山东某水电站营地的工程地质勘察和岩土工程评价

牛玉珍，唐国品，智晶子，许双全

(1.四川水利职业技能学院，四川 崇州，611231；2.山东潍坊抽水蓄能有限公司，山东 临朐，262600)

1 工程概况

本工程为潍坊抽水蓄能电站的业主营地，位于山东省潍坊市临朐县五井镇嵩山乡的嵩山水库左岸。业主营地总用地面积125993m2，总建筑面积20355m2。业主营地布局在不规则五边形的用地范围内，按功能可分为办公区/生活区、仓储设备区以及生产附属设施区，其平面布局如图1所示。

图1 营地平面布局

办公生活区主要包括办公综合楼、食堂、职工集体宿舍和室外篮球场等；仓储设备区主要包括封闭仓库及恒温恒湿仓库、棚库、堆场等建构筑物；附属配套用房主要包生活水泵房及消防水泵房、锅炉房(含配电室)、大门门卫、仓储门卫及围墙等建构筑物。各拟建建筑物的设计参数如表1所示。

表1 拟建建筑物设计参数

项目 建筑面积(m2) 建筑层数 结构形式生产附属设施区生活水泵房 200 1F 混凝土框架消防水泵房 200 地上1F，地下1F混凝土剪力墙垃圾处理站 100 1F 砖混结构锅炉房 250 1F 混凝土框架生活区门卫 30 1F 砖混结构营地大门 200 1F 砖混结构仓储设备区封闭仓库 1200 1F恒温恒湿仓库 800 1F棚库 1500 1F室外堆场 4000 ＿仓储门卫 30 1F混凝土框架室外工程砖混结构

2 场地工程地质和水文地质条件

2.1 气象水文

本流域地处北温带季风气候区，北部面海受欧亚大陆和太平洋的共同影响，属暖温带季风性半湿润大陆性气候。四季分明，春季风多雨少，夏季炎热多雨；秋季天高气爽，晚秋多干旱；冬季寒冷干燥，雨雪稀少。多年平均降水量为619mm，降水量年内分配不均，雨量主要集中在夏季，6－9月份降雨量占全年降水量的71.0%，11－3月只占全年降水量的11.2%。多年平均蒸发量为1788.3mm。6月份气温上升快，风速大，是月蒸发量最大时期，11－2月为结冰期，蒸发量最小。多年平均风速为2.2m/s，极端最大风速为14.0m/s，相应风向为WNW。最大冻土深度为0.48m。

2.2 区域地质

本区位于山东半岛中部的潍坊市西南，沂山北麓，属低山－丘陵地貌，地形总体显示西南高，东北低。区内河流均属季节性河流，主要河流有弥河及其支流石河等，河流沿岸发育有河漫滩、高河漫滩及Ⅰ级阶地。区内出露的地层有新太古代泰山岩群，早古生代长清群、九龙群、马家沟组，晚古生代月门沟群，中生代淄博群、莱阳群、青山群，新生代官庄群及第四纪松散堆积物。区内岩浆活动十分强烈，侵入岩广泛分布，具有多旋回多期次的特点，从老到新可分新太古代、古生代、中元古代和中生代的燕山期。工程场地在大地构造上属华北断块区的鲁西断块，断块内相对稳定，晚新生代活动相对较弱，是大地构造较相对稳定的地段。新构造运动以断裂和断块活动为主，工程区处于鲁西断块隆起区的鲁中南隆起区内，新生代的构造活动较弱，属于较为稳定地段。

工程所在地的区域构造纲要如图2所示。区域范围内，对工程场地地震危险性影响较大的活动断裂带主要有北北东走向的郯庐断裂带，北东、北东东走向的南黄海断裂带、北西走向的渤海—威海断裂带、鲁西隆起区内的北西西—北西活动断裂系、鲁东隆起区内北北东—北东向断裂系，以上主要断裂和次一级断裂联合构成了本区域的断裂构造格架。强震主要集中发生在上述断裂构造带上。

图2 工程所在地区域构造纲要

近场区发育的活动断裂有第四纪早中更新世活动的淄河断裂、晚更新世的上五井断裂、沂源断裂和双山—李家庄断裂。这些断裂具有多期活动的特点，断裂切割深度和第四纪活动程度各有不同。综合近场区断裂活动性研究结果，结合发震构造条件分析，认为近场区具有发生7.0级地震的构造条件，对工程场地的地震危险性有重要影响。场址区内主要展布上五井断裂，最新活动时代为晚更新世，具有7.0级发震构造背景。根据中国地震局该水电站工程场地地震安全性评价报告的批复，工程场地50年超越概率10%的地震动峰值加速度为93.7gal，相应的地区震基本烈度为Ⅶ度。再对照«水电水利工程区域稳定性勘察技术规程»，工程区5km范围内存在活动性断裂—上五井断裂，该断裂和双山—李家庄断裂地交汇一起构成了1829年临朐6级的发震构造，按照区域构造稳定性分级表，工程区属构造稳定性较差地区。

