平原型水库工程地质问题浅议

刁延峰

（陕西省水利电力勘测设计研究院，陕西西安712000）

平原型水库工程地质问题浅议

刁延峰

（陕西省水利电力勘测设计研究院，陕西西安712000）

为查明平原型水库——斗门水库工程地质问题，通过进行外调查、室内试验、坑探、钻探等工程地质手段对水库及建筑物工程地质进行研究得出：库坝区主要存在的工程地质问题包括库区渗漏及渗漏引起的渗透破坏、蓄水后的浸没问题、坝基湿陷性、坝基地震液化等；沣河引水枢纽主要存在的工程地质问题为渗漏问题及渗透破坏、坝基地震液化等；引退水线路主要存在的工程地质问题为基础的湿陷性。综合采用强夯、换填、防渗、排水等措施，现有工程地质问题不会制约水库的建设。

渗漏；浸没；湿陷；液化；斗门水库

平原型水库作为一种新型水库模式，其库区及坝址工程地质问题有其独特的特点。目前对平原型水库工程地质问题的研究多集中于对浸没问题的分析[1-2]，并提出了减压井截渗帷幕等相应的工程处理措施及效果[3]。本文主要对陕西省重点建设工程陕西省引汉济渭工程的调蓄水库斗门水库的工程地质问题进行了研究分析。

1 地质概况

湖库区地形相对平缓，大体上东南高，西北低，湖库区主要为一、二级阶地，主要由第四系松散堆积物组成。工程区属构造较不稳定地区，地震基本烈度为Ⅷ度。湖区范围内无断裂及地裂缝通过。勘探揭示地下水深度在7.2 m~14.5 m，属孔隙潜水，地下水补给河水。

2 渗漏问题

2.1 湖库区渗漏问题分析

2.1.1 库区渗漏地层及分布特征

湖库区粘性土为弱透水层，中砂为中等透水~强透水层，是库区渗漏主要岩土层。其中Q41al+pl中砂呈透镜体或薄层夹层分布，主要有三层分布：第一层呈透镜体或夹层分布于整个湖区，埋深1.2 m~2 m；第二层主要呈透镜体分布，主要有两条砂带，埋深3.6 m~7.5 m；第三层埋深9~12 m，分别分布于西北部及湖区中部；Q3al中砂层分布于库区渭河二级阶地下部，局部与库区连通，库区其他部位局部呈透镜体分布。

2.1.2 工程开挖后库区渗漏的可能性分析

上述砂带呈透镜体状局部贯穿内外湖，开挖后埋深0.6 m~2.0 m，湖区开挖后上部相对隔水层厚度减小，库内外中砂透水层连通，可能产生一定量的渗漏问题，其余部位开挖后上部相对不透水层厚度均大于10m，初步分析不会产生大的渗漏问题。根据H·巴甫洛夫斯基近似公式（1），计算如表1。

表1 内外湖渗漏量计算

式中，L为坝底宽，取46 m；T为透水岩层厚度，取4 m；H为上下游水头差，取12 m；B为坝段长度取400 m，K为中砂层渗透系数，取13 m/d。

2.2 沣河引水枢纽渗漏问题分析

工程蓄水区主要为沣河河漫滩，地层结构为局部表层淤泥质土层，下部为中砂层夹淤泥质土。根据区域资料及现场调查中砂层厚大于40 m，中等透水，蓄水区不会产生大量的永久性渗漏。坝基透水层主要为中砂层，坝址区可能产生一定量的坝基渗漏及绕坝渗漏，采用H.巴甫洛夫斯基公式进行坝基及绕坝渗漏量估算[4]（2），（3）坝基渗漏量为2754 m3/d，绕坝渗漏量为7225 m3/d。

注：K为渗透系数，17 m/d；H为上下游水头差，5 m；B为坝体长度，推荐坝址180 m；查表得qr=0.18；h1取40 m，H1取45 m。

表2 坝基渗透稳定分段评价

3 坝基渗透稳定性评价

3.1 湖库区坝基渗透稳定性

根据GB50487-2008附录G[5]进行坝基渗透稳定判定，壤土、淤泥质土、黄土不均匀系数Cu>5，查颗分曲线P>35%，渗透变形类型为流土型，依据GB50487-2008附录G.0.6，结合试验成果，地基土临界水力比降Jcr=(Gs-1)(1-n)计算分段评价如表2。

