肯尼亚KarimenuⅡ大坝坝址工程地质条件及评价

摘 要：肯尼亚KarimenuⅡ大坝坝址处地质条件复杂，第四系松散层河谷中较薄，两岸厚度大，基岩为第三系火山厚层～巨厚层火山角砾岩熔结凝灰岩及角闪粗面岩透镜体，并夹有低液限粉（粘）土、级配不良砂。坝址主要存在坝基渗漏问题，坝基抗滑稳定性较好，坝肩稳定性较好。

关键词：坝基;渗透;渗漏;稳定性;肯尼亚KarimenuⅡ大坝

KarimenuⅡ大坝位于Karimenu河流上游，距肯尼亚首都内罗毕北部约75公里，库水回水范围内，坝址以上主河道长约5km，最大淹没面积1.35×106m2。拟建大坝坝型为渣石心墙坝，水库总库容2821万m3，水库兴利库容1867万m3，死库容555万m3，死水位1833.00m。坝顶长400m，坝顶长400m，坝顶宽10m，坝顶高程1859.0m，最大坝高58m。

1 气候水文

Karimenu河流位于肯尼亚阿伯德尔山脉南部，属于湿润至半湿润农业气候区。年平均温度约为18～14℃。流域年平均降水量为1420毫米。一年的雨季有两次，长雨季（大约是三月到五月），短雨季（大约在十月到十一月）。月平均温度变化幅度为 9.9 至 14.6℃，年平均变化幅度为 11.6℃。

2 地形地貌

大坝坝址位于肯尼亚Kiambu郡North gatundu镇Kanyoni村Karimenu河谷，地貌单元为高原河流侵蚀堆积地貌，地形上为山间河谷，河谷断面呈“V”字形。河床高程为1801.0～1812.0m，宽近90m，主河床位于河谷右侧，宽约17m，坝轴线处河流流向为S64°E。左岸坡度约21°，右岸岸坡由下部的约38°渐变为中上部的17°。两岸坡及河谷底均被松散层覆盖。

3 工程地质条件

3.1 地层岩性

坝址区覆盖层有分布于两坝肩的第四系上更新统坡洪积堆积物（Q3dpl）与河谷中的第四系全新统洪冲积堆积物（Q4pal）。其地层特征如下：

（1）第四系上更新统坡洪积堆积物（Q3dpl）。为褐红、棕红色高液限粉（粘）土，可塑～硬塑状态，具中等压缩性，不具膨胀性，下部含有较多钙质结核与少量砾石。层厚左坝肩为11.0～19.4m，右坝肩为18.2～27.8m。

（2）第四系全新统洪冲积堆积物（Q4pal）。为褐红、浅红、褐色高液限粉土，松散～稍密状态，具中等压缩性，含腐植质，工程性质差，层厚4.6～7.9m。

（3）坝址区涉及基岩地层均为第三系火成岩（TV）。区域上火山共有6个活动期，沉积了厚层的火山碎屑岩。[1]坝址区沉积有厚层～巨厚层火山角砾岩与熔结凝灰岩，左岸夹有巨厚层角闪粗面岩透镜体。按岩性及岩性组合，可将坝址区的基岩划分为三个岩组（T-1～T-3），各岩组岩性及厚度见表1。其中T-2层类为古风化壳，为火山喷发间断产物，未成岩。分布于左坝肩与坝基下部。

3.2 地质构造

坝址区岩体出露较少，岩层无明显层理，未发现有断层存在。

坝轴线上游约300m处左岸基岩裸露，节理裂隙主要发育两组：①N10°～20°W/NE∠80°～90°，②N40°～50°W /NE（或SW）∠60°～80°，裂隙延伸较短，多微张与闭合，泥质充填或无充填，两组节理小角度相交，第①組比较发育，两组节理裂隙与河流斜交。第②组不利于坝基防渗。

坝轴线下游约440m处右岸基岩裸露，节理裂隙主要发育三组：①N20°～30°W/NE∠70°～90°，②N20°～40°E/SE∠80°～90°，③N75°～85°E/NW∠60°～85°，裂隙延伸较短，多微张与闭合，泥质充填或无充填，第①组与第③组近于直交，与第②组斜交，第①组比较发育，与河流斜交，不利于坝基防渗，第②、③组与河流近于直交。

3.3 水文地质

坝址区地下水类型有第四系孔隙水和基岩裂隙水两种。前者分布于河床，埋深2.5～3.0m。根据勘察期间设置的观测孔，坝基水位水位高程为1805.0～1806.5m，水位随季节性变化幅度不大;坝肩水位高程为1834.3～1835.7m，雨季达到高程1839.5m。

