鄭作民

(山東水總有限公司，濟南，25000)

引言

東湖水庫功能是蓄干線引江水量，解決干線輸水與支線取水之間時空分配矛盾，提高干線輸水量，保障南水北調東線輸水干線完成供水目標[1-2]，比如蘭州新區(qū)水庫[3]與武漢高臘梅水庫[4]，該類工程的修建恰好解決了其所在地區(qū)的相應問題。

通過野外勘察基本查明了水庫周邊及主要建構筑物的工程地質條件，東湖水庫新建過程中主要面臨壩基滲漏、浸沒及滲透變形等工程地質問題，本文主要探討該水庫的工程地質問題和處理方法以及工程地質評價。

1 工程概況

東湖水庫庫區(qū)位于濟南市東北部，地處小清河流域，緊鄰小清河干流南堤布設。庫區(qū)內(nèi)分布大量農(nóng)灌井，據(jù)水質分析結果，庫區(qū)水化學類型有兩大類，一是重碳酸氯化物鈣鎂水，另一類為重碳酸氯化物鈣鎂鈉(或鈣鈉鎂)水，對混凝土無腐蝕性。東湖水庫的最大庫容約為0.54億m3，死庫容為0.07億m3，死水位為19.00m。水庫年入水量約為0.8億m3，年供水量約為0.8億m3。

2 工程地質

2.1 地形地貌

東湖水庫取址于平原，總體上來看地形北低南高，根據(jù)現(xiàn)場勘察報告得出東湖水庫地面高程在20m～22m左右，高差一般不超過3m，地面坡度約0.5～1‰，因窯廠取土以及修建排水溝，庫內(nèi)溝壑縱橫，洼地較多。

2.2 地層巖性

庫區(qū)地層自下而上分為四部分。地層的下部由第四系上更新統(tǒng)沖洪積堆積的較淺的褐棕色粘土、淺黃褐色壤土、褐棕色的粘土夾有姜石及黃棕色砂壤土為主，該層揭露的總厚度約為10.0m～20.0m左右；中部為全新統(tǒng)沖洪積層，該部分巖性以褐灰色、藍灰色夾黃褐色壤土夾有姜石為主，總厚度約1.8m～6.4m左右；上部為第四系全新統(tǒng)湖沼積層，該部分巖性為較淺的棕灰色淤泥質粘土、較淺的灰色砂壤土及黑灰色粘性土層，總厚度約1.9m～6.7m左右；頂部為第四系全新統(tǒng)黃泛沖積層，該部分巖性為黃褐色砂壤土和棕褐色裂隙性粘土，總厚度3.3m～6.3m左右。

2.3 水庫地震穩(wěn)定性

東湖水庫庫區(qū)歷史上近場區(qū)內(nèi)沒有發(fā)生過Ms≥4級的地震，上世紀70年代后，該地區(qū)地震活動較弱。因此，近場區(qū)內(nèi)不具備發(fā)生6級以上地震的活動構造條件，表明工程場地處于較為穩(wěn)定的地塊，對東湖水庫的修建基本沒有影響。

2.4 水文地質條件

東湖水庫庫區(qū)地下水位埋深為3.10m～8.70m，地下水位高程由17.07m降落至12.90m。庫區(qū)地下水的主要來源為白云湖及小清河側滲補給和每年夏季7、8月份的大量雨季降水，而庫區(qū)水的主要排泄途徑為由東南部、東部、北部向西南方向的蒸發(fā)和徑流。

東湖水庫庫區(qū)含水層巖性主要為裂隙性粘土、砂質壤土、夾姜石壤土和壤土。經(jīng)現(xiàn)場分層、混合層抽水或注水試驗，各層土的滲透系數(shù)成果統(tǒng)計見表1。

表1 各層土滲透系數(shù)

2.5 水文地質評價

2.5.1 滲漏問題

東湖水庫庫區(qū)壩基地層除②-1層軟粘土、⑥層壤土外，其余含水層滲透系數(shù)一般為1.8m/d～9.26m/d，均屬中等～強透水層，含水層間水力聯(lián)系密切，存在滲漏問題，應采取有效的防滲措施。

2.5.2 浸沒問題

水庫蓄水后，除南壩段外，其余三壩因壩后有較深的排水溝或小清河，修整完善后，可作為截滲溝使用。只要截滲溝控制水位在地面以下2m，壩后的農(nóng)田及村莊就不會受到浸沒危害，但由于排水溝岸坡均沒有襯護，謹防出現(xiàn)滲透變形破壞，影響岸坡穩(wěn)定。

2.6 壩基土滲透變形判定及工程地質評價

經(jīng)現(xiàn)場勘查得出，壩基下伏①層砂質壤土抗?jié)B能力及抗沖刷能力比較低，存在著較嚴重的滲透變形和滲漏問題，①-1層裂隙性粘土、②-1層軟粘土為軟弱粘性土，由于它具有的低力學強度、高壓縮性及遇水軟化強度降低等對東湖水庫修建工程很不利的特性，很有可能對壩基穩(wěn)定造成影響。壩基淺層地基土為新近堆積的①砂壤土結構松散，①-1層裂隙性粘土、②-1層軟粘土，具高壓縮性，且厚度及分布不均勻，另在壩基勘察深度內(nèi)，未見有土洞穴，但不排除有人工墓室的存在。

