大沙河庫區(qū)工程地質(zhì)條件及穩(wěn)定性評價分析

從 楠

(單縣水務局，山東 單縣 274300)

1 大沙河水庫庫區(qū)地質(zhì)概況

1.1 地形地貌

大沙河水庫位于山東省魯西南黃河沖積平原，水庫所在的地區(qū)地形平坦，地勢呈西南向東北傾斜趨勢，地面高程在44.3～45.8 m 之間(1985 國家高程基準，下同)，地面坡降0.1‰～0.2‰。地貌單元屬微傾斜低平原區(qū)(Ⅵ)-黃河沖積平原亞區(qū)(Ⅵ1)。區(qū)域河床、崗地呈條帶狀分布，淺碟式洼地星散其間，平緩坡在崗、洼之中形成崗、坡、洼地相間排列。

1.2 地層巖性

工程區(qū)位于魯西南黃泛沖積平原，主要有第四系全新統(tǒng)黃泛沖積堆積層巨野組(Qhj)、沼積堆積層黑土湖組(Qhh)及第四系上更新統(tǒng)沖洪積堆積層平原組(Qpp)。

1.3 地質(zhì)構造及地震

庫區(qū)位于華北板塊(Ⅰ)魯西南潛隆起(Ⅱb)菏澤-兗州潛斷隆(Ⅱb1)，區(qū)域范圍內(nèi)構造發(fā)育。由于堆積較厚的松散覆蓋層，地質(zhì)構造呈隱伏構造。近場區(qū)區(qū)域構造主要有：

(1)單縣斷裂：從單縣高韋莊向東北經(jīng)單縣，金鄉(xiāng)到嘉祥的紙坊，走向北東，傾向南東，為第四紀不活動斷層。位于場區(qū)的北部，垂直距離約6 km。

(2)巨野斷裂：北起聊城南，經(jīng)巨野縣南入河南省，走向 355°左右，傾向西，為正斷層，斷裂長約 210 km，為第四紀活動斷層。位于場區(qū)的西北部，垂直距離約 20 km。

(3)東明-成武斷裂帶：從東明縣東經(jīng)牡丹區(qū)解元集、定陶到成武，長約 100 km，走向南東東，傾向北東，為全新世活動的走滑斷層。位于場區(qū)的北部，垂直距離約20 km。

(4)曹縣斷裂帶：北起陽谷，經(jīng)鄆城、成武西、曹縣，南入河南省，并錯斷近東西向的鄆城斷裂、菏澤斷裂、東明-成武斷裂、單縣斷裂，斷層傾向東-南東，傾角上陡下緩，呈鏟狀。有跡象表明該斷裂可能是一條第四紀中更新世時期活動的斷裂。位于場區(qū)的東部，垂直距離約40 km。

(5)金鄉(xiāng)斷裂：西起曹縣莊寨，經(jīng)定陶、成武、金鄉(xiāng)東至界河，總體走向83°，傾向北，傾角 70°左右，為正斷層，控制長度為180 km，位于場區(qū)的南部，垂直距離約40 km。主要活動時間為古生代至燕山期，為第四紀不活動斷層。依據(jù)場地 20 m以內(nèi)等效剪切波速資料，場區(qū)地層等效剪切波速值約為170～190 m/s，場地覆蓋層厚度大于50 m，確定場地土類型為中軟土，場地類別為Ⅲ類。

2 庫區(qū)水文地質(zhì)條件分析

庫區(qū)環(huán)境水包括地表水(河水)和地下水，庫區(qū)地下水為第四系孔隙潛水，主要含水層為砂壤土，勘察期間揭示地下水埋深為 0.90～2.70 m，潛水位為 42.23～43.10 m。水位與地形基本一致，呈西南高東北低之勢。據(jù)水質(zhì)分析資料，庫區(qū)水化學類型地表水均為重碳酸氯化物硫酸鈉鎂型水，地下水為重碳酸鈉鎂鈣型水。地表水pH 值為7.4，總硬度為233.03 mg/L，總堿度為 199.10 mg/L，礦化度為 642.50 mg/L，無侵蝕性CO2；地下水pH 值為7.0，總硬度為688.01 mg/L，總堿度為678.85 mg/L，礦化度為 1656.41 mg/L，無侵蝕性CO2。據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(GB50487-2008)附錄 L 判定，場區(qū)地表水對砼無腐蝕性，對鋼結構具弱腐蝕性，對鋼筋混凝土結構中的鋼筋具弱腐蝕性。場區(qū)地下水對砼具硫酸鹽型弱腐蝕性，對鋼結構具弱腐蝕性，對鋼筋混凝土結構中的鋼筋具弱腐蝕性。綜合野外抽水、注水試驗及室內(nèi)滲透試驗等試驗成果，大沙河水庫各土層滲透系數(shù)建議值見表1。

