偏關(guān)縣馬家山水庫工程地質(zhì)勘察

石浩杰

（忻州水利建設投資有限公司，山西 忻州 034000）

1 工程概況

偏關(guān)縣馬家山水庫位于關(guān)河的右岸，老營鎮(zhèn)方城村北、原教兒墕溝出口段，后改道巖頭寺村南出口。該工程上下游擬建均質(zhì)土壩，主壩設計最大壩高15.20m，壩頂長158.0m，副壩設計壩高15.2m，壩頂長255.0m，設計庫底高程1230.0m，水庫總庫容172萬m3，死庫容為4萬m3。主要建筑物由主壩、副壩、溢洪道、進水建筑物、出水建筑物、輸水管線和泵站等組成。

工程區(qū)地貌系呂梁山西側(cè)，山、陜、蒙黃土高原北部，東部為呂梁山系北段，山勢走向近于南北；呂梁山以西以中低山和低山丘陵地形為主，溝谷縱橫，地形破碎。地勢東高西低，地面高程800～1600m。支流與關(guān)河斜交，形成樹枝狀山區(qū)河谷地形地貌。由于內(nèi)外地質(zhì)應力作用的差異，形成了不同的地貌景觀，按其成因和形態(tài)類型工程區(qū)可分為三大類：中低山區(qū)、黃土丘陵、山間河谷。

2 庫區(qū)工程地質(zhì)條件

2.1 地形地貌

庫區(qū)位在關(guān)河的右岸教兒墕溝出口段，庫底地形平坦，海拔高程1230.08～1231.43m，高差1.35m，上游高下游低，沉積物為淤泥質(zhì)粉土及粉質(zhì)粘土，淤積厚度10.7～18.70m。左岸為關(guān)河的二級階，沉積物主要為第四系上更新統(tǒng)沖洪積物，巖性上部為粉土，下伏卵礫石，粉土最大厚度為44.40m，階面微向河床及下游傾斜。右岸為黃土丘陵，整體地形傾向關(guān)河，北高南低。在流水地質(zhì)作用下黃土丘陵被沖溝切割成樹枝狀，溝谷縱橫地形破碎，切割深度5～19m。主要沉積物為第四系上更新統(tǒng)黃土及黃土狀土，下部為中更新統(tǒng)淺棕紅色粉質(zhì)粘土、奧陶系下統(tǒng)白云巖夾黃綠色頁巖。

2.2 地層巖性

庫區(qū)裸露和揭露的主要地層有第四系中更新統(tǒng)、上更新統(tǒng)、全新統(tǒng)。中更新統(tǒng)沖積物：庫區(qū)未見出露。揭露巖性為淺棕紅色粉質(zhì)粘土，含有鈣質(zhì)結(jié)核，厚度1.70～3.20m，未揭穿。上更新統(tǒng)風積物：主要分布于庫區(qū)的右岸，巖性為風成黃土，灰黃色，結(jié)構(gòu)松散，垂直節(jié)理發(fā)育，大孔隙，夾數(shù)層粉質(zhì)粘土古土壤層，鉆孔揭露最大厚度50.60m，未揭穿。上更新統(tǒng)沖洪積物：分布于庫區(qū)左岸及右岸上游段，為關(guān)河二級階地沉積物，巖性為粉土，偶含砂礫，揭露最大厚度為44.40m，下伏為卵礫石，成分多為灰?guī)r含有變質(zhì)巖，磨圓度比較好。全新統(tǒng)沖洪積物:堆積于溝谷底，巖性為礫卵石，具棱角狀，分選不好，泥質(zhì)充填，最大厚度6.0m，頂部為粉土，厚1.10～1.30m。該層上覆為近期引洪淤積物，巖性以粉土為主，夾有多層粉質(zhì)粘土，厚度9.0～18.70m。

