商州區(qū)草廟溝水庫地質(zhì)勘察分析

王 婷,任延波

(1.商洛市商州區(qū)水利局,陜西 商洛 726000；2.商州區(qū)惠眾農(nóng)村供水有限公司,陜西 商洛 726000)

1 概 況

位于陜西省商洛市商州區(qū)城關(guān)街道辦事處傅村的草廟溝水庫建于1960年4月，水庫壩址以上控制流域面積2.75 km2，總庫容22.9萬m3，其中興利庫容13.0萬m3，滯洪庫容7.1萬m3，死庫容2.8萬m3。是一座以防洪為主，兼灌溉、養(yǎng)殖、旅游、供水等綜合利用的小(2)型水庫[1]。草廟溝水庫樞紐工程由黏土心墻堆石壩、開敞式溢洪道、臥管式放水洞三部分組成，水庫為Ⅴ等工程。工程區(qū)溝谷發(fā)育，地形相對陡峻，植被較差，大部分地段巖石裸露。構(gòu)造相對穩(wěn)定。

2 庫壩區(qū)工程地質(zhì)條件

2.1 地形地貌

水庫位于黃沙河中游河段，庫區(qū)回水長度約0.4 km，庫壩區(qū)河谷呈“V”型發(fā)育，谷底寬15～30 m，高程680～685 m；河谷兩岸斜坡高度大于30 m，左岸大部分地段基巖裸露，坡面傾角35°～40°，右岸坡面平緩，坡面傾角15°～20°，多為坡地和臺地。河谷兩岸斜坡基本穩(wěn)定。無不良地質(zhì)現(xiàn)象。

2.2 地層巖性和巖體風化卸荷特征

根據(jù)地質(zhì)調(diào)查，壩區(qū)出露地層按巖土現(xiàn)場鑒定特征和工程地質(zhì)性能，分為淤泥質(zhì)土①、碎石土②、素填土③、碎石土④、粉質(zhì)壤土⑤、礫巖夾粉砂巖⑥六個工程地質(zhì)單元。兩壩肩巖體表面強風化帶的水平寬度3.0～4.0 m，垂直厚度4.0～5.0 m，河床巖體表面強風化帶的垂直厚度1.0 m左右。岸邊斜坡卸荷帶的水平寬度與強風化帶寬度比較接近。

2.3 水文地質(zhì)條件

工程勘察期間庫水水位高程694.4 m，河谷兩岸地下水補給庫水，庫壩區(qū)地下水按含水層巖性分為孔隙潛水和基巖裂隙水兩種類型，孔隙潛水的含水層為坡～洪積碎塊石，粉質(zhì)黏土，粉土質(zhì)礫。基巖裂隙水含水層為強～弱風化礫巖夾粉砂巖。地下水的主要補給來源為大氣降水，以下降泉和滲流形式補給河水或向下游河道排泄。本次取地下水和地表水各一組，進行了水質(zhì)分析，地下水和河水均屬低礦化度的淡水。地下水水化學類型為HCO3-—Mg2+—Ca2+，地下水和地表水對普通硅酸鹽水泥無腐蝕性。

3 水庫工程地質(zhì)條件分析評價

3.1 庫岸邊坡的穩(wěn)定性

庫區(qū)河谷兩岸大部分地段基巖裸露，局部緩坡有粉質(zhì)壤土覆蓋，岸邊斜坡主要由強～弱風化的礫巖夾砂頁巖組成，坡面傾角30°～40°，水庫運行50 a，沒有出現(xiàn)不良地質(zhì)現(xiàn)象，庫岸邊坡基本穩(wěn)定。

3.2 水庫滲漏

庫區(qū)地形封閉，庫盆主要由礫巖夾粉砂巖組成，弱～微風化巖體，微透水。庫區(qū)兩岸地下水位高于庫水位，地下水補給庫水，水庫滲漏不存在。

3.3 水庫浸沒和淤積

庫區(qū)回水長度約400 m，庫內(nèi)無耕地，植被覆蓋較好，不存在浸沒問題，洪水攜帶的泥沙、碎石是水庫淤積物主要來源，水庫運行50 a淤積量約2.8萬m3，死庫容已淤滿。

