南溝門水庫壩址工程地質條件分析研究

徐宗昌

(陜西省水利電力勘測設計研究院，陜西 西安 710001)

南溝門水庫壩址工程地質條件分析研究

徐宗昌

(陜西省水利電力勘測設計研究院，陜西 西安 710001)

南溝門水庫位于陜北黃土高塬南部的黃土梁峁區，壩基為二迭系砂巖夾泥巖、第四系濕陷性黃土及砂礫石等。左壩肩主要工程地質問題是基巖強風化帶的滲透問題，防滲帷幕深入巖面以下30 m;壩基存在表層堆積的砂壤土、黃土、古土壤的濕陷問題和下部砂礫石層、基巖強風化帶的滲透問題，對濕陷性土層進行工程處理或清除，對砂礫石層采用結合槽截滲處理，防滲帷幕垂直厚度應大于25 m;右壩肩存在斜坡表面土層的濕陷性問題和沿三級階地砂礫石層、基巖強風化帶的繞壩滲透問題，建議翻碾處理濕陷性土層，用砼墻對砂礫石層進行截滲處理，防滲帷幕應深入巖體表面以下20 m。

水庫壩址;工程地質;工程處理

南溝門水庫樞紐工程位于陜西省延安市黃陵縣境內，南溝門水庫壩址位于葫蘆河河口上游約3 km處的寨頭河村南溝門附近。工程樞紐主要由大壩、導流洞、引水發電洞、溢洪道及發電站等建筑物組成。大壩為均質土壩，壩高68.0 m，壩頂高程852.0 m，正常蓄水位高程 848.0 m，水庫總庫容19 391萬 m3。是一座以供水與灌溉為主兼顧發電防洪的大(2)型水利樞紐工程。

1 壩址工程地質條件

1.1 地形地貌

壩區河流流向由西向東，河谷平面呈“S”形，左壩肩巖石裸露，巖石頂面高程845～850 m;右壩肩河流階地發育齊全，地形上稍緩。

漫灘高出河床0～5 m，寬度40～160 m;一級階地階面高出河床5 m，寬度70～180 m，基座巖面高程 788～790 m;二級階地階面高出河床28 m左右，寬度110～160 m，基座巖面高程792～794 m;三級階地臺面高程820～900 m，寬度150～310 m，基巖面高程807～812 m;四級階地基座巖面高程845～850 m;黃土塬面高程在950～1 000 m。階地堆積二元結構明顯，上部為黃土和黃土狀壤土夾古土壤;下部為礫石、卵石。

1.2 地層巖性

壩基范圍內的巖土有二迭系胡家村組河湖相的砂巖、泥巖，第四系各種成因的松散土層，現由新到老分述如下:

(1)第四系(Q)滑坡的粉質壤土，厚度5～10 m。

(2)第四系(Q)風積的黃土、黃土狀壤土夾古土壤，厚度10～50 m。

(3)第四系(Q)河流沖積堆積的砂礫石、壤土、砂壤土、粉細砂等，厚度 2.0～10.0 m。

(4)三迭系胡家村組(T3h):砂巖夾泥(頁)巖互層，砂巖灰綠色、灰黃色，中細粒結構;泥巖灰黑色，層狀結構，夾煤線。出露于左岸邊坡及右岸壩肩上游部分地段。

1.3 地質構造

工程區位于鄂爾多斯臺向斜南部的子午嶺次級向斜以東，區內地質構造簡單，巖層產狀近于水平，微向西傾斜，傾角2°～5°。未發現斷層，常見有 NNW和 NEE兩組共軛高角度剪切節理，發育長度3～5 m，裂隙間距1～2 m。

1.4 水文地質條件

壩區地下水按照含水層巖性組成和埋藏條件可分為以下幾種類型:

