山西小浪底引黃工程取水口地質(zhì)條件的分析與評(píng)價(jià)

張 峰

（山西省小浪底引黃工程建設(shè)管理局 山西太原 030002）

1 小浪底引黃工程取水工程概況

山西小浪底引黃工程取水口位于板澗河入河口處上游黃河岸邊，取水口由引渠段和進(jìn)水塔段組成。引渠段位于進(jìn)水塔與黃河左岸谷底之間，長約171 m；進(jìn)水塔引水方式為有壓引水，設(shè)計(jì)取水流量20.0 m3/s。以取水口進(jìn)水塔塔基建基面為基準(zhǔn)，取其相對(duì)高程為0 m，設(shè)計(jì)最低取水水位10.5 m，最高取水水位55.5 m。

2 基本地質(zhì)條件

1）取水口位于本段黃河河谷左岸岸坡處，岸坡中下部為土質(zhì)岸坡，上部岸坡為基巖岸坡。進(jìn)水塔和引渠段地面相對(duì)高程3.5～65.5 m，岸坡上部較緩，下部較陡。

2）取水口處出露的地層為奧陶系中統(tǒng)（O2）薄-中厚層深灰色灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、白云巖；下第三系平陸群門里組（E2pm）砂礫巖、礫巖夾泥巖及第四系松散堆積層。

奧陶系中統(tǒng)（O2）薄-中厚層深灰色灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、白云巖，主要分布于取水口底部及上部岸坡處；下第三系平陸群門里組（E2pm），巖性主要為砂礫巖、礫巖夾泥灰?guī)r，本組地層固結(jié)程度低，巖性較軟，厚度0～30 m，分布于岸坡下部；第四系松散堆積層（Q4)：巖性上部為淺紅色低液限黏土夾級(jí)配不良砂、卵石混合土，下部為卵石混合土層，厚度10～30 m，分布于取水口岸坡處；第四系全新統(tǒng)洪沖積（Q4pal），巖性主要為卵、石混合土、低液限粉土、淤泥河粉砂。卵石混合土結(jié)構(gòu)松散，分布于黃河河谷岸坡坡腳處，低液限粉土多呈軟塑狀態(tài)，在黃河河谷低洼處為淤泥或粉砂。卵石混合土結(jié)構(gòu)松散，分布于黃河河谷岸坡坡腳處，厚度0～5 m。低液限粉土多呈軟塑狀態(tài)，在黃河河谷低洼處為淤泥或粉砂。分布于黃河河谷底部及河漫灘處，厚度大于5 m。

3）取水口處地質(zhì)構(gòu)造不發(fā)育，主要為單斜巖層，產(chǎn)狀 N20°～30°E/SE∠33°～42°。巖層傾向黃河河谷偏下游，巖體中節(jié)理裂隙發(fā)育。取水口北西約550 m處發(fā)育F1正斷層，斷層產(chǎn)狀NE50°SE∠70°，斷層與引渠近垂直，斷層影響帶寬約20 m，斷層帶中巖石破碎強(qiáng)烈。取水口上游約350 m的北溝發(fā)育一條正斷層，斷層走向NW330°～340°，與取水口引渠近平行，傾向SW（黃河上游）。斷層上盤為群門里組（E2pm）礫巖，下盤為奧陶系中統(tǒng)（O2）灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、白云巖。

4）取水口位于小浪底庫區(qū)左岸，岸坡中下部為土質(zhì)岸坡，上部岸坡為基巖岸坡，岸坡陡峻，且?guī)r層傾向河谷，為順向岸坡。岸坡坡腳多位于庫水位以下，在庫水長期沖刷、淘蝕及庫水蓄水、排水反復(fù)浸泡作用下，土質(zhì)岸坡及礫巖岸坡坍塌、崩塌現(xiàn)象較多。

3 工程地質(zhì)問題評(píng)價(jià)

3.1 進(jìn)水塔工程地質(zhì)問題評(píng)價(jià)

1）進(jìn)水塔基地基穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

進(jìn)水塔位于黃河河谷左岸岸坡中下部，岸坡坡度30°左右，為土質(zhì)邊坡。進(jìn)水塔距正常蓄水位岸邊90 m，距水庫放空后岸邊160 m，該處地面相對(duì)高程61.5～64.5 m，出露地層上部為低液限黏土、含礫低液限黏土夾卵石混合土，厚度25～40 m。其下為砂礫巖、礫巖夾泥巖，含石膏泥巖，礫巖、砂礫巖泥鈣質(zhì)膠結(jié)，礫石成分主要為灰?guī)r，成巖固結(jié)程度低，巖性軟弱，厚度0～12 m。進(jìn)水塔處礫巖頂面相對(duì)高程在20.5～40.5 m。從鉆探巖心看，巖體質(zhì)量較差。最下部為薄-中厚層深灰色灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r。巖石為較軟-中硬巖，厚度大于50 m。巖體裂隙發(fā)育完整性差碎裂局部巖溶發(fā)育夾泥破碎。進(jìn)水塔處基巖頂面相對(duì)高程在10.5～35.5m，由岸里向河谷方向漸低。強(qiáng)風(fēng)化層厚度4～11m，強(qiáng)風(fēng)化下限相對(duì)高程在5.5～25.5 m；弱風(fēng)化厚度12～15 m，弱風(fēng)化下限相對(duì)高程在-4.5～10.5 m。

