肯尼亚Karimenu Ⅱ大坝库区工程地质评价

胡 福 军

(太原理工大学,山西 太原 030024)

1 工程概况

KarimenuⅡ大坝枢纽位于Karimenu河流上游，行政区划归肯尼亚中部加通都地区克里克镇，距肯尼亚首都内罗毕北部约75 km，主要向罗毕市居佳、如如子区供水。库水回水范围内，坝址以上主河道长约5 km，最大淹没面积135×104m2。大坝坝型为均质土坝，水库总库容2 821万m3，坝顶长400 m，坝顶宽10 m，坝顶高程1 859.0 m，最大坝高58 m。Karimenu河位于阿伯德尔山脉南部的斜坡，流域面积是105 km2，属于肯尼亚最长河流Tana河的二级支流。Karimenu河位于肯尼亚的湿润～半湿润农业气候区，流域年平均降水量为1 420 mm，年平均温度约为18 ℃～14 ℃，月年平均温度变化幅度为11.6 ℃。

2 库区工程地质条件

2.1 地形地貌

库区地貌类型为河流峡谷地貌。Karimenu河谷两岸地势稍陡，地形起伏较大，两岸高程在1 870 m～1 880 m之间，回水范围内，河谷底高程1 800 m～1 860 m，相对高差约60 m。Karimenu河谷呈底部较为宽敞的“V”型谷，由库尾到坝址上游600 m处，库区由3条～4条支沟组成，主河道位于库区北侧，主河道河流总体流向为SE向，由坝址到其上游600 m处，河流呈“S”型。库区河谷两岸冲沟发育不多，均呈“V”字型，谷底宽敞，沟坡稍陡。库区河谷底宽度多在50 m～90 m之间，两岸高度60 m～70 m，坡度为11°～27°。沟床两岸堆积阶地不甚发育，仅不连续发育Ⅰ级基座阶地，阶面宽0 m～70 m。

2.2 地层岩性

库区地层涉及第四系土层和第三系岩层，岩性由老至新为：①第三系火成岩：T-1层厚层的熔结凝灰岩；T-2层低液限粉土、级配不良砂、砾互层；T-3层厚层～巨厚层火山角砾岩与熔结凝灰岩为主，局部分布有巨厚层角闪粗面岩透镜体；②第四系上更新统坡洪积层：主要为褐红、棕红色高液限粘土，下部含有较多钙质结核及少量砾石，分布于高原表部及沟谷两岸坡，厚度0 m～30 m；③第四系全新统洪冲积层：主要由高液限粘土、高液限粉土组成，松散，软塑～流塑状，分布于Karimenu河谷底部与 Ⅰ 级基座阶地，厚0 m～8 m。

2.3 地质构造

库区地质构造简单，断裂构造不发育，库区构造主要受东非大裂谷控制。库区岩层层理不明显。岩体内主要发育2组节理裂隙，均属构造裂隙，①N40°～60°E/NW(或SE)∠35°～65°；②N30°～50°W/SW(或NE)∠35°～85°。

2.4 水文地质条件

库区地表径流主要是以Karimenu河为主的常年性水流，其来源为大气降水及两岸补给。地下水以火成岩裂隙水为主，排泄方向以Karimenu河为排泄基准面，向河床及其下游排泄。

由于库区两岸松散覆盖层堆积厚度达10 m～25 m，分布面积较广，故含有一定量的孔隙型上层滞水。河谷底部的第四系全新统粘性土厚度较薄，水的赋存量也较为有限。孔隙水主要分布于Karimenu河河道和山间谷地，其补给条件除大气降水外，尚有地表水及其他含水岩系的补给，排泄方向为Karimenu河下游。

3 库区工程地质评价

3.1 库区渗漏

从构成库区的岩性条件来看，库岸由第四系上更新统坡洪积褐红、棕红色高液限粘土构成，土质渗透性微弱，可视为库岸隔水层，库区沟谷底部虽有火成岩出露，但其渗透性较弱，在水库蓄水初期将被淤积物淹埋，难以构成向外的渗漏通道；从库区的地形、地貌方面来看，库区两侧有平行或近于平行的沟谷，但受库区地表厚层高液限粉土层隔水作用，库水难以向两侧沟谷进行渗漏；从地质构造条件来看，由于库区构造作用不明显，未发现大的构造带，因此也不存在渗漏通道，从而形成库区较为优越的储水条件。综上所述，库区整体上不存在永久性渗漏。

3.2 库区浸没

当水库蓄水至正常蓄水位时，回水长度约5.25 km，正常蓄水位以下无村庄及重要矿产。正常蓄水位以上、以下有大量的沟边耕地。

浸没地下水临界埋深按照式(1)计算：

HCR=HK+ΔH

(1)

