掌岗图景观水系工程地质条件评价及填筑料场分析

2024-02-01于红波

海河水利 2024年1期

于红波

（辽宁省营口水文局，辽宁营口 115003）

1 概述

伊金霍洛旗掌岗图景观水系开元路工程位于乌兰木伦河的一级支流掌岗图河下游、伊金霍洛旗政府所在地阿腾席热镇西1km处，控制流域面积43.8 km2。该工程最大蓄水量为727.85 万m3，工程等别为Ⅳ等，工程规模为小（1）型，永久性主要建筑物为挡水路基、排洪渠、输水涵洞按4 级建筑物设计，临时性建筑物按5 级设计[1-4]。根据筑坝土料质量要求、开采运输及周边地形条件，本次勘察由建设单位推选了5 个筑坝土料场，按产地规模及位置分为料-1、料-2、料-3、料-4、料-5。5个料场除黏粒含量、渗透性指标、砾石含量不满足规范要求外，其余各项指标均符合要求，适合用于填筑材料。

2 工程地质条件与评价

2.1 挡水路基工程地质条件与评价

2.1.1 地形地貌

挡水路基水库区地形地貌特征同区域地形地貌基本一致。按照成因和特征，可划分为3 个地貌单元。

（1）风积地形（Ⅰ）。分布于库区两岸平缓斜坡坡脚处，地势较低，地面高程1 331.4～1 334.8 m，地形有起伏，植被较好，以风积固定、半固定沙丘为主。

（2）侵蚀堆积河谷地形（Ⅱ）。条带状分布于掌岗图河道及两侧次级支沟中，河谷较宽阔，底宽120～240 m，主流线较稳定，河谷地貌单元较少，以河漫滩及二级堆积阶地为主，局部分布有一级阶地。

（3）构造剥蚀丘陵地形（Ⅲ）。广泛分布于库区两岸岸坡及分水岭地段，以右岸最为明显，分布范围较大，地势较高，地面高程1 358～1 378 m，地形起伏较大，冲沟较发育，基岩裸露明显。

2.1.2 地层岩性

挡水路基水库区地层岩性较简单，岩性及岩相与区域地质基本相同。库区地层由老至新分述如下。

（1）白垩系下统志丹群第二岩段（K1zh2）。岩性以紫红色、黄绿色、灰白色细砂岩为主，产状近于水平，岩质较致密，泥质胶结，矿物成份为长石、石英及高岭土，弱～微透水性，地层厚度60～120 m。地层上与第四系地层呈角度不整合接触，下与白垩系二、三、四、五岩段呈平行不整合接触。

（2）第四系全新统冲洪积（Q4al-pl）。条带状分布于各沟谷河床及阶地地形中，岩性以土黄色粉砂、细砂、砾砂、卵石为主，稍密～中密，主流线附近湿～饱和，河漫滩处稍湿～湿，中等～强透水性，矿物成份以长石、石英为主，颗粒级配较差，磨圆较好，构成地区唯一第四系潜水含水岩组，地层厚度一般1.5～7.8 m。

（3）第四系全新统风积（Q4eol）。主要分布于库区右岸丘陵斜坡坡脚，岩性以粉砂、细砂为主，松散，局部稍密，干燥～稍湿，矿物成份为长石、石英及云母，透水不含水，地层厚度一般1.1～5.8 m。

（4）人工堆积物（Qml）。主要分布在左坝肩，岩性以粉砂土、细砂土、砂岩屑及砂岩块等为主，人工堆积而成，稍密、局部中密，稍湿，为路基填土，地层厚度1.1～21.9 m。

2.1.3 地质构造

库区无断裂构造，节理、裂隙也以岩层表部次生风化形成为主，厚度较小，连通性较差。库区位于相对稳定的地块台地上，新构造运动以上升为主，构造形迹简单。

2.1.4 水文地质条件

挡水路基水库区发育有地表水及地下水。地表水主要接受大气降水直接补给，该地表水水位及水量受季节性影响变化较大，一般在枯水年及枯水期五六月份常出现断流现象，其余时段清水基流量较小。区内地下水主要为第四系松散岩类孔隙潜水，赋存于Q4al-pl细砂、砾砂含水层中，主要接受河床地表水及周边丘陵侧向径流补给，水位及水量受季节性影响变化较大，在河床地表断流时，河床地下潜水位埋深一般0.2～7.9 m，而在河床地表有正常径流时，地下潜水位基本与地表径流水位齐平；其次为碎屑岩类孔隙～裂隙潜水，赋存与分布主要受岩体风化状态影响控制，一般含水介质以细砂岩孔隙及风化裂隙为主，潜水位埋深一般大于-20 m。潜水与承压水明显分界，补径关系一般为潜水补给承压水。经室内化验，地表水和第四系松散岩类孔隙潜水水质均较好，水化学类型均为HCO3·SO4-Ca·Mg 型水，矿化度均小于1 g/L，水质对混凝土及钢结构无腐蚀性。

