西關水庫工程地質條件及評價

馬 龍

(清原滿族自治縣水利勘測設計室,遼寧 清原 113300)

1 概 況

西關水庫位于昌圖縣朝陽鎮西關村,距昌圖鎮45km,是一座以防洪為主,兼有養殖等綜合利用的小(2)型水庫。西關水庫位于太平河上游,該水庫位于水文分區Ⅲ7區,壩址以上控制面積為67.7km2,河道平均比降為2.19‰,控制河道長度10.95km。北溫帶大陸性季風氣候。夏天又熱又多雨。春天和秋天干燥。寒冷期較長。流域多年平均降雨量550mm,多年最大凍深為1.60m,土壤多為壤土,水土易流失,土質較肥沃,作物多為小麥、玉米和水稻為主。多年平均徑流量575.25萬m3,降雨年內分配多集中在6～9月的汛期,年際變化較大。水庫主體結構由攔河壩和溢洪道組成。

1)攔河壩為均質土壩,大壩全長約120m,最大壩高4.9m,大壩頂高程117.40m,壩頂寬4.0m,上游坡比為1∶3.0,下游坡比為1∶2.5～1∶3.0。大壩迎水側為混凝土面板護坡,背水側為草皮護坡。

2)溢洪道位于大壩最左端處,由進口段、控制段,陡槽段、消力池、海漫組成[1-6]。堰頂高程為114.50m,堰頂縱長5.0m,凈寬40m。底板為鋼筋混凝土結構。陡坡段長為5.43m,坡比為1∶2.4;反弧段長為4.59m,總長為15.02m,鼻坎頂高程為112.60m,挑角23°。

2 勘察方法及勘察工作量

根據本次勘察范圍、勘察目的及規范要求,利用《昌圖縣西關水庫大壩安全評價工程地質勘察報告》已有資料,在壩體及溢洪道出口處布設勘探點6個,鉆孔間距50～100m,具體工作量見表1。

表1 勘察工作量一覽表

3 區域地質概況

3.1 地形地貌

西關水庫位于昌圖縣朝陽鎮西關村境內,建于條子河一級支流太平河的上游。地貌類型為平原地區,壩址兩側以上地勢平坦,向兩側延伸,下游河谷逐漸開闊,地貌逐漸過渡為平原地區,地貌單元為河床、漫灘和一級階地前緣。

3.2 地層巖性

區域出露地層主要為中生界白堊紀和新生界第四紀,其中新生界第四系發育較好。

白堊系泉頭組(kql):以它為基底構成現狀波狀準平原景觀。為一套紫色、棕紅色泥巖。泥質粉砂巖中穿插有中細砂巖,細砂巖呈灰白色,泥質棕色厚度>100m。最大厚度>800m,呈角度不整合覆蓋下部基巖之上。

第四系(Q):發育在波狀準平原上部,第四系沉積物體現為上細下粗的二元結構特征,巖性有黏性土、粉土、砂土及卵礫石等。

3.3 地質構造及地震

該區位于陰山東西向復雜構造帶與新華夏構造的交界處。區域斷裂構造北側為NW走向,其次為“入”字構造的NE走向斷裂,區內發育多條NE向斷裂。其中對本區穩定性影響大的有一條,即新安堡-石砬子斷層,該斷層發育與前震旦系與侏羅系上統之間,長約30km,為壓性兼扭性斷層。分枝斷裂平行排列在它的東側,走向均為北東50°～60°,其中兩條規模較大的斷裂:①法庫-柏家溝斷層,長約19km,走向北東60°;②尚屯-調兵山斷層,長約14km,走向北東50°～60°,為壓扭性斷層。

