北方某平原水庫工程地質(zhì)問題分析

張海濤

（河北省水利水電勘測設計研究院，石家莊050081）

1 工程概況

某水庫位于太行山東麓，屬山前平原河谷地貌形態(tài)。庫區(qū)范圍內(nèi)地形較為平坦，總體西北高，東南低。水庫所在的封龍河屬洨河二級支流，為季節(jié)性河流。庫區(qū)北側為某科技園，高出河床5～6m，南側階地不明顯。工程區(qū)地震基本烈度7°。無斷裂及地裂縫通過。地下水埋深6.8～8.3m，為第四系孔隙潛水，主要由大氣降水和上游水庫放水滲透補給。庫區(qū)地層巖性主要為下元古界甘陶河群南寺掌組下段（Ptn1）的石英砂巖、第四系全新統(tǒng)沖洪積（）黏土、壤土、砂壤土、粗砂、礫砂等。

2 工程地質(zhì)存在的問題

2.1 庫區(qū)滲漏

庫區(qū)表層壤土具弱透水性，在壤土層下部有一貫通的礫砂層，該層具強透水性且分布連續(xù)，一般埋深6～8m，層頂高程79～83m，最淺埋深僅1.6m，頂高程85.1m。水庫設計庫底高程85.0m，即該礫砂層頂位于設計庫底附近，甚至局部高于庫底，地下水位于礫砂層中，是庫區(qū)滲漏的主要通道。

2.2 庫岸穩(wěn)定問題

庫區(qū)北側和西側為已建岸坡，西側邊坡為漿砌石防護，經(jīng)過多年的運用，處于穩(wěn)定狀態(tài)，故本次只考慮北邊坡的穩(wěn)定問題。

北側邊坡巖性為雜填土（Qs），厚5.6～7.2m，雜填土中含有約40%～60%的建筑垃圾，其余充填為壤土，現(xiàn)狀邊坡坡比1∶1.2，為庫區(qū)相對不穩(wěn)定區(qū)域，在庫水浸潤及波浪沖蝕作用下易產(chǎn)生坍塌，造成岸坡不穩(wěn)。

2.2.1 邊坡塌滑區(qū)范圍估算

邊坡塌滑區(qū)范圍根據(jù)GB50330—2013 《建筑邊坡工程技術規(guī)范》，計算結果如式（1）：

式中L為邊坡坡頂塌滑區(qū)外緣至坡底邊緣的水平投影距離（m）；H為邊坡高度（m），取5m；θ為坡頂無荷載時邊坡的破裂角（°），斜面土質(zhì)邊坡?。é?φ）/2，β為坡面與水平面的夾角，取39°（邊坡坡比1∶1.2），φ為土體內(nèi)摩擦角，計算選取兩個斷面，分別取22°和24°。

選取斷面Ⅶ-Ⅶ′，Ⅷ-Ⅷ′進行計算，最大塌滑寬度取8.5m，結果如表1。

表1 邊坡塌滑范圍計算

2.2.2 邊坡穩(wěn)定性評價

邊坡巖性主要為黏性土，黏性土邊坡的滑動方式多為圓弧形，根據(jù)GB50330—2013《建筑邊坡工程技術規(guī)范》，對邊坡穩(wěn)定性進行判定，計算如式（2）：

式中Fs為邊坡穩(wěn)定性系數(shù)；ci為第i計算條塊滑面黏聚力（kPa），取19；φi為第i計算條塊滑面內(nèi)摩擦角（°），取22°；li為第i計算條塊滑面長度（m），按每滑塊水平寬度0.85m折算為0.96m；θi為第i計算條塊滑面傾角（°），滑面傾向與滑動方向相同時取正值，滑面傾向與滑動方向相反時取負值，取28°；Ui為第i計算條塊滑面單位寬度總水壓力（kN/m），現(xiàn)狀地下水位低于87m高程，取0；水庫蓄水后，水位高程87m，假設邊坡不做防滲，考慮毛細水上升高度，按1.55m計，則取25.5；Gi為第i計算條塊單位寬度自重（kN/m），按li=1.0、γi=18.5計算，取18.5；Gbi為第i計算條塊單位寬度豎向附加荷載（kN/m）；向下方時取正值，向上方時取負值；圍墻寬度按0.4m、高度按2.2m計，磚墻重度按18kN/m3計，則Gbi=15.84，此附加荷載僅出現(xiàn)在第⑥條塊中 （如圖1）；Qi為第i計算條塊單位寬度水平荷載（kN/m）；方向指向坡外時取正值，指向坡內(nèi)時取負值；由于劃分的10個條塊均位于臨空面內(nèi)側，均取正值；每個條塊按其自重的0.4取值，計7.4；hwi，hw，i-1為第i及i-1計算條塊滑面前端水頭高度，考慮浸潤線弧度，自坡外向坡內(nèi)均按0.2m遞減，第⑩條塊按2m計；γw為水的重度，取10kN/m3；n為條塊數(shù)量，取10。

