肯尼亞Karimenu Ⅱ大壩庫區(qū)工程地質(zhì)評價

胡 福 軍

(太原理工大學(xué),山西 太原 030024)

1 工程概況

KarimenuⅡ大壩樞紐位于Karimenu河流上游，行政區(qū)劃歸肯尼亞中部加通都地區(qū)克里克鎮(zhèn)，距肯尼亞首都內(nèi)羅畢北部約75 km，主要向羅畢市居佳、如如子區(qū)供水。庫水回水范圍內(nèi)，壩址以上主河道長約5 km，最大淹沒面積135×104m2。大壩壩型為均質(zhì)土壩，水庫總庫容2 821萬m3，壩頂長400 m，壩頂寬10 m，壩頂高程1 859.0 m，最大壩高58 m。Karimenu河位于阿伯德爾山脈南部的斜坡，流域面積是105 km2，屬于肯尼亞最長河流Tana河的二級支流。Karimenu河位于肯尼亞的濕潤～半濕潤農(nóng)業(yè)氣候區(qū)，流域年平均降水量為1 420 mm，年平均溫度約為18 ℃～14 ℃，月年平均溫度變化幅度為11.6 ℃。

2 庫區(qū)工程地質(zhì)條件

2.1 地形地貌

庫區(qū)地貌類型為河流峽谷地貌。Karimenu河谷兩岸地勢稍陡，地形起伏較大，兩岸高程在1 870 m～1 880 m之間，回水范圍內(nèi)，河谷底高程1 800 m～1 860 m，相對高差約60 m。Karimenu河谷呈底部較為寬敞的“V”型谷，由庫尾到壩址上游600 m處，庫區(qū)由3條～4條支溝組成，主河道位于庫區(qū)北側(cè)，主河道河流總體流向為SE向，由壩址到其上游600 m處，河流呈“S”型。庫區(qū)河谷兩岸沖溝發(fā)育不多，均呈“V”字型，谷底寬敞，溝坡稍陡。庫區(qū)河谷底寬度多在50 m～90 m之間，兩岸高度60 m～70 m，坡度為11°～27°。溝床兩岸堆積階地不甚發(fā)育，僅不連續(xù)發(fā)育Ⅰ級基座階地，階面寬0 m～70 m。

2.2 地層巖性

庫區(qū)地層涉及第四系土層和第三系巖層，巖性由老至新為：①第三系火成巖：T-1層厚層的熔結(jié)凝灰?guī)r；T-2層低液限粉土、級配不良砂、礫互層；T-3層厚層～巨厚層火山角礫巖與熔結(jié)凝灰?guī)r為主，局部分布有巨厚層角閃粗面巖透鏡體；②第四系上更新統(tǒng)坡洪積層：主要為褐紅、棕紅色高液限粘土，下部含有較多鈣質(zhì)結(jié)核及少量礫石，分布于高原表部及溝谷兩岸坡，厚度0 m～30 m；③第四系全新統(tǒng)洪沖積層：主要由高液限粘土、高液限粉土組成，松散，軟塑～流塑狀，分布于Karimenu河谷底部與 Ⅰ 級基座階地，厚0 m～8 m。

2.3 地質(zhì)構(gòu)造

庫區(qū)地質(zhì)構(gòu)造簡單，斷裂構(gòu)造不發(fā)育，庫區(qū)構(gòu)造主要受東非大裂谷控制。庫區(qū)巖層層理不明顯。巖體內(nèi)主要發(fā)育2組節(jié)理裂隙，均屬構(gòu)造裂隙，①N40°～60°E/NW(或SE)∠35°～65°；②N30°～50°W/SW(或NE)∠35°～85°。

2.4 水文地質(zhì)條件

庫區(qū)地表徑流主要是以Karimenu河為主的常年性水流，其來源為大氣降水及兩岸補(bǔ)給。地下水以火成巖裂隙水為主，排泄方向以Karimenu河為排泄基準(zhǔn)面，向河床及其下游排泄。

由于庫區(qū)兩岸松散覆蓋層堆積厚度達(dá)10 m～25 m，分布面積較廣，故含有一定量的孔隙型上層滯水。河谷底部的第四系全新統(tǒng)粘性土厚度較薄，水的賦存量也較為有限?？紫端饕植加贙arimenu河河道和山間谷地，其補(bǔ)給條件除大氣降水外，尚有地表水及其他含水巖系的補(bǔ)給，排泄方向為Karimenu河下游。