該構造帶活動于中生代,第四紀以來沒有明顯的活動記錄。構造帶表現穩定,對工程影響不大。工程區域內被較厚的第四系陸相河流沖積地層覆蓋,未見斷層等構造。

4 工程地質條件及評價

4.1 壩體工程地質條件及評價

目前的大壩位于溢洪道的右側。為L型均質土壩,壩長120m。壩頂高程為117.20～117.40m,壩頂平均寬度為4.0m,最大壩高為4.9m;上游坡比1∶3.0,上游坡為混凝土面板護坡,現狀局部混凝土面板破損較嚴重,下游坡比1∶2.5～1∶3.0,坡面為草皮護坡,壩腳處為貼坡排水,貼坡排水頂高程為112.83～115.78m。

4.1.1 壩體工程地質特征

西關水庫壩體填筑料主要由黃褐色的黏性土組成,稍濕～濕,可塑,含少量鐵錳結核,局部混少量砂礫,有機物含量較少,就地取材,壩體表層有0.5m由砂碎石鋪蓋,壩身土層厚約4.2～5.2m。

4.1.2 壩身土的物理力學性質

通過野外鉆探、通過現場試驗和室內土質試驗,得出主要物理力學性能的推薦值見表2和表3。

表2 壩身土的主要物理力學指標

表3 壩身土的滲透性分級

4.1.3 水文地質條件

西關水庫區域的地表水為條子河及其支流太平河,地下水為第四紀孔隙潛流。第四紀孔隙水主要存在于礫石砂層中。主要由大氣降水和地表水提供。通過對庫區水的水質簡分析可知,工程現場地表水對混凝土的碳酸鹽腐蝕較弱,對鋼筋混凝土結構的腐蝕較弱,對鋼結構的腐蝕較弱。詳見表4～表6。

4.1.4 壩體填筑質量評價

攔河壩為均質土壩,壩體填筑料主要為粉質黏土,通過野外鉆探、測試及室內土工試驗結果可知,壩身填土干密度ρd為1.50g/cm3,最大干密度ρdmax為1.65/cm3;壓實度λc為90.9%。西關水庫修建于20世紀50年代末,修建時未經碾壓處理,由于當時施工工藝、技術與規范要求并不能達到現行規范標準,故壓實度相對較低,但是土體經過60多年的自重固結,已經基本穩定。

從滲透性來看,壩體填筑料的滲透系數k在10-5cm/s量級上,滲透等級為弱透水,滲透變形為流土型,允許水力比降取0.45。從整個壩體來看,壩身填土的抗滲性好,沒有滲漏現象。

4.2 壩基工程地質條件評價

4.2.1 壩基組成

①粉質黏土:茶色,灰褐色。微濕至濕,塑料,含少量鐵錳結核和白云母,局部含少量腐殖質及粉砂,層厚為1.60～3.90m左右,靠近河床部位較薄。

②細砂:黃褐色,綠灰色,稍濕,稍密,選磨圓度一般,摻有一定量粉砂,礦物成分以長石為主,河相沖積形成,厚度為0.90～2.90m左右。

③中砂:黃褐色,濕,稍密～中密狀態,分選磨圓一般,混有一定量的淤泥質,礦物成分主要由長石、石英、云母等組成,河相沖積形成,厚度為0.70～2.00m左右。

④礫砂:黃褐色、青灰色土,上部濕,底部飽和,中等致密～致密,礦物成分主要由長石、石英、云母等組成。分選磨圓一般,沖洪積形成,厚度在1.90～2.50m左右。局部夾有淤泥粉質黏土透鏡體。

