偏關縣馬家山水庫工程地質勘察

石浩杰

（忻州水利建設投資有限公司，山西 忻州 034000）

1 工程概況

偏關縣馬家山水庫位于關河的右岸，老營鎮方城村北、原教兒墕溝出口段，后改道巖頭寺村南出口。該工程上下游擬建均質土壩，主壩設計最大壩高15.20m，壩頂長158.0m，副壩設計壩高15.2m，壩頂長255.0m，設計庫底高程1230.0m，水庫總庫容172萬m3，死庫容為4萬m3。主要建筑物由主壩、副壩、溢洪道、進水建筑物、出水建筑物、輸水管線和泵站等組成。

工程區地貌系呂梁山西側，山、陜、蒙黃土高原北部，東部為呂梁山系北段，山勢走向近于南北；呂梁山以西以中低山和低山丘陵地形為主，溝谷縱橫，地形破碎。地勢東高西低，地面高程800～1600m。支流與關河斜交，形成樹枝狀山區河谷地形地貌。由于內外地質應力作用的差異，形成了不同的地貌景觀，按其成因和形態類型工程區可分為三大類：中低山區、黃土丘陵、山間河谷。

2 庫區工程地質條件

2.1 地形地貌

庫區位在關河的右岸教兒墕溝出口段，庫底地形平坦，海拔高程1230.08～1231.43m，高差1.35m，上游高下游低，沉積物為淤泥質粉土及粉質粘土，淤積厚度10.7～18.70m。左岸為關河的二級階，沉積物主要為第四系上更新統沖洪積物，巖性上部為粉土，下伏卵礫石，粉土最大厚度為44.40m，階面微向河床及下游傾斜。右岸為黃土丘陵，整體地形傾向關河，北高南低。在流水地質作用下黃土丘陵被沖溝切割成樹枝狀，溝谷縱橫地形破碎，切割深度5～19m。主要沉積物為第四系上更新統黃土及黃土狀土，下部為中更新統淺棕紅色粉質粘土、奧陶系下統白云巖夾黃綠色頁巖。

2.2 地層巖性

庫區裸露和揭露的主要地層有第四系中更新統、上更新統、全新統。中更新統沖積物：庫區未見出露。揭露巖性為淺棕紅色粉質粘土，含有鈣質結核，厚度1.70～3.20m，未揭穿。上更新統風積物：主要分布于庫區的右岸，巖性為風成黃土，灰黃色，結構松散，垂直節理發育，大孔隙，夾數層粉質粘土古土壤層，鉆孔揭露最大厚度50.60m，未揭穿。上更新統沖洪積物：分布于庫區左岸及右岸上游段，為關河二級階地沉積物，巖性為粉土，偶含砂礫，揭露最大厚度為44.40m，下伏為卵礫石，成分多為灰巖含有變質巖，磨圓度比較好。全新統沖洪積物:堆積于溝谷底，巖性為礫卵石，具棱角狀，分選不好，泥質充填，最大厚度6.0m，頂部為粉土，厚1.10～1.30m。該層上覆為近期引洪淤積物，巖性以粉土為主，夾有多層粉質粘土，厚度9.0～18.70m。

2.3 構造與地震

本區位于黃河左岸，呂梁山西坡經向撓褶帶北端、祁呂賀蘭山字型構造東翼內側，往西過渡為伊陜盾地，東南鄰靜樂內陸斷陷，北東部鄰云崗——平魯新華夏構造盆地。經本次工程地質勘察，庫區未發現大的不利構造斷裂通過。

據史料記載偏關縣歷史上未發生過大的破壞性地震，只有周邊地震影響到本區。根據《中國地震動參數區劃圖》（GB18306-2015），本區基本地震動峰值加速度為0.1g，基本地震動反應普特征周期為0.45s，相當于地震基本烈度Ⅶ度。

2.4 物理地質現象

經本次工程地質勘察，庫區物理地質現象主要為塌滑，其主要發育在河谷及沖溝兩岸陡壁處。塌滑現象多發生在雨季，在水流的側蝕作用下造成邊坡失穩，一般規模不大，對水庫的影響甚微。

2.5 水文地質條件

工程區地下水類型按含水層性質分為松散巖類孔隙潛水和巖溶裂隙水兩大類。

松散巖類孔隙潛水：含水部位為黃土層的底部，受其第四系中更新統粉質粘土的隔水，雨季出現，干旱季節消失。沖洪積孔隙潛水主要埋藏在教兒墕溝谷底及關河右岸二級階地底部，含水層為卵礫石，地下水位埋深27.3～36.1m，高程為1203.54～1194.10m，單井出水量一般為10～20m3/h，水質較好，水化學類型以HCO3—Ca、Mg型為主，礦化度小于0.5g/L。