其中，HCR为浸没地下水临界埋深，m；HK为土壤毛细水最大上升高度，m；ΔH为安全超高值，m。

据竖井资料，毛细水最大上升高度1.6 m。对安全超高值农业区(农作物根系深度)取1.0 m，居民区(建筑物基础埋置深度)取1.5 m。则浸没地下水临界埋深：农业区为2.6 m，居民区为3.1 m。

水库两岸由松散层构成，两岸农田呈斜坡状展布，地面高程1 855.0 m～1 857.6 m范围内农田在水库蓄水后将会受到浸没影响。两岸地面高程在1 855.0 m～1 858.1 m范围内的村庄，如左岸的村庄部分近库房屋以及右岸的教堂、小学校在水库蓄水后也将会受到浸没影响。

3.3 库岸稳定

库区回水范围内，两岸坡体多数被松散土质覆盖，坡体坡度稍陡，一般为20°～25°，植被发育。在水库蓄水后，两岸坡土体受水浸润，坡脚失稳，在库水变化及浪蚀的作用下，存在坍岸问题。

根据左、右两岸坡地形地貌，选用具有代表性的几条工程地质剖面，引用均质库岸最终坍岸宽度计算公式(2)预测坍岸宽度。由于水库部分地段两岸为土层下有基岩凸起的岸坡，且基岩坡角大于水下稳定坡角(约12°)，故可采用式(3)进行坍岸宽度估算预测。

St=N[(A+hp+hB)ctgα+(H-hB)ctgβ-(A+hp)ctgγ]

(2)

St=N[(H-hB)ctgβ+(B+hB)ctgφ]

(3)

其中，St为经修正后的坍岸带最终宽度，m；N为与土的颗粒大小有关的系数；A为库水位变化幅度，m，其值为h1与h2的差值；hp为波浪冲刷深度，m；hB为波浪爬高，m；H为正常蓄水位以上岸坡高度，m；α为浅滩冲刷后水下稳定坡角,(°)；β为岸坡水上稳定坡角,(°)；γ为原始岸坡坡角，(°)；h1为设计水库正常蓄水位，取1 855.0 m；h2为设计低水位(消落水位)，取1 833.0 m；B为坍岸预测起点处基岩埋深，m；φ为基岩面坡角，(°)。

库区土质岸坡坍岸带来的影响是坍岸造成的固体物质使水库淤积而侵占库容。建议对土质岸坡进行有效防护处理。以上所估算的坍岸宽度为最终坍岸的值，水库实际使用年代有限，仅数十年，在运行期内库岸的坍岸宽度一般达不到预测值，并且库区两岸植被茂密，根系发达，在一定程度上有助于库岸稳定，减小坍岸方量。

3.4 水库淤积

Karimenu水库库区上游河谷两岸均有松散土层覆盖，雨季时两岸坡土体受冲刷，雨水携带较多泥砂进入河谷，同时岸坡土体可能还会产生少量坍塌，库区会有一定量的淤积。

3.5 水库诱发地震

水库诱发地震是水库可能出现的工程地质问题之一，它主要是由于水库的兴建，改变了水库周围的地质环境所致，一旦产生水库诱发地震，将有可能影响建筑物的安全。根据水库的具体条件，对其产生诱发地震的可能性进行分析：

1)水库区地表主要由第四系上更新统粘土组成，下伏地层是厚度较大的第三系火山碎屑岩，为块状软质岩石，不具备应力集中的物质基础，库区无区域性断层通过，无构造破碎带，地层的含水或导水能力差，形成库水通往地质体深部通道的可能性很小，因此，因水库诱发构造型地震的可能性很小。2)库区及邻近地区无大面积的碳酸岩或地下采空区分布，不具备发生非构造型水库诱发地震的基本条件。3)据统计，诱发地震多发生于坝高大于100 m、库容大于10亿m3的大型水库。本水库为中型水库，最大坝高度为52 m，所产生的静水压力较小。4) 库坝区无温泉、地热等异常现象。从以上分析看，本工程水库蓄水后诱发地震的可能性较小。

4 结论与建议

综合以上分析可得，研究水库位于火山岩区，无永久性渗漏问题，水库诱发地震的可能性较小，库区存在浸没问题，水库有一定量的淤积。库区局部会存在两岸土质岸坡坍岸等失稳问题，但范围较小，不会对大坝安全造成威胁。但由于水利工程与环境条件相互作用的复杂多变性，建议加强地质环境和施工的监测工作，发现问题及时处理，同时采取工程措施消除安全隐患。

1)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。坝基进行帷幕灌浆防渗，也可在坝前设粘土层辅盖以减少渗漏量；对上下游围堰堰基进行防渗处理，将溢洪道基础置于基岩；2)对大 坝工程库区布设排渗和疏干工程来有效降低地下水位，对于周边的农耕区，应结合实际情况调整农作物种类；3)对水库进行定期的地震观测，出现微震时及时调查消除诱因，保证水库安全运行；4)加强河流周边的水土保持工作，植树造林，加固库岸。