壩基土層為多層結構形式，壩基表層分布的砂壤土、壤土及裂隙性粘土直接暴露地表，對該三類土的滲透變形特征判定如下：

該壩基地層結構的破壞模式大部分為流土，其中，砂壤土局部地段蟲孔發(fā)育較嚴重，這些地段往往伴隨著管涌破壞，勘察和計算表明其危害相對較小。這三種土的臨界坡降和建議允許坡降分別為①ik=0.30、i=0.15；②ik=0.40、i=0.10；③ik=0.60、i=0.24。

2.7 壩基滲漏與滲透變形

2.7.1 滲漏條件分析

通過查閱《碾壓式土石壩設計規(guī)范》(SL 274-2020)，最終確定壩基滲漏估算的分段原則如下：

(1)如果每層土之間的透水層滲透系數(shù)數(shù)值相差小于5倍，可以將其視為同一層土進行計算，取各層土滲透系數(shù)的厚度加權平均值。

(2)⑥層壤土的計算原則為：確定⑥層壤土的厚度是否超過2m，同時應滿足⑥層壤土的上覆土層的綜合滲透系數(shù)與⑥層壤土的滲透系數(shù)之比是否超過100倍為計算準則，來確定⑥層壤土是否可以看作壩基滲漏估算時的相對隔水層。如果超過2m，且兩者的滲透系數(shù)之比大于100倍，則將⑥層壤土看作在壩基滲漏估算時的相對不透水層，并將⑥層壤土看作單層結構來估算該段壩基滲漏量；如果條件不滿足，將壩基看作沒有相對隔水層，按無窮深滲透水壩基的情況估算該段壩基滲漏量。

2.7.2 滲漏量計算

壩基滲漏量按單層結構估算時，采用如下公式：

(1)

壩基滲漏量按無限深透水壩基估算時，采用如下公式：

(2)

式中：

Q單——單層透水結構壩段滲漏量(m3/d)；

Qyi——無限深透水結構壩段滲漏量(m3/d)；

B——滲漏壩段長(m)；

H——上、下游水頭差(m)；

2b——壩底寬(m)；

K——透水層滲透系數(shù)(m/d)；

M——按單層估算壩基滲漏量時透水層厚度(m)；

yi——按無窮深透水壩基的情況估算壩基滲漏量時計算深度(m)，進行計算時，i取30m、50m、100m。

2.7.3 滲透變形

壩基土層為多層結構形式，壩基表層分布的砂壤土、壤土及裂隙性粘土直接暴露地表，對該三類土的滲透變形特征，采用現(xiàn)場、室內(nèi)和理論計算三種方法進行了判定。結果如下：

砂壤土、壤土和裂隙性粘土的破壞模式表現(xiàn)均為流土破壞，特別的是，砂壤土有很小的部分存在著蟲孔發(fā)育的現(xiàn)象，對工程進展十分不利，這些地段往往伴隨著管涌破壞，不過這些地段的管涌破壞對東湖水庫庫區(qū)的興建影響可以忽略不計。經(jīng)現(xiàn)場勘查和查閱規(guī)范得出，砂壤土、裂隙性粘土和壤土的出口無保護條件下允許比降分別采用0.34、0.20、0.18。

3 壩基截滲方案

根據(jù)《東湖水庫初步設計地質勘查報告》，壩基最嚴重的問題是滲漏，應采取有效的防滲截滲措施。

3.1 壩基滲漏地質評價

東湖水庫庫區(qū)中上部土層根據(jù)現(xiàn)場的勘查報告發(fā)現(xiàn)相對隔水層不存在的可能性較大，下部的⑥層壤土一般具弱透水性且分布連續(xù)，可視為相對不透水層，但最薄處為1.5m。

結果表明：在估算深度(無窮深透水壩基)分別為100m、50m、30m時東湖水庫的圍壩年滲漏量分別為0.18億m3、0.17億m3、0.16億m3，分別占總庫容的33.1%、31.0%和29.7%，滲漏現(xiàn)象相當嚴重，應采取有效的防滲截滲措施，同時可以防止壩基滲透變形和可能發(fā)生的壩后沼澤化次生災害。

3.2 截滲方案分析確定

東湖水庫的壩基防滲方法采用垂直截滲[5-8]，根據(jù)隔水體的不同形成原理，我們可以將其分為介入法和不透水材料置換法。介入法是指利用不透水材料直接對原狀地基進行改良成振動切槽不透水板墻和高噴板墻等，使其具備一定的不透水功能。不透水材料置換法是指利用不透水材料代替原狀地基材料，如垂直鋪塑、薄混凝土不透水墻等，通常需要在機械成槽后，再對不透水體進行施工。因此，不透水材料置換法對槽孔的穩(wěn)定性有較高的要求，而且極容易在墻的底端產(chǎn)生淤積現(xiàn)象，影響墻體與相應防滲層的連接可靠性。東湖水庫壩基⑥層為壤土，結構較密實，滲透系數(shù)平均值為0.052m/d，具有較弱的透水性，可以看作相對不透水層。

4 結論

(1)本文充分考慮了東湖水庫壩基存在著較嚴重的滲漏問題，提出了垂直防滲的截滲方案，可針對具體地質條件選用合適的施工工藝。

(2)東湖水庫的工程地質條件一般，但是壩基滲漏問題找到了解決措施，因此，做好水庫周圍工程地質勘察非常重要，采取適當?shù)奶幚泶胧こ痰陌踩?、?jīng)濟性、合理性有很大的意義。

(3)東湖水庫的興建響應了國家南水北調政策的號召，為我國膠東地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展帶來了希望，產(chǎn)生了極大的供水效益，也為以后其他類似工程出現(xiàn)相同問題如何處理提供了范本。