某淤地坝工程中新建溢洪道工程地质评价分析

王 建

（婺源县水利水电勘察设计室,江西 婺源 333200）

1 工程概况

某淤地坝工程设计控制面积3.21 km2,总库容为53 万m3,其中淤积库容为24.69 万m3,防洪库容为28.31 万m3,可淤地面积为4.67 hm2,设计年平均土壤侵蚀模数为 6600 t/km2。设计坝高26 m,坝顶宽4 m,坝顶长105 m。坝体为均质土坝。大坝依据“高坝滞洪管道排清”的原则设计,按土坝、放水建筑物组成,上游坝坡比1∶3,下游坝坡比1∶2.75,坝体下游高16 m处设一道1.5 m宽的马道,坝脚设高2 m反滤体,放水建筑物采用涵卧管形式,进口卧管采用44 级台阶状,总高为 13.2 m,放水涵管采用Φ600 mm的钢筋混凝土预制管,总长96 m。目前该坝已运行至今18 年,其已淤积库容为25.25 万m3,拦沙量为25.25 万m3,剩余库容为27.75 万m3,已淤地面积为3.90 hm2。根据《水土保持工程设计规范》相关规定,无溢洪道的淤地坝工程在淤积库容淤满至50%时,增设溢洪道。本文从新建溢洪道工程地质出发,进行溢洪道工程地质评价,评价结果将用于本次溢洪道的设计施工,为设计施工提供可靠的工程地质资料。

2 基本地质条件

2.1 地形地貌

淤地坝集水面积3.21 km2,沟道总长度3.2 km,坝区海拔高程 2086.4 m~2099 m,山体自然坡角 45°~75°,呈宽 “V”字型展布,库区岸坡较陡,局部为陡崖,坝址以上主沟道长约3.2 km,平均沟深约40 m,沟底宽约20 m~80 m,坝面人工种植的植被发育、两岸及上游坡体表面发育有天然植被。

2.2 地层岩性

淤积坝新建溢洪道表层大部分被第四系堆积物覆盖,根据野外探井揭露地层的沉积特征,结合地基土的工程特性,场地内土层如下：

①风积黄土（Q3eol）,灰色,土黄色,干～稍湿,颗粒以粉粒为主,部分含钙质结合,发育垂直裂隙,具大孔隙,结构松散～稍密,上部土层具有湿陷性,分布连续,分布厚度5 m~10 m,分布ft前丘陵上部地带。

②新近系西宁组泥岩（N1x）,岩性为桔红色砂岩、泥岩与石膏互层：主要分布于ft体下部,下伏于风积黄土层之下,冲沟下部、底部基岩裸露。厚层状,大多为泥质胶结,成岩弱,属软岩,产状近于水平。表层多发育全风化层,呈碎屑或粉末状,一般厚度1 m~2 m,强风化岩体内风化裂隙发育,岩体较破碎,呈碎裂结构,一般厚度3 m~5 m。

图1 坝址地形地貌图

2.3 溢洪道分段工程地质条件

淤积坝新建溢洪道布置在坝体右岸,根据右岸走势向下布置,采用开敞式正槽溢洪道,不设闸门,溢洪道总长214.0 m,总落差25.2 m,溢洪道由进口段、溢流堰、陡槽段和消能段,出水渠组成。

（1）进口段（桩号K0+000.0~K0+034.5）

溢洪道桩号K0+000~K0+034.5为溢洪道进口段,底板高程为2091.00 m,溢洪道进口段地形坡度为10°~20°,高出沟底约25 m,沿线ft体自然坡度一般为20°~ 30°,地层岩性为第四系全新统湿陷性黄土,该处湿陷性黄土层最厚,厚度约13 m左右,浅黄色,结构松散,含植物根系,分布层厚为 2.5 m~3.6 m。勘查期间未见地下水分布,沿线物理地质现象不发育,该段地基土为风积黄土,地基稳定性较差,建议用三七灰土换填处理,处理厚度 0.5 m~1.0 m,并分层碾压夯实。

