王莊水庫壩址區(qū)工程地質(zhì)評價

趙 宇

（山西省水利水電勘測設(shè)計研究院，山西 太原 030024）

王莊水庫位于大東河一級支流小西河上，大東河屬海河流域大清河水系唐河干流的一級支流。該水庫于1973年10月正式動工興建，由靈丘縣王莊等三個村村民實施，1974年10月竣工蓄水。水庫建成后，以灌溉為主，兼下游防洪。由于水庫壩基滲漏嚴(yán)重，多年帶病運行，致使水庫不能正常蓄水。目前水庫為空庫度汛狀態(tài)。

壩址距靈丘縣城約15km。水庫大壩壩型為均質(zhì)土壩，最大壩高20m，壩長130m，壩頂寬3m，設(shè)計總庫容48.5萬m3，控制流域面積4.5km2，屬?。ǘ┬退畮?。

本次勘察為安全鑒定階段，需查明壩址的地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)條件、巖土體的物理力學(xué)性質(zhì)等工程地質(zhì)條件。查明壩體土的物理力學(xué)性質(zhì)、滲透特性，壩體沉陷及其它壩體病害和隱患的分布位置、范圍及處理情況。查明壩體與壩基接觸部位的物質(zhì)組成及其滲透特性。

1 壩址區(qū)工程地質(zhì)條件

1.1 地層巖性

壩址位于靈丘縣落水河鄉(xiāng)王莊村小西河上。壩址區(qū)河谷為“U”型谷，壩址區(qū)河流方向為S28°W。發(fā)育地層巖性主要為太古界五臺群老潭溝組花崗片麻巖和第四系松散堆積物。

太古界五臺群老潭溝組（Arl）：巖性為灰白色花崗片麻巖?；◢徸兙ЫY(jié)構(gòu)，片麻狀構(gòu)造，礦物成分主要為石英、長石、云母等。厚度大于于500m。主要分布于左壩肩。

第四系上更新統(tǒng)洪沖積物（Q3pal）：巖性為淡黃色低液限粉土、低液限黏土，夾卵石混合土，結(jié)構(gòu)松散，稍濕，硬塑。厚度約13.0m。主要分布于壩址右壩肩。

第四系全新統(tǒng)洪沖積物（Q4pal）：巖性上部為淡黃色低液限粉土、低液限黏土，夾卵石混合土，結(jié)構(gòu)松散，厚度約7.0m；其下為卵石混合土，結(jié)構(gòu)松散，卵礫石成分主要為花崗片麻巖等，磨圓度中等，呈次棱角～次圓狀，細粒為中粗砂，主要礦物成分為長石、石英、云母，厚度7.6～10.0m。主要分布于壩址底部。

第四系人工堆積物（Qs）：巖性主要為低液限粉土、低液限黏土，夾含細粒土礫層，結(jié)構(gòu)松散，厚度0～22m，主要為壩體土。

水庫淤積物（Ql）：巖性主要為級配不良砂、低液限黏土及低液限粉土，厚0～8m，主要分布于近壩庫岸。

1.2 地形地貌

壩址區(qū)范圍內(nèi)左岸及河谷被松散堆積物覆蓋，右岸邊山段基巖裸露。區(qū)內(nèi)無大的構(gòu)造分布，受區(qū)域構(gòu)造影響，壩址區(qū)邊山巖層產(chǎn)狀起伏變化較大，片麻理產(chǎn)狀為N85°W/NE∠86°。巖體中主要發(fā)育兩組高傾角裂隙，其產(chǎn)狀分別為：①N86°E/NW∠87°、②N27°E/SW∠81～86°，節(jié)理裂隙多為高陡傾角裂隙，裂隙面較平直，裂隙張開，寬度1～40mm。這兩組節(jié)理裂隙均發(fā)育，間距0.1～0.3m。