3.4 坝基岩体渗透性

对坝基及左右坝肩处钻孔中进行了压水及注水试验（强风化带及T2软层），根据大值平均值评价如下表：

其中T2层取原状样进行室内垂直渗透性试验，渗透系数为4.02×10-5cm/s。分析由于该层组成物质为低液限粘（粉）土与级配不良砂、级配良好砾等相互混杂，均匀性差，分析其透水性也不均匀，局部由低液限粘（粉）土组成段的透水性较小。

3.5 岩土体物理力学性质

全新统洪冲积（Q4pal）土层的物理力学性质指标如下：土的含水率（ω）平均值为43.1%;干密度（ρd）平均值为0.82g/cm3;天然孔隙比（e）平均值2.428;液限（WL）平均值为62.1%;塑限（Wp）平均值为42.3%;塑性指数（Ip）平均值为17.42%;液性指数（IL）为-0.17～0.26，呈坚硬～硬塑状态，粘粒含量平均值为38.0%;土层自由膨胀率为10%～30%，不具膨胀性。该层标准贯入试验（实击值）平均值为9.8击，经杆长修正后击数为平均值为9.4击。

上更新统洪冲积（Q3dpl）高液限粉（粘）土层的物理力学性质指标如下：土的含水率（ω）平均值为45.3%;干密度（ρd）平均为1.00g/cm3;天然孔隙比（e）平均值为1.800;液限（WL）平均值为88.3%;塑限（Wp）平均值为44.7%;塑性指数（Ip）平均值为437%;液性指数（IL）为-0.38～0.39，多呈坚硬～硬塑状态，粘粒含量平均值为48.1%;土层自由膨胀率为8%～31%，不具膨胀性。对该层土样进行了慢剪试验凝聚力c平均值为33.7kPa，内摩擦角φ平均值为24.0°，三轴剪切试验，不固结不排水（UU）条件下其凝聚力c平均值为107.3kPa，内摩擦角φ平均值为158°;固结不排水（CU）条件下其凝聚力c平均值为47.8kPa，内摩擦角φ平均值为19.1°，有效凝聚力c'平均值为48.2kPa，有效内摩擦角φ'平均值为26.4°。该层标准贯入试验实击值平均值为24.7击，经杆长修正后击数平均值为20.6击。该土层与混凝土间摩擦系数地质建议值为0.28～0.30。

坝址区第三系火成岩T-1岩组熔结凝灰岩：饱和块体密度平均值为2.11g/cm3，干抗压强度平均值40.5MPa;饱和抗压强度平均值为26.6MPa，软化系数平均值为0.75，吸水率平均值为11.62%，饱和吸水率平均值为11.65%，饱和泊松比（μ50）平均值为0.21，饱和变形模量为平均值为1.49×104MPa。

坝基T-2岩组组成物质较为不均，多由低液限粉（粘）土、级配不良砂、含少量碎石碎石组成。其中级配不良砂土的含水率（ω）平均值为32.4%;干密度（ρd）平均值为1.22g/cm3;天然孔隙比（e）平均值为1.246;压缩系数（a0.1-0.2）平均值为0.30 MPa-1，压缩模量（Es0.1-0.2）平均值为8.40 MPa，呈中密～密实状态，不均匀系数Cu平均值为19.08，曲率系数Cc平均值为0.91。低液限粘（粉）土层的含水率（ω）平均值为30.2%;干密度（ρd）平均为1.29g/cm3;天然孔隙比（e）平均值为1.219;压缩系数（a0.1-0.2）平均值为0.27 MPa-1，压缩模量（Es0.1-0.2）平均值为8.70 MPa，粘粒含量平均值为14.1%。

坝址区第三系火成岩T-3（1）岩组熔结凝灰岩：饱和块体密度平均值为2.11g/cm3，干抗压强度平均值为17.92MPa;饱和抗压强度平均值为13.3MPa，软化系数平均值为0.72，吸水率平均值为11.39%，饱和吸水率平均值为12.47%，饱和泊松比（μ50）平均值为 为0.20，饱和变形模量为平均值为1.49×104MPa。混凝土与T-3（1）间抗剪断强度地质参数建议值f'为0.75～0.80，C'为0.50～0.55，抗剪强度摩擦系数f地质建议值为0.50～0.55。

