張峰水庫(kù)一干末端蓄水池開挖土料評(píng)價(jià)

高永亮

（山西省水利建筑工程局，山西 太原 030006）

1 工程概況

張峰水庫(kù)位于晉城市沁水縣張峰村沁河干流上，距晉城市城區(qū)90 km?？値?kù)容3.94億m3，是沁河干流上一座以城市生活和工業(yè)用水、農(nóng)村人畜飲水為主，兼顧防洪、發(fā)電等綜合利用的大型水利樞紐工程。

水庫(kù)輸水工程包括總干、一干和二干，主要建筑物有倒虹吸、渡槽、隧洞、明渠、輸水管道、調(diào)節(jié)水池和揚(yáng)水站等。一干線路始于總干分水口，至陽(yáng)城縣芹池鎮(zhèn)結(jié)束，線路全長(zhǎng)18.86 km，主要建筑物有隧洞、明渠、倒虹吸、渡槽、蓄水池。線路末端蓄水池設(shè)計(jì)為半挖半填式，池底高程712.06m，池頂高程722.06m，長(zhǎng)200m，寬150m，正常蓄水位721.0m，容積20萬(wàn)m3。

2 工程地質(zhì)條件

蓄水池位于陽(yáng)城縣芹池鎮(zhèn)劉東村東北，蘆葦河右岸。地貌上屬沁河流域侵蝕中低山區(qū)之山間黃土臺(tái)地。蘆葦河右岸支流黃土沖溝發(fā)育，均為干溝，僅雨季有洪水。大旦溝及西溝分布于蓄水池東西兩側(cè)，蓄水池處于梯田狀土梁上，北高南低，現(xiàn)多為耕地，地面高程約705.00～728.00m。涉及地層主要有第四系上更新統(tǒng)洪積（Q3pl）褐黃色低液限黏土、低液限粉土，松散，稍濕，表層有植物根系，局部含碎石；分布于表層，厚0～3.2m。其下為第四系中更新統(tǒng)洪積（Q2pl）淺紅色低液限黏土，較密實(shí)，稍濕，局部含鈣質(zhì)結(jié)核層，在蓄水池附近廣泛分布，厚度大于20m。

工程區(qū)地下水類型為碎屑巖類裂隙水，主要接受北部山體側(cè)向補(bǔ)給及大氣降水入滲補(bǔ)給，總體由北向南徑流，地下水位埋深大于50m，對(duì)工程無(wú)直接影響。

3 開挖土料質(zhì)量及儲(chǔ)量評(píng)價(jià)

該蓄水池采用挖填結(jié)合方案，筑壩土料擬就近采用水池開挖部分。開挖總量12.78萬(wàn)m3，其中開挖土料有用層儲(chǔ)量10.50萬(wàn)m3，填筑用量12.68萬(wàn)m3。

3.1 料場(chǎng)概況

土料場(chǎng)地面高程712.00～728.00m，巖性主要為Q3pl低液限黏土，厚0～3.2m，為無(wú)用層，其下為 Q2pl低液限黏土，厚度大于20m，為有用層。土料場(chǎng)勘探深度內(nèi)未見地下水位。土料場(chǎng)緊臨大壩，運(yùn)輸條件較好。

3.2 土的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

本階段在料場(chǎng)范圍內(nèi)取原狀及擾動(dòng)土樣進(jìn)行了室內(nèi)物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)。Q2pl低液限黏土層原狀土樣物理力學(xué)指標(biāo)為：天然含水率15.6%～26.7%，平均值20.5%；天然密度 1.63～2.04 g/cm3，平均值 1.88 g/cm3；干密度 1.34～1.76 g/cm3，平均值 1.57 g/cm3；垂直滲透系數(shù) 5.90×10-6～6.21×10-4cm/s，平均值 1.45×10-4cm/s，水平滲透系數(shù) 3.30×10-6～7.06×10-4cm/s，平均值 1.71×10-4cm/s；天然狀態(tài)壓縮系數(shù) 0.04～0.34 MPa-1，平均值0.13 MPa-1，具低—中等壓縮性；飽和狀態(tài)壓縮系數(shù)0.07～0.38 MPa-1，平均值 0.16 MPa-1，具低—中等壓縮性；抗剪強(qiáng)度 12.7～35.2 kPa，平均值 23.0 kPa，內(nèi)摩擦角 20°～22.9°，平均值 21.7°。自重濕陷系數(shù) 0.001～0.019，濕陷系數(shù)0.00～0.019，僅局部土層具濕陷性。擊實(shí)后土的物理力學(xué)指標(biāo)為：最優(yōu)含水量18.5%～21.7%，平均值 20.3%；最大干密度 1.66～1.69 g/cm3，平均值 1.68 g/cm3；垂直滲透系數(shù) 3.1×10-7～9.8×10-7cm/s，平均值6.8×10-7cm/s；非飽和狀態(tài)壓縮系數(shù)0.05～0.07 MPa-1，平均值 0.06 MPa-1，具低壓縮性；飽和狀態(tài)壓縮系數(shù) 0.08～0.17 MPa-1，平均值 0.11 MPa-1，具低—中等壓縮性；抗剪強(qiáng)度12.7～35.2 kPa，平均值23.0 kPa，內(nèi)摩擦角 20°～22.9°，平均值 21.7°。