根據(jù)地下水的賦存條件，庫區(qū)內(nèi)地下水類型可分為：松散巖類孔隙水、變質(zhì)巖類裂隙水兩種類型。松散巖類孔隙水主要賦存于河床的卵石混合土、混合土卵石、級配不良砂中，滲透性強，富水量大。地下水的補給來源主要接受大氣降水、變質(zhì)巖類裂隙水補給，向下游河谷徑流排泄。變質(zhì)巖裂隙水含水巖層為片麻巖，巖體中裂隙較為發(fā)育，裂隙是裂隙水的主要賦存、徑流通道，裂隙水徑流條件較好。地下水的補給來源主要是流域內(nèi)大氣降水，據(jù)鉆孔資料，兩岸鉆孔水位為1085.21～1086.10m，河谷地下水位為1080.31m，兩岸地下水位高于河谷地下水位，故河谷兩岸裂隙水側(cè)向補給形式排泄、補給河谷中松散層的孔隙水。

壩基上部發(fā)育地層為第四系全新統(tǒng)洪沖積（Q4pal）卵石混合土，含漂石，最大粒徑200mm以上，結(jié)構(gòu)松散，卵礫石主要成分為變質(zhì)巖，磨圓度呈次棱角～次圓狀。厚度為7.6～10.0m。主要分布于河床中。據(jù)河床表層卵石混合土篩分試驗資料，卵石含量約38.65%，礫石含量42.61%，砂粒含量16.21%，粉黏粒含量2.53%，不均勻系數(shù)Cu=157.10，曲率系數(shù)Cc=6.08。據(jù)鉆孔錐貫試驗資料，壩基第四系松散層修正后的錐貫擊數(shù)為3～4擊。據(jù)鉆孔注水試驗，壩基卵石混合土層滲透系數(shù)K=35.4m/d，為強透水層。

下伏基巖為太古界五臺群老潭溝組（Arl）巖層，巖性為花崗片麻巖，主要分布于壩址左岸及下部。據(jù)壩基鉆孔壓水試驗，其透水率為4.0～7.0Lu，屬弱透水巖體。

2 壩址工程地質(zhì)評價

2.1 壩基滲漏及滲透變形問題

根據(jù)勘察資料和訪問水庫管理人員，大壩壩基為卵石混合土，厚度7.6～10.0m，其下為太古界五臺群老潭溝組花崗片麻巖。建壩及除險加固時壩基未做任何處理。壩基全新統(tǒng)洪沖積卵石混合土為中～強透水性，構(gòu)成壩基滲漏層位，壩基存在滲漏問題。現(xiàn)采用下式對壩基滲漏量Q進行估算。

式中：B——壩基長度，取值67.2m；

k——透水層滲透系數(shù)，取值35.4m/d；

H——大壩上下游水位差，取值25.2m；

M——滲透層厚度，取值8.8m；

2b——壩底寬，取107.8m。

經(jīng)計算，當(dāng)水庫達到正常蓄水位時，壩基滲漏量為4524.36m3/d。

再者，壩基卵石混合土層，結(jié)構(gòu)松散，分選較差，而且在壩基及上、下游連續(xù)分布，卵石混合土直接出露，為壩后滲流出逸提供了條件，在壩上下游水位差產(chǎn)生的滲壓作用下卵石混合土層將產(chǎn)生滲透變形。根據(jù)卵石混合土層的篩分資料，其卵石含量約38.65%，礫石含量42.61%，砂粒含量16.21%，粉黏粒含量2.53%，不均勻系數(shù)Cu=157.10，曲率系數(shù)Cc=6.08。

根據(jù)該卵石混合土的不均勻系數(shù)和細顆粒含量，按照《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（GB50487-2008），壩基卵石混合土滲透變形類型為管涌。根據(jù)卵石混合土層的顆粒組成、不均勻系數(shù)、細粒土含量和滲透系數(shù)等，經(jīng)計算，其臨界水力坡降為0.20，考慮工程重要性，取安全系數(shù)2，卵石混合土的允許水力坡降為0.10。

2.2 左、右壩肩穩(wěn)定及繞壩滲漏

左壩肩為基巖邊坡，坡度較陡。建壩時已將松散覆蓋層清除?；鶐r為太古界五臺群老潭溝組花崗片麻巖，巖性較軟，易風(fēng)化。片麻理產(chǎn)狀為，傾向左岸略偏下游。強風(fēng)化層厚度一般5～10m。由于片麻理產(chǎn)狀較陡，且花崗片麻巖易風(fēng)化，左壩肩易產(chǎn)生小的坍塌。再者，左壩肩主要由花崗片麻巖組成，其滲透性較弱，由于強風(fēng)化厚度較大，當(dāng)庫水位達到設(shè)計水位時，存在繞壩滲漏，但滲漏量不大。綜合分析，左壩肩工程地質(zhì)條件較好。