1)孔隙潛水:埋藏于漫灘，一、二級階地下部堆積的砂礫石層中，水位埋深4.0～7.0 m，相對隔水層為下伏基巖;受大氣降水、河水和岸邊基巖裂隙水交替補給，向河谷排泄。三、四級階地及黃土塬底礫石層淺部不含水。

2)基巖裂隙潛水:主要分布于河流兩岸基巖風化、卸荷帶內，系無壓層間水，含水層為砂巖，多由泥(頁)巖頂板附近以下降泉水出露于岸邊，顯示其多層性，泉水出露高程在801～808 m。地下水位受降雨影響明顯，含水層富水性相對較好。

3)基巖裂隙承壓水:主要分布于河床基巖面以下11.0～23.0 m 內，承壓水水頭高出孔口 2.10～8.36 m，含水層為砂巖，由于泥巖相對隔水層，承壓水具多層性，隨含水層埋深的增加，承壓水頭也隨之增大。在鉆孔 ZK12勘探過程中，伴隨局部承壓水有易燃氣體噴出，水面有油狀飄浮物。承壓水頂板埋深由南東向北西逐漸變淺，上覆基巖厚度變薄，最薄處位于壩址中游鉆孔 ZK12，承壓水層上覆基巖層厚7.45 m，順河流方向承壓水層分布高程變化明顯;根據鉆孔ZK11觀測，承壓水的水頭高程和流量有逐年降低和減少的趨勢。

1.5 物理地質現象

壩址區有滑坡20個，其地貌特征明顯，大小各異，規模不等，多為坡體式覆蓋層滑坡，滑坡堆積層的厚度一般10.0～15.0 m，最大 60 m。

滑坡體的穩定分析采用兩種方法:一是工程地質類比，二是穩定計算分析，穩定計算分析采用推力傳遞系數法和畢曉普兩種方法。滑坡的穩定性計算參數選取，密度采用室內試驗成果平均值:自然 ρ=1.90 T/m3，飽和密度 ρsr=1.98 T/m3，滑動面殘剪強度(c、φ值)根據室內殘剪試驗和經驗公式計算反演和工程類比綜合確定，采用值 φ=11.4°c=15.5 kPa。

自然狀態下，壩址區兩岸的 H5、H6滑坡基本穩定，南溝內H4、H7滑坡穩定性較差。壩址區右岸下游H14號滑坡局部穩定性差，須進行工程處理。水庫蓄水至848.0 m高程降落過程中，H5、H6、H4、H7滑坡可能失穩。H5、H6滑坡規模較小，距壩址很近，滑坡堆積土層可作為上壩土料進行處理。

1.6 巖土工程地質特性

1.6.1 土層的物理力學性質

工程地質單元物理力學指標表明:

1)風積黃土、黃土狀壤土、古土壤，干密度 ρd＜1.45 g/cm3時具有濕陷性;ρd≥1.45 g/cm3時屬非濕陷性土。

2)Q3黃土相對壓縮系數 a1－2＞ 0.5 MPa－1，為高壓縮性土，屬自重濕陷性土。

3)第三層古土壤以上Q2黃土狀壤土相對壓縮系數 a1－2=0.30 ～0.41 MPa－1，屬中壓縮性土，具濕陷性;第三層古土壤以下Q2黃土狀壤土和古土壤相對壓縮系數 a1－2＜0.10 MPa－1，屬低壓縮性土，一般不具濕陷性。

4)各土層滲透系數垂直大于水平一個數量級，各層無大的差異，均呈 R×10－3～10－4cm/s，本區各類土透水性都較大。

1.6.2 巖石和巖體的物理力學指標

根據壩址區的勘探試驗資料分析，壩址區砂巖，呈厚層狀，弱風化砂巖飽和抗壓強度平均值 Rb=49.4 MPa，軟化系數平均值kr=0.70;微風化砂巖飽和抗壓強度平均值 Rb=84.6MPa，軟化系數平均值 kd=0.69。泥巖為軟巖，強 ～ 弱風化泥巖飽和抗壓強度 Rb=23.63～29.8 MPa，弱風化自由膨脹率≤18%，泥巖遇水崩解，失水干裂。

