壁及局部地表開挖揭露處有所出露，頂面埋深3.4～25 m，上覆上更新統(tǒng)及全新統(tǒng)地層。巖性為淺紅、淺黃色低液限黏土夾少量砂、礫類土層。土層濕-飽和，硬塑-軟塑狀態(tài)，含水率為8.3%～32.3%，平均值為18.13%，干密度為1.32～1.70g/cm3，平均值為1.49 g/cm3，天然狀態(tài)壓縮系數(shù)av1-2=0.02～0.23 MPa-1，多具低-中壓縮性，飽和狀態(tài)壓縮系數(shù)av1-2=0.1～0.38 MPa-1，多為中等壓縮性。部分土層具濕陷性，標準貫入試驗實擊數(shù)平均值為10.4 擊，修正后的平均值為8.4 擊。

庫區(qū)地下水類型為松散巖類孔隙水，主要接受北邊山側(cè)向補給及大氣降水入滲補給，總體由北而南向桑干河逕流。庫區(qū)地下水位埋深14.65～20.85 m，水位高程1 101.60～1 111.54 m。

4 庫區(qū)地質(zhì)問題評價及處理措施

4.1 水庫滲漏及處理措施

庫區(qū)地層為Q3pl、Q2pl低液限黏土，偶夾有薄層砂、礫及卵石混合土透鏡體。

Q3pl低液限黏土垂直滲透系數(shù)9.8×10-5～2.8×10-4cm/s，平均值1.72×10-4cm/s，大值平均值2.33×10-4cm/s；多屬弱-中等透水層，水平滲透系數(shù)2.1×10-6～1.1×10-3cm/s，平均值為1.67×10-4cm/s，大值平均值為3.32×10-4cm/s，多屬弱-中透水層。

Q2pl低液限黏土垂直滲透系數(shù)為1.2×10-5～9.7×10-5cm/s，平均值5.5×10-5cm/s，大值平均值8.8×10-5cm/s，屬弱透水層，水平滲透系數(shù)為1×10-6～9×10-4cm/s，平均值為1.37×10-4cm/s，大值平均值為3.41×10-4cm/s，多屬為弱-中等透水層。

據(jù)庫區(qū)低液限黏土層現(xiàn)場注水試驗，滲透系數(shù)為3.55×10-6～2.76×10-5cm/s，平均值為1.28×10-5cm/s，大值平均值為2.19×10-5cm/s，屬微-弱透水層。

由于庫區(qū)地層具有一定的透水性，區(qū)內(nèi)地下水位埋藏較深，水庫存在向庫周及庫盆的永久滲漏問題。對滲漏問題，全庫盆采用復合土工膜防滲。

4.2 庫區(qū)浸沒

水庫地形較平緩，地層巖性主要為Q3pl、Q2pl低液限黏土。土層至地下水位深度內(nèi)無相對隔水層，地下水位埋藏較深，徑流條件好，地下水礦化度低。水庫蓄水后，其滲流向下游排泄，地下水位壅高值也不會太大，故庫區(qū)不存在浸沒問題。

4.3 水庫岸坡穩(wěn)定及處理措施

水庫范圍內(nèi)不存在滑坡及潛在不穩(wěn)定岸坡，天然狀態(tài)下岸坡穩(wěn)定。庫岸地層巖性為低液限黏土，局部夾極少量砂、礫粒，屬土質(zhì)岸坡，抗水沖蝕能力弱。該水庫為挖填結(jié)合的圍封水庫，開挖填筑后形成的庫岸邊坡在庫水作用下易產(chǎn)生坍岸問題，壩坡采用預制六邊形混凝土防護，下設(shè)反濾土工布。

4.4 水庫淤積

由于入庫水主要為清水，泥沙含量不大，故水庫淤積物可能的主要來源是庫岸坍塌物，在對庫岸進行有效防護后水庫淤積問題不大。

4.5 水庫誘發(fā)地震

庫區(qū)地下水位埋藏較深，水庫容量很小，水庫最大水深僅8m，水頭低。水庫建于透水性較弱的覆蓋層中，庫水即使?jié)B漏對周圍水文地質(zhì)條件的改變也很小。因此水庫蓄水后產(chǎn)生誘發(fā)地震的可能性不大。