進(jìn)水塔塔基建基面持力層位于奧陶系中統(tǒng)（O2）弱風(fēng)化灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r層中，弱風(fēng)化巖層作為進(jìn)水塔地基，承載力滿足要求。根據(jù)鉆孔資料，巖體完整性差。建議對(duì)進(jìn)水塔建基面以下破碎巖體進(jìn)行固結(jié)灌漿處理。

2）基坑涌水量預(yù)測(cè)

由于該處岸坡緊鄰庫區(qū)水面，且岸坡巖層透水性較好，進(jìn)水塔處地下水位與庫水位聯(lián)系密切，與庫水位基本一致。進(jìn)水塔基坑開挖存在涌水問題，施工時(shí)需采取排水措施。

進(jìn)水塔基坑開挖后地面相對(duì)高程54.5 m，位于小浪底水庫設(shè)計(jì)正常運(yùn)行水位55.5 m以下?；拥貙幼陨隙聻橹懈陆y(tǒng)Q2pl低液限黏土夾卵石混合土層，厚度25～35 m；門里組（E2pm）砂礫巖、礫巖夾泥巖，厚度 15～22 m；馬家溝組（O2）灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r，厚度 5～13 m。低液限黏土夾卵石混合土層級(jí)砂礫石層綜合滲透系數(shù)為2.82 m/d，為中等透水層。進(jìn)水塔處鉆孔相對(duì)高程-0.25 m以上灰?guī)r、白云巖壓水試驗(yàn)透水率一般在10.7～19.3Lu，平均值在13Lu左右，為中等透水地層。

現(xiàn)將進(jìn)水塔基坑假設(shè)為大口探井，采用非完整井計(jì)算公式估算涌水量如下：

式中：Q——基坑涌水量，m3/d；

k——含水層平均滲透系數(shù)，m/d，取2.82 m/d；

H0——潛水含水層厚度，m，取56m；

h——基坑動(dòng)水位至含水層底板深度，m；

l——濾管有效長度，m；

S——基坑水位降深，m，取53 m；

R——降水影響半徑，m；

r0——基坑等效半徑，m，取值25 m。

經(jīng)計(jì)算，在小浪底水庫正常運(yùn)行條件下，估算進(jìn)水塔基坑涌水量約為5 273 m3/d。

3）基坑邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

進(jìn)水塔基坑長90 m，寬50 m。進(jìn)水塔基坑邊坡上部為低液限黏土夾卵石混合土層厚度25～38 m，其結(jié)構(gòu)松散；中部為砂礫巖、礫巖夾泥巖，厚度5～12 m；下部為薄-中厚層深灰色灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、白云巖，厚度16～50 m，砂礫巖膠結(jié)程度低，巖性軟弱，遇水易軟化。正面開挖邊坡高度為56 m，巖層產(chǎn)狀N20°～30°E/SE∠33°～42°?；诱孢吰伦呦?yàn)?NE19°。巖層走向與基坑正面邊坡近平行，為順向坡，正面邊坡穩(wěn)定性較差，有順層面失穩(wěn)的可能性，需進(jìn)行錨桿或錨索支護(hù)。兩側(cè)邊坡走向?yàn)镹W289°，巖層走向與基坑兩側(cè)邊坡近垂直，為橫向坡。邊坡頂部覆蓋層邊坡及砂礫巖邊坡遇水后易垮塌。開挖邊坡多位于小浪底水庫設(shè)計(jì)正常運(yùn)行水位以下，故存在開挖高邊坡穩(wěn)定問題。進(jìn)水塔基礎(chǔ)在庫水長期沖刷、淘蝕作用，及庫水浸泡作用下，該處開挖邊坡存在穩(wěn)定問題，建議對(duì)進(jìn)水塔處邊坡及上部土質(zhì)岸坡進(jìn)行削坡襯砌防護(hù)。

3.2 引渠工程地質(zhì)問題評(píng)價(jià)

引渠段位于進(jìn)水塔與黃河左岸谷底之間，長約171 m。設(shè)計(jì)渠底相對(duì)高程為7.5 m，引渠軸向與黃河河谷近垂直。

1）0-021.5～0-056 段

本段引渠底部主要為奧陶系中統(tǒng)（O2）薄-中厚層深灰色灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、白云巖，塊狀構(gòu)造，巖性較硬。巖體主要為強(qiáng)-弱風(fēng)化，分布相對(duì)高程7.5～50.5 m。引渠上部開挖邊坡巖性為下第三系礫巖夾泥巖層，巖性軟弱，飽和后多呈松散狀態(tài)，飽和單軸抗壓強(qiáng)度多小于1 MPa。邊坡基本位于最高取水位55.5 m以下，引渠下部邊坡相對(duì)較為穩(wěn)定，但上部砂礫巖邊坡遇水性狀變化較大，總體自穩(wěn)能力差。需對(duì)引渠過水?dāng)嗝孢M(jìn)行全面襯砌，并對(duì)上部開挖邊坡進(jìn)行防護(hù)。

