张峰水库郑庄—芹池末端蓄水池工程地质评价

2013-10-20赵宇

山西水利 2013年9期

赵宇

（山西省水利水电勘测设计研究院，山西太原 030024）

张峰水库位于山西省晋城市沁水县张峰村沁河干流上，距晋城市城区90 km。水库总库容3.94亿m3，是沁河干流上一座以城市生活和工业用水、农村人畜饮水为主，兼顾防洪、发电等综合利用的大型水利枢纽工程。一干渠始于总干分水口，经沁水县郑庄、阳城县寺头、中寨、演礼，至阳城县黍地洼村西南，全长16.648 km，末端为调蓄水池。

1 蓄水池工程地质条件

张峰水库工程一干渠差庄—芹池末端蓄水池设计为半挖半填式，池底高程712.06 m，池顶（坝）高程722.06 m，长 200 m，宽 150 m，正常蓄水位 721 m，容积 20 万 m3。

1.1 地形地貌

蓄水池位于阳城县芹池镇刘东村东北、芦苇河右岸，地貌属沁河流域侵蚀中低山区的山间黄土台地。芦苇河右岸支流性黄土冲沟发育，均为干沟，仅雨季有洪水。大旦沟及西沟分布在蓄水池东西两侧，蓄水池处于梯田状土梁上，北高南低，现多为耕地，地面高程 705～728 m。

1.2 地层岩性及物理力学性质指标

蓄水池涉及的地层为第四系松散堆积物，主要有第四系上更新统洪积（Q3pl）和第四系中更新统洪积（Q2pl）。第四系上更新统洪积地层岩性为低液限黏土，局部为低液限粉土，褐黄色，松散，稍湿，表层有植物根系，局部含碎石，分布于表层，厚0～3.2 m。天然含水率14.3%～22.4%，平均值17.9%，天然密度1.42～1.92 g/cm3，平均值 1.64 g/cm3，干密度 1.21～1.62 g/cm3，平均值 1.39 g/cm3，天然压缩系数 0.14～1.49 MPa-1，平均值 0.45 MPa-1，饱和状态压缩系数 0.36～1.08 MPa-1，平均值0.72 MPa-1，属中等—高压缩性，自重湿陷性系数 0.002～0.099，湿陷系数 0.008～0.108，具湿陷性。其标准贯入锤入数7～9击，平均值7.5击。第四系中更新统洪积地层岩性为低液限黏土，浅红色，较密实，稍湿，局部含钙质结核层。在蓄水池附近广泛分布，厚度大于20 m。天然含水率15.6%～26.7%，平均值20.5%，天然密度 1.63～2.04 g/cm3，平均值 1.88 g/cm3，干密度1.34～1.76 g/cm3，平均值 1.57 g/cm3，天然状态压缩系数 0.04～0.34 MPa-1，平均值 0.13 MPa-1，具低—中等压缩性，饱和状态压缩系数0.07～0.38 MPa-1，平均值0.16 MPa-1，具低—中等压缩性，自重湿陷系数0.001～0.019，湿陷系数0.00～0.019，仅局部土层具湿陷性。其标准贯入锤击数6～25击，平均值15.3击。

1.3 地下水

水池工程区地下水类型为碎屑岩类裂隙水，主要接受北部山体侧向补给及大气降水入渗补给，总体由北向南径流，地下水位埋深大于50 m，对工程无直接影响。

2 蓄水池工程地质评价

蓄水池主要存在渗漏、边坡稳定、黄土湿陷等工程地质问题。

2.1 蓄水池渗漏

蓄水池开挖后，池区地层主要有Q3pl低液限黏土，局部为低液限粉土及Q2pl低液限黏土，厚度大于20 m。因Q3pl低液限黏土（粉土）分布于表层，局部已开挖，厚度仅0～2.5 m，且分布面积不大，蓄水池蓄水后水头较小，渗透系数与Q2pl低液限黏土层较为接近，故按Q2pl低液限黏土计算渗漏量。

Q2pl低液限黏土垂直渗透系数为5.90×10-6～6.21×10-4cm/s，平均值1.45×10-4cm/s，大值平均值5.04×10-4cm/s，水平渗透系数 3.30×10-6～7.06×10-4cm/s，平均值 1.71×10-4cm/s，大值平均值 7.06×10-4cm/s，属弱—中等透水层。