3.4 溢洪道的工程地質(zhì)條件

溢洪道位于大壩左岸，開挖于壩肩基巖斜坡上。溢洪道長132.50 m，進口高程699.87 m，側(cè)墻及槽底采用漿砌石襯砌，砌石表面風化較為強烈，側(cè)墻中下部有裂縫，勾縫砂漿局部脫落，槽底砌石凹凸不平。溢洪道左側(cè)為巖質(zhì)高邊坡，坡面傾角大于60°，坡高約30 m；出口無消能設(shè)施。

泄洪槽底及兩側(cè)邊坡巖體為強風化的礫巖夾粉砂巖，巖體的基本質(zhì)量級別Ⅳ級，承載力特征值fa k=350 kPa，變形模量E0=23～25 MPa，允許不沖流速V=2.0～2.5，沖刷系數(shù)1.8～2.0。

溢洪道進口左側(cè)邊坡，高約30 m，坡面傾角大于60°，巖性為由礫巖夾粉砂巖組成，斜坡表面巖體破碎有松動危石，穩(wěn)定性差，建議削坡噴護。建議溢洪道出口增設(shè)消力池。消力池建基面選擇弱風化礫巖夾砂頁巖。弱風化巖體承載力特征值fa k=800 kPa，變形模量E0=600 kPa。

3.5 放水設(shè)施工程地質(zhì)條件

放水設(shè)施位于大壩右岸，由臥管及放水涵洞組成，砌石結(jié)構(gòu)，臥管年久失修，局部已損壞，無閘門，不能控制放水。放水涵洞長35 m，為0.30 m×0.48 m半圓拱漿砌石拱洞，出口處無排水渠道。

臥管為貼坡式，基礎(chǔ)為弱風化的礫巖夾砂頁巖，巖體的基本質(zhì)量級別Ⅳ級，承載力特征值fa k=800 kPa，變形模量E0=0.8 GPa。

根據(jù)勘探試驗資料分析，放水建筑物臥管河涵洞地基持力層為強風化的礫巖，強風化巖體垂直厚度1.0～1.5 m，巖體的基本質(zhì)量級別Ⅳ級，承載力特征值fa k=350 kPa，變形模量E0=23～25 MPa，放水洞進出口邊坡基本穩(wěn)定。

4 壩基工程地質(zhì)條件

4.1 壩 基

根據(jù)地質(zhì)調(diào)查和勘探試驗資料分析，大壩施工時清除了河床表面覆蓋④碎石土，壩基開挖了深1.5～2.0 m的防滲結(jié)合槽，壩基礫巖夾粉砂巖表面強風化帶垂直厚度1.5 m左右。防滲結(jié)合槽建基面為弱風化粉砂巖。強風化巖體的基本質(zhì)量級別為Ⅴ級，抗剪斷強度指標φ=26.0°,C=80 kPa，透水率q>10 Lu，中等透水性；弱風化巖體，基本質(zhì)量級別為Ⅳ級，抗剪斷強度指標φ′=30°,C′=150 kPa，透水率q=6.3～8.5 Lu。壩基巖體工程地質(zhì)條件良好，壩基滲漏不存在。

壩前水庫淤積層淤泥質(zhì)土①層厚12.0～13.0,根據(jù)工程地質(zhì)類比淤泥質(zhì)土①物理力學指標建議值為：密度ρ=1.60 g/cm3，含水量ω=26%，滲透系數(shù)Kh=8×10-5cm/s?？辜魪姸戎笜耍害铡?9°，c′=10 kPa。

4.2 壩 肩

兩岸壩肩邊坡由(K1dh)礫巖夾粉砂巖組成，左壩肩邊坡坡面傾角45°～50°，邊坡表面強風化帶垂直厚度3.0 m左右。右岸壩肩邊坡坡面傾角15°～25°，邊坡表面強風化帶的垂直厚度約2.0 m，強風化巖體的基本質(zhì)量級別為Ⅴ級，透水率q>10 Lu，中等透水。弱風化巖體基本質(zhì)量級別為Ⅳ級，透水率q=6.3～8.5 Lu，弱透水。兩壩肩地下水位高于設(shè)計庫水位高程。根據(jù)地質(zhì)調(diào)查和勘探試驗資料分析，左壩肩滲水與壩肩斜坡較陡有關(guān)，壩肩沒有開挖接合槽存在碾壓不實的松軟土有關(guān)，建議灌漿處理，帷幕下限應深入弱風化巖體2.0～3.0 m。