2）0-056～0-086 段

本段引渠段底部為砂礫巖，礫巖夾泥巖層巖性軟弱，飽和后多呈松散狀態(tài)，飽和單軸抗壓強(qiáng)度多小于1 MPa。該段存在基礎(chǔ)承載力不足的問題，需進(jìn)行必要的置換處理。邊坡下部為砂礫巖，上部為覆蓋層邊坡，其結(jié)構(gòu)松散，承載力低，抗沖刷能力差，岸坡自穩(wěn)能力差，本段存在開挖邊坡穩(wěn)定及施工涌水問題。

3）0-086～0-167 段

該段引渠位于進(jìn)水塔與岸坡坡腳之間，開挖邊坡主要為中更新統(tǒng)（Q2pl)低液限黏土夾卵石混合土層，其結(jié)構(gòu)松散，抗沖刷能力差，邊坡總體自穩(wěn)能力差。該處地下水位與庫水位聯(lián)系緊密，小浪底庫區(qū)放水后，本段引渠開挖邊坡底部約7～12 m位于地下水位以下，故引渠底部施工開挖存在滲水或少量涌水問題，應(yīng)采取降排水措施，高邊坡應(yīng)設(shè)馬道，并對(duì)上部開挖邊坡進(jìn)行防護(hù)。

4）0-167～0-191.5 段

本段引渠位于岸坡坡腳處及黃河河漫灘處，邊坡地層為全新統(tǒng)（Q4pal)卵石混合土、低液限粉土及淤泥等，其呈松散狀態(tài)，低液限粉土呈軟塑狀態(tài)，低洼處甚至呈流塑狀態(tài)。其結(jié)構(gòu)松散，承載力低，抗沖刷能力差，岸坡自穩(wěn)能力差，本段存在開挖邊坡穩(wěn)定及施工涌水問題。

5）引渠岸坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

引渠段左側(cè)邊坡開挖高度較大，最大開挖邊坡37 m；右側(cè)邊坡最大開挖邊坡16 m。由于取水口位于黃河左岸的凹岸段，該處岸坡較陡，主要為Q2pl低液限黏土夾卵石混合土層土質(zhì)岸坡，其結(jié)構(gòu)較松散，抗沖刷能力差。引渠開挖后將形成較陡邊坡，在河水灣流、淘蝕作用下岸坡穩(wěn)定性差。目前在取水口下游處已產(chǎn)生部分坍塌現(xiàn)象。而且小浪底水庫每年汛期要放水拉沙，在庫水長期沖刷、淘蝕及庫水浸泡作用下，存在岸坡穩(wěn)定問題。建議對(duì)引渠兩側(cè)邊坡及引渠進(jìn)口處上下游河谷側(cè)岸坡進(jìn)行削坡襯砌防護(hù)并設(shè)馬道、坡面和坡體排水設(shè)施。

6）取水口淤積特性

由于黃河含沙量大，每年蓄水期內(nèi)小浪底水庫庫區(qū)內(nèi)將堆積以低液限粉土、淤泥等為主的細(xì)顆粒淤積物。在每年汛期水庫將放水拉沙，庫區(qū)內(nèi)河谷主河槽及其凹岸段處淤積物多數(shù)被水流攜帶走，在低洼及漫灘處形成淤積。因此，取水口存在淤積問題。根據(jù)谷底新近淤積物樣顆分試驗(yàn)成果（表1），其顆粒主要為粉粒，粉粒（0.005～0.075 mm）含量平均值為89.6%，其中粉粒組（0.01～0.05 mm）含量為52.3%、粉沙（0.05～0.075 mm）含量為32.7%。

表1 小浪底庫區(qū)新近淤積物試驗(yàn)成果統(tǒng)計(jì)表

4 結(jié)語

進(jìn)水塔設(shè)計(jì)建基面承載力滿足需要，但建基巖體完整性較差，建議對(duì)建基面及其以下巖體進(jìn)行固結(jié)灌漿處理；進(jìn)水塔基坑開挖邊坡覆蓋層結(jié)構(gòu)松散，砂礫巖膠結(jié)程度低，巖性軟弱，遇水易軟化，且開挖邊坡多位于小浪底水庫設(shè)計(jì)正常運(yùn)行水位以下，故存在開挖邊坡穩(wěn)定問題，開挖時(shí)應(yīng)采取必要的支護(hù)措施；引渠邊坡卵石混合土層結(jié)構(gòu)松散，細(xì)顆粒缺失，局部具架空結(jié)構(gòu)；低液限粉土呈軟塑狀態(tài)，低洼處甚至呈流塑狀，其結(jié)構(gòu)松散，抗沖刷能力差，岸坡自穩(wěn)能力差，需采取必要的處理措施；引渠底部施工開挖時(shí)存在滲水或少量涌水問題，應(yīng)采取降排水措施。