2.3 地形地貌

拟建业主营地布置于嵩山水库左岸，瑞头村东北部的一弧形半岛上，东部和南部临水，西北侧紧邻S327省道，交通便利。场地中东部有一低矮山包，地形较起伏，地表高程约290m～308m，自然坡度一般为8°～25°，山脚处局部基岩出露，地形较陡，形成坡度约70°～90°的陡坎，高度约2m～3m。山包周围地形较平缓，地表高程约290m～297m，自然坡度约2°～10°。场地范围内植被发育，山坡多被改造种植果树及农作物，山包处覆盖层单薄，多基岩出露，山包西侧和南侧地形平缓，覆盖层较厚。

2.4 地层岩性及分布特征

根据地质测绘及钻孔揭露，场地北侧及中东部的山包处覆盖层单薄，多基岩出露，主要为寒武系上统崮山组沉积岩，表层局部覆盖残坡积碎石土。营地西部和南部覆盖层较厚，为第四系冲洪积物。场地地层自上而下分层如下:

②冲洪积粉质黏土(Qel＋pl4):黄褐色—棕红色，稍密—中密，可塑—坚硬，稍湿—湿，以黏性土为主，摇振反应慢，土面光滑但无光泽，干强度中等，韧性中等。局部含角砾及碎石，含量约5%～10%。该层层厚变化较大，约3m～24m，其中，西部和西南部厚度较大，东部和东北部厚度较小。

③弱风化灰岩(∈jG＾2):青灰色－灰白色，中—厚层状，地层产状较平缓，岩块多呈弱风化，表部岩体相对较破碎，岩心多呈碎块状，下部岩体较完整，岩心呈短柱状，岩块溶蚀现象不明显，局部裂隙面充填黏土。

2.5 地质构造

场地整体地形起伏不大，覆盖层较发育，出露基岩多为弱风化灰岩，呈中～厚层状，岩层面较平直，地层产状为NE27°～45°NW∠23°～31°。根据区域地质资料及地质测绘成果，场地范围内未见断裂构造发育。

场地基岩内裂隙发育主要有以下3组:(1)NW310°～320°SW∠70°～85°，一般延伸较长，间距30cm～50cm，裂隙面起伏粗糙，微张，局部充填泥质；(2)NE20°～30°SE∠60°～85°，一般延伸较短，间距20cm～30cm，裂面平直粗糙，微张，充填泥质；(3)NE5°～10°SE∠70°～88°，一般延伸较长，间距20cm～60cm，裂面平直粗糙，微张，充填岩屑。

2.6 水文地质条件

拟建业主营地位于嵩山水库左岸，东面和南面临水，嵩山水库天然库水位多在279m～283m之间，场地地下水主要有第四系孔隙水和基岩裂隙水两种类型。第四系孔隙含水层主要位于场地西南部的冲洪积粉质粘土层中，其补给来源具有双重性，既接受大气降水补给，也接受库水和基岩裂隙水的补给，地下水位随库水位的涨落而变化，地下水位280m～290m。

场地基岩主要为中—厚层状灰岩，岩体结构较完整，透水性较弱，水文地质条件较为简单，弱风化岩体主要为弱～微透水岩体，地下水主要沿破碎带、张性裂隙和风化壳等呈脉状或带状分布。岩裂隙水接受大气降水的补给和分水岭裂隙水的侧向补给，向嵩山水库内排泄。基岩裂隙水水位总体上随地势的升高而抬高，随季节变化较大，地下水位280m～290m。

2.7 不良地质现象

场地内地势相对较平缓，无崩塌、滑坡、泥石流、岩溶等不良物理地质现象，主要物理地质现象为岩体风化。场地中东部山包处多基岩出露，岩性为寒武纪中—厚层状灰岩，地表及钻孔内揭露的岩石多为弱风化，弱风化带厚度约20m～25m。

3 地基各层参数特征值的确定

根据勘察任务书，依据相关国家规程、规范和技术标准，采用工程地质测绘、钻探、原位实验、室内试验等手段查明工程区的工程地质情况。现场原位测试主要对黏土层进行了标准贯入试验，对碎石土层进行了动力触探试验；室内试验主要从钻孔采取原状土样和岩心样进行岩土体物理力学性质试验。

