鄭作民

(山東水總有限公司，濟(jì)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(shí)空分配矛盾，提高干線輸水量，保障南水北調(diào)東線輸水干線完成供水目標(biāo)[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(yīng)問題。

通過野外勘察基本查明了水庫周邊及主要建構(gòu)筑物的工程地質(zhì)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(zhì)問題，本文主要探討該水庫的工程地質(zhì)問題和處理方法以及工程地質(zhì)評(píng)價(jià)。

1 工程概況

東湖水庫庫區(qū)位于濟(jì)南市東北部，地處小清河流域，緊鄰小清河干流南堤布設(shè)。庫區(qū)內(nèi)分布大量農(nóng)灌井，據(jù)水質(zhì)分析結(jié)果，庫區(qū)水化學(xué)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(duì)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(zhì)

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(bào)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(lán)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(zhì)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(jí)的地震，上世紀(jì)70年代后，該地區(qū)地震活動(dòng)較弱。因此，近場區(qū)內(nèi)不具備發(fā)生6級(jí)以上地震的活動(dòng)構(gòu)造條件，表明工程場地處于較為穩(wěn)定的地塊，對(duì)東湖水庫的修建基本沒有影響。

2.4 水文地質(zhì)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(cè)滲補(bǔ)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(zhì)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(yàn)，各層土的滲透系數(shù)成果統(tǒng)計(jì)見表1。

表1 各層土滲透系數(shù)

2.5 水文地質(zhì)評(píng)價(jià)

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(qiáng)透水層，含水層間水力聯(lián)系密切，存在滲漏問題，應(yīng)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(huì)受到浸沒危害，但由于排水溝岸坡均沒有襯護(hù)，謹(jǐn)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(zhì)評(píng)價(jià)

經(jīng)現(xiàn)場勘查得出，壩基下伏①層砂質(zhì)壤土抗?jié)B能力及抗沖刷能力比較低，存在著較嚴(yán)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(xué)強(qiáng)度、高壓縮性及遇水軟化強(qiáng)度降低等對(duì)東湖水庫修建工程很不利的特性，很有可能對(duì)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(duì)該三類土的滲透變形特征判定如下：

該壩基地層結(jié)構(gòu)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(yán)重，這些地段往往伴隨著管涌破壞，勘察和計(jì)算表明其危害相對(duì)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(shè)計(jì)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(jìn)行計(jì)算，取各層土滲透系數(shù)的厚度加權(quán)平均值。

(2)⑥層壤土的計(jì)算原則為：確定⑥層壤土的厚度是否超過2m，同時(shí)應(yīng)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(jì)算準(zhǔn)則，來確定⑥層壤土是否可以看作壩基滲漏估算時(shí)的相對(duì)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(shí)的相對(duì)不透水層，并將⑥層壤土看作單層結(jié)構(gòu)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(duì)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(jì)算

壩基滲漏量按單層結(jié)構(gòu)估算時(shí)，采用如下公式：

(1)

壩基滲漏量按無限深透水壩基估算時(shí)，采用如下公式：

(2)

式中：

Q單——單層透水結(jié)構(gòu)壩段滲漏量(m3/d)；

Qyi——無限深透水結(jié)構(gòu)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(shí)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(shí)計(jì)算深度(m)，進(jìn)行計(jì)算時(shí)，i取30m、50m、100m。

2.7.3 滲透變形

壩基土層為多層結(jié)構(gòu)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(duì)該三類土的滲透變形特征，采用現(xiàn)場、室內(nèi)和理論計(jì)算三種方法進(jìn)行了判定。結(jié)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(duì)工程進(jìn)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(duì)東湖水庫庫區(qū)的興建影響可以忽略不計(jì)。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(hù)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(shè)計(jì)地質(zhì)勘查報(bào)告》，壩基最嚴(yán)重的問題是滲漏，應(yīng)采取有效的防滲截滲措施。

3.1 壩基滲漏地質(zhì)評(píng)價(jià)

東湖水庫庫區(qū)中上部土層根據(jù)現(xiàn)場的勘查報(bào)告發(fā)現(xiàn)相對(duì)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(duì)不透水層，但最薄處為1.5m。

結(jié)果表明：在估算深度(無窮深透水壩基)分別為100m、50m、30m時(shí)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(dāng)嚴(yán)重，應(yīng)采取有效的防滲截滲措施，同時(shí)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(zāi)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(duì)原狀地基進(jìn)行改良成振動(dòng)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(jī)械成槽后，再對(duì)不透水體進(jìn)行施工。因此，不透水材料置換法對(duì)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(yīng)防滲層的連接可靠性。東湖水庫壩基⑥層為壤土，結(jié)構(gòu)較密實(shí)，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(duì)不透水層。

4 結(jié)論

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

(2)東湖水庫的工程地質(zhì)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(zhì)勘察非常重要，采取適當(dāng)?shù)奶幚泶胧?duì)工程的安全性、經(jīng)濟(jì)性、合理性有很大的意義。

(3)東湖水庫的興建響應(yīng)了國家南水北調(diào)政策的號(hào)召，為我國膠東地區(qū)的經(jīng)濟(jì)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。