王庄水库坝址区工程地质评价

赵 宇

（山西省水利水电勘测设计研究院，山西 太原 030024）

王庄水库位于大东河一级支流小西河上，大东河属海河流域大清河水系唐河干流的一级支流。该水库于1973年10月正式动工兴建，由灵丘县王庄等三个村村民实施，1974年10月竣工蓄水。水库建成后，以灌溉为主，兼下游防洪。由于水库坝基渗漏严重，多年带病运行，致使水库不能正常蓄水。目前水库为空库度汛状态。

坝址距灵丘县城约15km。水库大坝坝型为均质土坝，最大坝高20m，坝长130m，坝顶宽3m，设计总库容48.5万m3，控制流域面积4.5km2，属小（二）型水库。

本次勘察为安全鉴定阶段，需查明坝址的地形地貌、地层岩性、地质构造、水文地质条件、岩土体的物理力学性质等工程地质条件。查明坝体土的物理力学性质、渗透特性，坝体沉陷及其它坝体病害和隐患的分布位置、范围及处理情况。查明坝体与坝基接触部位的物质组成及其渗透特性。

1 坝址区工程地质条件

1.1 地层岩性

坝址位于灵丘县落水河乡王庄村小西河上。坝址区河谷为“U”型谷，坝址区河流方向为S28°W。发育地层岩性主要为太古界五台群老潭沟组花岗片麻岩和第四系松散堆积物。

太古界五台群老潭沟组（Arl）：岩性为灰白色花岗片麻岩。花岗变晶结构，片麻状构造，矿物成分主要为石英、长石、云母等。厚度大于于500m。主要分布于左坝肩。

第四系上更新统洪冲积物（Q3pal）：岩性为淡黄色低液限粉土、低液限黏土，夹卵石混合土，结构松散，稍湿，硬塑。厚度约13.0m。主要分布于坝址右坝肩。

第四系全新统洪冲积物（Q4pal）：岩性上部为淡黄色低液限粉土、低液限黏土，夹卵石混合土，结构松散，厚度约7.0m；其下为卵石混合土，结构松散，卵砾石成分主要为花岗片麻岩等，磨圆度中等，呈次棱角～次圆状，细粒为中粗砂，主要矿物成分为长石、石英、云母，厚度7.6～10.0m。主要分布于坝址底部。

第四系人工堆积物（Qs）：岩性主要为低液限粉土、低液限黏土，夹含细粒土砾层，结构松散，厚度0～22m，主要为坝体土。

水库淤积物（Ql）：岩性主要为级配不良砂、低液限黏土及低液限粉土，厚0～8m，主要分布于近坝库岸。

1.2 地形地貌

坝址区范围内左岸及河谷被松散堆积物覆盖，右岸边山段基岩裸露。区内无大的构造分布，受区域构造影响，坝址区边山岩层产状起伏变化较大，片麻理产状为N85°W/NE∠86°。岩体中主要发育两组高倾角裂隙，其产状分别为：①N86°E/NW∠87°、②N27°E/SW∠81～86°，节理裂隙多为高陡倾角裂隙，裂隙面较平直，裂隙张开，宽度1～40mm。这两组节理裂隙均发育，间距0.1～0.3m。

根据地下水的赋存条件，库区内地下水类型可分为：松散岩类孔隙水、变质岩类裂隙水两种类型。松散岩类孔隙水主要赋存于河床的卵石混合土、混合土卵石、级配不良砂中，渗透性强，富水量大。地下水的补给来源主要接受大气降水、变质岩类裂隙水补给，向下游河谷径流排泄。变质岩裂隙水含水岩层为片麻岩，岩体中裂隙较为发育，裂隙是裂隙水的主要赋存、径流通道，裂隙水径流条件较好。地下水的补给来源主要是流域内大气降水，据钻孔资料，两岸钻孔水位为1085.21～1086.10m，河谷地下水位为1080.31m，两岸地下水位高于河谷地下水位，故河谷两岸裂隙水侧向补给形式排泄、补给河谷中松散层的孔隙水。

坝基上部发育地层为第四系全新统洪冲积（Q4pal）卵石混合土，含漂石，最大粒径200mm以上，结构松散，卵砾石主要成分为变质岩，磨圆度呈次棱角～次圆状。厚度为7.6～10.0m。主要分布于河床中。据河床表层卵石混合土筛分试验资料，卵石含量约38.65%，砾石含量42.61%，砂粒含量16.21%，粉黏粒含量2.53%，不均匀系数Cu=157.10，曲率系数Cc=6.08。据钻孔锥贯试验资料，坝基第四系松散层修正后的锥贯击数为3～4击。据钻孔注水试验，坝基卵石混合土层渗透系数K=35.4m/d，为强透水层。

下伏基岩为太古界五台群老潭沟组（Arl）岩层，岩性为花岗片麻岩，主要分布于坝址左岸及下部。据坝基钻孔压水试验，其透水率为4.0～7.0Lu，属弱透水岩体。

2 坝址工程地质评价

2.1 坝基渗漏及渗透变形问题

根据勘察资料和访问水库管理人员，大坝坝基为卵石混合土，厚度7.6～10.0m，其下为太古界五台群老潭沟组花岗片麻岩。建坝及除险加固时坝基未做任何处理。坝基全新统洪冲积卵石混合土为中～强透水性，构成坝基渗漏层位，坝基存在渗漏问题。现采用下式对坝基渗漏量Q进行估算。

