胡家庄水库坝址工程地质特征分析

张景轩 王冠儒 王瑞民

（1.华北水利水电大学，河南 郑州 450046；2.太原理工大学，山西 太原 030024；3.山西省水利水电勘测设计研究院，山西 太原 030024）

胡家庄水库坝址工程地质特征分析

张景轩1王冠儒2王瑞民3

（1.华北水利水电大学，河南 郑州 450046；2.太原理工大学，山西 太原 030024；3.山西省水利水电勘测设计研究院，山西 太原 030024）

胡家庄水库坝址地层为第四系松散层，结构松散，力学强度低，属中等透水层。针对胡家庄水库工程存在的坝基松散层渗漏、渗透变形、不均匀变形、坝基基坑涌水、坝肩绕坝渗漏、黄土湿陷、边坡稳定等问题，研究提出了处理问题的相应措施和对策。

渗透变形；不均匀变形；基坑涌水；边坡稳定；胡家庄水库

保德县胡家庄水库为山西省大水网中部引黄工程的调蓄水库，位于忻州市保德县窑洼乡胡家庄村西沟内，是一座以工业用水为主，兼顾灌溉的小型水利枢纽工程。拟建大坝坝型为均质土坝，设计最大坝高56.82 m，正常蓄水位1 124.1 m，坝顶高程1 124.82 m。

1 坝址工程地质条件

坝址区山梁高程1 106～1 161 m，沟谷高低不平，地面高程1 073～1 077 m，左低右高，相对高差35～85 m，谷底宽50～80 m，坝轴线处宽65 m，为“U”型谷，两岸自然坡度5°～40°。属典型梁峁状黄土地貌。左岸为单薄山梁，坝轴线处山梁底宽220 m，坝轴线左右坝肩各发育一小型冲沟。沟谷方向为N13°W，无长流水，丰水期偶有少量水渗出。

坝址区发育地层岩性主要为古生界奥陶系中统峰峰组（O2f）灰岩夹泥质灰岩，新生界上第三系低液限粘土夹钙质结核、第四系上更新统风积（Q3eol）低液限粉（粘）土及淤积（QL）含砾低液限粉（粘）土。

坝址区均被上第三系及第四系松散堆积物覆盖，下覆基岩均为单斜岩层，地质构造简单。根据地下水的赋存条件，坝址区内地下水类型有松散岩类孔隙水和碳酸岩类裂隙岩溶水两种类型。坝址区不良物理地质现象主要为两岸土质边坡坍塌。

2 坝址工程地质评价

2.1 岩土体工程地质特性

坝址区涉及的地层为：淤积（QL）淡红色含砾低液限粉（粘）土，分布于坝基上部；上更新统风积（Q3eol）灰白黄色低液限粉（粘）土，分布于坝址两岸上部；上第三系（N2）含钙质结核低液限粘土，分布于坝基及坝址两岸下部，下伏基岩为奥陶系中统峰峰组（O2f）灰岩。坝基覆盖层存在潜水位，埋深1.8～5.4 m；基岩地下水位埋深较深，勘察期间未发现地下水。

坝基压水试验，（N2）低液限粘土透水率0.8～6.5 Lu，平均值为1.9 Lu大值平均值为3.3 Lu，属微～弱透水性；（O2f）灰岩地层，在zk17b-1中孔深36～41 m段，最大流量129 L/min时抬不起压力，为强透水段，其它段透水率为4.8～24.8 Lu，平均值为13.2 Lu，大值平均值为19.2 Lu，属弱～中等透水性。

（QL）含砾低液限粉（粘）土，其天然含水率15.6～22.3%，平均值19.3%，天然密度1.79～1.934 g/cm3，平均值1.84 g/cm3，干密度1.47～1.62 g/cm3，平均值1.54 g/cm3，水平渗透系数6.16×10-5cm/s，垂直渗透系数1.50×10-5cm/s，属弱透水性。饱和状态压缩系数（av1-2）0.14～0.34 MPa-1，平均值0.24 MPa-1，属中等压缩性土，饱和压缩模量（Es1-2）4.9～11.1 MPa，平均值7.3 MPa，饱和快剪抗剪强度凝聚力C值15.0～29.3 kPa，内摩擦角φ值22.4°～29.1°。

（Q3eol）低液限粉（粘）土，其天然含水率11.0%～15.3%，平均值13.0%，天然密度1.51～1.55 g/cm3，平均值1.54 g/cm3，干密度1.34～1.40 g/cm3，平均值1.36 g/cm3，水平渗透系数2.56×10-5cm/s，垂直渗透系数3.57×10-5～9.91×10-5cm/s，平均值5.20×10-5cm/s，属弱透水性。天然状态压缩系数（av1-2）0.15～0.97 MPa-1，平均值0.40 MPa-1，属中等～高压缩性土，压缩模量（Es1-2）2.0～12.5 MPa，平均值8.4 MPa，饱和状态压缩系数（av1-2）0.29～0.98 MPa-1，平均值0.50 MPa-1，饱和压缩模量（Es1-2）2.0～6.9 MPa，平均值5.0 MPa，饱和快剪抗剪强度凝聚力C值8.1～18.7 kPa，内摩擦角φ值18.0°～20.5°。自重湿陷系数δzs为0.001～0.046，湿陷系数δ200为0.002～0.048，土体多具轻微～中等湿陷性。