右壩肩為土質(zhì)邊坡，岸坡較陡。巖性主要為上更新統(tǒng)洪沖積淡黃色低液限粉土、低液限黏土，偶含小礫石，結(jié)構(gòu)較松散，右壩肩穩(wěn)定性較好。再者，右壩肩主要由上更新統(tǒng)洪沖積低液限粉土、低液限黏土組成，其滲透性弱，故右壩肩不存在繞壩滲漏問題。綜合分析，右壩肩工程地質(zhì)條件較好。

2.3 壩體土的組成及性狀

大壩土質(zhì)為淡黃色、黃色低液限粉土、低液限黏土，夾礫石等，土質(zhì)不均，呈硬塑～可塑狀態(tài)，結(jié)構(gòu)松散。

本次勘察在壩頂布置2個鉆孔和2個豎井，在后壩坡布置1個豎井，對壩體土取原狀土樣進行室內(nèi)土工試驗及鉆孔標(biāo)貫試驗。壩體土標(biāo)貫擊數(shù)N63.5為2.1～6.5擊，平均值為4.6擊，壩體土為松散，其干密度為1.22～1.58g/cm3，平均值為1.43g/cm3；含水率為10.9～22.8%，平均值為15.6%，壓縮系數(shù)av1-2為0.08～1.26MPa-1，平均值為0.37MPa-1，多具中等壓縮性；壓縮模量Es1-2為1.8～23.6MPa，平均值為6.6MPa；濕陷系數(shù)為0.001～0.052，部分存在濕陷性；垂直、水平滲透系數(shù)分別為9.04×10-6～3.68×10-4cm/s、9.29×10-6～2.01×10-4cm/s，具微～中等透水性，平均值分別為1.06×10-4cm/s、8.55×10-5cm/s，為弱～中等透水性；快剪試驗：凝聚力為6.5～21.1kPa，平均值為11.1kPa，摩擦角為17.5°～26.0°，平均值為21.4°。

取壩體土進行三軸固結(jié)不排水剪（CU）試驗，并采用規(guī)范要求統(tǒng)計方法對三軸試驗進行統(tǒng)計。綜上分析，壩體土平均干密度1.43g/cm3，壩體土干密度較小，孔隙比較大，局部孔隙比大于1，壩體土多為中等～高壓縮性土，壩體土質(zhì)不均，干密度較小，壩體質(zhì)量較差。從壩體土的滲透系數(shù)來看，壩體土的滲透性分布不均勻，壩體土防滲性能較差。根據(jù)壩體土物理力學(xué)性質(zhì)及結(jié)構(gòu)，綜合考慮，建議總應(yīng)力條件下抗剪強度指標(biāo)Ccu=24kPa，φcu=16°；有效應(yīng)力條件下抗剪強度指標(biāo)C′=20kPa，φ′=22°。

3 結(jié)語

通過本次安全鑒定斟察，查明壩址區(qū)的地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、巖土體的物理特性，表明王莊水庫大壩為均質(zhì)土壩，壩基為卵石混合土，左壩肩為太古界五臺群老潭溝組花崗片麻巖，右壩肩為第四系上更新統(tǒng)洪沖積低液限粉土、低液限黏土。大壩主要存在壩基滲漏及滲透變形問題。左右壩肩穩(wěn)定性較好，左壩肩由于強風(fēng)化厚度較大，當(dāng)庫水位達到設(shè)計水位時，存在繞壩滲漏，但滲漏量不大。壩體土大部分具弱～中等透水性，且壩體土滲透性分布不均勻，壩體土質(zhì)不均，干密度較小，壩體質(zhì)量較差。

通過對王莊水庫進行全面的地質(zhì)評價，建議采取相應(yīng)的除險加固措施對水庫進行改造完善，使其真正起到灌溉防洪的作用，為當(dāng)?shù)厝嗣裆敭a(chǎn)安全提供保障。