圖1 邊坡穩(wěn)定計算

計算結果為：蓄水前，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)FS=1.510；蓄水后，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)FS=0.863。

水庫建成后北邊坡高5m，邊坡工程安全等級為2級，根據(jù)GB50330—2013《建筑邊坡工程技術規(guī)范》劃分，如表2。

表2 邊坡穩(wěn)定性狀態(tài)劃分

作為永久邊坡，一般工況下，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)FSt為1.30。水庫蓄水后，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)降為0.863，小于1.00，成為不穩(wěn)定邊坡。

2.3 水庫浸沒

水庫蓄水后，庫區(qū)周圍地面高程和起伏變化是決定能否產(chǎn)生浸沒及其浸沒范圍的主要因素，另外地層巖性及其周邊的水文地質(zhì)條件也是影響浸沒的重要因素。根據(jù)GB50487—2008《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》，判定是否符合浸沒條件，當預測的蓄水后，地下水埋深值小于浸沒的臨界地下水埋深時，即可判定為浸沒區(qū)。

2.3.1 北堤浸沒區(qū)北堤以外為某科技園，地面高程92m，遠高于水庫正常蓄水位87.0m，不存在浸沒問題。

2.3.2 南堤浸沒區(qū)

水庫蓄水后，正常蓄水位為87.0m，對南堤鉆孔12，13，12～13中間，21，22，21～22之間距離21孔15，25m共7個點進行了計算，結果得出，距離圍堤10m以內(nèi)均易發(fā)生浸沒，距離14m以上不易發(fā)生浸沒。

2.4 地基液化

工程區(qū)為7°，根據(jù)鉆孔標準貫入試驗數(shù)據(jù)，對初判為可液化層的砂壤土、中砂、粗砂、礫砂層進行復判，并根據(jù)GB50011—2010《建筑抗震設計規(guī)范》計算各鉆孔液化指數(shù)。經(jīng)計算，南圍堤表層的砂壤土和北圍堤埋深8.5m以下的粗砂層均具中等液化，對壩基穩(wěn)定不利。

3 工程地質(zhì)問題

3.1 庫區(qū)滲漏

水庫蓄水后可能會產(chǎn)生管涌、流土等滲透破壞，庫區(qū)主要透水層為連續(xù)分布的礫砂層，礫砂層上部為相對隔水的壤土層，可將淺部礫砂層替換為相對隔水的巖土層。采取水平鋪蓋和垂直防滲墻結合的防滲處理。

3.2 庫岸穩(wěn)定

平原水庫蓄水后，庫岸失穩(wěn)最主要的破壞形式是滑坡，工程設計時應設計合理的永久開挖坡比，或采取抗滑支擋措施，確保邊坡穩(wěn)定，避免滑坡帶來的次生災害。

3.3 浸沒

防滲墻作用主要是截斷地下水、延長滲徑。截滲溝要穿透上部的壤土層，溝底直達砂層，主要是降低地水水位，減低承壓水頭，達到治理浸沒的目的。

為防止庫區(qū)外農(nóng)田浸沒、鹽漬化等問題，建議采用堤體防滲墻結合壩后截滲溝的綜合處理方式。

3.4 地基液化

南圍堤表層砂壤土埋深較淺，可在筑堤時采取強夯、 振沖加密等抗液化處理措施。北圍堤埋深8.5m以下的粗砂層可采取振沖碎石樁、灌漿膠結法等方式，也可結合圍堤設置防滲墻，減少庫水入滲流量。

4 結語

（1）平原水庫主要的地質(zhì)問題是滲漏和地基穩(wěn)定問題。滲漏問題除了庫區(qū)滲漏外，還包括由滲漏引起的浸沒、滲透穩(wěn)定等問題，但通過換填、垂直防滲墻，以及在壩后設置截滲溝等工程措施，可有效地減少水庫滲漏，預防浸沒、滲透破壞等地質(zhì)問題。

（2）通過采取強夯、振沖碎石樁等措施，可解決地基的液化問題。