平原型水庫工程地質(zhì)問題淺議

刁延峰

（陜西省水利電力勘測設(shè)計(jì)研究院，陜西西安712000）

平原型水庫工程地質(zhì)問題淺議

刁延峰

（陜西省水利電力勘測設(shè)計(jì)研究院，陜西西安712000）

為查明平原型水庫——斗門水庫工程地質(zhì)問題，通過進(jìn)行外調(diào)查、室內(nèi)試驗(yàn)、坑探、鉆探等工程地質(zhì)手段對水庫及建筑物工程地質(zhì)進(jìn)行研究得出：庫壩區(qū)主要存在的工程地質(zhì)問題包括庫區(qū)滲漏及滲漏引起的滲透破壞、蓄水后的浸沒問題、壩基濕陷性、壩基地震液化等；灃河引水樞紐主要存在的工程地質(zhì)問題為滲漏問題及滲透破壞、壩基地震液化等；引退水線路主要存在的工程地質(zhì)問題為基礎(chǔ)的濕陷性。綜合采用強(qiáng)夯、換填、防滲、排水等措施，現(xiàn)有工程地質(zhì)問題不會(huì)制約水庫的建設(shè)。

滲漏；浸沒；濕陷；液化；斗門水庫

平原型水庫作為一種新型水庫模式，其庫區(qū)及壩址工程地質(zhì)問題有其獨(dú)特的特點(diǎn)。目前對平原型水庫工程地質(zhì)問題的研究多集中于對浸沒問題的分析[1-2]，并提出了減壓井截滲帷幕等相應(yīng)的工程處理措施及效果[3]。本文主要對陜西省重點(diǎn)建設(shè)工程陜西省引漢濟(jì)渭工程的調(diào)蓄水庫斗門水庫的工程地質(zhì)問題進(jìn)行了研究分析。

1 地質(zhì)概況

湖庫區(qū)地形相對平緩，大體上東南高，西北低，湖庫區(qū)主要為一、二級階地，主要由第四系松散堆積物組成。工程區(qū)屬構(gòu)造較不穩(wěn)定地區(qū)，地震基本烈度為Ⅷ度。湖區(qū)范圍內(nèi)無斷裂及地裂縫通過?？碧浇沂镜叵滤疃仍?.2 m~14.5 m，屬孔隙潛水，地下水補(bǔ)給河水。

2 滲漏問題

2.1 湖庫區(qū)滲漏問題分析

2.1.1 庫區(qū)滲漏地層及分布特征

湖庫區(qū)粘性土為弱透水層，中砂為中等透水~強(qiáng)透水層，是庫區(qū)滲漏主要巖土層。其中Q41al+pl中砂呈透鏡體或薄層夾層分布，主要有三層分布：第一層呈透鏡體或夾層分布于整個(gè)湖區(qū)，埋深1.2 m~2 m；第二層主要呈透鏡體分布，主要有兩條砂帶，埋深3.6 m~7.5 m；第三層埋深9~12 m，分別分布于西北部及湖區(qū)中部；Q3al中砂層分布于庫區(qū)渭河二級階地下部，局部與庫區(qū)連通，庫區(qū)其他部位局部呈透鏡體分布。

2.1.2 工程開挖后庫區(qū)滲漏的可能性分析

上述砂帶呈透鏡體狀局部貫穿內(nèi)外湖，開挖后埋深0.6 m~2.0 m，湖區(qū)開挖后上部相對隔水層厚度減小，庫內(nèi)外中砂透水層連通，可能產(chǎn)生一定量的滲漏問題，其余部位開挖后上部相對不透水層厚度均大于10m，初步分析不會(huì)產(chǎn)生大的滲漏問題。根據(jù)H·巴甫洛夫斯基近似公式（1），計(jì)算如表1。

