□盧工義(河南省水利勘測有限公司)

一、工程概況

石山口水庫位于淮河流域竹竿河支流小潢河的上游，控制流域面積306km2，總庫容3.72億m3，屬大(Ⅱ)型水庫。百年一遇設(shè)計(jì)水位80.60m，相應(yīng)庫容2.05億m3。興利水位79.50m，相應(yīng)庫容1.69億m3。石山口水庫1959年1月正式開始施工，1968年10月基本建成。主要建筑物有主壩、副壩、溢洪道、輸水洞、南干渠首閘、北干渠首閘及水電站。

現(xiàn)水庫主壩壩型為粘土心墻砂殼壩，壩軸線方向?yàn)?46° 33'，壩頂高程85.62m，最大壩高25.62m，壩頂長295m，壩頂寬7m。主壩心墻土質(zhì)主要為粉質(zhì)粘土及重粉質(zhì)壤土，心墻底部直接座落在壩基中重粉質(zhì)壤土上。壩基防滲采用截水槽輔以水平鋪蓋，在心墻下設(shè)深2.0m、底寬8～10m、邊坡1:1的截水齒墻，墻體座落在灰色軟土層，但未切斷其下透水層。

二、主壩壩基工程地質(zhì)條件

（一）地形地貌

主壩壩基地質(zhì)概況石山口水庫主壩位于低山丘陵向傾斜平原的過渡地帶，左右壩頭山丘海拔高程100～103.3m，由中生界白堊系陳棚組安山質(zhì)凝灰?guī)r組成，高出河床約40m；河床及漫灘寬淺平坦，河流主道靠近右岸，左岸發(fā)育有階地，地層為第四系粘性土及砂礫石，下伏基巖為安山質(zhì)凝灰?guī)r。

（二）地層巖性

主壩壩基上部為第四系沖積物，地面高程60～68m，第四系厚度12～18m。在河床及漫灘為全新統(tǒng)（Q4al）砂礫石層。在河流兩岸階地上為上更新統(tǒng)（Q3al）地層，自上而下依次為黃色中粉質(zhì)壤土、中細(xì)砂、礫砂、黑色軟土、砂礫石。下伏基巖為安山質(zhì)凝灰?guī)r。

（三）地質(zhì)構(gòu)造

1.斷層

主壩壩基區(qū)較大的斷層有4條。

F6－6：分布在主壩下游，走向336°，傾向北東，傾角46°，屬壓性斷層；F1－1：出露于左岸壩頭，斜穿壩基，直通右岸壩頭上游。走向10°，傾向南東，傾角60°～80°，屬壓扭性斷層；F2－2：出露于左岸壩頭下游，與F1－1斜交，通過壩基直達(dá)庫內(nèi)。走向80°，傾向北西，傾角52°，屬壓扭性斷層；F4－4：出露于右岸壩頭上游，走向約286°，傾向北東，傾角54°。

2.片理與節(jié)理

在安山質(zhì)巖類中，節(jié)理以北東向和北西向兩組較為發(fā)育，一組垂直主壩軸線，一組平行主壩軸線。節(jié)理多數(shù)呈閉合狀態(tài)，少數(shù)為張開型，粘土巖屑充填，充填不好。

三、主壩主要工程地質(zhì)問題及評價(jià)

石山口水庫主壩壩基存在的主要工程地質(zhì)問題是壩基灰色軟土問題，壩基滲流及承壓水問題，壩肩繞滲問題。

（一）壩基灰色軟土問題

壩基灰色軟土位于上下兩層砂礫石之間，土質(zhì)成分上部以灰色中粉質(zhì)壤土為主，下部以灰黑色重粉質(zhì)壤土為主，飽水，軟塑～流塑狀態(tài)，見有植物根系等腐植質(zhì)，略有腥臭味。土質(zhì)不均，局部夾有薄層礫砂透鏡體。該層在壩基部位廣泛分布，厚度約4.0～6.5m。該層標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)94次，范圍值為1～6擊，最小不到1擊，平均值3.4擊，小均值2.4擊，其天然含水量接近液限，天然孔隙比接近1.0。天然干密度平均值為1.50g/cm3。在主要力學(xué)性指標(biāo)中，飽和快剪 C=10kPa，φ=10.7°，壓縮系數(shù)（P=100～300kPa）0.20MPa-1。

