趙家窯水庫壩址工程地質條件評價

楊光輝

趙家窯水庫位于大同市西北約20km，趙家窯村東南1.5km處，始建于1960年，是桑干河一級支流御河支流淤泥河上的一座控制性工程。大壩為碾壓均質土壩，最大壩高33m，主壩長400m，副壩長150m。

1 地質條件

壩址位于大同市新榮區趙家窯村東南淤泥河下游，該處淤泥河流向S45°E，主河槽靠左岸，右岸形成河漫灘。左岸為基巖岸，坡岸坡度35°～50°，局部為陡崖。右岸上部為黃土岸坡，下部為基巖，坡度20°～40°。谷底寬約50m，河谷斷面呈“U”型。

壩址區屬中低山區，出露地層為太古界桑干群黃土窯組上部的付變質巖系和第四系松散堆積物。河床主要出露全新統洪沖積（Q4pal）級配不良礫，下伏太古界桑干群黃土窯組上部的變質巖，巖性主要為黑云斜長片麻巖、花崗片麻巖及燕山期輝綠巖侵入體。

壩址區地質構造簡單，未發現斷層，巖層產狀為N42°～48°E/NW∠55°～63°。巖體中主要發育 N60°～80°W和N20°～50°E兩組節理裂隙，受風化卸荷作用影響，靠岸邊處節理裂隙均不同程度張開，一般裂隙寬3～10mm，無充填或少量巖屑充填，向巖體內部裂隙逐漸變窄趨于閉合。

根據地下水的賦存條件，壩址區地下水類型主要為變質巖風化裂隙水和松散巖類孔隙潛，主要接受大氣降水補給，地下水位兩岸高于河谷，淤泥河為該區的排泄基準面。根據水質分析資料，工程區庫水和壩后滲水化學類型為HCO3-Ca-Mg型水，對普通水泥和抗硫酸鹽水泥均無腐蝕性。

2 工程地質問題分析

2.1 主河槽壩基滲漏

根據大壩施工情況和本次勘察資料，建壩時壩基砂卵石層未清除，雖在壩基上游32.4m填筑黏土截水槽，但未將砂卵石層截穿，且黏土截水槽有的部位未按設計施工，質量較差。壩基級配不良礫厚2.5～3.0m，根據鉆孔注水試驗及壩后滲水試驗，滲透系數為12～32m/d，為強透水層。壩基下伏基巖為花崗片麻巖，強風化層厚5～6m，據鉆孔注水試驗滲透系數為5～8m/d，為中等透水層，弱風化基巖鉆孔壓水試驗透水率為8.2～18.5Lu，為弱～中等透水性，可視為相對隔水層。壩基全新統洪沖積級配不良礫和強風化基巖為強透水～中等透水層，且在壩基連續分布，為壩基滲漏層位，故壩基存在滲漏問題。根據壩基地質結構，考慮壩前淤積物起到一定的防滲作用，滲透系數用加權平均值，求得滲透系數為5.75m/d，將其簡化為單層透水層，采用下式計算壩基滲漏量：

式中：Q——壩基滲漏量，m3/d；

B——計算段寬度，m，取85；

k——巖層滲透系數，m/d，取加權平均值5.75；

H——正常蓄水位時大壩上下游水位差，m，取24.6；

M——壩基透水層厚度，m，取3.0；

2b——壩基寬度，m，取164。

經估算，在正常蓄水位1164.5m時，壩基級配不良礫層滲漏量為216.0m3/d，年滲漏量7.9萬m3。

考慮到壩基強風化基巖厚5～6m，據鉆孔注水試驗滲透系數為5～8m/d，為中等透水層，存在一定的滲漏問題。現將壩基級配不良礫與強風化基巖簡化為單層透水層，取壩基級配不良礫與強風化基巖滲透系數加權平均值10.8m/d。考慮壩前淤積物的防滲作用，取滲透系數加權平均值6.3m/d，代入上式計算壩基級配不良礫和強風化基巖的總滲漏量。經估算，在正常蓄水位1164.5m時，壩基級配不良礫和強風化基巖的總滲漏量經估算壩基滲漏量為685.3m3/d，年滲漏量25.0萬m3。據水庫觀測資料，在庫水位1155.5m時，壩后出逸滲流量為4.5L/s，且隨庫水位升高，滲流量明顯增大。