④泥質粉砂巖層:棕紅色,灰白色,濕,半成巖,已經全風化呈土狀,可～硬塑狀態,礦物成分變質,遇水易軟化,本次最大鉆探揭露深度為2.7m。

4.2.2 壩基土的物理力學性質

通過以往勘測結果并結合地區經驗,給出壩基各巖土層主要物理力學指標[7]、滲透系數、承載力分別見表7～表8。

表4 工程場地地表水對混凝土的腐蝕性判別

表5 工程場地地表水對鋼筋混凝土結構中鋼筋的腐蝕性判別

表6 工程場地地表水對鋼結構腐蝕性判別

表7 壩基各土層的主要物理力學性質指標

表8 壩基各土層的滲透系數、滲透性分級及承載力

4.2.3 壩基土評價

1)壩基土穩定性評價:西關水庫壩基上部的粉質黏土,主要在塑性狀態,分布范圍寬,連續的,其物理和機械性能都很好,弱透水;中部的細砂、中砂以及礫砂層,物理力學性質也較好,承載力較高,均為中等滲透率;下部泥質粉砂巖層為土狀,風化充分,可為硬塑性[8-10]。具有良好的物理力學性能,承載力高,滲透性弱。西關水庫經多年運行,攔河壩壩基土的壓縮已經基本穩定,不存在沉降問題,抗滑穩定性也較好。

2)壩基滲漏評價:大壩壩基地層中,粉質黏土層位相對較厚,分布廣范,滲透系數較小,承載力相對較高,為大壩理想的建基層,經多年運行,未發現滲漏情況。

3)滲透變形評價:根據《水利水電工程地質勘察規范》的規定結合土工試驗結果,壩基中的細砂、中砂的滲透變形類型為流土型,其允許水力比降可取0.25;而礫砂的滲透變形類型為管涌型,其允許水力比降可取0.20。粉質黏土層為不透水層且層位相對較厚為較好天然的防滲鋪蓋層,故粉質黏土不存在滲透變形問題。

4.3 溢洪道工程地質條件及評價

4.3.1 溢洪道工程地質條件

西關水庫現狀溢洪道為河岸開敞式溢洪道,位于左壩端。為陡坡挑流式消能,凈寬40m,底板為鋼筋混凝土結構,堰頂高程為114.50m,堰頂兩側邊墻控制高程為117.50m。控制堰頂順水流縱向長度5.0m,陡坡段長5.43m,坡比反弧段長4.59m,總長15.02m。

1)溢洪道地基組成:根據勘察可知,溢洪道底板及兩側翼墻基礎均坐落在黃褐色、灰褐色的粉質黏土層上,可塑為主,局部軟塑,下部為稍密狀態的細砂和中砂層。

2)溢洪道地基土的物理力學性質:西關水庫溢洪道以粉質黏土為建基層。各項指標可參照表9、表10。

表9 西關水庫溢洪道地基各土層的主要物理力學性質指標

表10 西關水庫溢洪道地基各土層的滲透系數、滲透性分級及承載力

4.3.2 溢洪道地基評價

1)西關水庫溢洪道建基層為粉質黏土,下部為細砂、中砂與礫砂層,這些地層的物理力學性質較好,呈中等壓縮性。

2)溢洪道與兩側壩體接觸緊密,不存在接觸滲漏,由于溢洪道上游鋪蓋損壞失效,導致其與地基土接觸部位發生滲漏;溢洪道下游無消力池,而溢洪道又為挑流式,這樣就導致水流的沖擊勢能增加,在水流沖擊與回流掏蝕作用下,溢洪道出口地段已出現深坑。現狀溢洪道底板尤其陡槽段滲漏破壞較嚴重,基礎已被沖刷掏空,底板呈懸空狀態,故建議拆除重建。

5 結 語

區域內存在的新安堡-石砬子斷層,第四系以來沒有明顯的活動記錄,構造帶表現穩定,對工程影響不大。壩基各土層物理力學性質較好,承載力較高,經多年運行,壩基土的壓縮已經基本穩定,不存在沉降問題。根據水文氣象資料可知,該場地的最大凍深為1.60m。西關水庫溢洪道建基層為粉質黏土,下部為細砂和中砂層,這些地層的物理力學性質較好,呈中等壓縮性,粉質黏土層抗沖性相對較好,但細砂與中砂層抗沖性較差。溢道下游無消力池,現狀溢洪道底板,基礎已被沖刷掏空,底板呈懸空狀態,故建議拆除重建。