3.2 沣河引水枢纽库坝区稳定性

坝基主要位于河漫滩，蓄水后坝后地面低于蓄水位，具有产生渗透破坏的地形条件。坝基土渗透稳定问题主要存在于Q4中细砂层。据相关工程类比，地基中细砂层的允许水力坡降J允=0.25。蓄水后，渗透水流实际比降J实=△H/B=5/150

4 浸没问题

4.1 库区浸没问题分析

湖库区地处渭河一、二级阶地，人工开挖成库，可视为“平原型水库”，现状地下水位低于地表7.2 m~14.5 m，在蓄水初期和运行期存在一定范围内的渗流型浸没问题。本次工作采用湖库区28个钻孔观测及现有农用井水位野外调查两种方法确定起始水力坡降[5]以对浸没问题进行评价。

其中对湖库区钻孔在揭穿相对隔水层前后分别进行了水位观测，根据野外试验，起始水力坡降计算如表3。在野外对湖库区内现有鱼塘及周边水位进行调查（如图1），野外调查及钻孔观测确定水力坡降值差别不大，野外调查法值略小但与实际情况较为符合，本次起始工程水力比降取值0.05。

表3 野外双层结构钻孔水位观测统计表

蓄水后期，库水与原始地下水位连通过程中，局部地段建筑物埋深或根系层厚度加上土壤毛细水上升高度位于水位连通线以下，即容易产生浸没问题。经计算，蓄水后期库区对农作物浸没影响距离约8 m~26 m，对建筑物影响距离13 m~92 m，对地表高程较高的区域，浸没影响不大，浸没影响范围较大的区域主要集中在下部有中砂透镜体的区域及地表高程较低，容易受地下水影响的区域，建议重点对该类区域进行防渗、排水处理，减轻浸没影响。

4.2 沣河引水枢纽蓄水区浸没问题

蓄水区两侧为一级阶地，地层结构为上部壤土层及黄土层，渗透系数为1.3 cm/s×10-5cm/s，微透水，下部为中砂层，渗透系数为7.96 cm/s×10-2cm/s，中等透水。蓄水后正常蓄水位达400.5 m，较原河水抬高5 m，地下水位雍高，将产生不同程度的浸没问题。

图1库区现有水位调查分布及剖面示意图

据调查当地建筑物基础在3 m以下，临界地下水位临界埋深确定为4.5 m，浸没高程大于405 m，一级阶地阶面高程404 m左右，二级阶地阶面高程407 m左右，根据高程进行浸没范围初步估算，左岸浸没宽度约490 m左右，右岸浸没宽度约785 m左右，建议对两岸进行防渗处理并布设排水井以减轻浸没影响。

5 地基液化评价

根据《水利水电工程地质勘察规范》（GB50487-2008）附录P.0.3规定[5]，Q3中砂层可判定为不液化，Q4中砂粒径小于5 mm颗粒含量质量百分率均大于30%，粒径小于0.005 mm颗粒含量质量百分比小于18%，工程运行后该层全部位于水位以下，初判有地震液化可能。

利用钻孔标准贯入试验数据，根据《水利水电工程地质勘察规范》（GB50487-2008）附录P.0.4规定对拟建场地15 m深度范围内中砂进行液化判定，另据《水电水利工程坝址区工程地质勘察技术规程》(DL/T5414-2009)附录Y规定，根据各液化土层厚度及深度，计算钻孔液化指数.

经计算，拟建水库蓄水后库区北东部新堡子、袁旗寨、太平村一带中砂层N15,液化等级严重，其余段砂层较薄，液化等级轻微~中等。拟建沣河引水枢纽及拟建引退水线路沣河倒虹处由于砂层较厚，计算所得液化指数IlE=16.9~17.3，大于15，液化等级严重。

6 地基土湿陷性评价

工程区湿陷性土层主要为二级阶地黄土层、一级阶地表层壤土，按《湿陷性黄土地区建筑规范》（GB50025-2004）对场地湿陷类型及湿陷等级进行统计计算[6]，一级阶地表层壤土场地湿陷类型为非自重湿陷，开挖基础面以下无湿陷，二级阶地表层黄土场地湿陷类型为自重湿陷，湿陷等级为Ⅰ级（轻微）~Ⅱ级（中等），湿陷起始压力Psh=117 kPa~200 kPa。