①残坡积碎石土和②粉质黏土的地基承载力特征值fak由标准贯入试验的结果及分析，结合相关经验确定。fak相当于载荷试验时地基土压力～变形曲线上线性变形段内某一规定变形所对应的压力值，其最大值不应超过该压力～变形曲线上的比例界限值。③弱风化灰岩的地基承载力特征值fak由动力触探试验结果及«岩土工程勘察规范»[1]规定的N63.5与E0的关系，采用内插法计算而确定。

土的抗剪强度指标采用原状土快剪试验等方法测定，每层土的试验数量不得少于六组。依据试验数据，由规范给定的室内试验抗剪强度指标公式求得各土层的c、φ。

③弱风化灰岩的变形模量E0由动力触探试验校正过的N63.5与EO的对应关系确定；①残坡积碎石土和②粉质黏土土的压缩模量Es，通过压缩固结试验结果及相关经验公式确定，由试验数据绘制绘制e－p压缩曲线，由公式求得压缩模量

以上综合取得各层力学性质指标建议值见表2。

表2 土的物理性质指标平均值

4 场地地震效应评价

4.1 场地基本地震动峰值加速度值及特征周期值

工程场地区在大地构造上属华北断块区的鲁西断块，新构造运动以断裂和断块活动为主，区域构造背景复杂。工程区地震主要受外围地震影响，历史地震对场地的最大影响烈度为Ⅸ度。场址区内主要展布上五井断裂，最新活动时代为晚更新世，具有7.0级发震构造背景。

根据«中国地震动参数区划图»(GB 18306－2015)[2]和«建筑抗震设计规范»(GB 50011－2016)[3](以下简称«规范»)可知，场地处于基本地震动峰值加速度0.15g区，基本地震动加速度反映谱特征周期0.40s，设计地震分组为第二组。拟建场地抗震设防烈度为7度。

4.2 剪切波速和岩土体的类型

本营地场地东部及北部覆盖层单薄，多为残坡积碎石土，局部多基岩出露，场地西部及西南部覆盖层较厚，主要为冲洪积粉质黏土，厚度约3m～24m。根据物探剪切波测试结果，再由«抗震规范»[3]中规定的土层的等效剪切波速公式，求得土层的等效剪切波速vse。表层0～2m粉质黏土层的剪切波波速vse为232m/s～256m/s；下部灰岩层的剪切波波速vse为280m/s～462m/s。

«规范»规定:fak<150g/cm3且250m/s>vse>150m/s的黏性土和粉土为中软土；中密、稍密的碎石土、fak>150g/cm3的黏性土和粉土，且500m/s>vse>250m/s，可判断为中硬土。结合物探剪切波速的测试结果和有效剪切波速的计算结果，可确定拟建工程场地表层0～2m的粉质黏土层为中软—中硬土，下部土层属中硬土。

4.3 场地液化的判断

场地西部及西南部覆盖层较厚，根据«规范»对场地土地震液化进行初判。规范规定:粉土的黏粒(粒径小于0.005mm的颗粒)含量百分率，7度、8度和9度分别不小于10、13、16时，可判为不液化土。

工程场区的抗震设防烈度为7度，根据料颗分试验成果，粉质黏土层粒径小于0.005mm的颗粒含量均大于10%，因此场地不存在液化问题。

5 岩土工程条件分析与评价

5.1 建筑物场地类别判定

建筑场地的类别根据岩层的剪切波速或者土层等效剪切波速和场地覆盖层厚度确定。

本营地场地东部及北部覆盖层单薄，多为残坡积碎石土，局部多基岩出露，场地西部及西南部覆盖层较厚，主要为冲洪积粉质黏土，厚度约3m～24m。

«规范»规定:250m/s>vse>150m/s且覆盖层厚度小于3m，判定为Ⅰ1类场地；500m/s>vse>250m/s且覆盖层厚度小于5m，也可判定为Ⅰ1类场地；500>vse>250且覆盖层厚度大于5m，可判定为Ⅱ类场地。因此，业主营地东部及北部建筑场地类别为Ⅰ1类，西部及西南部场地类别为Ⅱ类。

5.2 场地稳定性与适宜性评价

场地范围内地形整体起伏不大，地面较平整，场地范围内及周边无人工边坡。场地东部及北部覆盖层单薄，多为残坡积碎石土，局部多基岩出露，场地西部及西南部覆盖层较厚，主要为冲洪积粉质黏土，下伏基岩较完整，无软弱夹层，基岩持力层承载力满足设计要求，场地整体稳定性较好。