坝基及两岸下部（N2）低液限粘土，其天然含水率15.0%～23.0%，平均值19.0%，天然密度1.68～1.94 g/cm3，平均值1.83 g/cm3，干密度1.40～1.64 g/cm3，平均值1.53 g/cm3，水平渗透系数3.92×10-6～5.63×10-6cm/s，平均值4.78×10-6cm/s，垂直渗透系数5.15×10-7～5.46×10-5cm/s，平均值6.29×10-6cm/s，属极微～弱透水性。饱和状态压缩系数（av1-2）0.05～0.38 MPa-1，平均值0.17 MPa-1，属低～中等压缩性土，饱和压缩模量（Es1-2）4.6～30.0 MPa，平均值12.0 MPa，饱和快剪抗剪强度凝聚力C值8.3～51.0 kPa内摩擦角φ值19.5°～30.5°。

坝基（QL）、（N2）低液限粉（粘）土层标准贯（锥）入试验，（QL）含砾低液限粉（粘）土锥贯实打锤击数3～5击，平均值4击，经杆长修正后锤击数2.8～5.2击，平均值4.0击；（QL）含砾低液限粉（粘）土标贯实打锤击数14～32击，平均值24.8击，经杆长修正后锤击数13.2～31.9击，平均值23.2击；（N2）低液限粘土标贯实打锤击数21～37击，平均值29.2击，经杆长修正后锤击数15.0～28.8击，平均值20.5击。

坝基（O2f）灰岩，天然密度2.76～2.79 g/cm3，平均值2.77 g/cm3，烘干密度2.75～2.79 g/cm3，平均值2.77 g/cm3，饱和密度2.77～2.80 g/cm3，平均值2.78 g/cm3，单轴饱和抗压强度70.1～106.1 MPa，平均值82.5 MPa，属于坚硬岩，饱和变形模量（4.39～5.22）×104MPa，平均值4.68×104MPa，饱和抗剪断凝聚力1.52～8.58 MPa，内摩擦角43.8°～53.59°。

2.2 建基面选择及地基承载力

坝基覆盖层上部为淤地坝淤积（QL）含砾低液限粉（粘）土，厚5～10 m；其下为上第三系上新统（N2）含钙质结核低液限粘土层，厚19～23 m；下伏基岩为奥陶系中统峰峰组（O2f）灰岩。

（QL）含砾低液限粉（粘）土，结构松散，易产生不均匀沉降问题，不能满足均质土坝坝基持力层要求，应全部挖除，将建基面选N2低液限粘土层，可满足工程要求。

建议（QL）低液限粘土层地基承载力地质建议值为80～100 kPa。（N2）低液限粘土层地基承载力地质建议值为130～160 kPa。

2.3 坝基覆盖层渗漏及渗透变形

2.3.1 坝基（QL）含砾低液限粉（粘）土层渗漏

坝基表层（QL）含砾低液限粉（粘）土，厚5～10 m，结构松散，土质不均，参照上坝址钻孔zk17b-3注水试验资料，该层5.1～9.4 m段渗透系数9.8×10-3cm/s，属中等透水层，为主要渗漏层。坝基存在渗漏问题。渗漏量估算公式如下

式中：坝基宽度B取48.0 m；透水层渗透系数k取8.5 m/d；大坝上下游水位差H取48.5 m；渗透层平均厚度M取8.0 m；坝底宽2b取265.0 m。

经计算，水库正常蓄水位1 124.1 m时，坝基（QL）含砾低液限粉（粘）土渗漏量为577.6 m3/d。

2.3.2 基渗透稳定性

坝基表层（QL）含砾低液限粉（粘）土，厚5～10 m，结构松散，土质不均，水库蓄水后，坝基（QL）含砾低液限粉（粘）土等在上下游水位差产生的渗压作用下可产生渗透变形。

依据《水利水电工程地质勘察规范》（GB 50487-2008）附录G土的渗透变形判别进行。（QL）含砾低液限粉（粘）土为粘性土，其渗透变型类型为流土。

低液限粘土流土的临界水力比降计算公式：Jcr=（Gs-1）（1-n）。

据钻孔取样试验资料，低液限粘土孔隙比e为0.629，孔隙率n=38.6%，Gs=2.73。求得低液限粘土Jcr为1.06。

坝基土的允许水力比降等于临界水力比降除以安全系数。对于水库工程来说，安全系数取2为宜，Jcr=0.53；考虑钻孔取样的压密性，含砾低液限粉（粘）土Jcr为0.40。