2.2 排洪渠工程地质条件与评价

排洪渠属开敞式泄洪结构，布置在挡水路基右侧，渠轴线与路基轴线基本垂直。本次勘察共在排洪渠布置钻孔9 个，其中1 个孔与路基线共用、其余8个钻孔总进尺94.3 m。

2.2.1 地形地貌

排洪渠沿线为丘陵山体与侵蚀堆积河谷地形的过渡带，地势较高，地面高程1 334.20～1 353.08 m，地形起伏较大，坡度0.3‰～9.2‰，进出口段相对高差18.9 m。地表多被风积砂覆盖，表现为固定半固定地貌，其上植被发育。

2.2.2 地层岩性

（1）单元层②（Q4eol）粉砂。风积，土黄色，松散，干燥～稍湿。该层分布范围较大，除排洪渠出口段外，其余地段均有分布，地层厚度1.1～5.8 m，平均厚度3.8 m，层顶标高1 335.24～1 353.08 m，层底高程1 335.55～1 351.98 m，埋深0。渗透系数K=2.0×10-2cm/s，属强透水性。

（2）单元层③（Q4al-pl）细砂。冲洪积，土黄色、棕黄色，稍稠密，微湿～饱和。该层主要分布于排洪渠出口段的河床中，地层厚度2.6～3.6 m，平均厚度3.1 m，层顶标高1 334.20～1 335.24 m，层底高程1 331.60～1 331.64 m，埋深0～5.8 m。渗透系数K=3.0×10-2cm/s，属强透水性。

（3）单元层④（Q4al-pl）砾砂。冲洪积，棕灰色、灰白色，微密～中密，湿～饱和，含卵石、块石。该层主要分布于排洪渠出口段的河床中，地层厚度1.4～1.6 m，平均厚度1.5 m，层顶标高1 331.60～1 331.64 m，层底高程1 330.10～1 330.14 m，埋藏深度2.6～3.6 m。渗透系数K=4.9×10-2cm/s，属强透水性。

（4）单元层⑤（K1zh2）细砂岩。全风化，黄绿色、紫红色、灰白色，稍湿～湿。该层在排洪渠沿线均有分布，层顶标高1 330.10～1 351.98 m，层底标高1 326.70～1348.38m，埋深1.1～5.8 m，层厚2.5～3.6 m，平均厚度3.0 m。透水率q=13.9 Lu，属中等透水性。

（5）单元层⑥（K1zh2）细砂岩。风化性强，紫红色、灰白色、蓝灰色，微湿。该层在排洪渠沿线均有分布，层顶标高1 326.70～1 348.38 m，埋深4.7～8.8 m，钻孔揭露厚3.7～9.3 m。透水率q=3.6～3.9 Lu，属弱透水性。

2.2.3 地质构造

排洪渠沿线地质构造简单，无断裂构造，结构稳定性好。

2.2.4 水文地质条件

勘测期间，排洪渠进口至挑流段一线均未见地下水，但河床出口处有地下水潜水存在，含水层为细砂、砾砂，潜水位埋深2.5～3.0 m，水位标高1 331.74～1 332.23 m，水位及水量受季节性影响变化较大[5]，受补给条件限制，水量较贫乏，枯水年及枯水期一般未见分布，对混凝土及钢结构不具侵蚀性。

2.2.5 岩土抗冲刷评价

排洪渠为开敞式泄洪结构，进口段开口宽43.15 m，控制段底宽30 m，陡槽段底宽30 m，进口段顶堰高程1 347.00 m，消力池出口底高程1 334.00 m。排洪渠进口段附近底部及侧壁地基均为Q4eol粉砂，出口段附近底部及侧壁地基均为Q4al-pl细砂及砾砂，仅中部为强风化细砂岩层。第四系地层抗水流冲刷能力极差。细砂岩层属极软岩，泥质胶结，成岩性差，遇水易风化及软化崩解，抗水流冲刷能力较差。根据水利水电工程相关规定[6]，其不满足泄洪要求，应进行衬砌。因岩体风化及软化速率较快，开挖后应及时衬砌。

综上，排洪渠进口及出口附近建筑基底分布有第四系粉砂、细砂及砾砂，不满足抗冲刷稳定要求，中部一带基底为基岩，形成岩土组合地基，不满足地基一致性要求。建议进出口段基底加深至基岩为准，其中进口段需加深至高程1 345.8 m，加深深度1.2 m；出口消力池附近加深至高程1 330.1 m，加深深度3.9 m。挑流鼻坎以下区段均为第四系细砂及砾砂，抗冲刷能力极差，应做渠道化衬砌处理，以防止洪流形成冲刷坑反淘鼻坎。