2.3 構(gòu)造與地震

本區(qū)位于黃河左岸，呂梁山西坡經(jīng)向撓褶帶北端、祁呂賀蘭山字型構(gòu)造東翼內(nèi)側(cè)，往西過渡為伊陜盾地，東南鄰靜樂內(nèi)陸斷陷，北東部鄰云崗——平魯新華夏構(gòu)造盆地。經(jīng)本次工程地質(zhì)勘察，庫區(qū)未發(fā)現(xiàn)大的不利構(gòu)造斷裂通過。

據(jù)史料記載偏關(guān)縣歷史上未發(fā)生過大的破壞性地震，只有周邊地震影響到本區(qū)。根據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》（GB18306-2015），本區(qū)基本地震動峰值加速度為0.1g，基本地震動反應普特征周期為0.45s，相當于地震基本烈度Ⅶ度。

2.4 物理地質(zhì)現(xiàn)象

經(jīng)本次工程地質(zhì)勘察，庫區(qū)物理地質(zhì)現(xiàn)象主要為塌滑，其主要發(fā)育在河谷及沖溝兩岸陡壁處。塌滑現(xiàn)象多發(fā)生在雨季，在水流的側(cè)蝕作用下造成邊坡失穩(wěn)，一般規(guī)模不大，對水庫的影響甚微。

2.5 水文地質(zhì)條件

工程區(qū)地下水類型按含水層性質(zhì)分為松散巖類孔隙潛水和巖溶裂隙水兩大類。

松散巖類孔隙潛水：含水部位為黃土層的底部，受其第四系中更新統(tǒng)粉質(zhì)粘土的隔水，雨季出現(xiàn)，干旱季節(jié)消失。沖洪積孔隙潛水主要埋藏在教兒墕溝谷底及關(guān)河右岸二級階地底部，含水層為卵礫石，地下水位埋深27.3～36.1m，高程為1203.54～1194.10m，單井出水量一般為10～20m3/h，水質(zhì)較好，水化學類型以HCO3—Ca、Mg型為主，礦化度小于0.5g/L。

巖溶裂隙水：工程區(qū)主要含水層為寒武系崮山組碳酸鹽巖，據(jù)電廠資料地下水埋藏在100m以下，其巖溶發(fā)育水量豐富，水質(zhì)好，單井出水量大于45m3/h。水質(zhì)以HCO3—Ca、Mg型和HCO3—Ca、Na型為主。礦化度一般小于0.5g/L。

地下水的補排關(guān)系總的來看，主要是接受大氣降水入滲補給，地下徑流與地表水流向基本一致，最終排泄補給河流。區(qū)內(nèi)地下水受地形地貌控制明顯，水位變化與季節(jié)有關(guān)。

3 庫區(qū)工程地質(zhì)問題及評價

3.1 庫區(qū)滲漏

經(jīng)本次工程地質(zhì)勘察，庫區(qū)無沖溝通向庫外，地形地貌上有利于建庫，其右岸為黃土丘陵，左岸為關(guān)河二級階地，庫底為細顆粒淤積物。右岸揭露和出露的地層巖性為第四系上更新統(tǒng)風積黃土。鄰谷馬家山溝距離比較遠，并且溝底高出該庫正常水位，故不考慮滲漏問題。左岸為關(guān)河二級階地，出露和揭露的地層為第四系上更新統(tǒng)沖洪積物，巖性為粉土，最大厚44.1m。該層下伏為卵礫石。左岸距關(guān)河鄰谷距離124.0～366.0m，關(guān)河一級階地高程1213.45～1205.0m，庫底高程1230.0m，高差16.55～25.0m，設計正常蓄水高程1242.91m。故存在鄰谷滲漏問題。

經(jīng)計算，庫區(qū)左岸滲漏量為229.70m3/d。庫底鉆孔揭露的地層18.70m以上為第四系全新統(tǒng)沖積物，18.70～26.0m為第四系全新統(tǒng)沖洪積物，26.0～38.0m為上更新統(tǒng)沖洪積物，38.0m以下巖性為第四系中更新統(tǒng)粉質(zhì)粘土。其中18.70m以上為粉土和淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土呈互層狀，從試驗結(jié)果來看滲透系數(shù)相對比較小，其中淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土為相對隔水層，從沉積環(huán)境和鉆孔揭露的情況來看成層性比較穩(wěn)定，故可不考慮庫底滲漏問題。

