原降龙大坝上坝坝址工程地质问题及评价

张瑞洁

(运城市水利勘测设计研究院有限公司,山西 运城 044000)

1 原降龙大坝上坝坝址区工程地质

1.1 上坝坝址工程地质条件

1.1.1 地形地貌

原降龙大坝位于两沟交汇处，坝轴走向S41°W，坝顶高程399.03～401.53 m，上游淤积面高程395.57～396.73 m，河谷底宽约140～240 m。下游河床高程371.34～373.66 m，河谷底宽约26～42 m。左岸坝顶高程以上坡度相对较缓，坡度25°～30°，右岸坝顶高程以上坡度较陡，坡度50°～60°。左坝肩发育一冲沟，走向S58°W，冲沟出口底部高与坝顶高程一致。

1.1.2 地层岩性

坝址区出露地层主要为人工填土、第四系全新统坡积层、第四系全新统洪冲积层、第四系上更新统洪冲积层、第四系中更新统洪冲积层、第四系下更新统冲积层。

1.1.2.1 水库淤积层

水库淤积层分布于原降龙大坝上游，层厚5.00～24.50 m。岩性主要为低液限黏土，以黄褐色为主，含有较多植物根系，局部含有卵砾石。

1.1.2.2 人工填土(Qs)

主要分布于原降龙大坝坝体，最大厚度24.80 m。岩性主要为低液限黏土，浅黄色，褐黄色，局部夹有级配不良砂透镜体。

1.1.2.3 第四系全新统坡积层(Q4dl)

主要分布于两岸岸坡地表，厚0～4.00 m。岩性主要为低液限黏土、级配不良砂，浅黄色，稍湿，结构松散。

1.1.2.4 第四系全新统洪冲积(Q4pal)

该层主要分布于现代河床及沟谷地表，层厚0.50～7.00 m。岩性表层为低液粘限土，厚0.50～2.30 m，下部为主要为级配良好砾，层厚0.50～7.00 m。

Q4pal低液粘限土，浅黄色，含水量12.10%，稍湿；天然重度16.00 kN/m3；干重度14.30 kN/m3；孔隙比0.89，稍密～中密；塑性指数11.20；黏粒含量19.20%；压缩系数0.46 MPa-1，中～高压缩性；饱和快剪凝聚力11.30 kPa；饱和快剪内摩擦角21.40°。

Q4pal级配良好砾，成分以灰岩、石英砂岩为主，松散，磨圆状，粒径多为2～3 cm，可见最大粒径11 cm,骨架颗粒间充填砂土。

1.1.2.5 第四系上更新统洪冲积层(Q3pal)

主要分布于两岸阶地上，该层总厚度5.00～20.00 m左右。岩性主要为卵石混合土和低液限黏土，卵石混合土层厚1.00～15.00 m，低液限黏土层厚1.00～14.00 m。Q3pal卵石混合土，成分以灰岩、石英砂岩为主，中密，磨圆状，粒径多为4～6 cm，可见最大粒径40 cm,骨架颗粒间充填砂土,局部含有较多砂粒和少量卵砾石。

1.1.2.6 第四系中更新统洪冲积层(Q2pal)

该层主要分布于两岸上部，层厚>50 m。岩性以液限黏土为主，底部夹有厚7.00～13.00 m碎石混合土。

Q2pal褐黄色，褐红色，含有少量钙质结核，局部夹有细砂薄层。湿陷系数0.01～0.06，多具轻微～中等湿陷性。

Q2pal碎石混合土，成分以灰岩、石英砂岩为主，中密，次磨圆状～次棱角状，粒径多为4～6 cm，可见最大粒径60 cm,骨架颗粒间充填砂土。

1.1.2.7 第四系下更新统冲积层(Q1al)

该层广泛分布于坝址区下部。岩性上部为级配不良砂，层厚8.50～30.00 m，下部为低液限黏土，该层未揭穿，已揭露厚度50 m。

Q1al级配不良砂，褐黄色，密实，中压缩性，级配较差。Q1al低液限黏土，褐红色，坚硬，密实，局部夹有细砂薄层。

1.1.3 地质构造

坝址区被大面积松散层覆盖，未发现断裂构造迹象。

1.1.4 水文地质

坝址区河段地下水主要为松散岩类孔隙水，坝址区原降龙大坝上游地下水位386.64～387.34 m，原降龙大坝下游河床地下水位371.49～372.20 m，左岸阶地地下水水位373.75 m，右岸未揭露地下水。拟建坝轴处河水位374.10 m,河水补充地下水。

根据中坝址水的腐蚀性评价结果，地下水对混凝土具有一般酸性型弱腐蚀，对混凝土无镁粒子型腐蚀，对混凝土无硫酸盐型腐蚀，地下水对钢筋混凝土中的钢筋无腐蚀，地下水对钢结构具有弱腐蚀。