2.2.6 边坡稳定分析

按现状地貌形态及地面标高估算，排洪渠开挖将形成高度为0.7～5.0 m 的土质边坡，中部将形成高度约6.6 m的岩土组合边坡，其中土质边坡高度一般1.1～6.2 m、岩质边坡高度0.4～5.5 m。

根据土工化验资料，第四系地层等效内摩擦角一般为28°，等效内聚力为0。按照无黏性土边坡稳定理论，土质边坡稳定坡角宜为28°，在此条件下土质边坡处于稳定状态。基岩体为细砂岩层，成岩性差，易风化及软化崩解，属极软岩。因岩质过于软弱，建议等效内聚力C=32 MPa，等效内摩擦角φ=36°，稳定坡比为1∶0.75。该岩质边坡地层产状近于水平，不会产生滑坡工程地质问题，但陡立边坡坡顶易风化剥落和小块体崩落。

经分析发现，土质边坡和岩质边坡坡比控制在允许范围内时[7]，边坡处于稳定状态。但因岩土体抗水流冲刷能力差，将出现坡面冲蚀、流土等现象，最终趋于不稳定，因此应对排洪渠边坡及基底进行钢筋混凝土全断面衬砌及支护处理。

2.2.7 底板基础渗透破坏评价

当排洪渠底板地基土为第四系地层时，排洪渠地下渗流对岩土体的渗透破坏评价如下。

（1）单元层②粉砂层。不均匀系数Cu=4.518，该地层属流土型渗透变形[8]。

（2）单元层③细砂层。不均匀系数Cu=2.869，该地层属流土型渗透变形。

（3）单元层④砾砂层。不均匀系数Cu=38.577，该地层属流土型渗漏变形[9]。结合地区实际，排洪渠基底允许水力比降J允许=0.25。

（4）单元层⑤全风化细砂岩层。该岩层属极软岩，成岩作用差，易风化软化解体。在长期风化及浸水状态下，表部会出现全风化层，性状类似于土类，在渗透条件下出现流土渗透变形[10]。泥岩风化软化后也会出现季节性冻胀现象，使底板开裂变形。

综上，排洪渠底板无论是土基还是岩基，地下渗流都会导致渗透破坏问题。因此，应对底板进行隔水防渗处理。

2.3 输水涵洞工程地质条件与评价

输水涵洞位于库坝左岸，呈直线分布，洞轴线与坝轴线基本垂直[11]。本工程设输水涵洞2 个，埋设直径1.8 m预应力钢筒混凝土管，闸门进口高程分别为1 339、1 342 m，且2号输水涵洞兼二期导流洞，导流底高程1 336 m。

2.3.1 地形地貌

输水涵洞沿线为侵蚀堆积河谷地形，出口段临时堆积高11.4 m 左右的堆土，地面高程1 336.32～1 348.08 m，地形起伏一般较小，局部堆土段较大，坡度一般0.3‰～1.1‰，局部堆土处45.4‰～76.6‰，相对高差11.8 m。

勘测期间，输水涵洞沿线多有地下水潜水存在，含水层为Q4al-pl砾砂，潜水位埋深0.6～12.5 m，水位标高1 335.63～1 336.84 m，受补给条件限制，水量较贫乏，枯水年及枯水期一般未见分布，对混凝土及钢结构不具侵蚀性。

2.3.2 地基渗透稳定性评价

单元层③细砂层、单元层④砾砂层属强透水性，存在流土类渗透变形影响。其下伏岩层均不存在渗透变形影响。

2.3.3 地基抗冲刷稳定性评价

单元层③细砂层抗冲刷能力差，不满足抗冲刷稳定要求；单元层④砾砂层抗冲刷能力差，不满足抗冲刷稳定要求；单元层⑤全风化细砂岩岩层胶结差，强度较低，抗冲刷能力较差，允许流速1.5 m/s，不满足抗冲刷稳定要求；单元层⑥强风化细砂岩岩层胶结较差，强度较低，抗冲刷能力较差，允许流速2.0 m/s，不满足抗冲刷稳定要求。

根据分析可知，输水涵洞沿线地层抗冲刷能力不够，需进行抗冲刷衬砌和防止渗透变形处理。

2.3.4 地基持力层选择及地基处理措施

综合地层强度、渗流及冲刷稳定等因素，输水涵洞地基可选持力层为单元层③细砂层或单元层④砾砂层。因抗冲刷和渗透变形不满足要求，需进行衬砌和防止渗透变形处理。