表1 內(nèi)外湖滲漏量計(jì)算

式中，L為壩底寬，取46 m；T為透水巖層厚度，取4 m；H為上下游水頭差，取12 m；B為壩段長度取400 m，K為中砂層滲透系數(shù)，取13 m/d。

2.2 灃河引水樞紐滲漏問題分析

工程蓄水區(qū)主要為灃河河漫灘，地層結(jié)構(gòu)為局部表層淤泥質(zhì)土層，下部為中砂層夾淤泥質(zhì)土。根據(jù)區(qū)域資料及現(xiàn)場調(diào)查中砂層厚大于40 m，中等透水，蓄水區(qū)不會(huì)產(chǎn)生大量的永久性滲漏。壩基透水層主要為中砂層，壩址區(qū)可能產(chǎn)生一定量的壩基滲漏及繞壩滲漏，采用H.巴甫洛夫斯基公式進(jìn)行壩基及繞壩滲漏量估算[4]（2），（3）壩基滲漏量為2754 m3/d，繞壩滲漏量為7225 m3/d。

注：K為滲透系數(shù)，17 m/d；H為上下游水頭差，5 m；B為壩體長度，推薦壩址180 m；查表得qr=0.18；h1取40 m，H1取45 m。

表2 壩基滲透穩(wěn)定分段評價(jià)

3 壩基滲透穩(wěn)定性評價(jià)

3.1 湖庫區(qū)壩基滲透穩(wěn)定性

根據(jù)GB50487-2008附錄G[5]進(jìn)行壩基滲透穩(wěn)定判定，壤土、淤泥質(zhì)土、黃土不均勻系數(shù)Cu>5，查顆分曲線P>35%，滲透變形類型為流土型，依據(jù)GB50487-2008附錄G.0.6，結(jié)合試驗(yàn)成果，地基土臨界水力比降Jcr=(Gs-1)(1-n)計(jì)算分段評價(jià)如表2。

3.2 灃河引水樞紐庫壩區(qū)穩(wěn)定性

壩基主要位于河漫灘，蓄水后壩后地面低于蓄水位，具有產(chǎn)生滲透破壞的地形條件。壩基土滲透穩(wěn)定問題主要存在于Q4中細(xì)砂層。據(jù)相關(guān)工程類比，地基中細(xì)砂層的允許水力坡降J允=0.25。蓄水后，滲透水流實(shí)際比降J實(shí)=△H/B=5/150

4 浸沒問題

4.1 庫區(qū)浸沒問題分析

湖庫區(qū)地處渭河一、二級階地，人工開挖成庫，可視為“平原型水庫”，現(xiàn)狀地下水位低于地表7.2 m~14.5 m，在蓄水初期和運(yùn)行期存在一定范圍內(nèi)的滲流型浸沒問題。本次工作采用湖庫區(qū)28個(gè)鉆孔觀測及現(xiàn)有農(nóng)用井水位野外調(diào)查兩種方法確定起始水力坡降[5]以對浸沒問題進(jìn)行評價(jià)。

其中對湖庫區(qū)鉆孔在揭穿相對隔水層前后分別進(jìn)行了水位觀測，根據(jù)野外試驗(yàn)，起始水力坡降計(jì)算如表3。在野外對湖庫區(qū)內(nèi)現(xiàn)有魚塘及周邊水位進(jìn)行調(diào)查（如圖1），野外調(diào)查及鉆孔觀測確定水力坡降值差別不大，野外調(diào)查法值略小但與實(shí)際情況較為符合，本次起始工程水力比降取值0.05。

表3 野外雙層結(jié)構(gòu)鉆孔水位觀測統(tǒng)計(jì)表

蓄水后期，庫水與原始地下水位連通過程中，局部地段建筑物埋深或根系層厚度加上土壤毛細(xì)水上升高度位于水位連通線以下，即容易產(chǎn)生浸沒問題。經(jīng)計(jì)算，蓄水后期庫區(qū)對農(nóng)作物浸沒影響距離約8 m~26 m，對建筑物影響距離13 m~92 m，對地表高程較高的區(qū)域，浸沒影響不大，浸沒影響范圍較大的區(qū)域主要集中在下部有中砂透鏡體的區(qū)域及地表高程較低，容易受地下水影響的區(qū)域，建議重點(diǎn)對該類區(qū)域進(jìn)行防滲、排水處理，減輕浸沒影響。