3 庫區(qū)工程地質(zhì)評價

3.1 庫區(qū)滲漏

從構(gòu)成庫區(qū)的巖性條件來看，庫岸由第四系上更新統(tǒng)坡洪積褐紅、棕紅色高液限粘土構(gòu)成，土質(zhì)滲透性微弱，可視為庫岸隔水層，庫區(qū)溝谷底部雖有火成巖出露，但其滲透性較弱，在水庫蓄水初期將被淤積物淹埋，難以構(gòu)成向外的滲漏通道；從庫區(qū)的地形、地貌方面來看，庫區(qū)兩側(cè)有平行或近于平行的溝谷，但受庫區(qū)地表厚層高液限粉土層隔水作用，庫水難以向兩側(cè)溝谷進(jìn)行滲漏；從地質(zhì)構(gòu)造條件來看，由于庫區(qū)構(gòu)造作用不明顯，未發(fā)現(xiàn)大的構(gòu)造帶，因此也不存在滲漏通道，從而形成庫區(qū)較為優(yōu)越的儲水條件。綜上所述，庫區(qū)整體上不存在永久性滲漏。

3.2 庫區(qū)浸沒

當(dāng)水庫蓄水至正常蓄水位時，回水長度約5.25 km，正常蓄水位以下無村莊及重要礦產(chǎn)。正常蓄水位以上、以下有大量的溝邊耕地。

浸沒地下水臨界埋深按照式(1)計算：

HCR=HK+ΔH

(1)

其中，HCR為浸沒地下水臨界埋深，m；HK為土壤毛細(xì)水最大上升高度，m；ΔH為安全超高值，m。

據(jù)豎井資料，毛細(xì)水最大上升高度1.6 m。對安全超高值農(nóng)業(yè)區(qū)(農(nóng)作物根系深度)取1.0 m，居民區(qū)(建筑物基礎(chǔ)埋置深度)取1.5 m。則浸沒地下水臨界埋深：農(nóng)業(yè)區(qū)為2.6 m，居民區(qū)為3.1 m。

水庫兩岸由松散層構(gòu)成，兩岸農(nóng)田呈斜坡狀展布，地面高程1 855.0 m～1 857.6 m范圍內(nèi)農(nóng)田在水庫蓄水后將會受到浸沒影響。兩岸地面高程在1 855.0 m～1 858.1 m范圍內(nèi)的村莊，如左岸的村莊部分近庫房屋以及右岸的教堂、小學(xué)校在水庫蓄水后也將會受到浸沒影響。

3.3 庫岸穩(wěn)定

庫區(qū)回水范圍內(nèi)，兩岸坡體多數(shù)被松散土質(zhì)覆蓋，坡體坡度稍陡，一般為20°～25°，植被發(fā)育。在水庫蓄水后，兩岸坡土體受水浸潤，坡腳失穩(wěn)，在庫水變化及浪蝕的作用下，存在坍岸問題。

根據(jù)左、右兩岸坡地形地貌，選用具有代表性的幾條工程地質(zhì)剖面，引用均質(zhì)庫岸最終坍岸寬度計算公式(2)預(yù)測坍岸寬度。由于水庫部分地段兩岸為土層下有基巖凸起的岸坡，且基巖坡角大于水下穩(wěn)定坡角(約12°)，故可采用式(3)進(jìn)行坍岸寬度估算預(yù)測。

St=N[(A+hp+hB)ctgα+(H-hB)ctgβ-(A+hp)ctgγ]

(2)

St=N[(H-hB)ctgβ+(B+hB)ctgφ]

(3)

其中，St為經(jīng)修正后的坍岸帶最終寬度，m；N為與土的顆粒大小有關(guān)的系數(shù)；A為庫水位變化幅度，m，其值為h1與h2的差值；hp為波浪沖刷深度，m；hB為波浪爬高，m；H為正常蓄水位以上岸坡高度，m；α為淺灘沖刷后水下穩(wěn)定坡角,(°)；β為岸坡水上穩(wěn)定坡角,(°)；γ為原始岸坡坡角，(°)；h1為設(shè)計水庫正常蓄水位，取1 855.0 m；h2為設(shè)計低水位(消落水位)，取1 833.0 m；B為坍岸預(yù)測起點處基巖埋深，m；φ為基巖面坡角，(°)。