由于池区地层具有一定的透水性，区内地下水位埋藏较深，蓄水池存在向池周及池底的永久渗漏问题。蓄水池的渗漏量分池壁和池底两部分估算。据蓄水池区地层分布情况，取Q2pl低液限黏土层作为防渗层，综合考虑蓄水池区地形地质条件，池底及池壁均取10 m厚的天然状态土层作为防渗层。渗透系数取Q2pl低液限黏土层室内试验大值平均值，垂直方向取5.04×10-4cm/s，即 0.45 m/d，水平方向取 1.71×10-4cm/s，即0.62 m/d。

蓄水池池底长约130 m，宽约80 m，池底渗漏面积10 400 m2，池壁按1∶3的边坡设计，池壁外边长度620 m，内边长度376 m，平均498 m。蓄水池正常蓄水位721.0 m，水深8.4 m，水池壁渗漏面积4 183.2 m2，则池底水头为8.4 m，池壁水头平均按4.2 m考虑。

据达西定律计算得，池底渗漏量为3 931.2 m3/d；池壁渗漏量为1 089.3 m3/d；蓄水池总渗漏量为5 020.5 m3/d。建议对蓄水池进行全面防渗，可考虑铺土工布。

2.2 蓄水池岸坡稳定

蓄水池池址范围内无滑坡及潜在不稳定岸坡存在，天然状态下无水流影响时岸坡稳定。池岸地层岩性为低液限黏土，属土质岸坡，抗水冲蚀能力弱，在池水作用下易产生坍岸问题，建议进行护坡处理。建议池周坝顶高程以上岸坡坡度按1∶2.5考虑，顶高程以下岸坡坡度按1∶3.0考虑，并应采取护坡及防水措施，防止雨水浸蚀冲刷。坝顶高程以下、死水位以上岸坡需重点防护，避免水浪淘蚀。

2.3 蓄水池黄土湿陷性

2.3.1 湿陷性评价方法

场地范围内共选取7个竖井取Ⅰ级原状土样进行室内湿陷性试验。湿陷性判别根据《水利水电工程地质勘察规范》附录T及《湿陷性黄土地区建筑规范》进行判别。

初判：工程区土层由中更新统（Q2）、上更新统（Q3）土层组成，其中，上更新统洪积低液限黏土宜判为强湿陷性或中等湿陷性，中更新统（Q2）上部宜判为轻微湿陷性。

复判：根据试验资料，当湿陷系数不小于0.015时，土层应定为湿陷性土。定量复判包括土的湿陷性质、场地的湿陷类型、地基的湿陷量和湿陷等级判别。计算自重湿陷量的累计，现状场地评价自天然地面算起，至其下全部湿陷性黄土层的底面为止，由于本工程挖填方厚度较大，故开挖后场地评价自设计地面算起，至其下全部湿陷性黄土层的底面为止，其中自重湿陷系数小于0.015的土层不累计。总湿陷量在对地基进行评价时应自基础底面算起，在非自重湿陷黄土场地，累计至基底下10 m（或地基压缩层）深度止；在自重湿陷黄土场地，累计至非湿陷黄土层顶面止。地基湿陷等级应根据各土层累计的总湿陷量和自重湿陷量的大小等因素判定。

2.3.2 湿陷性判别结果

由室内湿陷性试验数据及湿陷性计算可知，场地内Q3pl低液限黏土层多具湿陷性，Q2pl低液限黏土仅局部点位具湿陷性。在200 kPa压力下湿陷厚度0～3 m。场地为非自重—自重湿陷性场地，湿陷等级Ⅰ（轻微）—Ⅱ（中等）级。

参照末端蓄水池工程地质剖面图可知，蓄水池池底均为非湿陷性Q2pl低液限黏土。蓄水池开挖后，蓄水池壁东南、东北、西南壁顶部0～3 m范围及坝轴线处具有湿陷性的Q3pl低液限黏土，建议场地按非自重湿陷性场地，湿陷等级按Ⅱ级考虑，并清除表层具有湿陷性的Q3pl低液限黏土。