南北晉水庫壩基工程地質(zhì)條件及評價

徐紅清

（山西省水利水電勘測設(shè)計研究院，山西 太原 030024）

1 概況

南北晉水庫工程擬建于夏縣東北青龍河支流南北晉河上，該工程是以農(nóng)村生活、灌溉用水為主，兼顧防洪等綜合利用的小型水庫。壩址位于夏縣南大里鄉(xiāng)北晉村東約1.5 km的南北晉河上，主河道長10.1 km，壩址以上控制流域面積18.1 km2。擬建大壩為堆石混凝土重力壩，設(shè)計最大壩高61.65m，壩頂高程580.65m，總庫容111萬m3。壩址處河谷底寬15～20m，主河槽靠近左岸。谷底地形起伏不平，地面高程531～535m。兩岸岸坡山頂高程650m，相對高差110～130m。河谷斷面呈“U”型。

2 壩基工程地質(zhì)條件

2.1 壩基覆蓋層工程地質(zhì)特性

河谷中覆蓋層為第四系全新統(tǒng)洪沖積卵石混合土，結(jié)構(gòu)松散，分選較差，卵礫石成分主要為花崗巖、片麻巖，粒徑10～30 mm，磨圓度較差，呈棱角狀，細粒多為粉細砂，礦物成分為長石、石英、云母及巖屑等。據(jù)現(xiàn)場卵石混合土層滲水試驗資料，卵石混合土層的滲透系數(shù)為15.3m/d，為強透水層。

2.2 壩基基巖工程地質(zhì)特征

壩址區(qū)南北晉河兩岸出露基巖為太古界涑水群北莊組（Asb）灰黑色黑云斜長角閃片麻巖。

由巖石物理力學測試結(jié)果可知，壩基中黑云斜長角閃片麻巖單軸飽和抗壓強度為48.2～80.5 MPa，為中硬—堅硬巖；軟化系數(shù)為0.62～0.91；變形模量為（4.55～6.60）×104MPa；飽和抗剪強度指標凝聚力為4.68～9.38 MPa；內(nèi)摩擦角 40.9°～49.4°。

根據(jù)鉆孔聲波試驗成果，北莊組（Asb）灰黑色黑云斜長角閃片麻巖強風化巖體縱波波速為2344～5405m/s，黑云斜長角閃片麻巖弱風化及新鮮巖體縱波波速為 3226～5556m/s。

綜合分析，壩基和壩肩巖體分類為Ⅲ~Ⅳ類。

3 壩基工程地質(zhì)問題及評價

3.1 壩基抗滑穩(wěn)定性

河谷段壩基持力層為北莊組（Asb）弱風化片麻巖巖體，巖體中主要發(fā)育北東和北西向兩組高傾角節(jié)理裂隙，軟弱結(jié)構(gòu)面不發(fā)育，巖體抗滑穩(wěn)定性較好。壩基抗滑穩(wěn)定控制結(jié)構(gòu)面主要為建基面。

另外，壩址下壩腳線下游約40m處發(fā)育F2正斷層，破碎帶寬30m，斷距約45m，壩體位于F2斷層下盤。初步認為F2斷層對壩基巖體穩(wěn)定有一定影響，建議必要時進行處理。根據(jù)鉆孔資料，河床底部基巖埋深在斷層處突然變大，形成臨空面，對壩基巖體穩(wěn)定不利。因此，壩體開挖后應視巖體情況采取措施，確保壩基巖體穩(wěn)定。

根據(jù)工程經(jīng)驗類比，河谷壩段建基面抗滑穩(wěn)定性參數(shù)建議值：混凝土與弱風化片麻巖抗剪斷強度f′=0.7～0.9，c′=0.6～0.7 MPa，抗剪強度 f=0.55；飽和弱風化片麻巖抗剪斷強度 f′=0.7～0.8，c′=0.6～0.7 MPa，抗剪強度f=0.60。副壩段建基面抗滑穩(wěn)定性參數(shù)建議值：混凝土與弱風化片麻巖抗剪斷強度 f′=0.5～0.65，c′=0.5～0.6 MPa，抗剪強度f=0.5；飽和弱風化片麻巖抗剪斷強度 f′=0.5～0.7，c′=0.5～0.6 MPa，抗剪強度 f=0.55。

3.2 壩基滲漏

壩址河谷覆蓋層為第四系全新統(tǒng)洪沖積卵石混合土，結(jié)構(gòu)松散，多具強透水性，下伏基巖主要為北莊組（Asb）灰黑色黑云斜長角閃片麻巖，強風化層多具中等透水性，為壩基滲漏層位。弱風化層多具微—弱透水性，為相對隔水層。故壩基第四系覆蓋層與北莊組強風化黑云斜長角閃片麻巖構(gòu)成壩基滲漏層位，存在壩基滲漏問題。

據(jù)壩址所布鉆孔壓（注）水試驗數(shù)據(jù)可知，壩基第四系全新統(tǒng)洪沖積卵石混合土滲透系數(shù)為15.3m/d，具強透水性；強風化基巖滲透系數(shù)為0.93～1.03m/d，具中等透水性，為滲漏層位；弱風化片麻巖巖體透水率為3.4～6.9 Lu，具弱透水性，為隔水層層位，采用相關(guān)公式對壩基滲漏量進行估算。

經(jīng)計算，水庫在正常蓄水位578.0m時，壩基覆蓋層滲漏量為382.2m3/d，基巖滲漏量為722.1m3/d。建議對壩基巖體進行帷幕灌漿處理，深度應進入弱風化片麻巖巖體中6～8m。