根据区域地质资料及地质测绘，场地范围内无大的构造断裂带通过，无崩塌、滑坡、泥石流、岩溶等不良物理地质现象及地质灾害。场地范围内未发现沟滨、墓穴、防空洞、孤石等对工程不利的地下埋藏物。

综合评价，场地适宜工程建设。

5.3 地基稳定性和均匀性评价

拟建场地主要由①残坡积碎石土、②粉质黏土、③弱风化灰岩组成。其中，①残坡积碎石土仅在东部和北部山坡，局部出露，厚度较薄，碎石含量变化较大，均匀性差；②粉质黏土主要分布在场地西部及西南部，结构稍密—中密，厚度变化较大，均匀性较差；③弱风化灰岩主要出露在场地东部及北部，同时为①残坡积碎石土和②粉质黏土的下伏基岩，基岩面整体起伏不大，没有侧向临空面和软弱夹层，裂隙以陡倾角为主，地基均匀性和整体稳定性较好。

综合评价，场地地基土层为不均匀地基，岩石地基整体稳定性较好。

5.4 基础持力层选择和天然地基评价

①残坡积碎石土:该层主要分布在营地中东部山包的山坡及坡脚处，层厚0.2m～3m，碎石含量及层厚变化较大，地层不均匀，不宜直接作为建筑物的地基持力层。

②粉质黏土:该层主要分布在营地西部及西南部，该层层厚变化较大，约3m～24m，标准贯入试验标准值为9.7击，地基承载力约为180kPa～220kPa，层厚不均匀，经采取措施后可作为建筑物的地基持力层。

③弱风化灰岩:该层主要分布在营地的东部及北部，中—厚层状，地层厚度较大，产状较平缓，整体稳定性较好，岩块属中硬岩，饱和抗压强度标准值为48.08MPa，承载力特征值约为2500kPa～3000kPa，可作为建筑物的地基持力层。

6 地基基础方案分析评价

根据本工程地质条件，地基建议采用天然地基，基础采用独立基础或条形基础。

6.1 天然地基

拟建综合楼、食堂、职工宿舍、泵房、锅炉房、门卫室、临建生活、临生产和活动中心的大部分地基岩土体以残坡积碎石土和弱风化灰岩为主。其中，残坡积碎石土厚度较薄，且土层厚度及土质不均匀，不宜直接作为建筑物的天然地基持力层。弱风化灰岩，力学特性较好，地基均匀性和稳定性好，可以作为建筑物天然地基持力层。其中，锅炉房东南角、设代监理集体宿舍楼东南角、设代监理办公楼东南角及活动中心东南角局部地形高程较低，且覆盖层相对较厚，采用天然地基时，属半挖半填地基。

6.2 基础方案分析

营地的地基土以粉质黏土为主，厚度约3m～24m，结合上部结构、荷载、构造要求等确定基础型式。试验楼、恒温恒湿库、封闭仓库、棚库、室外堆场等框架结构的建筑物可采用独立基础；剪力墙结构的宿舍楼和砖混结构的门卫房可采用条形基础；剪力墙结构的消防水泵房因其地下室墙体和地板的特殊构造要求可采用整体箱式基础。考虑部分建筑物层高、可能存在的不均匀沉降问题及基础承载力的等问题，可局部加强处理再回填置换以满足设计需求。

7 结论与建议

(1)天然地基方案建议。天然地基均宜选用③弱风化灰岩为持力层。选择持力层时，应注意同一幢建筑物尽量采用同一持力层，以防止地基不均匀沉降的可能。对于基础底部分落在第③层弱风化岩上，部分落在回填土或第2层土上，可挖除第2层土，基础落在第3层土，持力层土层可取第3层土，框架柱采用高低腿，按最低基础标高建模计算，若基础标高相差3m以上，则在3m处增加一层框架梁，以防止建筑物地基产生不均匀沉降。

(2)独立基础或者条形基础方案的建议。根据拟建物上部结构特征、上部荷载情况和场地的工程地质、水文地质条件及周边环境，结合当地的建筑经验，建议采用柱下独立基础、墙下条形基础或整体箱式基础。

(3)施工建议。基础开挖主要土层为①碎石土、②粉质粘土、③弱风化灰岩，其中②粉质粘土、③弱风化灰岩属弱透水层，含水量不丰富，基础底部遇地下水时，需采取抽排水措施，降水措施可采用坑内明沟集水抽排或轻型井点降水。