水庫樞紐勘探深度內的巖體，按風化程度可劃分為強風化、弱風化及微風化，壩基巖體表面強風化帶垂直厚度2.0～3.0 m，壩肩斜坡強風化帶垂直厚度5～6 m，水平寬度8～10 m，弱風化帶的水平寬度21 m左右;岸邊卸荷帶水平寬度6～8 m。壩基巖體上部透水率 q=10.0～35.0 Lu，中等透水，中等透水巖體厚約10.0 m，下部巖體q＜3 Lu，可視作相對隔水層。根據壩基巖體壓水試驗分析，壩基巖體表面強 ～弱風化巖體透水率q＞10 Lu中強透帶的垂直厚度一般10 m左右，局部(鉆孔 ZK6)20 m。

根據GB50218－94《工程巖體分級標準》，強風化巖體的縱波速度 Vp≤2 150 m/s，完整系數Kv=0.08 ～0.23，基本質量指標(BQ)=160～230，基本質量級別Ⅴ級;弱風化砂巖巖體的縱波速度 Vp=2 150～3 225 m/s，完整系數 Kv=0.23～0.51，基本質量指標(BQ)=306～366，巖體級別為Ⅲ ～Ⅳ級;弱風化泥(頁)巖和砂泥巖互層巖體的縱波速度 Vp=2 325～3 636 m/s，完整系數 Kv=0.27 ～0.65，基本質量指標(BQ)=259～342，工程巖體級別為Ⅳ級。巖體物理力學指標建議值見表1。

表1 巖體力學指標參數建議值

1.6.3 土層的濕陷性

根據勘探資料分析，壩區一 、二、三級階地表面堆積黃土狀砂壤土、黃土和黃土狀壤土具濕陷性。一級階地表面濕陷性土層厚度5.5～9.0 m;二級階地表面濕陷性土層厚度21.7～22.7 m;三級階地表面濕陷性土層的最大厚度24.1m。

一級階地表面黃土狀壤土層厚 7.2～9.0 m，層底高程792.00～800.00 m，場地的濕陷類型屬自重濕陷性場地，壩基濕陷等級為Ⅱ級(中等);二級階地濕陷性黃土層底高程806～821 m，場地濕陷類型屬自重濕陷性場地，壩基濕陷等級Ⅳ級(很嚴重);三級階地上部(第三層古土壤以上)堆積的黃土、古土壤、黃土狀壤土具濕陷性，場地濕陷類型屬自重濕陷性場地，地基濕陷等級為Ⅲ～Ⅳ級。

2 壩址主要工程地質問題及處理措施

2.1 左壩肩

左壩肩四級階地基座巖面高于水庫設計蓄水位高程848.00 m，基巖斜坡表面強風化帶的垂直厚度5～6 m，水平寬度6～8 m，強風化帶巖體透水率 q＞10 Lu，中等透水。弱風化帶巖體透水率 q＜10 Lu，巖體表面透水率 q＞3.0 Lu的中～弱透水帶的垂直厚度20～25 m。強風化巖體基本質量級別Ⅴ級，弱風化巖體基本質量級別Ⅳ級。建議左壩肩結合槽建基面選擇弱風化基巖，壩肩防滲帷幕水平寬度應≥30 m，垂直厚度應深入巖面以下30 m。泥(頁)巖易風化破碎，施工時應采取保護措施。

