淺談山東省圍壩型平原水庫主要工程地質問題及處理

王方圓

(濟南市水利建筑勘測設計研究院有限公司，山東 濟南 250101)

平原水庫泛指在平原地區利用天然湖泊、洼淀、灘涂、河道、平原土地等，通過修筑擋水壩、圍壩(堤)和控制閘或挖塘等工程措施形成的調蓄水庫。

山東省平原水庫主要是圍壩型，其次是半填半挖型[1]，主要分布在黃河兩岸，所在區域地貌單元類型為魯西北堆積平原區，壩基多具深厚的覆蓋層。

圍壩型平原水庫，是指在平原地區通過庫區下挖和壩基以上按一定碾壓標準填土筑壩形成庫容，并從近地或遠地引水充庫形成的蓄水調節水庫[2- 3]，通常不存在庫區淤積、庫岸穩定及誘發地震等工程地質問題。但是圍壩型平原水庫壩基分布地層多為較厚的新近沉積的欠固結土，主要巖性為砂壤土、壤土、裂隙黏土和粉細砂等，局部為淤泥質土、淤泥等特殊性土，地層多具結構松散、承載力低、抗剪強度低、壓縮性高、中等透水性等特征[4- 5]，由此產生的主要工程地質問題有：壩基失穩及沉降變形大、水庫滲漏及滲透破壞、壩后浸沒、壩基土液化等。

1 壩基失穩及沉降變形大問題

1.1 壩基失穩、沉降變形大原因

壩基分布的地層多具結構松散、承載力低、抗剪強度低、壓縮性高等特征，這些特征是壩基失穩、壓縮沉降變形大的普遍內在原因；另外，壩基下伏的墓穴和坑洞(如濟南市鵲山水庫)等也是導致壩基失穩的原因之一。

1.2 主要處理措施

土石壩施工為大面積、高填方筑土，對壩基土施加荷載大、對原狀土擾動大。壩基分布地層多為較厚的新近沉積的欠固結土，同時考慮到土體具有蠕變效應、壩基土后期變形較大等特點，最為經濟的處理方法是利用大壩填筑土的自重進行壩基的預壓，即控制筑壩的速度，以便利用隨時間的延長，壩基土不斷的壓縮固結，土體自身強度能夠逐步增長、承載力亦相應提高的特性，同時將壩基土的大部分沉降變形控制在施工期間，以達到提高壩基承載力、提高壩基穩定性和減少工后沉降變形等效果。

對于可能存在的墓穴和坑洞等，除在可行性研究和初步設計階段采取調查訪問、物探、鉆探、坑探等手段做好工程地質勘察外，建議在工程施工期間做好施工地質工作，采取釬探、物探和坑探等手段進一步探測墓穴和坑洞的分布，采取開挖后注漿、填充、旋噴樁加固等處理措施(如濟南市鵲山水庫[6])。

2 水庫滲漏及滲透破壞問題

2.1 滲漏及滲透破壞原因

山東省平原水庫主要分布在黃河兩岸，受黃河頻繁擺動、泛濫等影響，場地不同巖相相互疊置，沉積物巖相變化復雜，常呈犬牙交錯(如圖1所示)，同時因黃河水量及泥沙含量變化，沉積物具有微層理及不均勻性，即砂壤土夾有黏土、壤土，黏土夾有砂壤土、粉砂等(如圖2所示)。宏觀表現在地層結構上無完整統一的相對隔水層分布，根據現場注水、抽水試驗，場地地層多具中等透水性。另外，庫區及壩基隱伏的古河道(如濟南市玉清湖水庫)、分布的水井(含被掩埋的水井，如濟南市東湖水庫[7])等也是水庫滲漏的原因之一。

圖1 不同巖相犬牙交錯

圖2 裂隙黏土(黏土裂隙中充填粉砂)

受地層滲透特性及庫內外上下游水頭差作用，壩基地層常有產生滲透破壞的可能(如圖3所示)。

圖3 濟南市東湖水庫外側截滲溝滲透破壞現象

2.2 主要處理措施

針對水庫滲漏現象，常采取的防滲措施包括垂直截滲和水平防滲[8]。其中，垂直截滲方案包括：明挖回填粘土截滲墻、垂直鋪塑(如濟南市鵲山水庫、德州市寧津縣寧津水庫)、混凝土防滲墻、振動沉模防滲板墻、水泥土攪拌防滲墻(如東營市墾利縣永鎮水庫部分壩段[9])、高壓噴射灌漿防滲墻(如德州市陵城區丁莊水庫[10])和自凝水泥粘土防滲墻等；水平防滲方案包括：全庫底鋪設復合土工膜(如濟南市商河縣豐源湖水庫、濟南市濟陽區稍門水庫等)、全庫底素土翻壓、全庫底水泥土翻壓等[4]。鑒于水庫工程場地淺部無相對完整統一的隔水層分布，當采取垂直截滲方案時，應當根據實際情況考慮是否為懸掛式。具體防截滲方案可根據允許的水庫滲漏損失、投資、施工難度和完工后的影響等進行比選確定。