2 原降龙大坝上坝坝址工程地质问题

2.1 坝基渗漏

根据钻探揭露，河床表层级配良好砾层厚4.80～7.00 m。两岸阶地卵石混合土层厚4.50～12.40 m，其下为低液限黏土。根据颗分资料查《水利水电工程地质手册》，级配良好砾渗透系数90 m/d，卵石混合土渗透系数15 m/d，为强透水层，低液限黏土渗透系数为1.20×10-7～2.17×10-6cm/s，为相对隔水层。

坝基主要渗漏层为河床级配良好砾层和两岸阶地卵石混合土层。坝基渗漏量的计算按式(1)计算。

(1)

式中：Q—渗漏量(m3/d)；B—渗漏带宽度(m)；mcp—渗透带平均渗透系数(m/d)；H—坝前坝后水位差(m)；2b—坝基宽(m)；T—渗透层厚度(m)。

经计算，Q4pal级配良好砾层渗漏量4 449 m3/d， Q3pal卵石混合土层渗漏量3 068 m3/d。计算结果见表1。

表1 坝基渗漏量计算成果表

2.2 绕坝渗漏

左右坝肩Q1al级配不良砂层均向两岸和下游延伸，根据已建降龙水库输水洞当时的施工人员介绍，该洞通过左岸山梁地段，洞底位于Q1al低液限黏土上，洞身位于Q1al级配不良砂层中，穿过山梁后，砂层尖灭，根据施工人员描述的砂层尖灭位置及为库区测绘，推测砂层向左岸延伸宽度为250 m，向右岸延伸宽度为260 m。正常蓄水位403.70 m以下，左坝肩Q1al级配不良砂层厚0.80～1.10 m，平均厚1.00 m，右坝肩Q1al级配不良砂层厚0～0.70 m，平均厚0.40 m，Q1al级配不良砂层渗透系数1.72×10-3～7.03×10-3cm/s，平均值3.73×10-3cm/s，中等透水，水库正常蓄水后存在绕坝渗漏问题。

经计算，左坝肩绕坝渗漏量79.34 m3/d，右坝肩绕坝渗漏量79.47 m3/d，两坝肩总渗漏量158.81 m3/d。

2.3 坝基渗透稳定

坝基地层主要为Q4pal级配良好砾层、Q3pal卵石混合土层、Q3pal低液限黏土层及Q1al低液限黏土层，坝基土渗透变形根据《水利水电工程地质勘察规范》进行。

2.4 地基土震动液化

坝基表层河床为Q4pal级配良好砾层，两岸阶地为Q3pal卵石混合土层和低液限黏土，其下为Q1al低液限黏土。

Q4pal混合土卵石层<5 mm颗粒含量的质量百分率13.00%～15.60%，小于30%，初判不液化。

Q3pal低液限黏土和卵石混合土层及Q1al低液限黏土属于地质年代为Q3及以前的土，初判不液化。

综上所述，坝基土为不液化土。

2.5 坝基不均匀沉降

级配良好砾层结构松散，透水层性强，存在较大的不均匀沉降问题。

两岸阶地主要为卵石混合土层，局部夹低液限黏土透镜体，低液限黏土天然状态土质坚硬，强度相对较高，遇水饱和后，强度显著降低，存在大的不均匀沉降问题。

2.6 坝肩稳定

坝肩出露地层上部为Q2pal低液限黏土，局部夹有块石混合土层，该层位于正常蓄水位以上，下部主要为Q1al级配不良砂和低液限黏土，Q1al低液限黏土和部分Q1al级配不良砂位于库水位以下。

左坝肩坡度40°～50°，局部直立，右坝肩高程405.50 m以上坡度相对较陡，坡度30°～40°，局部直立。

水库正常运行后，在库水长期浸泡和库水位骤降等情况下，对坝肩进行掏蚀，以及风力、雨雪等外力的影响，都会产生上部较大范围土体坍塌，侵占库容和影响大坝安全，建议对两坝肩上部的级配不良砂采取防护固壁措施。

2.7 原降龙大坝坝体质量

右坝端坝体土3.00 m以上，左坝端4.20 m以上坝体土孔隙比0.98，干重度13.70 kN/m3，填筑质量较差，且左坝端2.80～4.20 m夹有砂层。其余地段坝体土干重度15.40～20.90 kN/m3， 平均值19.60 kN/m3，孔隙比0.52～0.98，平均值0.63，塑性指数10.20～15.50，平均值12.90，黏粒含量14.30%～47.70%，平均值28.50%，填筑质量较好。建议将原降龙大坝两坝端4.20 m以上的坝体进行清除，重新填筑。