表1 壩基土層滲透系數(shù)建議值表

3 壩基工程地質(zhì)條件評價

3.1 地層分布

勘探深度范圍內(nèi)，揭露的地層主要為第四系松散堆積層，自上而下可分為 14 層(含亞層)：

①層粉砂(Q4al)：褐黃色～淺黃色，很濕，松散～稍密，礦物成分主要為石英、長石，含少量云母碎片，砂質(zhì)不純凈，局部相變?yōu)樯叭劳痢?/p>

②砂壤土(Q4al)：黃褐色，飽和，稍密，土質(zhì)不均，手捻有砂感，切面無光澤，搖振反應迅速，干強度低，韌性差，分布連續(xù)，夾②-1 層黏土。

②-1 層黏土(Q4al)：黃褐色-灰褐色，軟塑，土質(zhì)較均勻近壤土，裂隙發(fā)育，切面較光滑，搖振無反應，干強度高，韌性中等，呈透鏡體分布。

③層黏土(Q4al)：灰褐色，軟塑～可塑，含有機質(zhì)，有腥臭味，切面光滑，搖振無反應，干強度及韌性中等。局部夾壤土及淤泥質(zhì)黏土薄層。

③-1 層壤土(Q4al)：灰褐色，軟塑～可塑，土質(zhì)較均勻，局部含少量有機質(zhì)，切面36較粗糙，搖振反應一般，干強度中等，韌性中等，呈透鏡體分布。

③-2 層淤泥質(zhì)黏土(Q4al)：灰褐色，軟塑～-流塑，土質(zhì)較均勻，含少量有機質(zhì)，切面較光滑，搖振無反應，干強度中等，韌性中等，呈透鏡體分布。

④層黏土(Q4al)：黃褐色-褐黃色，可塑，土質(zhì)較均勻，切面光滑，搖振無反應，干強度高，韌性高，下部含少量鐵錳結核及鈣質(zhì)結核，直徑一般 1.0～3.0 cm，次圓狀。

④-1 砂壤土(Q4al)：黃褐色，飽和，稍密～中密，土質(zhì)不均，手捻有砂感，切面無光澤，搖振反應迅速，干強度低，韌性差。

⑤-1 砂壤土(Q3alp)：黃褐色，飽和，稍密～中密，土質(zhì)不均，手捻有砂感，切面無光澤，搖振反應迅速，干強度低，韌性差。

⑤層壤土(Q3alp)：褐黃色，可塑，干強度及韌性中等，局部相變?yōu)轲ね?，含少量鐵錳結核及鈣質(zhì)結核，下部含姜石 20%左右，粒徑 5～20 mm。

⑥層粉砂(Q3alp)：褐黃色，飽和，稍密～中密，礦物成分主要為石英、長石，含少量云母碎片。

⑦層壤土(Q3alp)：褐黃色，可塑～硬塑，土質(zhì)不均，稍有光澤，干強度及韌性中等，局部為黏土，含少量鐵錳結核及鈣質(zhì)結核，土中管狀孔隙發(fā)育，橫向連通性好。

⑦-1 砂壤土(Q3alp)：黃褐色，飽和，中密，土質(zhì)不均，手捻有砂感，切面無光澤，搖振反應中等，干強度低，韌性差。

⑧砂壤土(Q3alp)：黃褐色，飽和，中密，土質(zhì)不均，手捻有砂感，切面無光澤，搖振反應中等，干強度低，韌性差。

3.2 壩基滲漏

根據(jù)鉆探資料及庫區(qū)地質(zhì)調(diào)查，庫區(qū)分布的地層主要為①層粉砂、②層砂壤土、③-1層壤土、③層砂壤土、④層粘土、⑤層壤土、⑥層粉砂、⑦壤土、⑧層砂壤土。具中等透水性，且各透水層間連通性較強，水力聯(lián)系密切，勘察控制地層深度內(nèi)，沒有穩(wěn)定、統(tǒng)一、連續(xù)的相對隔水層。建議設計部門進行滲漏計算，并采取有效的防滲截滲措施。

3.3 壩后浸沒

大沙河水庫地勢低洼平緩，壩基地層分布以粉砂、砂壤土和裂隙粘土為主，滲透性較強，地下水排泄不暢，勘察期間實測資料顯示，庫外地面高程 44.25～45.22 m，庫區(qū)多年地下水位平均高程為 42.50 m。水庫建成蓄水后，地下水位將進一步提高，根據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(GB 50487-2008)附錄 D 庫外符合浸沒的初判條件，故庫外為可能浸沒區(qū)，可能會產(chǎn)生較大范圍的浸沒及鹽漬化，建議采取截滲、排滲措施，減少和降低對庫區(qū)周圍環(huán)境的影響。

3.4 滲透變形

依據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(GB50487-2008)附錄 G，粘性土的滲透變形為流土。所選土樣②層砂壤土為少粘性土滲透變形類型為流土。①層粉砂為無粘性土Cu=8.53，P=18%，滲透變形類型為管涌。依據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(GB50487-2008)附錄 G，根據(jù)計算結果結合工程經(jīng)驗對比，建議①層粉砂允許水力比降可采用 0.18，②層砂壤土允許水力比降可采用0.20。