從以上指標(biāo)可以看出，灰色軟土從天然干密度分析是很不均勻的，且抗剪強(qiáng)度低，具有中等壓縮性。其底部為粗砂層，具平面排水的條件，從勘察試驗(yàn)成果干密度、抗剪強(qiáng)度和壓縮系數(shù)等指標(biāo)的分析對比來看，總體強(qiáng)度有增加的趨勢，但由于該層灰色軟土上下都有承壓水存在，且承壓水頭較高，致使該層雖有壩體荷載作用，但其固結(jié)將是緩慢的。

（二）壩基滲流及承壓水問題

主壩壩基第四系孔隙水分為潛水和承壓水，潛水賦存在河槽表層黃色礫砂透水層中；承壓水又分為上下兩層，上層承壓水位于左岸階地黃色壤土與灰色軟土之間的黃色中砂、灰色礫砂層中，下層承壓水位于灰色軟土以下與基巖面之間灰色砂礫石層中，故壩基透水層可分為三層，現(xiàn)將各層的滲流穩(wěn)定問題分述如下：

1.河槽表層黃色砂礫石透水層的滲流穩(wěn)定問題

該砂礫石層含少量泥質(zhì)，具中等透水性，厚度1.5～2.6m，建庫前該層中含有潛水。建庫施工時(shí)采用粘土水平鋪蓋和截水齒墻防滲，鋪蓋末端齒墻穿過砂層坐落在灰色軟土上，下游砂殼直接坐落在該層砂礫石上，故砂殼中的地下水位和該砂礫石層中的水位應(yīng)該是一致的。從歷年的觀測孔及庫水位關(guān)系來看，水位線平緩，與下游尾水位接近，這些情況表明鋪蓋及截水齒墻具有較好的防滲效果。

2.上層承壓水含水層的滲流穩(wěn)定問題

上層承壓水位于黃色壤土與灰色軟土之間，頂部高程為61～65m，底部高程為58.5～62.0m，厚0.5～5.0m，在河槽左側(cè)岸坡附近變薄或尖滅。本層上部為黃色細(xì)砂，中粗砂及礫砂（含泥），下部為灰白色礫砂，含較多泥質(zhì)。在樁號(hào)0+127以左，層間夾厚約0.3～0.5m軟土薄層。注水試驗(yàn)求得其滲透系數(shù)為4.6× 10-4～1.6×10-3cm/s，具中等透水性。

以樁號(hào)0＋119下71.5孔為例：2002年4月庫水位79. 52m，管水位66.30m；2004年4月庫水位77.73m，管水位66. 38m，高于壩下游砂層頂面，但承壓水頭較低（2m左右），且低于壩下游地面高程（壩后處理后現(xiàn)高程70m）,由于壩腳附近已做反慮層和堆石體，未再發(fā)生異?，F(xiàn)象，說明在現(xiàn)狀水位下滲流是穩(wěn)定的。

3.下層承壓水含水層的滲流穩(wěn)定問題

下層承壓水含水層位于灰色軟土以下與基巖面之間，層頂高程為52～54.4m，層底高程約49～51m。厚約2～5m，為灰色砂礫（卵）石，局部含泥質(zhì)及軟土透鏡體。滲透系數(shù)為9.2× 10-3～2.8×10-2cm/s，屬中等～較強(qiáng)透水層。該層承壓水位較高，承壓水位將高出臺(tái)地約4.0～4.5m，高出河槽約7.0～8.0m，這時(shí)壩腳滲透穩(wěn)定是不利的。另據(jù)鉆孔注水連通試驗(yàn)，得知下層承壓水與灰色軟土中的砂礫石透鏡體有較強(qiáng)的水力聯(lián)系，這樣其上復(fù)土層厚度變小，就更不利于壩腳滲透穩(wěn)定。

根據(jù)壩基地質(zhì)結(jié)構(gòu)和水文地質(zhì)條件，該層承壓水的滲流穩(wěn)定問題主要是承壓含水層頂板的頂托破壞問題，據(jù)觀測資料，當(dāng)庫水位達(dá)到興利水位79.50m時(shí)，下游壩腳附近河槽段該層承壓水位68.93m，階地段承壓水位73.38m，分別高出下游河槽地面8.93m，階地地面3.38m，存在產(chǎn)生頂托破壞的條件。

參考《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50007－2002）關(guān)于基坑底抗?jié)B流穩(wěn)定性驗(yàn)算的有關(guān)規(guī)定，將承壓含水層上覆土重與承壓水壓力進(jìn)行比較（見表1），當(dāng)安全系數(shù)≥1.1時(shí)滲流穩(wěn)定。經(jīng)分析對比，階地段安全系數(shù)滿足要求，不存在頂透破壞問題；河槽段，興利水位79.50m時(shí)，安全系數(shù)1.08，預(yù)測校核水位82.79m時(shí)，安全系數(shù)1.08，處于極限狀態(tài)，存在頂托破壞的危險(xiǎn)，建議采取排水降壓措施或增加上部壓重。