4.2 灃河引水樞紐蓄水區(qū)浸沒問題

蓄水區(qū)兩側(cè)為一級階地，地層結(jié)構(gòu)為上部壤土層及黃土層，滲透系數(shù)為1.3 cm/s×10-5cm/s，微透水，下部為中砂層，滲透系數(shù)為7.96 cm/s×10-2cm/s，中等透水。蓄水后正常蓄水位達(dá)400.5 m，較原河水抬高5 m，地下水位雍高，將產(chǎn)生不同程度的浸沒問題。

圖1庫區(qū)現(xiàn)有水位調(diào)查分布及剖面示意圖

據(jù)調(diào)查當(dāng)?shù)亟ㄖ锘A(chǔ)在3 m以下，臨界地下水位臨界埋深確定為4.5 m，浸沒高程大于405 m，一級階地階面高程404 m左右，二級階地階面高程407 m左右，根據(jù)高程進(jìn)行浸沒范圍初步估算，左岸浸沒寬度約490 m左右，右岸浸沒寬度約785 m左右，建議對兩岸進(jìn)行防滲處理并布設(shè)排水井以減輕浸沒影響。

5 地基液化評價(jià)

根據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（GB50487-2008）附錄P.0.3規(guī)定[5]，Q3中砂層可判定為不液化，Q4中砂粒徑小于5 mm顆粒含量質(zhì)量百分率均大于30%，粒徑小于0.005 mm顆粒含量質(zhì)量百分比小于18%，工程運(yùn)行后該層全部位于水位以下，初判有地震液化可能。

利用鉆孔標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)數(shù)據(jù)，根據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（GB50487-2008）附錄P.0.4規(guī)定對擬建場地15 m深度范圍內(nèi)中砂進(jìn)行液化判定，另據(jù)《水電水利工程壩址區(qū)工程地質(zhì)勘察技術(shù)規(guī)程》(DL/T5414-2009)附錄Y規(guī)定，根據(jù)各液化土層厚度及深度，計(jì)算鉆孔液化指數(shù).

經(jīng)計(jì)算，擬建水庫蓄水后庫區(qū)北東部新堡子、袁旗寨、太平村一帶中砂層N15,液化等級嚴(yán)重，其余段砂層較薄，液化等級輕微~中等。擬建灃河引水樞紐及擬建引退水線路灃河倒虹處由于砂層較厚，計(jì)算所得液化指數(shù)IlE=16.9~17.3，大于15，液化等級嚴(yán)重。

6 地基土濕陷性評價(jià)

工程區(qū)濕陷性土層主要為二級階地黃土層、一級階地表層壤土，按《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》（GB50025-2004）對場地濕陷類型及濕陷等級進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算[6]，一級階地表層壤土場地濕陷類型為非自重濕陷，開挖基礎(chǔ)面以下無濕陷，二級階地表層黃土場地濕陷類型為自重濕陷，濕陷等級為Ⅰ級（輕微）~Ⅱ級（中等），濕陷起始壓力Psh=117 kPa~200 kPa。

7 其他工程地質(zhì)問題

當(dāng)上游洪水來臨，灃河引水樞紐橡膠壩需要塌壩行洪。由于灃河泥砂含量較大，行洪后存在淤積問題，建議對蓄水區(qū)定期進(jìn)行清淤工作。野外調(diào)查顯示，壩址附近凹岸河床沖刷深1.5 m~2.0 m，最大3.5 m，新建引水樞紐下游泄洪區(qū)及引退水線路存在沖刷問題。

8 工程地質(zhì)問題的處理

8.1 滲漏及滲漏相關(guān)問題的處理

8.1.1 滲漏及滲透破壞問題處理

湖庫區(qū)范圍內(nèi)，透水中砂層主要呈透鏡體分布，淺層有相對連續(xù)的天然隔水層，建議在查明透水層分布形態(tài)的前提下，以開挖替換為主，替換為相對隔水的巖土層，結(jié)合水平鋪蓋進(jìn)行綜合防滲。由于灃河引水樞紐蓄水后將產(chǎn)生全斷面滲漏且壩基可能存在管涌型滲透破壞，建議進(jìn)行人工防滲處理，即采取水平鋪蓋和垂直懸掛式防滲墻結(jié)合的防滲方案。