庫區(qū)土質(zhì)岸坡坍岸帶來的影響是坍岸造成的固體物質(zhì)使水庫淤積而侵占庫容。建議對土質(zhì)岸坡進(jìn)行有效防護(hù)處理。以上所估算的坍岸寬度為最終坍岸的值，水庫實際使用年代有限，僅數(shù)十年，在運行期內(nèi)庫岸的坍岸寬度一般達(dá)不到預(yù)測值，并且?guī)靺^(qū)兩岸植被茂密，根系發(fā)達(dá)，在一定程度上有助于庫岸穩(wěn)定，減小坍岸方量。

3.4 水庫淤積

Karimenu水庫庫區(qū)上游河谷兩岸均有松散土層覆蓋，雨季時兩岸坡土體受沖刷，雨水?dāng)y帶較多泥砂進(jìn)入河谷，同時岸坡土體可能還會產(chǎn)生少量坍塌，庫區(qū)會有一定量的淤積。

3.5 水庫誘發(fā)地震

水庫誘發(fā)地震是水庫可能出現(xiàn)的工程地質(zhì)問題之一，它主要是由于水庫的興建，改變了水庫周圍的地質(zhì)環(huán)境所致，一旦產(chǎn)生水庫誘發(fā)地震，將有可能影響建筑物的安全。根據(jù)水庫的具體條件，對其產(chǎn)生誘發(fā)地震的可能性進(jìn)行分析：

1)水庫區(qū)地表主要由第四系上更新統(tǒng)粘土組成，下伏地層是厚度較大的第三系火山碎屑巖，為塊狀軟質(zhì)巖石，不具備應(yīng)力集中的物質(zhì)基礎(chǔ)，庫區(qū)無區(qū)域性斷層通過，無構(gòu)造破碎帶，地層的含水或?qū)芰Σ?，形成庫水通往地質(zhì)體深部通道的可能性很小，因此，因水庫誘發(fā)構(gòu)造型地震的可能性很小。2)庫區(qū)及鄰近地區(qū)無大面積的碳酸巖或地下采空區(qū)分布，不具備發(fā)生非構(gòu)造型水庫誘發(fā)地震的基本條件。3)據(jù)統(tǒng)計，誘發(fā)地震多發(fā)生于壩高大于100 m、庫容大于10億m3的大型水庫。本水庫為中型水庫，最大壩高度為52 m，所產(chǎn)生的靜水壓力較小。4) 庫壩區(qū)無溫泉、地?zé)岬犬惓，F(xiàn)象。從以上分析看，本工程水庫蓄水后誘發(fā)地震的可能性較小。

4 結(jié)論與建議

綜合以上分析可得，研究水庫位于火山巖區(qū)，無永久性滲漏問題，水庫誘發(fā)地震的可能性較小，庫區(qū)存在浸沒問題，水庫有一定量的淤積。庫區(qū)局部會存在兩岸土質(zhì)岸坡坍岸等失穩(wěn)問題，但范圍較小，不會對大壩安全造成威脅。但由于水利工程與環(huán)境條件相互作用的復(fù)雜多變性，建議加強(qiáng)地質(zhì)環(huán)境和施工的監(jiān)測工作，發(fā)現(xiàn)問題及時處理，同時采取工程措施消除安全隱患。

1)挖除全新統(tǒng)覆蓋層將壩基置于基巖強(qiáng)風(fēng)化層，并在強(qiáng)風(fēng)化層設(shè)置截水槽或進(jìn)行結(jié)合帷幕灌漿處理。壩基進(jìn)行帷幕灌漿防滲，也可在壩前設(shè)粘土層輔蓋以減少滲漏量；對上下游圍堰堰基進(jìn)行防滲處理，將溢洪道基礎(chǔ)置于基巖；2)對大 壩工程庫區(qū)布設(shè)排滲和疏干工程來有效降低地下水位，對于周邊的農(nóng)耕區(qū)，應(yīng)結(jié)合實際情況調(diào)整農(nóng)作物種類；3)對水庫進(jìn)行定期的地震觀測，出現(xiàn)微震時及時調(diào)查消除誘因，保證水庫安全運行；4)加強(qiáng)河流周邊的水土保持工作，植樹造林，加固庫岸。