3.2.1 顆粒級(jí)配

利用有用層所有土樣的顆粒分析試驗(yàn)成果，統(tǒng)計(jì)出各粒組的含量的平均值，并繪制顆粒級(jí)配曲線圖，見圖1。

圖1 顆分曲線圖

由圖1可見：Q2pl土的有效粒徑d10=0.002 mm，限制粒徑d60=0.020 mm，中間粒徑d30=0.009 mm，不均勻系數(shù)Cu=10.000，曲率系數(shù)Cc=2.03。

3.2.2 土的壓縮性

由原狀土樣物理力學(xué)指標(biāo)，天然狀態(tài)下料場(chǎng)Q2pl土層壓縮系數(shù)范圍值為0.04～0.34 MPa-1，平均值為0.12 MPa-1，飽和狀態(tài)下料場(chǎng)Q2pl土層壓縮系數(shù)范圍值為 0.07～0.38 MPa-1，平均值為 0.16 MPa-1，屬低—中等壓縮性土。

采用輕型擊實(shí)，按0.97的壓實(shí)度配樣后，壓縮系數(shù)在天然狀態(tài)下范圍值為0.05～0.07 MPa-1，平均值為0.06 MPa-1，具低壓縮性。飽和狀態(tài)下范圍值為0.08～0.17 MPa-1，平均值為0.11 MPa-1，飽和狀態(tài)下土層具低—中等壓縮性。

3.2.3 擊實(shí)試驗(yàn)

由擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果可知，Q2pl低液限黏土層最大干密度為 1.66～1.69 g/cm3，平均值為 1.68 g/cm3；最優(yōu)含水率為18.5%～21.7%，平均值為20.3%。

3.2.4 滲透性

按最大干密度的97%配樣后進(jìn)行滲透試驗(yàn)，由試驗(yàn)結(jié)果可知，Q2土層垂直滲透系數(shù)在 3.1×10-7～9.8×10-7cm/s之間，平均值6.8×10-7cm/s，具極微透水性。

3.2.5 抗剪強(qiáng)度

在進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算時(shí)，建議選用c抗剪強(qiáng)度和土的內(nèi)摩擦力的小值平均值，需要指出的是，上述表中的強(qiáng)度值是在土層按試驗(yàn)最大干密度的97%（即壓實(shí)度為0.97）作為干密度配樣后試驗(yàn)得出的，若施工時(shí)控制壓實(shí)度較試驗(yàn)壓實(shí)度小，或壓實(shí)度計(jì)算時(shí)最大干密度未采用大值平均值時(shí)，則穩(wěn)定計(jì)算參數(shù)值應(yīng)適當(dāng)減小。

3.3 質(zhì)量評(píng)價(jià)

開挖范圍內(nèi)Q2pl低液限黏土的質(zhì)量評(píng)價(jià)見表1。

表1 開挖土料指標(biāo)與均質(zhì)土壩用料質(zhì)量要求對(duì)比表

由表1可知：天然含水率范圍值16.3%～20.2%，平均值18.3%，最優(yōu)含水率范圍值18.5%～21.7%，平均值20.3%，最優(yōu)含水率與天然含水率平均值接近；最大干密度范圍值1.66～1.69 g/cm3，平均值1.68 g/cm3，天然干密度范圍值1.61～1.64 g/cm3，平均值1.63 g/cm3，最大干密度平均值略大于天然干密度平均值，其余各項(xiàng)指標(biāo)均滿足均質(zhì)壩土料質(zhì)量指標(biāo)。

3.4 儲(chǔ)量計(jì)算

該蓄水池采用挖填結(jié)合方案，筑壩土料擬就近采用水池開挖部分。地面高程712.00～728.00m，地表地層巖性主要為Q3pl低液限黏土，厚度0～3.0m，為無(wú)用層，其下為Q2pl低液限黏土，厚度大于20m，為有用層?？傞_挖量12.78萬(wàn)m3，其中無(wú)用層體積為2.28萬(wàn)m3，開挖土料有用層儲(chǔ)量為10.50萬(wàn)m3，填筑用量為12.68萬(wàn)m3，因蓄水池四周均為梯田狀土梁，有用層Q2pl低液限黏土儲(chǔ)量豐富，必要時(shí)可擴(kuò)大開采范圍，與已開挖土料結(jié)合能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論及建議

本次蓄水池開挖土料主要為第四系中更新統(tǒng)洪積低液限黏土，其天然含水率略低于土料的最優(yōu)含水率，其余各項(xiàng)指標(biāo)均滿足均質(zhì)土壩土料質(zhì)量要求，施工時(shí)應(yīng)適量加水。經(jīng)計(jì)算，儲(chǔ)量基本滿足設(shè)計(jì)要求，必要時(shí)可擴(kuò)大開采范圍。