巖溶裂隙水：工程區主要含水層為寒武系崮山組碳酸鹽巖，據電廠資料地下水埋藏在100m以下，其巖溶發育水量豐富，水質好，單井出水量大于45m3/h。水質以HCO3—Ca、Mg型和HCO3—Ca、Na型為主。礦化度一般小于0.5g/L。

地下水的補排關系總的來看，主要是接受大氣降水入滲補給，地下徑流與地表水流向基本一致，最終排泄補給河流。區內地下水受地形地貌控制明顯，水位變化與季節有關。

3 庫區工程地質問題及評價

3.1 庫區滲漏

經本次工程地質勘察，庫區無沖溝通向庫外，地形地貌上有利于建庫，其右岸為黃土丘陵，左岸為關河二級階地，庫底為細顆粒淤積物。右岸揭露和出露的地層巖性為第四系上更新統風積黃土。鄰谷馬家山溝距離比較遠，并且溝底高出該庫正常水位，故不考慮滲漏問題。左岸為關河二級階地，出露和揭露的地層為第四系上更新統沖洪積物，巖性為粉土，最大厚44.1m。該層下伏為卵礫石。左岸距關河鄰谷距離124.0～366.0m，關河一級階地高程1213.45～1205.0m，庫底高程1230.0m，高差16.55～25.0m，設計正常蓄水高程1242.91m。故存在鄰谷滲漏問題。

經計算，庫區左岸滲漏量為229.70m3/d。庫底鉆孔揭露的地層18.70m以上為第四系全新統沖積物，18.70～26.0m為第四系全新統沖洪積物，26.0～38.0m為上更新統沖洪積物，38.0m以下巖性為第四系中更新統粉質粘土。其中18.70m以上為粉土和淤泥質粉質粘土呈互層狀，從試驗結果來看滲透系數相對比較小，其中淤泥質粉質粘土為相對隔水層，從沉積環境和鉆孔揭露的情況來看成層性比較穩定，故可不考慮庫底滲漏問題。

3.2 庫岸穩定及水庫淤積

該庫右岸為黃土梁，岸高坡陡，土質松散，地層巖性為第四系上更新統風積黃土，濕陷系數為0.03，屬中等濕陷性土，其工程地質條件差。左岸為關河二級階地，出露和揭露的地層巖性為粉土，地面高程為1246.02～1250.26m，庫底高程1230.0m，高差為16.02～20.26m，水庫正常蓄水位為1242.91m，正常庫水位以上岸高3.11～7.35m。左、右岸水庫蓄水后在浪蝕作用下原邊坡必將遭到破壞，形成塌滑現象和涌浪。庫區左、右岸最終塌岸寬度預測，采用《工程地質學》中公式：

式中：S——塌岸最終寬度；

N——與土的顆粒大小有關的系數，黃土取0.6；

hp——波浪沖刷深度（相當于1～2倍波高），m；

A——水位漲落幅度，本次取水庫正常蓄水位與死水位差值，m；

hB——浪擊高度或爬升高度，大體為0.1～0.8倍波高，m；

α——淺灘沖刷后水下穩定坡角；

hs——正常高水位以上岸高，m；

β——預測的岸坡水上穩定坡角；

γ——原始岸坡坡角。

計算后左岸塌岸最終寬度為61.0m，右岸塌岸最終寬度為79.70～130.10m，從地形條件及地層巖性來看，計算結果比較符合實際，計算參數見表1。

表1 塌岸計算參數表

該庫為旁引水庫，河水不進庫，淤積主要來源于庫區兩岸的塌滑物，經計算左岸塌岸淤積量為374625.0m3，右岸塌岸淤積量為728813.0m3，總計1103438.0m3。這些物理地質現象嚴重影響水庫的使用壽命和大壩的安全。同時，左岸S304省道部分地段亦在塌岸范圍內，為此設計時應采取工程措施，防止邊坡失穩，延長水庫的使用壽命。