2.2 主河槽壩基滲透穩定分析

壩基級配不良礫為強透水層，結構松散，且連續分布。根據顆分資料，其顆粒累積級配曲線為“瀑布”型，在壩上、下游水位差形成的滲透壓力作用下，其滲透變形類型為管涌型。根據壩基級配不良礫的不均勻系數、滲透系數和細粒土含量等綜合分析，其臨界水力比降為0.24，依據《水利水電工程地質勘察規范》，趙家窯水庫為中型水庫，安全系數按2考慮，其允許水力比降為0.12。根據壩基地質條件選用下式計算壩后逸出水力比降：

式中：I——壩后逸出水力比降；

H1——壩前水位，m，取正常蓄水位1164.5；

H2——壩后水位，m，取1139.9；

T1——壩前淤積物厚度，m，取15.31；

T2——壩基級配不良礫厚度，m，取3.0；

k1——壩前淤積物滲透系數，m/d，取0.312；

k2——壩基級配不良礫透系數，m/d，取18.5；

2b——壩基寬度，m，取164。

經計算，在正常蓄水位時，壩后實際水力比降為0.39，大于允許水力比降0.12，故壩基級配不良礫存在滲透穩定問題。

綜上分析，在水庫低水位運行情況下，壩基存在一定的滲漏問題，未發現壩基產生滲透變形。但自完成改建以來，水庫一直處于低水位運行狀態，未經高水位運行考驗。通過壩基滲透穩定性分析計算，在正常蓄水位條件，壩基存在滲透穩定問題，且壩體與兩側岸坡風化基巖接觸帶未采取任何防滲措施，易產生接觸滲漏及沖刷，故應對壩基進行防滲處理。

2.3 左岸巖體穩定及繞壩滲漏

左壩肩為基巖岸坡，由太古界桑干群黃土窯組花崗片麻巖、黑云斜長片麻巖及燕山期輝綠巖巖墻組成，巖體中主要發育北東和北西向兩組陡傾角節理裂隙，以及一組北東向緩傾角節理裂隙，軟弱結構面不發育，巖體穩定性較好。受風化、卸荷作用，岸邊節理裂隙有一定程度的張開，為左壩肩繞壩滲漏通道，據ZK08-7鉆孔壓水試驗，巖體透水率為8.3～19.4Lu，為弱～中等透水性，左壩肩存在繞壩滲漏問題。根據左岸地質條件選用下式計算繞壩滲漏量：

式中：Q——繞壩滲漏量，m3/d；

k——滲透系數，m/d，取8；

H——壩前水庫蓄水深度，m，取13.5；

h1——河水位高出隔水頂板的高度，m，取10.5；

H1——水庫正常蓄水位高出隔水頂板的高度，m，取 31；

B——繞壩滲漏寬度，m，取80；

r0——繞壩滲漏最小半圓半徑，m，取50。

經計算，左壩肩繞壩滲漏量為270.4m3/d，年滲漏量9.9萬m3。由于岸坡較陡，卸荷帶較窄，經水庫47年的低水位運行情況分析，左壩肩未發現有滲水。綜合分析，左壩肩存在一定的繞壩滲漏問題。

2.4 右岸巖土體穩定及繞壩滲漏

右岸為土質岸坡，地形較平緩，以溢洪道為界，左為主壩段，右為副壩段，副壩長150m。右岸壩基為太古界桑干群黃土窯組花崗片麻巖，巖體中主要發育北東和北西向兩組陡傾角節理裂隙，軟弱結構面不發育，巖體穩定性較好。根據鉆孔注水試驗，強風化巖體滲透系數為5～8m/d，為中等透水層，弱風化巖體鉆孔壓水試驗透水率為7.2～17.4Lu，為弱～中等透水性。強風化花崗片麻巖具中等透水性，且節理裂隙較發育，可構成滲漏通道。故右岸存在繞壩滲漏滲漏問題。采用式（3）估算右壩肩繞壩滲漏量，其中繞壩滲漏寬度取值105m，其他符號取值同上。

經計算，正常蓄水位條件下右壩肩繞壩滲漏量為544.7m3/d，年滲漏量19.9萬m3。由于水庫淤積物起到了一定防滲作用，實際繞壩滲漏量較計算值小。

3 結語

通過勘察可知，主壩基存在滲透及滲透穩定性問題。建議對其進行防滲處理，防滲深度至中等透水帶下限。

通過分析評價左、右兩壩肩工程地質條件，兩壩肩基巖存在繞壩滲透問題，建議對兩壩肩進行防滲處理，防滲深度至中等透水帶下限。