2.8 基坑涌水及临时开挖边坡稳定性

河床地下水位371.49～372.20 m，基坑位于地下水位以下，基坑开挖存在基坑涌水问题，需采取降排水措施。

基坑壁为级配良好砾，渗透系数90 m/d，为强透水层；基坑底为低液限黏土，渗透系数为1.20×10-7～2.17×10-6cm/s，为相对隔水层。

级配良好砾层边坡在水下自稳能力差，再大的水力比降作用下，易产生管涌破坏造成失稳，建议临时开挖边坡1∶1.50～1∶1.75。建议在上下游围堰处设防渗围幕。

2.9 地基承载力

淤积低液限黏土含水量20.10%，干重度14.80 kN/m3，孔隙比0.84，标贯击数13.60击，建议承载力特征值100 kPa。

坝体人工填筑土含水量18.00%，干重度19.60 kN/m3，孔隙比0.63，标贯击数15.00击，建议承载力特征值160 kPa。

低液粘限土含水量12.10%，干重度14.30 kN/m3；孔隙比0.89，建议承载力特征值110 kPa。

级配良好砾层动探击数36.00击，建议承载力特征值190 kPa；卵石混合土层动探击数40.90击，建议承载力特征值230 kPa；低液限黏土层含水量15.00%，干重度15.50 kN/m3，孔隙比0.74，标贯击数17.20击，建议承载力特征值120 kPa；低液限黏土层含水量10.70%，干重度13.10 kN/m3，孔隙比1.07，建议承载力特征值105 kPa；级配不良砂层含水量4.40%，干重度15.00 kN/m3；孔隙比0.78；水上休止角35°，水下休止角30.10°，建议承载力特征值180 kPa；低液限黏土层含水量17.40%，干重度17.60 kN/m3；孔隙比0.55，标贯击数52.50击，建议承载力特征值250 kPa。

3 原降龙大坝上坝址区工程地质评价

水库淤积低液限黏土层厚5.00～24.50 m，抗剪强度较低，但渗透系数较小，为微～弱透水，可作为天然防渗铺盖。

原降龙大坝两坝端4.20 m以上的坝体填筑质量较差，且夹有砂层，其余地段坝体填筑质量较好，建议将原降龙大坝两坝端4.20 m以上的坝体进行清除，重新填筑。

主河床段Q4pal级配良好砾层厚4.80～7.00 m，结构松散，存在渗漏，渗透稳定、不均匀沉降等问题，建议予以全部清除，将坝基置于Q1al低液限黏土层。

Q3pal卵石混合土层厚1.00～15.00 m，承载力较高，但存在渗漏、渗透稳定、不均匀沉降等问题；Q3pal低液限黏土层厚1.00～14.00 m，承载力较低，还存在不均匀沉降问题、渗漏和渗透稳定。建议采用防渗墙对Q3pal卵石混合土层和Q3pal低液限粘土层进行处理，防渗墙进入Q1al低液限黏土层≥2.50 m。建议对坝基范围内进行夯实处理。

左右坝肩Q1al级配不良砂层均向两岸和下游沿伸，正常蓄水位403.70 m以下，左坝肩Q1al级配不良砂层厚0.80～1.10 m，右坝肩Q1al级配不良砂层厚0～0.70 m，水库正常蓄水后存在绕坝渗漏问题。建议对左右坝肩和近坝库岸采取防渗措施。

基坑开挖中存在基坑涌水问题，建议临时开挖边坡1∶1.50～1∶1.75。建议在上下游围堰处设防渗围幕。

4 结语

原降龙大坝上坝址区工程主河床段沉积有厚Q4pal级配良好砾层厚4.80～7.00 m，结构松散，存在渗漏，渗透稳定、不均匀沉降等问题，建议予以全部清除，将坝基置于Q1al低液限黏土层。两岸阶地Q3pal卵石混合土层厚1.00～15.00 m，承载力较高，但存在渗漏、渗透稳定、不均匀沉降等问题；Q3pal低液限黏土层厚1.00～14.00 m，承载力较低，还存在不均匀沉降问题、渗漏和渗透稳定问题。建议采用防渗墙对Q3pal卵石混合土层和Q3pal低液限黏土层进行处理，防渗墙进入Q1al低液限黏土层≥2.50 m。建议对坝基范围内进行夯实处理。

左右坝肩坡度较陡，局部直立，水库正常运行后，受风力、雨雪及库水等外力的掏蚀，上部会产生较大范围土体坍塌，侵占库容和影响大坝安全。建议近坝库岸采取防护措施，并对两坝肩上部的Q1al级配不良砂采取防护固壁措施。