7 其他工程地质问题

当上游洪水来临，沣河引水枢纽橡胶坝需要塌坝行洪。由于沣河泥砂含量较大，行洪后存在淤积问题，建议对蓄水区定期进行清淤工作。野外调查显示，坝址附近凹岸河床冲刷深1.5 m~2.0 m，最大3.5 m，新建引水枢纽下游泄洪区及引退水线路存在冲刷问题。

8 工程地质问题的处理

8.1 渗漏及渗漏相关问题的处理

8.1.1 渗漏及渗透破坏问题处理

湖库区范围内，透水中砂层主要呈透镜体分布，浅层有相对连续的天然隔水层，建议在查明透水层分布形态的前提下，以开挖替换为主，替换为相对隔水的岩土层，结合水平铺盖进行综合防渗。由于沣河引水枢纽蓄水后将产生全断面渗漏且坝基可能存在管涌型渗透破坏，建议进行人工防渗处理，即采取水平铺盖和垂直悬挂式防渗墙结合的防渗方案。

8.1.2 浸没问题处理

湖库区及沣河引水枢纽区域的浸没问题建议在防渗的同时采用减压、压渗等综合措施进行[3-4]。其中防渗措施主要起延长渗径、截断地下水等作用。对上部土层不够的坝段，可将表面不透水层挖沟截断，沟底直达透水层，形成减压排渗沟，可大大降低地下水位，减低不透水层底部承压水头，达到浸没治理的目的。在上层透水层较厚，挖排渗沟不经济的坝段，可在围坝内侧设减压井，穿过弱透水层直达强透水层进行排水减压。

8.2 地基稳定相关问题的处理

8.2.1 地基湿陷性问题处理

对库坝区湿陷性地基，应进行土层置换、夯实、灰土垫层等方法综合处理；对引退水线路区域湿陷性地基，可参照现行规范埋地设置的室外水池地基进行处理[6]，根据工程实践及引水线路工程特点，建议采用整片土（灰土）垫层处理，处理厚度上，非自重湿陷性黄土场地，灰土垫层厚度不宜小于0.3 m，土垫层厚度不应小于0.5 m，自重湿陷性Ⅰ~Ⅱ级场地，灰土垫层厚度不宜小于0.6 m，土垫层厚度不应小于0.8 m，土（或灰土）垫层的压实系数应≥0.97，并采取严格防水措施。

8.2.2 地基液化问题处理

围坝区液化土层埋深较浅，可以进行表面振动加密，在施工时应注意孔隙水压力的观测，若孔隙水压力上升到接近土体自重时，应立即停止夯击。对沣河引水枢纽，由于易液化土层较深，可以采用围封法、人工密实法、灌浆胶结法等多种方法进行处理。对围封法，上游围封应结合防渗要求设置，下游围封应结合排水减压采用透水材料。

9 结论

平原型水库存在的工程地质问题主要与渗漏及地基稳定有关，其中渗漏问题包括库区、附属引水建筑物蓄水区的渗漏及其所引起的渗漏型浸没、渗透稳定等问题，地基稳定问题主要为地基的湿陷及液化问题。对不同地质条件下的渗漏问题，可采用换填、防渗、排水等方式进行解决，对地基稳定问题可采用防水、置换、夯实等措施进行解决。

[1]李鹏,焦振华.平原型水库浸没预测方法探讨—以陕西省斗门水库为例[J].资源环境与工程,2015,29(5):661-665

[2]胡斌,刘永林,李方成,等.出山店水库平昌关地块浸没预测[J].工程勘察,2011(7):46-49.

[3]徐瑞兰,曹先玉,杨国瑞,等.平原水库利用排渗减压技术预防库外农田浸没[J].山东农业大学学报:自然科学版,2007,38(3):432-436.

[4]余际可.平原型水库浸没治理措施[J].湖南水利水电,2008(5):64-66.

[5]陈德基,司富安,蔡耀军,等.水利水电工程地质勘察规范：GB 50487-2008[S].北京：中国计划出版社,2009.

[6]罗宇生,文君,田春显,等.湿陷性黄土地区建筑规范:GB50025-2004 [S].北京：中国建筑工业出版社.

TV221.1

B

1673-9000（2017）03-0061-03

2017-02-07

刁延峰（1981-），男，陕西蓝田人，助理工程师，主要从事水利电力勘测设计工作。