式中：B——坝基长度，取值67.2m；

k——透水层渗透系数，取值35.4m/d；

H——大坝上下游水位差，取值25.2m；

M——渗透层厚度，取值8.8m；

2b——坝底宽，取107.8m。

经计算，当水库达到正常蓄水位时，坝基渗漏量为4524.36m3/d。

再者，坝基卵石混合土层，结构松散，分选较差，而且在坝基及上、下游连续分布，卵石混合土直接出露，为坝后渗流出逸提供了条件，在坝上下游水位差产生的渗压作用下卵石混合土层将产生渗透变形。根据卵石混合土层的筛分资料，其卵石含量约38.65%，砾石含量42.61%，砂粒含量16.21%，粉黏粒含量2.53%，不均匀系数Cu=157.10，曲率系数Cc=6.08。

根据该卵石混合土的不均匀系数和细颗粒含量，按照《水利水电工程地质勘察规范》（GB50487-2008），坝基卵石混合土渗透变形类型为管涌。根据卵石混合土层的颗粒组成、不均匀系数、细粒土含量和渗透系数等，经计算，其临界水力坡降为0.20，考虑工程重要性，取安全系数2，卵石混合土的允许水力坡降为0.10。

2.2 左、右坝肩稳定及绕坝渗漏

左坝肩为基岩边坡，坡度较陡。建坝时已将松散覆盖层清除。基岩为太古界五台群老潭沟组花岗片麻岩，岩性较软，易风化。片麻理产状为，倾向左岸略偏下游。强风化层厚度一般5～10m。由于片麻理产状较陡，且花岗片麻岩易风化，左坝肩易产生小的坍塌。再者，左坝肩主要由花岗片麻岩组成，其渗透性较弱，由于强风化厚度较大，当库水位达到设计水位时，存在绕坝渗漏，但渗漏量不大。综合分析，左坝肩工程地质条件较好。

右坝肩为土质边坡，岸坡较陡。岩性主要为上更新统洪冲积淡黄色低液限粉土、低液限黏土，偶含小砾石，结构较松散，右坝肩稳定性较好。再者，右坝肩主要由上更新统洪冲积低液限粉土、低液限黏土组成，其渗透性弱，故右坝肩不存在绕坝渗漏问题。综合分析，右坝肩工程地质条件较好。

2.3 坝体土的组成及性状

大坝土质为淡黄色、黄色低液限粉土、低液限黏土，夹砾石等，土质不均，呈硬塑～可塑状态，结构松散。

本次勘察在坝顶布置2个钻孔和2个竖井，在后坝坡布置1个竖井，对坝体土取原状土样进行室内土工试验及钻孔标贯试验。坝体土标贯击数N63.5为2.1～6.5击，平均值为4.6击，坝体土为松散，其干密度为1.22～1.58g/cm3，平均值为1.43g/cm3；含水率为10.9～22.8%，平均值为15.6%，压缩系数av1-2为0.08～1.26MPa-1，平均值为0.37MPa-1，多具中等压缩性；压缩模量Es1-2为1.8～23.6MPa，平均值为6.6MPa；湿陷系数为0.001～0.052，部分存在湿陷性；垂直、水平渗透系数分别为9.04×10-6～3.68×10-4cm/s、9.29×10-6～2.01×10-4cm/s，具微～中等透水性，平均值分别为1.06×10-4cm/s、8.55×10-5cm/s，为弱～中等透水性；快剪试验：凝聚力为6.5～21.1kPa，平均值为11.1kPa，摩擦角为17.5°～26.0°，平均值为21.4°。

取坝体土进行三轴固结不排水剪（CU）试验，并采用规范要求统计方法对三轴试验进行统计。综上分析，坝体土平均干密度1.43g/cm3，坝体土干密度较小，孔隙比较大，局部孔隙比大于1，坝体土多为中等～高压缩性土，坝体土质不均，干密度较小，坝体质量较差。从坝体土的渗透系数来看，坝体土的渗透性分布不均匀，坝体土防渗性能较差。根据坝体土物理力学性质及结构，综合考虑，建议总应力条件下抗剪强度指标Ccu=24kPa，φcu=16°；有效应力条件下抗剪强度指标C′=20kPa，φ′=22°。

3 结语

通过本次安全鉴定斟察，查明坝址区的地形地貌、地层岩性、地质构造、岩土体的物理特性，表明王庄水库大坝为均质土坝，坝基为卵石混合土，左坝肩为太古界五台群老潭沟组花岗片麻岩，右坝肩为第四系上更新统洪冲积低液限粉土、低液限黏土。大坝主要存在坝基渗漏及渗透变形问题。左右坝肩稳定性较好，左坝肩由于强风化厚度较大，当库水位达到设计水位时，存在绕坝渗漏，但渗漏量不大。坝体土大部分具弱～中等透水性，且坝体土渗透性分布不均匀，坝体土质不均，干密度较小，坝体质量较差。

通过对王庄水库进行全面的地质评价，建议采取相应的除险加固措施对水库进行改造完善，使其真正起到灌溉防洪的作用，为当地人民生命财产安全提供保障。