3.2 庫岸穩(wěn)定及水庫淤積

該庫右岸為黃土梁，岸高坡陡，土質(zhì)松散，地層巖性為第四系上更新統(tǒng)風積黃土，濕陷系數(shù)為0.03，屬中等濕陷性土，其工程地質(zhì)條件差。左岸為關(guān)河二級階地，出露和揭露的地層巖性為粉土，地面高程為1246.02～1250.26m，庫底高程1230.0m，高差為16.02～20.26m，水庫正常蓄水位為1242.91m，正常庫水位以上岸高3.11～7.35m。左、右岸水庫蓄水后在浪蝕作用下原邊坡必將遭到破壞，形成塌滑現(xiàn)象和涌浪。庫區(qū)左、右岸最終塌岸寬度預測，采用《工程地質(zhì)學》中公式：

式中：S——塌岸最終寬度；

N——與土的顆粒大小有關(guān)的系數(shù)，黃土取0.6；

hp——波浪沖刷深度（相當于1～2倍波高），m；

A——水位漲落幅度，本次取水庫正常蓄水位與死水位差值，m；

hB——浪擊高度或爬升高度，大體為0.1～0.8倍波高，m；

α——淺灘沖刷后水下穩(wěn)定坡角；

hs——正常高水位以上岸高，m；

β——預測的岸坡水上穩(wěn)定坡角；

γ——原始岸坡坡角。

計算后左岸塌岸最終寬度為61.0m，右岸塌岸最終寬度為79.70～130.10m，從地形條件及地層巖性來看，計算結(jié)果比較符合實際，計算參數(shù)見表1。

表1 塌岸計算參數(shù)表

該庫為旁引水庫，河水不進庫，淤積主要來源于庫區(qū)兩岸的塌滑物，經(jīng)計算左岸塌岸淤積量為374625.0m3，右岸塌岸淤積量為728813.0m3，總計1103438.0m3。這些物理地質(zhì)現(xiàn)象嚴重影響水庫的使用壽命和大壩的安全。同時，左岸S304省道部分地段亦在塌岸范圍內(nèi)，為此設計時應采取工程措施，防止邊坡失穩(wěn)，延長水庫的使用壽命。

3.3 水庫浸沒

經(jīng)本次工程地質(zhì)勘察，庫區(qū)右岸為黃土丘陵，從整體地形來看不存在浸沒問題。左岸為關(guān)河二級階地，地形比較平坦，出露和揭露的地層巖性為第四系上更新統(tǒng)粉土，地面高程為1246.02～1250.26m，現(xiàn)有電廠、變電站、苗圃和部分農(nóng)田，水庫正常蓄水位高程為1242.91m，地面高出正常水位3.11～7.35m。根據(jù)《工程地質(zhì)手冊》毛細水上升帶高度一般為1.30m，農(nóng)作物根系深度為0.40m，建筑物基礎埋置深度為1.50m。農(nóng)作物地下水臨界深度初步確定為1.70m，建筑物地下水臨界深度初步確定為2.80m。

4 壩址區(qū)工程地質(zhì)

4.1 壩址區(qū)工程地質(zhì)條件

4.1.1 地形地貌

壩址區(qū)為“U”字型溝谷，谷底平坦，寬108.0m，地面高程為1230.22m左右，右岸為黃土梁，坡陡梁高，高差約60m，發(fā)育有小的沖溝，但不影響工程，左岸為關(guān)河的二級階，地面高程為1246.02m左右，高出庫底約15.80m。