经对黄土取样试验,风积黄土湿陷厚度最深为 7.5 m,湿陷等级为III 级自重湿陷性,为中等严重。

（2）泄槽段（桩号 K0+034.5~K0+197.5）

溢洪道桩号 K0+034.5~K0+197.5 段为泄槽段,地形较为相对平缓,地形坡度 15°左右,地层岩性为第四系全新统湿陷性黄土,厚度约13 m 左右。勘查期间未见地下水分布,沿线物理地质现象不发育,该段地基土为风积黄土,地基稳定性较差,建议用三七灰土换填处理,处理厚度0.5 m~1.0 m左右,并分层碾压夯实。

（3）消能段（桩号 K0+197.5~K0+214.0）

溢洪道泄槽后设置消力池,消力池后设出水渠,位于沟底,地形平坦,地形坡度 8°左右,覆盖层岩性为第四系全系统湿陷性黄土,底板深度为 4.4 m,基岩岩性为下更新统泥岩,强风化厚度 0.6 m。消能段、出水渠地下水位埋深约1.5 m~3.0 m,基础开挖受地下水的影响,建议施工时做好相应的排水措施。沿线物理地质现象不发育,该段地基土为风积黄土,地基稳定性较差,建议用三七灰土换填处理,处理厚度0.5 m~1.0 m,并分层碾压夯实。

3 新建溢洪道工程地质问题分析及评价

3.1 黄土状土的湿陷性评价

根据本次勘察揭露地层情况和取探井土样进行室内试验结果,依据《湿陷性黄土地区建筑规范》（GB 50025-2004）相关规范进行自重湿陷量的计算值与湿陷量的计算值,自重湿陷量的计算值zs由于设计暂未提供设计标高,从自然地面算起,湿陷量的计算值s从自然面下1.50 m 算起。

拟建场地①层湿陷性黄土具有湿陷性,湿陷系数为 0.014~0.108,湿陷程度属强烈,湿陷量的计算值为 682.5 mm；自重湿陷系数为 0~0.055,自重湿陷量的计算值为 337.5 mm,湿陷底深为7.5 m,场地湿陷等级为 III 级（严重）自重湿陷性。拟建工程区的建筑物,地基土为黄土,建议采用整片土（或灰土）垫层。依此规范拟建建筑物地基应采取以下处理措施：（1）地基土为自重湿陷性黄土场地,灰土垫层的厚度应大于0.30 m,土垫层的厚度应大于 0.50 m,拟建溢洪道换填厚度为 0.5 m~1.0 m；（2）土（或灰土）垫层的压实系数大于 0.97。

3.2 场地土对建筑材料的腐蚀性评价

（1）土的含盐量分析

根据 Tk2-1和 Tk2-2资料表明,黄土含盐总量为0.27%~0.32%,按含盐量分类为中盐渍土；c（Cl-）/2c（SO42-）为0.475~0.493,按含盐化学成分分为亚硫酸盐渍土。土层含盐量分析见表 1。

表1 工程坝址分期设计洪水计算成果表 单位：m3/s

（2）土的盐胀性评价

根据表1 可知,黄土1.0 m已浅,根据易溶盐实验数据分析,以上两组实验中所含 Na2SO4的含量＜1%,因此判定黄土不具有盐胀性,工程建设和使用过程中可不考虑此影响。

（3）土的腐蚀性评价

根据《岩土工程勘察规范》（GB 50021-2009）中附录 G.0.1场地环境类型分类表中相关规定坝区环境类别按Ⅲ类判定。黄土中取样进行易溶盐分析,分析表明： pH值为 8.27~8.35,土中 SO42-含量为1991 mg/kg~2069 mg/kg,土对混凝土结构具弱腐蚀性,Cl-含量 1120 mg/kg~1278 mg/kg,对钢筋混凝土结构中的钢筋具弱腐蚀性,综合判定黄土层对混凝土结构具弱腐蚀性[1]。土对建筑材料腐蚀的防护应符合《工业建筑防腐蚀设计规范》（GB 50046-2008）的规定。

3.3 新建溢洪道的渗漏问题

新建工程主要为溢洪道,其渗漏量大小取决于沟道地基岩土层的渗透性的强弱,本次工程区所经均为黄土状土,透水性弱,地基渗漏问题不严重。但工程区的渗漏除了地基土本身的渗漏问题外,还包括因地基土渗漏引发的其它工程地质问题,如因渗漏恶化边坡地质条件引起的边坡失稳定问题、因渗漏使地基饱和引起的黄土的湿陷、地基土含水量变化引起的地基冻胀问题等。因此建议本次新建溢洪道应进行防渗处理[2]。