2.4 不均匀变形问题

坝基表层（（QL）含砾低液限粉（粘）土，厚5～10 m，结构松散，存在不均匀变形问题。建议进行清除。

2.5 基坑涌水及边坡稳定

丰水期河道内有潜水渗出，勘察时潜水位埋深1.8～5.4 m，坝基基坑开挖存在基坑涌水问题，建议根据开挖情况，采取有效排水处理措施。

基坑开挖边坡为含砾低液限粉（粘）土层，其结构松散，且部分处于饱和状态，稳定性差，存在边坡稳定问题。建议基坑临时开挖边坡：含砾低液粉（粘）土1∶0.75～1∶1.0，必要时采取支护措施。

2.6 左右坝肩渗漏问题

水库正常蓄水位1 124.1 m。水库左岸正常蓄水位以下发育地层岩性上部为第四系上更新统风积（）低液限粉（粘）土；下部为上第三系上新统（N2）低液限粘土。据工程区（）低液限粉（粘）土试验资料，水平渗透系数Kh=2.56×10-5～5.91×10-4cm/s，垂直渗透系数Kv=3.16×10-5～8.29×10-4cm/s，属弱～中等透水性，（N2）低液限粘土层为相对隔水层。左坝肩存在沿低液限粉土层产生一定程度的绕渗问题。

渗漏量估算公式：Q=0.366kH（h1+h2）lg

式中：渗透系数k取0.72 m/d；大坝上下游水位差H取48.5 m；上游含水层平均厚度h1，左坝肩取14 m，右坝肩取5 m；下游含水层平均厚度h2左坝肩取14 m，右坝肩取5 m；绕坝渗漏宽度B，左坝肩取120 m，右坝肩取50 m；绕坝渗漏最小半圆半径r0，左坝肩取50 m，右坝肩取30 m。

经估算，水库正常蓄水1 124.1 m时，左坝肩绕坝渗漏量Q为135.4 m3/d，右坝肩绕坝渗漏量Q为28.2 m3/d。建议对两坝肩进行防渗处理，左坝肩深度为0～30 m，并沿坝轴线向岸坡方向水平延伸长120 m；右坝肩深度为0～15 m，并沿坝轴线向岸坡方向水平延伸长50 m。

建议将右坝肩上部低液限粉土全部清除，坝肩置于（N2）低液限粘土层上，必要时采取防渗措施。

2.7 坝肩黄土湿陷性问题

湿陷性判别根据《水利水电工程地质勘察规范》（GB 50487—2008）附录T进行初判，根据《湿陷性黄土地区建筑规范》（GB 50025—2004）进行复判。

坝肩（Q3eol）低液限粉（粘）土，初判为湿陷性土，（N2）低液限粘土层为不湿陷土层。

式中：δzsi为第i层土自重湿陷系数；hi为第i层土的厚度（mm）；βo为因土质地区而异的修正系数，取1.2。

自重湿陷量的计算值Δzs，应自天然地面算起，至其下非湿陷黄土层的顶面为止。其中自重湿陷系数δzs值小于0.015的土层不累计。

湿陷量的计算值Δs（mm）公式：Δs=

式中：δsi为第i层土的湿陷系数；hi为第i层土的厚度（mm）；β为考虑基底下地基土的受水浸湿可能性和侧向挤出等因素的修正系数，在缺乏实测资料时，基底下5 m（或压缩层）深度内可取1.5；基底下5～10 m深度内可取1.0；基底下10 m以下，至非自重湿陷性黄土层顶面，在自重湿陷性黄土场地，可取工程所在地区的βo值。

2.8 坝肩边坡稳定问题

建议对两岸进行削坡处理，开挖坡坡度1∶1～1∶1.25，另外两岸边坡属高边坡，削坡时应设置多层马道。

建议对坝基（QL）含砾低液限粉（粘）土层进行全部清除；对两坝肩（）低液限粉（粘）土进行换填或其它工程措施处理，坝肩地表出露的（N2）低液限粘土表层进行清除，深度1～2 m。

3 结论

胡家庄水库坝址地层多为第四系松散层，主要为含砾低液限粉（粘）土、低液限粉土、低液限粘土；含砾低液限粉（粘）土、低液限粉土，结构松散，力学强度低，属中等透水层。使得坝址存在坝基松散层渗漏、坝基松散层渗透变形、不均匀变形、基坑涌水、坝肩绕坝渗漏、黄土湿陷、边坡稳定等工程问题，针对这些问题提出了相应对策措施。

P642.4

C

1004-7042（2017）10-0032-03

张景轩（1985-），男，华北水利水电大学地质工程专业本科在读。

2017-08-15；

2017-09-23