8.1.2 浸沒問題處理

湖庫區(qū)及灃河引水樞紐區(qū)域的浸沒問題建議在防滲的同時(shí)采用減壓、壓滲等綜合措施進(jìn)行[3-4]。其中防滲措施主要起延長滲徑、截?cái)嗟叵滤茸饔谩ι喜客翆硬粔虻膲味?，可將表面不透水層挖溝截?cái)啵瑴系字边_(dá)透水層，形成減壓排滲溝，可大大降低地下水位，減低不透水層底部承壓水頭，達(dá)到浸沒治理的目的。在上層透水層較厚，挖排滲溝不經(jīng)濟(jì)的壩段，可在圍壩內(nèi)側(cè)設(shè)減壓井，穿過弱透水層直達(dá)強(qiáng)透水層進(jìn)行排水減壓。

8.2 地基穩(wěn)定相關(guān)問題的處理

8.2.1 地基濕陷性問題處理

對庫壩區(qū)濕陷性地基，應(yīng)進(jìn)行土層置換、夯實(shí)、灰土墊層等方法綜合處理；對引退水線路區(qū)域濕陷性地基，可參照現(xiàn)行規(guī)范埋地設(shè)置的室外水池地基進(jìn)行處理[6]，根據(jù)工程實(shí)踐及引水線路工程特點(diǎn)，建議采用整片土（灰土）墊層處理，處理厚度上，非自重濕陷性黃土場地，灰土墊層厚度不宜小于0.3 m，土墊層厚度不應(yīng)小于0.5 m，自重濕陷性Ⅰ~Ⅱ級場地，灰土墊層厚度不宜小于0.6 m，土墊層厚度不應(yīng)小于0.8 m，土（或灰土）墊層的壓實(shí)系數(shù)應(yīng)≥0.97，并采取嚴(yán)格防水措施。

8.2.2 地基液化問題處理

圍壩區(qū)液化土層埋深較淺，可以進(jìn)行表面振動(dòng)加密，在施工時(shí)應(yīng)注意孔隙水壓力的觀測，若孔隙水壓力上升到接近土體自重時(shí)，應(yīng)立即停止夯擊。對灃河引水樞紐，由于易液化土層較深，可以采用圍封法、人工密實(shí)法、灌漿膠結(jié)法等多種方法進(jìn)行處理。對圍封法，上游圍封應(yīng)結(jié)合防滲要求設(shè)置，下游圍封應(yīng)結(jié)合排水減壓采用透水材料。

9 結(jié)論

平原型水庫存在的工程地質(zhì)問題主要與滲漏及地基穩(wěn)定有關(guān)，其中滲漏問題包括庫區(qū)、附屬引水建筑物蓄水區(qū)的滲漏及其所引起的滲漏型浸沒、滲透穩(wěn)定等問題，地基穩(wěn)定問題主要為地基的濕陷及液化問題。對不同地質(zhì)條件下的滲漏問題，可采用換填、防滲、排水等方式進(jìn)行解決，對地基穩(wěn)定問題可采用防水、置換、夯實(shí)等措施進(jìn)行解決。

[1]李鵬,焦振華.平原型水庫浸沒預(yù)測方法探討—以陜西省斗門水庫為例[J].資源環(huán)境與工程,2015,29(5):661-665

[2]胡斌,劉永林,李方成,等.出山店水庫平昌關(guān)地塊浸沒預(yù)測[J].工程勘察,2011(7):46-49.

[3]徐瑞蘭,曹先玉,楊國瑞,等.平原水庫利用排滲減壓技術(shù)預(yù)防庫外農(nóng)田浸沒[J].山東農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2007,38(3):432-436.

[4]余際可.平原型水庫浸沒治理措施[J].湖南水利水電,2008(5):64-66.

[5]陳德基,司富安,蔡耀軍,等.水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范：GB 50487-2008[S].北京：中國計(jì)劃出版社,2009.

[6]羅宇生,文君,田春顯,等.濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范:GB50025-2004 [S].北京：中國建筑工業(yè)出版社.

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1673-9000（2017）03-0061-03

2017-02-07

刁延峰（1981-），男，陜西藍(lán)田人，助理工程師，主要從事水利電力勘測設(shè)計(jì)工作。