5 壩體填筑質(zhì)量分析評價

5.1 大壩防滲心墻

大壩采用黏土心墻防滲，心墻頂寬2.5 m，底寬16 m。上游坡比1∶0.3，下游坡比1∶0.2，填筑土料以粉質(zhì)黏土為主。本次布置鉆孔2個，取原狀土樣9組，擾動土樣1組。室內(nèi)顆粒分析試驗定名為低液限黏土。心墻填筑素填土③黏粒含量21.7%～32.0%，平均值27.1%，塑性指數(shù)Ip=14.8～21.0，平均值17.2。大壩防滲心墻填筑土料的質(zhì)量符合《水利水電工程天然建筑材料勘察規(guī)程》(SL 251—2015)[2]的要求標準。防滲土料的質(zhì)量評價如表1。

表1 壩體土料質(zhì)量評價

從室內(nèi)土工試驗資料的統(tǒng)計成果來看。壩體防滲墻素填土③的干密度ρd=1.45～1.72 g/cm3，壓實度p=81%～95%，壓實度樣品檢測合格率為44%，防滲心墻素填土③滲透系數(shù)：水平Kh=5.52×10-5cm/s，垂直Kv=2.51×10-5cm/s，未達到規(guī)范要求<1×10-5cm/s。壩體心墻存在的主要問題是防滲效果差。

5.2 壩體填筑質(zhì)量

壩體填筑料以坡積碎石土為主，從室內(nèi)顆粒分析試驗成果表2來看，碎石土粗粒(粒徑>5 mm顆粒)含量為64.5%～67.5%,含砂量平均值為27%，細粒含量平均值為3.8%。按室內(nèi)顆分資料壩體填筑碎石土定名為碎石混合土，壩體填筑料的質(zhì)量評價表如表3。

表2 碎石土現(xiàn)場密度測試成果

根據(jù)壩體土的現(xiàn)場密度測試資料分析，壩體填筑碎石土的干密度ρd=1.82～1.87 g/cm3，平均干密度ρd=1.85 g/cm3，相對密度Dr=0.47～0.58，壓實度沒有達到《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》(SL 274—2020)[3]要求的填筑標準(Dr≥0.70)。

表3 壩體填筑石渣料的質(zhì)量評價

5.3 壩體填筑質(zhì)量綜合分析和建議

根據(jù)勘察試驗資料綜合分析，壩體填筑質(zhì)量沒有達到規(guī)范SL 274—2020要求，建議對壩體穩(wěn)定性進行復核，壩體穩(wěn)定復核的物理力學指標根據(jù)勘察試驗資料與同類工程比較建議如下：

(1)碎石土②：密度ρ=2.04 g/cm3，內(nèi)摩擦角φ=32°，黏聚力c=5 kPa，滲透系數(shù)K=4.0×10-2cm/s。碎石土②與壩基巖面摩擦系數(shù)f=0.50。允許水力比降i=0.12～0.15。

(2)素填土③：浸潤線以上密度ρ=1.99 g/cm3；浸潤線以下ρsr=2.02 g/cm3。滲透系數(shù)：水平Kh=5.52×10-4cm/s，垂直Kv=2.51×10-5cm/s。抗剪強度：有效應力指標φ′=21°，c′=12.0 kPa?？倯χ笜甩?15°，c=21.0 kPa。

(3)礫巖夾粉砂巖⑥巖體物理力學指標的建議值如表4。

表4 壩區(qū)巖體物理力學指標建議值

6 結(jié) 論

(1)草廟溝水庫庫壩大部分地段基巖裸露。庫區(qū)地形封閉，庫區(qū)兩岸地下水位高于設(shè)計庫水位，庫岸邊坡基本穩(wěn)定，水庫滲漏不存在。

(2)根據(jù)勘探資料分析，壩基、壩肩地層為(K1dh)礫巖夾粉砂巖，壩基、壩肩巖體工程地質(zhì)條件較好，但在左壩肩邊坡較陡，壩肩結(jié)合部位存在碾壓不實的松軟土，有滲水。

(3)大壩存在的主要問題是，碾壓質(zhì)量差，滲透系數(shù)大于1×10-5cm/s。壩殼填筑碎石土相對密度Dr=0.47～0.38，未達到規(guī)范要求標準(Dr≥0.70)。