T-3（2）岩组火山角砾岩：饱和块体密度平均值为2.24g/cm3，干抗压强度平均值为39.1MPa;饱和抗压强度平均值为22.43MPa，软化系数平均值为0.58，吸水率平均值为7.0%，饱和吸水率平均值7.62%，饱和泊松比（μ50）平均值为0.20，饱和变形模量平均值为0.95×104MPa。混凝土与T-3（2）间抗剪断强度地质参数建议值f'为0.75～0.80，C'为0.50～0.55，抗剪强度摩擦系数f地质建议值为0.50～0.55。

T-3（3）岩组角闪粗面岩：饱和块体密度平均值为2.06g/cm3，干燥抗压强平均值为76.69MPa，饱和抗压强度平均值为5801MPa，软化系数平均值为0.79，吸水平均值为5.4%，饱和吸水率平均值为5.51%，饱和泊松比（μ50）平均值为0.23，饱和变形模量平均值为2.09×104MPa。混凝土与T-3（3）间抗剪断强度地质参数建议值f'为0.80～0.85，C'为0.45～0.50，抗剪强度摩擦系数f地质建议值为0.50～0.55。

4 工程地质评价

大坝可能存在的工程地质问题为坝基渗漏、绕坝渗漏、坝肩稳定等。

4.1 建基面的確定

4.1.1 坝基建基面

坝基覆盖层为第四系全新统洪冲积（Q4pal）褐红、浅红、褐色高液限粉土，松散～稍密状态，具中等压缩性，含腐植质，层厚4.6～7.9m，底部高程1801.0～1805.5m。

Q4pal高液限粉土下伏第三系火成岩（TV），岩性主要为火山角砾岩及熔结凝灰岩，岩体强风化带厚度1.8～9.3m，强风化带底部高程为1898.7～1800.7m，该层渗透系数平均值为3.48m/d，大值平均值为7.56m/d，即8.75×10-3cm/s，属中等透水层。

坝基基岩主要为火山角砾岩及熔结凝灰岩，岩体RQD值平均值为51%，近于50%，坝基岩体饱和抗压强度平均值小于30MPa，根据坝基钻孔声波测试，其声波纵波波速平均值为2479.3m/s，小于2500m/s，坝基岩体较完整，强度低，抗滑、抗变形性能差，坝基岩体工程地质分类属Ⅳ类。

Q4pal高液限粉土干密度低，平均值仅0.82g/cm3，工程性质差，岩体强风层渗透性较强，从防渗和稳定安全考虑，建议挖除全新统覆盖层将坝基置于基岩强风化层，并在强风化层设置截水槽，或进行结合帷幕灌浆处理。

4.1.2 坝肩建基面

坝肩表层为第四系上更新统高液限粉（粘）土，厚11.0～278m，表层4m内结构松散，坝肩表层4m内土层水平渗透系数为515×10-5cm/s～2.60×10-4cm/s，平均值为1.34×10-4cm/s，垂直渗透系数为9.09×10-5cm/s～2.92×10-4cm/s，平均值为819×10-4cm/s，多具中等渗透性，干密度平均值为0.95g/cm3，表层2m以上土层含较多植物根系，建议挖除表层4m内土层再行填筑。

4.2 坝基渗漏

坝基的主要渗漏层为第四系覆盖层和基岩强风化带。考虑到将清除覆盖层并对基岩强风化层设置截水槽、固结灌浆等防渗措施，故大坝运行时，不存在覆盖层与强风化层的渗漏，因此仅对基岩强风化层下部岩体的渗漏量进行估算。

坝基基岩风化带渗漏量可按公式（1）、（2）计算。

q=K*H*T/（2b+T）公式（1）

Q=q*B公式（2）

式中：q——坝基单宽渗漏量（m3/d·m）;

K——平均渗透系数取3.82 m/d;

H——坝前、后水头差取49.0 m;

2b——坝基宽取360 m;

T——渗透层平均厚度取65.0m;

B——渗透层平均宽度取165 m;

Q——渗漏量（m3/d）。

其中将弱风化带中透水率小于5Lu的岩层视为相对隔水层。所以根据实际地层结构及渗漏情况综合考虑，确定坝基基岩渗漏层厚度取大值为65m，即至T-2（2）层底部。渗透系数k按坝基基岩强风化层以下T-3层渗透系数的平均值1.06×10-4cm/s、T-2（2）层渗透系数的平均值5.32×10-3cm/s 以及由钻孔抽水试验所得渗透系数值7.84×10-3cm/s三值加以平均后得到的渗透系数4.42×10-3cm/s即 3.82m/d考虑。