表1 下層承壓含水層上覆土重與承壓水壓力比值計(jì)算表

4.壩肩繞滲問題

兩岸壩頭均為安山質(zhì)凝灰?guī)r，多屬強(qiáng)風(fēng)化到弱風(fēng)化。經(jīng)地表巖石及鉆孔巖心觀察，裂隙較發(fā)育，一般呈閉合狀，部分充填鐵錳質(zhì)，膠結(jié)較好，巖石也較完整。據(jù)地質(zhì)測繪資料，僅左壩肩有F1－1及F2－2兩斷層，以夾角45～60°從壩上游穿過壩肩通向庫外。巖石總體透水性弱，右岸較左岸弱，僅斷層影響帶局部透水性較強(qiáng)。據(jù)8孔22次壓注水試驗(yàn)成果統(tǒng)計(jì)，透水率＜1Lu者16次，占73%；透水率＞5Lu者2次，占9%；且較大者均位于左岸，其中最大值為16.3Lu，位于E3孔F2－2斷層下盤。

根據(jù)左岸各測壓管水位與同期庫水位的比較，管水位隨庫水位的變化而變化，在庫水位74m以上時(shí)，管水位均低于庫水位，說明壩肩滲漏是存在的，壩基結(jié)合面和壩肩均存在滲漏問題，但滲漏量都不大，現(xiàn)狀水位下不致對主壩造成危害。

四、結(jié)論

由于水庫修建于大躍進(jìn)的特殊時(shí)期，先開始施工，而后進(jìn)行補(bǔ)充地質(zhì)勘探，所以主壩壩基座落在灰色軟土和透水的砂礫石層上，采用水平鋪蓋與截水墻防滲，截水墻只做到了灰色軟土層，壩基中的斷層沒做處理，主壩壩基工程地質(zhì)條件復(fù)雜，存在壩基灰色軟土固結(jié)問題、壩基滲流穩(wěn)定及承壓水問題、左壩肩繞滲問題，經(jīng)過多年觀測、分析、試驗(yàn)、研究，對主壩壩基存在的主要工程地質(zhì)問題做出如下結(jié)論：

（一）關(guān)于壩基灰色軟土問題

歷次土工試驗(yàn)成果對比表明，40年來壩基強(qiáng)度有提高趨勢，壩基灰色軟土稍有固結(jié)，干容重略顯增大，抗剪強(qiáng)度稍有增高。在80m高程平臺(tái)以下部分貫入擊數(shù)1～2擊，液性指數(shù)部分大于1.0，平均達(dá)0.85，整體工程地質(zhì)條件較差。壩基強(qiáng)度提高緩慢的原因應(yīng)是壩基存在水頭較高的承壓水，使其難于排水固結(jié)，今后在存在承壓水的條件下，壩基強(qiáng)度的提高仍將是緩慢的。

（二）關(guān)于壩基滲流穩(wěn)定及承壓水問題

河槽表面礫砂透水層，系潛水，建壩時(shí)已作過防滲處理，經(jīng)歷年來測壓管水位觀測，在庫水位為78.50m以下時(shí)，防滲效果較好。

上層承壓水，在壩基階地段普遍存在，含水層中部最大厚度5.0m，在河槽左岸附近可能變薄或尖滅。1977年勘探時(shí)，下游沿河槽左岸約在高程64m處，曾發(fā)生過流土、涌砂現(xiàn)象，后經(jīng)護(hù)坡處理，至今沒有發(fā)生異常現(xiàn)象。至于在更高庫水位時(shí)是否產(chǎn)生滲透穩(wěn)定問題，有待觀察。

下層承壓水，承壓水位較高，預(yù)測在校核水位時(shí)，其上覆土層重量與承壓水壓力比值（抗?jié)B透破壞安全系數(shù)）河槽段僅1.01，低于規(guī)范≥1.1的要求，據(jù)此可認(rèn)為在下游壩腳將存在頂托破壞的危險(xiǎn)，存在滲透穩(wěn)定問題。建議采取排水降壓措施或增加上部壓重。

（三）關(guān)于壩肩繞滲問題

兩岸壩頭巖石較新鮮完整，未見直接貫通壩肩上下游的斷層，裂隙雖較發(fā)育，但多已充填，巖石總體透水性弱。雖存在繞滲問題，但滲漏量不大，應(yīng)在水庫運(yùn)行中注意觀測，必要時(shí)增設(shè)一些觀測設(shè)施。