3.3 基坑開挖及基坑涌水

壩基松散巖類孔隙水和變質(zhì)巖類基巖裂隙水具有統(tǒng)一的地下水位，且埋深淺，經(jīng)現(xiàn)場勘察，地下水埋深為0～0.5m。壩基基坑開挖時，受上下游第四系松散層孔隙水和兩岸變質(zhì)巖類基巖裂隙水的補給，基坑存在涌水問題，基坑涌水量估算采用假設(shè)井壁、井底同時涌水非完整井計算公式進行計算。

經(jīng)計算，在正常蓄水位578.0m時，基坑涌水量為1507.9m3/d，建議采取有效的降水、排水措施?；优R時開挖邊坡基巖為1∶0.3～1∶0.5，卵石混合土層為1∶0.75～1∶1。

3.4 壩肩巖體穩(wěn)定及繞壩滲漏

左壩肩主要為巖質(zhì)岸坡，出露地層巖性為北莊組黑云斜長角閃片麻巖，中粗粒鱗片變晶結(jié)構(gòu)，片麻狀構(gòu)造，主要成分為斜長石、微斜長石、石英、黑云母、角閃石等，黑云母含量稍高，巖性堅硬，強風化層厚5～8m。巖體中主要發(fā)育北東、北西向兩組陡傾角節(jié)理裂隙，軟弱結(jié)構(gòu)面不發(fā)育。片麻理產(chǎn)狀為N30°～40°W/SW∠10°～12°，傾向下游偏岸坡外側(cè)，為斜向岸坡，現(xiàn)岸坡穩(wěn)定性較好。建議將強風化層全部挖除，將壩體嵌入弱風化巖體中。

左壩肩正常蓄水位以下主要為北莊組黑云斜長角閃片麻巖巖體，巖體受風化卸荷影響，節(jié)理裂隙較為發(fā)育且有一定張開，構(gòu)成左壩肩繞壩滲漏層位。參考右壩肩鉆孔壓（注）水試驗成果，其強風化基巖滲透系數(shù)為1.21m/d，具中等透水性；弱風化基巖透水率為5.3～8.7 Lu，具弱透水性，為相對隔水層。左壩肩存在繞壩滲漏問題，經(jīng)計算，在正常蓄水位578.0m時，左壩肩繞壩滲漏量為905.0m3/d。建議對左壩肩進行防滲處理，沿壩軸線方向防滲長度為40～60m，深度應深入弱風化巖體中6～8m。由于左壩肩下游側(cè)發(fā)育一沖溝，而且延伸較長，有利于繞滲，建議防滲工程適當延伸。

右壩肩下部巖質(zhì)岸坡出露地層巖性為北莊組黑云斜長角閃片麻巖，中粗粒鱗片變晶結(jié)構(gòu)，片麻狀構(gòu)造，主要成分為斜長石、微斜長石、石英、黑云母、角閃石等，黑云母含量稍高，巖性堅硬，強風化層厚5～8m。巖體中主要發(fā)育北東、北西向兩組陡傾角節(jié)理裂隙，軟弱結(jié)構(gòu)面不發(fā)育。片麻理產(chǎn)狀為N30°～40°W/SW∠10°～12°，傾向下游偏岸坡內(nèi)側(cè)，現(xiàn)岸坡穩(wěn)定性較好。上部為土質(zhì)岸坡，出露地層為第四系上更新統(tǒng)卵石混合土，結(jié)構(gòu)松散。建議將右壩肩強風化片麻巖及第四系上更新統(tǒng)卵石混合土全部挖除，將壩體嵌入弱風化巖體中。

右壩肩正常蓄水位以下主要為第四系上更新統(tǒng)卵石混合土及北莊組黑云斜長角閃片麻巖巖體，且?guī)r體受風化卸荷影響，節(jié)理裂隙較為發(fā)育且有一定張開。據(jù)右壩肩鉆孔壓（注）水試驗成果，第四系上更新統(tǒng)卵石混合土滲透系數(shù)為12.9m/d，具強透水性，其強風化基巖滲透系數(shù)值為1.21m/d，具中等透水性；弱風化基巖透水率為5.3～8.7 Lu，具弱透水性，為相對隔水層。右壩肩存在繞壩滲漏問題，采用相關(guān)公式對其滲漏量進行估算。經(jīng)計算，在正常蓄水位578.0m時，右壩肩繞壩滲漏量為602.0m3/d。建議對右壩肩進行防滲處理，沿壩軸線方向防滲長度為40～60m，深度應深入弱風化片麻巖巖體中6～8m。

4 結(jié)論及建議

第一，南北晉水庫壩址地基多為第四系全新統(tǒng)洪沖積卵石混合土，結(jié)構(gòu)松散，分選較差，透水性大，對壩基穩(wěn)定及壩基滲漏不利。

第二，壩基及壩肩基巖為北莊組黑云斜長角閃片麻巖，中粗粒鱗片變晶結(jié)構(gòu)，片麻狀構(gòu)造，主要成分為斜長石、微斜長石、石英、黑云母、角閃石等，黑云母含量稍高，新鮮巖體巖性堅硬，軟弱結(jié)構(gòu)面部發(fā)育，但其礦物成分復雜，各成分抗風化能力不同，且黑云母等片狀礦物含量較高，風化巖體結(jié)構(gòu)松散，對壩基及壩肩穩(wěn)定不利。

第三，建議將河谷壩段壩基覆蓋層及強風化基巖全部挖除，并清除部分弱風化巖體；對壩基建基面以下巖體進行固結(jié)灌漿，增加壩基巖體的完整性和強度；壩基及左右壩肩存在滲漏問題，建議對壩基和左右壩肩進行防滲處理。