4.6 濕陷性及處理措施

庫區(qū)土層由中更新統(tǒng)（Q2）、上更新統(tǒng)（Q3）土層組成，其中，上更新統(tǒng)土層應(yīng)判為中等濕陷性土層，中更新統(tǒng)土層頂部為低-中等濕陷性土層。

在200 kPa 壓力下濕陷厚度一般3～7 m。在現(xiàn)狀下庫區(qū)北部場地為非自重濕陷性場地，庫區(qū)南部場地為自重濕陷性場地，地基濕陷等級Ⅰ級（輕微）～Ⅱ級（中等）。

水庫開挖后，庫區(qū)北部土體開挖厚度大，上部濕陷性土層將被挖除，北部地基濕陷等級將降低，局部不具濕陷性；南部土體只挖除表層約0.5 m 的耕植土，濕陷性不會消除。

總體上，庫區(qū)北部場地按非自重濕陷性場地，地基濕陷等級按Ⅰ級（輕微）考慮；南部場地按自重濕陷性場地，地基濕陷等級按Ⅱ級（中等）考慮。為防止?jié)裣莓a(chǎn)生不均勻沉陷，影響土工膜防滲效果，對濕陷性場地均進行了針對性處理，處理深度為3～7 m。根據(jù)現(xiàn)場施工條件等，主要采用強夯法消除部分或全部地基濕陷量，并采取嚴格防水措施。另外，由于水庫東側(cè)的天然氣管線距離強夯邊界線較近，管軸線與強夯邊界線最小距離僅為3.9 m，為避免強夯施工可能對天然氣管線造成不利影響，根據(jù)現(xiàn)場實驗數(shù)據(jù)，對強夯邊界距離天然氣管線小于60 m 范圍內(nèi)的庫區(qū)土處理采用比強夯振動較弱的素土擠密樁的方法；對工程區(qū)域內(nèi)樹木根系發(fā)育密集區(qū)域，為不影響強夯效果，進行土體挖除后換填。

4.7 場地土類型及建筑場地類別

建筑場地類別應(yīng)根據(jù)場地土的等效剪切波速與場地覆蓋層厚度劃分，據(jù)場地物探剪切波測試成果，場地土等效剪切波速Vse為278～316 m/s，屬中硬場地土，場地覆蓋層厚度大于5 m，故建筑場地類別為Ⅱ類。

4.8 場地穩(wěn)性

水庫位于山前斜坡地帶，工程區(qū)內(nèi)無滑坡、泥石流等不良地質(zhì)現(xiàn)象。雖然F12斷裂在水庫附近或通過水庫，但該斷裂在上更新世（Q3）以來均未見活動跡象，其活動性對工程影響很小。

4.9 地下水腐蝕性評價

庫區(qū)地下水化學類型為HCO3-Ca-Mg-Na 型，其指標值HCO3-含量3.25 ～3.78 mmol/L，PH 值7.34～7.51，侵蝕性CO2未檢出，Mg2+含量16.91～26.78 mg/L，SO42-含量41.79～51.54 mg/L，地下水對混凝土無腐蝕性。

5 結(jié)語

耿莊水庫建于深厚覆蓋層中，地下水位埋藏較深，存在向庫底及庫周的永久滲漏問題，全庫盆采用復合土工膜防滲；壩基土具有濕陷性，采用強夯法和素土擠密樁處理；開挖后形成的庫岸邊坡存在坍岸問題，邊坡采用預制六邊形混凝土防護。

水庫于2011年7月底開始蓄水運營至今已10年有余，根據(jù)耿莊水庫監(jiān)測點2021年的監(jiān)測數(shù)據(jù)，Ⅰ庫最大垂直位移年度累計沉降54.4 mm，Ⅱ庫最大垂直位移年度累計膨脹38.2 mm；Ⅰ庫集水井2021年平均水位4.31 m，水位最大變幅0.07 m，水位變幅較小，Ⅱ庫集水井2021年平均水位5.36 m，水位最大變幅0.05 m，水位變幅較小。

從目前觀測數(shù)據(jù)分析，大壩垂直位移和集水井滲流量均比較穩(wěn)定，在規(guī)范允許范圍內(nèi)，說明查明的水庫地質(zhì)問題及評價較為客觀準確，采用的措施合理、效果明顯。