3.3 水庫浸沒

經本次工程地質勘察，庫區右岸為黃土丘陵，從整體地形來看不存在浸沒問題。左岸為關河二級階地，地形比較平坦，出露和揭露的地層巖性為第四系上更新統粉土，地面高程為1246.02～1250.26m，現有電廠、變電站、苗圃和部分農田，水庫正常蓄水位高程為1242.91m，地面高出正常水位3.11～7.35m。根據《工程地質手冊》毛細水上升帶高度一般為1.30m，農作物根系深度為0.40m，建筑物基礎埋置深度為1.50m。農作物地下水臨界深度初步確定為1.70m，建筑物地下水臨界深度初步確定為2.80m。

4 壩址區工程地質

4.1 壩址區工程地質條件

4.1.1 地形地貌

壩址區為“U”字型溝谷，谷底平坦，寬108.0m，地面高程為1230.22m左右，右岸為黃土梁，坡陡梁高，高差約60m，發育有小的沖溝，但不影響工程，左岸為關河的二級階，地面高程為1246.02m左右，高出庫底約15.80m。

4.1.2 地層巖性

壩址區出露和揭露的地層主要有第四系中更新統、上更新統、全新統。

4.1.3 水文地質條件

本次工程地質勘察，壩址區地下水類型為松散巖類孔隙水，含水層為第四系上更新統卵礫石，地下水位埋深35.7～36.1m，標高為1194.1～1194.2m，注水試驗43L/min。據電廠資料：巖溶裂隙水埋藏在100m以下，其水量豐富，水質好，單井出水量大于45m3/h。

4.2 壩址區主要工程地質問題

4.2.1 壩基滲漏問題

該壩頂長158.0m，最大壩高15.2m，正常蓄水位高程1242.91m，壩基為第四系全新統沖積物，巖性粉土層厚4.70m，水平滲透系數為9.31×10-5cm/s，為弱透水層；從主壩及庫區鉆孔揭露的地層巖性看，下伏的卵礫石層埋藏比較深，無天然露頭，故該層滲漏問題可不考慮。

4.2.2 壩基滲透變形問題

壩基為第四系全新統沖積粉土，滲透系數為0.08m/d，水庫蓄水后，存在滲透變形問題。顆分結果：中砂含量0.3%，細砂含量0.5%～11.4%，粉粒含量64.9%～90.3%，不均勻系數Cu為2.2～13.0，根據試驗資料和《水利水電工程地質勘察規范》（GB50487-2008），初判壩基粉土滲透變形為流土。

4.2.3 壩基地震液化問題

本次工程地質勘察主壩址區揭露的地層巖性：河床17.60～18.50m以上，為第四系全新統沖積粉土及淤泥質粉質粘土透鏡體；左岸為第四系上更新統沖洪積粉土；右岸為第四系上更新統風積物黃土。根據《中國地震動參數區劃圖》（GB18306-2015），壩址區地震動峰加速度為0.10g，背景地震基本烈度為Ⅶ度區。初判左岸第四系上更新統沖洪積粉土、右岸第四系上更新統風積黃土及河床第四系全新統沖積淤泥質粉質粘土不考慮液化問題。根據河床第四系全新統沖積粉土粘粒含量平均值為7.6%，初判蓄水后可能存在液化問題。

根據標準貫入試驗錘擊數法，對河床第四系全新統沖積粉土進行液化判別，判別深度15.0m以內。據《水利水電工程地質勘察規范》（GB50487-2008）附錄P，當N＜Ncr時，判定為液化土。其中N為工程運用時，標準貫入點在當時地面以下ds深度處的標準貫入擊數。Ncr為液化判別臨界值。依據以下公式求臨界標貫擊數：

式中：Ncr——液化判別標準貫入錘擊數臨界值；

N0——液化判別標準貫入錘擊數基準值，本次取8；

ds——飽和土標準貫入深度；

dw——地下水位埋深（本次工程正常運用時，地面淹沒于水面，故dw取0）；

ρc——粘粒含量百分率，不足3%按3%計算。

從計算結果來看，壩址區12.4m以上粉土層存在液化問題，設計時應采取工程措施。

5 結論及建議

工程區基本地震動峰值加速度為0.1g，基本地震動反應普特征周期為0.45s，地震基本烈度為Ⅶ度。

壩基第四系全新統粉土存在滲透變形問題，12.4m以上存在地震液化問題。破壞形式為流土，允許水力比降為0.41。庫區兩岸存在邊坡穩定問題，在浪蝕作用下易發生塌滑現象，影響水庫的使用壽命和大壩安全。庫區左岸存在鄰谷滲漏問題。天然建筑材料儲量及質量均滿足要求。

建議對主壩地基液化土層采用擠密樁加固處理。對庫區及兩岸采取工程措施，防止邊坡失穩，影響水庫的使用壽命。