為減少滲透破壞帶來的危害，按“上堵下排”原則，壩后應設置反濾或透水壓重等措施。

對于可能存在的古河道、水井等，除在可行性研究和初步設計階段采收集資料、調查訪問、物探、鉆探等手段做好工程地質勘察外，建議在工程施工期間做好施工地質工作，進一步采取有效手段探測古河道、水井的分布位置及水井封堵情況，并采取相應處理措施。

3 壩后浸沒問題

3.1 壩后浸沒原因

水庫滲水引起水庫周邊地帶地下水位壅高，地下水位壅高可使毛管水抬升，當其上升高度達到建筑物地基或農作物和樹木的根系，且持續時間較長時，將產生浸沒問題[11]。

圍壩型平原水庫所在場地地形通常較為平坦，地下水埋藏較淺，水力坡降較緩，庫水位高于壩后地面高程，受水庫滲漏影響，極易產生浸沒。有時受庫水壓力和庫水外漏等影響，水庫周邊地區原有的地下水徑流和排泄方式發生改變，致使地下水位壅高、浸沒現象更為明顯。

3.2 主要處理措施

防止壩后浸沒危害的主要措施為降低壩后地下水位，一則可通過采取前述的水庫防截滲措施，減少水庫滲漏量，由此降低因水庫滲漏導致水庫周邊地帶地下水位的壅高；二則在壩后采取設置排(截)滲溝、增設減壓井(如濟南市東湖水庫、聊城發電廠新廠引黃調蓄水庫[12])等措施，降低壩后壅高的地下水位。另外，針對壩后浸沒的已成事實，可通過開發成藕塘、魚池(如德州市夏津縣夏津水庫[13])，種植蒸散發能力比較強的植物和其他喜水性喬木等措施，以減少浸沒危害損失。

4 壩基土液化問題

4.1 壩基土液化原因

工程運行后，由于水庫蓄水，壩基土處于地下水位以下，結構松散的飽和無黏性土(如粉細砂)、飽和少黏性土(如砂壤土)在地震作用下，孔隙水壓力驟然上升，在地震過程的短時間內孔隙水壓力來不及消散，顆粒間的有效應力銳減，致使土體的抗剪強度降低、甚至完全喪失。

液化典型的現象是噴水、冒砂和流動。

4.2 主要處理措施

結合山東省圍壩型平原水庫工程場地地層分布及地下水埋藏淺等特征，較為可行的液化處理措施通常有：設置壓重平臺法(如濟南市章丘區白云水庫)、振沖擠密碎石樁法和圍封法[14]。

設置壓重平臺法。通過增加上覆非液化土層的厚度，使場地原來液化土成為非液化土，即要求壓重平臺的厚度應使飽和無粘性土層和飽和少粘性土層頂面的有效壓重大于產生液化的臨界壓重。

振沖擠密碎石樁法。采取振沖擠密碎石樁法，一方面使原來結構松散的飽和無粘性土、飽和少粘性土變得密實，達到地基加固效果；另一方面使地震作用下產生的孔隙水壓力通過具有強透水性的碎石樁迅速消散，由此兩方面作用使原來液化土成為非液化土[15]。

圍封法。采取混凝土連續墻或其他方法圍封可液化壩基，以切斷連續墻外側液化地層對壩基的影響，增加壩基內土層的側向壓力，大壩以下被圍封起來的飽和無黏性土和飽和少黏性土因大壩填筑土的壓力大于有效覆蓋層壓力而不致液化[16]。

5 結語

水庫工程地質問題的存在是相互聯系的，其相應處理措施亦是相關的。如對水庫采取防截滲措施可減少水庫滲漏、改善壩后浸沒問題；對大壩壩后采取透水壓重的措施，可增強壩基穩定性、改善壩后滲透穩定性及液化穩定性等。工程處理措施方案的選擇應當根據水庫存在的工程地質問題，同時考慮投資、施工技術水平、工期要求和工程完工后的影響等確定，以期在保證工程質量的前提下，達到節約投資、提高效益的最佳效果。