3.5 地震液化

水庫處于地震基本烈度Ⅶ度區(qū)，應對壩基進行振動液化評價。根據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(GB 50487-2008)附錄 P 有關規(guī)定，對勘探深度范圍內(nèi) 15m 深度的①層粉砂、②層砂壤土、③-1層壤土、④-1 層砂壤土進行地震液化評價，得出場區(qū)①層、②層、④-1 層砂壤土及③-1層壤土在基本地震動峰值加速度為 0.10 g，工程正常運行時均存在液化可能。

3.6 壩基地質(zhì)綜合評價結果

①層粉砂、②層砂壤土，分布于圍壩表層，結構松散，具中等壓縮性、力學強度較低、易產(chǎn)生滲透破壞，具液化可能，是主要的持力層，工程地質(zhì)條件差，對壩基穩(wěn)定不利，應進行工程處理。

③層黏土及夾層，軟塑～可塑，局部流塑，該層具中高壓縮性、力學強度較差，普遍分布，工程地質(zhì)條件差，不利于抗滑穩(wěn)定，是壩基的沉降變形主要來源層，建議設計進行沉降驗算。

④層黏土，分布連續(xù)，厚度較大，具中等縮性、工程地質(zhì)條件較好可作為建筑物深基礎持力層。

⑤層壤土分布連續(xù)，具中等壓縮性，工程地質(zhì)條件較好可作為建筑物深基礎持力層。

⑥層粉砂：中密，分布連續(xù)，具較低壓縮性、中等透水性、力學強度較好，工程地質(zhì)條件一般。

⑦層壤土：可塑～硬塑，分布連續(xù)，厚度較大,具中等壓縮性、力學強度較好，工程地質(zhì)條件較好，可作為建筑物深基礎持力層。

4 庫區(qū)及圍壩部分穩(wěn)定性分析

4.1 庫區(qū)

庫區(qū)位于華北板塊(Ⅰ)魯西南潛隆起(Ⅱb)菏澤-兗州潛斷隆(Ⅱb1)，區(qū)域范圍內(nèi)構造發(fā)育。由于堆積較厚的松散覆蓋層，地質(zhì)構造呈隱伏構造。根據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》(GB 18306-2015)，Ⅱ類場地條下，工程區(qū)基本地震動峰值加速度為 0.10 g，相應地震基本烈度為Ⅶ度。依據(jù)場地20 m 以內(nèi)等效剪切波速資料，場區(qū)地層等效剪切波速值約為170～190 m/s，場地覆蓋層厚度大于50 m，確定場地土類型為中軟土，場地類別為Ⅲ類。

4.2 水庫圍壩

①層粉砂、②層砂壤土，分布于圍壩表層，結構松散，具中等壓縮性、力學強度較低、易產(chǎn)生滲透破壞，具液化可能，是主要的持力層，工程地質(zhì)條件差，對壩基穩(wěn)定不利，應進行工程處理。

③層黏土及夾層，軟塑～可塑，局部流塑，該層具中高壓縮性、力學強度較差，普遍分布，工程地質(zhì)條件差，不利于抗滑穩(wěn)定，是壩基的沉降變形主要來源層，建議設計進行沉降驗算。

④層黏土，分布連續(xù)，厚度較大，具中等縮性、工程地質(zhì)條件較好可作為建筑物深基礎持力層。

⑤層壤土分布連續(xù)，具中等壓縮性，工程地質(zhì)條件較好可作為建筑物深基礎持力層。

⑥層粉砂：中密，分布連續(xù)，具較低壓縮性、中等透水性、力學強度較好，工程地質(zhì)條件一般。

⑦層壤土：可塑～硬塑，分布連續(xù)，厚度較大,具中等壓縮性、力學強度較好，工程地質(zhì)條件較好，可作為建筑物深基礎持力層。

5 結語

(1)通過對大沙河水庫壩基工程地質(zhì)進行分析，在此基礎上進行穩(wěn)定性評價，可以看出，壩基①層粉砂、②層砂壤土存在滲透變形問題，①層粉砂滲透變形形式表現(xiàn)為管涌，允許坡降建議值為 0.18；②層砂壤土滲透變形形式表現(xiàn)為流土，允許坡降建議值為 0.20。壩基下①層粉砂、②層砂壤土及④-1砂壤土在地震基本烈度Ⅶ度區(qū)條件下，可能發(fā)生地震液化，施工中應采取抗震加固措施。

(2)后期水庫建成蓄水后，壩后將會產(chǎn)生浸沒危害，應加強壩后浸沒、鹽漬化等次生災害技術處理。采取截滲措施，對圍壩土料采用粉砂、砂壤土作為均質(zhì)壩土料，采取工程處理措施并進行現(xiàn)場碾壓試驗，保證勘察筑壩土料儲量滿足規(guī)范要求，通過多種施工措施，以解決不利地質(zhì)條件產(chǎn)生的影響，保證水庫后期運行安全。