3.4 承载力特征值

根据《建筑地基基础设计规范》,结合室内试验和地区经验确定地基承载力特征值fak统计表见表2。

表2 地基土承载力特征值统计表

黄土状土（Q3eol）承载力特征值fak为 120 kPa,由于该黄土状土具有湿陷性, 建议做相应的处理后可做为地基持力层。强风化泥岩（N1X）承载力特征值fak为300 kPa～350 kPa,该层可满足工程的地基持力层要求,可作为工程的地基基础。

3.5 冻胀性评价

工程区海拔2400 m左右,参考附近已建工程的冻深资料,工程场地标准冻深为 1.1 m。根据《建筑地基基础设计规范》附录 G表 G.0.1 分析判定,溢洪道进口段、堰口段和陡坡端冻深范围内地层为黄土,根据土工试验,含水量为 9.7%~11.3%,小于 19%,地下水位距冻结面深度大于1.5 m。根据《建筑地基基础设计规范》附录 G,冻胀类别为不冻胀,冻胀等级为Ⅰ级,冻胀系数η＜1.0。消力池、出水渠、放水明渠地基中含水量较高,为冻胀土,建议采取防冻胀处理。

3.6 基坑评价及支护参数

淤积坝拟建溢洪道基础持力层为①湿陷性黄土状土,其最大厚度在溢洪道堰口段 15 m左右,基坑开挖深度在5 m之内,依据《建筑地基基础设计规范》,经评价判定基坑等级为三级,重要性系数为 0.90,建议采用坡率法或放台放坡开挖,土质基坑侧壁放坡坡度允许值湿陷性黄土状土1∶0.75~1∶1.00。

3.7 沟道洪水的冲刷作用

庙儿沟骨干淤积坝沟谷底部以第四系松散风积黄土状土和强风化泥岩为主, 部分为砾质土,上部 1 m~2.5 m 较松散,抗冲刷能力较差,地基易受洪水的冲刷破坏。拟建溢洪道在跨沟段易受洪水的冲刷破坏,需要进行加固处理并将跨沟管道基础应埋置在最大冲刷深度以下。经调查,淤积坝沟道最大冲刷深度为 2.5 m。

3.8 溢洪道稳定性与适宜性评价

淤积坝溢洪道位于右岸山体,其坡顶与沟底相对高差较大,约 20 m,场地地形起伏较大,场地内不良地质作用主要为小型冲沟。

地内土层主要为湿陷性黄土状土（湿陷性）,分布较均匀,地层结构相对简单, 场地适宜性良好。但是在后期施工过程中应加强防范,防止发生意外。

综上,场地地形起伏较大,稳定性一般,适宜性较适宜,在施工过程中,应进行加固处理,防止后期对溢洪道的破坏。

根据拟建的建（构）筑物特征、性质,拟建工程的功能特性,结构特点,结合场地地层情况,设计方应从经济、安全、工期等方面综合考虑,确定基础方案, 建议采用三七灰土垫层对黄土状土（湿陷性）进行地基处理。

4 结论及建议

通过对新建溢洪道工程区地形地貌、地层岩性以及溢洪道分段地质条件的分析,并进行溢洪道工程地质问题分析及评价,得到以下结论和建议：

（1）淤积坝溢洪道基础位于风积黄土层上,地基稳定性较差,建议用三七灰土换填,建议换填厚度 0.5 m~1.0 m；

（2）主要工程地质问题为边坡开挖稳定性,地基稳定性问题；

（3）溢洪道地下水位埋深较大,基础开挖基本不受地下水影响；

（4）溢洪道沿线地基土冻胀等级为Ⅰ级,冻胀类别属不冻胀土；消力池、出水渠、放水明渠地基中含水量较高,为冻胀土,建议采取防冻胀处理；

（5）黄土层对混凝土结构具弱腐蚀性,建议对拟建场地进行相应的防腐处理； 地表水对混凝土结构具强腐蚀性,对钢筋混凝土结构中钢筋中等腐蚀性,对钢结构有中等腐蚀性,新建溢洪道应进行防腐处理。