2.2 壩基

壩基橫跨河床、河漫灘、一級階地、二級階地，長283 m，河床漫灘段壩基長50 m，堆積層分為兩層，上部砂壤土層厚3.0 ～8.5 m，土質松軟;下部砂礫石層厚 2.0 ～4.5 m，滲透系數k=30～40.0 m/d。一、二級階地場地濕陷類型屬自重濕陷性場地，壩基濕陷等級Ⅱ ～Ⅳ級。階地下部堆積層砂礫石層強透水，允許水力坡降 I=0.10～0.12，滲透破壞型式以管涌為主。壩基砂巖夾泥(頁)巖巖體表面強風化帶的垂直厚度1.5～2.0 m。強風化巖體基本質量級別Ⅴ級，承載力特征值fak=450 kPa，變形模量EO=1 000 MPa。弱風化巖體基本質量級別Ⅳ級，承載力特征值 fak=650 kPa，變形模量EO=2.0 GPa。

壩基巖體表面透水率 q≥3.0Lu的中—弱透水帶的垂直厚度10～15 m。下部巖體透水率 q＜3.0 Lu，可視為相對隔水層，初步估算壩基滲漏量為5 975 m3/d，占徑流量的1.88%。

建議對壩基表層堆積的砂壤土、黃土、古土壤進行工程處理或清除，對砂層、砂礫石層采用結合槽截滲處理，防滲結合槽建基面建議選擇弱風化的砂巖夾泥(頁)巖;壩基巖體防滲帷幕垂直厚度應大于25 m。

2.3 右壩肩

右壩肩由三級階地堆積的黃土、黃土狀壤土夾古土壤和砂礫石組成，堆積層厚50～70 m，由于南溝的切割，壩肩山梁比較單薄。右壩肩壩線上游四級階地斜坡表面發育 H5、H6號滑坡體在修建上壩公路及處理導流洞進口邊坡過程中已基本削除，殘留滑坡體穩定性差，水庫蓄水后可能失穩，應結合土料上壩進行削坡處理。

右岸壩肩斜坡表面Q3黃土及古土壤屬自重濕陷性土層。壩肩斜坡表面濕陷性土層厚度10.0～19.8 m。下部堆積的砂礫石層厚 1.0～2.0 m，分布高程 805.0 ～807.0 m，壩肩上下游連通，最窄處寬度僅220 m，砂礫石層滲透系數 k=10 m/d，允許水力坡降 I=0.10～0.12。階地基座表面強風化巖體的透水率 q=10～35 Lu，透水率 q≥3.0 Lu的中—弱透水帶的垂直厚約10.0～15.0 m，下部巖體巖體透水率q＜3 Lu，可視為相對隔水層。

根據現有勘察資料分析，右壩肩存在的主要工程地質問題二個:一是壩肩斜坡表面濕陷性土層的處理;二是沿三級階地砂礫石層和基巖表面強風化帶的繞壩滲透。壩肩斜坡場地的濕陷類型屬自重濕陷性場地，壩基濕陷等級Ⅲ～Ⅳ級。估算繞壩滲漏量為1 110 m3/d。

建議翻碾處理壩肩斜坡表面的濕陷性土層，用砼墻對砂礫石層進行截滲處理，壩肩防滲帷幕應深入巖體表面以下20 m。

3 結語

1)南溝門水庫壩基上部堆積的砂壤土、壤土、黃土，具濕陷性，必須進行工程處理。下部堆積的砂、砂礫石層中—強透水，應采取防滲措施。應重視壩基局部承壓水對結合槽開挖和帷幕灌漿的影響。

2)左壩肩巖面高程高于水庫設計蓄水位。右壩肩斜坡表面濕陷性土層厚10.0～19.8 m，必須進行工程處理，三級階地底礫分布高程805～807 m，上、下游連通，建議采用砼墻截滲。

［1］水利水電工程地質手冊.水利電力出版社.1985.

［2］濮聲榮.陜西水利工程地質實踐.陜西科學技術出版社.2002.

［3］劉特洪，邵中勇，欒約生.巖土工程技術與實踐.陜西科學技術出版社.2011.

P642

B

1004－1184(2012)05－0212－03

2012－04－20

徐宗昌(1965－)，男，陜西岐山人，工程師，主要從事水利水電工程勘察、巖土施工及檢測工作。