经计算得：坝基基岩初步估算渗漏量为4723m3/d。

建议对坝基桩号大坝0+000～大坝0+400段进行帷幕灌浆处理。

4.3 绕坝渗漏

正常蓄水位以下，坝址左右两岸地表均为高液限粘（粉）土层，其中在左坝肩厚11.0～19.4m，在右坝肩厚13.8～18.2m。其水平渗透系数平均值为6.96×10-4cm/s，垂直渗透系数平均值为4.65×10-4cm/s，多具中等透水性。透水性强的土层主要位于地表4m内，在地表4m以下，其水平渗透系数平均值为559×10-5cm/s，垂直渗透系数为平均值为3.63×10-5cm/s，多具弱透水性。土层在坝址两岸连续分布，库水没有外渗得渠道和条件。

综合分析，绕坝渗漏量较小，不需要进行专门处理。

4.4 坝肩稳定性分析

在正常蓄水位以下，坝址左坝肩基岩体中有T-2（1）岩组存在，该岩组主要由低液限粉土与级配不良砂、级配不良砾等组成，工程性质较差，该层层厚约20m，层顶面高程位于1800～1820m，层底面高程位于1783～1800m，层顶面低于坝肩表面约40～60m。该层处于死水位以下，很快就会被淤积物掩埋，该岩组产生大范围泥化的可能性很小，加之坝肩表层有11.0～194m厚的土层覆盖，土层属弱透水性土体，岩体中很少有切穿火山岩的贯通性裂隙，即基本不具备切割条件。故分析沿T-2（1）岩组产生切层滑动的可能性很小。

坝址右坝肩覆盖18.2～27.8m厚的土层，下伏第三系厚层块状火山角砾岩、熔結凝灰岩，岩体无明显的层理，节理裂隙发育少，裂隙面多呈闭合状态，高程1779.0m以上未发现有软弱结构面存在，分析水库蓄水后右坝肩稳定性较好。

4.5 坝基T-2层工程地质

根据钻孔岩芯分析，T-2层可分为T-2（1）、T-2（2）层，为第三系两次火山喷发间歇期间的沉积物。T-2（1）层为河床两岸山体坡残积物，T-2（2）层为河床的冲洪积物。

T-2（1）层位于左坝肩地面以下深约45m处，层顶高程1816m左右，层底高程1796m左右，层厚约20m。根据钻探资料，岩芯呈灰黄夹浅灰色，其组成物为低液限粉（粘）土、级配不良砂，含少量碎石。

T-2（2）层位于河谷地面以下深42～48m处，层顶高程1766.5～1774.5m，层底高程约1741～1747m，层厚约22.8～27.3m。根据多个钻孔钻探资料，岩芯多呈深灰、褐色，夹有少量灰黄色，其组成物为低液限粉（粘）土、级配不良砂，含少量碎石。该层与T-2（1）层相联。

对已发现T-2层的钻孔进行了声波测试，该层纵波波速范围值为1550～3125m/s，平均值约为2010m/s，该层较为软弱。

T-2层在左坝肩与坝基均有发现。右坝肩在靠近河床的钻孔中揭露该层，但远离河床侧的钻孔在深度91m中未发现该层，即在高程1799m以上未发现有该层存在。

在钻探T-2层过程中，揭露该层的钻孔中均未发现有掉钻、卡钻以及埋钻等现象，也未发现有钻孔突然漏浆等异常现象，说明该层层位连续，与其上下岩层联接性好，无脱空现象，分析该层对坝基变形影响较小。

T-2层渗透系数平均值为5.32×10-3cm/s，具中等透水性，由于水库蓄水后，库区底部很快将会产生淤积，并随时间发展淤积层会越来越厚，分析不会产生通过T-2层的库区渗漏。在坝址区覆盖层开挖后可能会产生通过此层的坝基渗漏，建议对该层坝基部分进行帷幕灌浆防渗处理。

5 结语

坝址区地形、地质条件均能满足相应坝高的建坝要求。

坝址主要存在坝基渗漏，坝基抗滑稳定性较好，坝肩稳定性较好。

建议挖除全新统覆盖层将坝基置于基岩强风化层，并在强风化层设置截水槽或进行结合帷幕灌浆处理。建议坝基进行帷幕灌浆防渗。

参考文献：

[1]D·A·布鲁格曼;J·D·戈斯登（张云;袁培义译）增加内罗毕供水的锡卡坝.国际水力发电，1991（3）：38-39.

[2]GB 50487—2008.水利水电工程地质勘察规范[S].

作者简介：黄星（1968-），男，高级工程师，主要从事岩土工程勘察工作。