4.1.2 地層巖性

壩址區(qū)出露和揭露的地層主要有第四系中更新統(tǒng)、上更新統(tǒng)、全新統(tǒng)。

4.1.3 水文地質(zhì)條件

本次工程地質(zhì)勘察，壩址區(qū)地下水類型為松散巖類孔隙水，含水層為第四系上更新統(tǒng)卵礫石，地下水位埋深35.7～36.1m，標高為1194.1～1194.2m，注水試驗43L/min。據(jù)電廠資料：巖溶裂隙水埋藏在100m以下，其水量豐富，水質(zhì)好，單井出水量大于45m3/h。

4.2 壩址區(qū)主要工程地質(zhì)問題

4.2.1 壩基滲漏問題

該壩頂長158.0m，最大壩高15.2m，正常蓄水位高程1242.91m，壩基為第四系全新統(tǒng)沖積物，巖性粉土層厚4.70m，水平滲透系數(shù)為9.31×10-5cm/s，為弱透水層；從主壩及庫區(qū)鉆孔揭露的地層巖性看，下伏的卵礫石層埋藏比較深，無天然露頭，故該層滲漏問題可不考慮。

4.2.2 壩基滲透變形問題

壩基為第四系全新統(tǒng)沖積粉土，滲透系數(shù)為0.08m/d，水庫蓄水后，存在滲透變形問題。顆分結(jié)果：中砂含量0.3%，細砂含量0.5%～11.4%，粉粒含量64.9%～90.3%，不均勻系數(shù)Cu為2.2～13.0，根據(jù)試驗資料和《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（GB50487-2008），初判壩基粉土滲透變形為流土。

4.2.3 壩基地震液化問題

本次工程地質(zhì)勘察主壩址區(qū)揭露的地層巖性：河床17.60～18.50m以上，為第四系全新統(tǒng)沖積粉土及淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土透鏡體；左岸為第四系上更新統(tǒng)沖洪積粉土；右岸為第四系上更新統(tǒng)風積物黃土。根據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》（GB18306-2015），壩址區(qū)地震動峰加速度為0.10g，背景地震基本烈度為Ⅶ度區(qū)。初判左岸第四系上更新統(tǒng)沖洪積粉土、右岸第四系上更新統(tǒng)風積黃土及河床第四系全新統(tǒng)沖積淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土不考慮液化問題。根據(jù)河床第四系全新統(tǒng)沖積粉土粘粒含量平均值為7.6%，初判蓄水后可能存在液化問題。

根據(jù)標準貫入試驗錘擊數(shù)法，對河床第四系全新統(tǒng)沖積粉土進行液化判別，判別深度15.0m以內(nèi)。據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（GB50487-2008）附錄P，當N＜Ncr時，判定為液化土。其中N為工程運用時，標準貫入點在當時地面以下ds深度處的標準貫入擊數(shù)。Ncr為液化判別臨界值。依據(jù)以下公式求臨界標貫擊數(shù)：

式中：Ncr——液化判別標準貫入錘擊數(shù)臨界值；

N0——液化判別標準貫入錘擊數(shù)基準值，本次取8；

ds——飽和土標準貫入深度；

dw——地下水位埋深（本次工程正常運用時，地面淹沒于水面，故dw取0）；

ρc——粘粒含量百分率，不足3%按3%計算。

從計算結(jié)果來看，壩址區(qū)12.4m以上粉土層存在液化問題，設計時應采取工程措施。

5 結(jié)論及建議

工程區(qū)基本地震動峰值加速度為0.1g，基本地震動反應普特征周期為0.45s，地震基本烈度為Ⅶ度。

壩基第四系全新統(tǒng)粉土存在滲透變形問題，12.4m以上存在地震液化問題。破壞形式為流土，允許水力比降為0.41。庫區(qū)兩岸存在邊坡穩(wěn)定問題，在浪蝕作用下易發(fā)生塌滑現(xiàn)象，影響水庫的使用壽命和大壩安全。庫區(qū)左岸存在鄰谷滲漏問題。天然建筑材料儲量及質(zhì)量均滿足要求。

建議對主壩地基液化土層采用擠密樁加固處理。對庫區(qū)及兩岸采取工程措施，防止邊坡失穩(wěn)，影響水庫的使用壽命。