山西中部引黃取水樞紐工程壓力泵站工程地質(zhì)

賈宇珍

(山西省水利建筑工程局，山西 太原 030006)

1 取水工程概況

取水工程主要建筑物包括取水口進(jìn)水塔、無(wú)壓引水隧洞、引水暗涵、取水泵站、泵站壓力管道及出水池等。

2 壓力泵站

壓力泵站地處天橋電站大壩壩頭左側(cè)溝谷右岸，溝底高程828 m～832 m，距離溝口約350 m。采用半地上半地下形式，泵站廠房長(zhǎng)90 m，走向 S76°E，寬約35 m。泵站基礎(chǔ)開(kāi)挖底高程803.0 m。該沖溝為黃河支流，泵站處溝底寬60 m～100 m，大致走向N76°W，兩岸均為基巖岸坡，溝左側(cè)有保德至神池的省道。

2.1 工程地質(zhì)條件

該處發(fā)育的地層由老至新有:奧陶系中統(tǒng)上馬家溝上段(O2s3)厚層灰?guī)r、豹皮狀灰?guī)r夾薄層泥灰?guī)r，巖性較硬。厚度40 m～50 m。主要分布于溝底部。奧陶系中統(tǒng)峰峰組下段第①層(O2f1-1)泥灰?guī)r、泥質(zhì)白云巖，泥灰?guī)r巖性較軟，灰?guī)r巖性較硬。厚度14 m～20 m。峰峰組下段第②層(O2f1-2)灰?guī)r，灰?guī)r巖性較硬。厚度20 m～30 m。峰峰組下段第③層(O2f1-3)泥灰?guī)r夾薄層灰?guī)r，泥灰?guī)r巖性較軟，灰?guī)r巖性較硬。厚度30 m～50 m。主要分布于溝右岸岸坡中下部。石炭系中統(tǒng)本溪組(C2b)砂巖、鋁土巖及山西式鐵礦;石炭系上統(tǒng)太原組(C3t)砂礫巖、頁(yè)巖、泥質(zhì)灰?guī)r及煤層;第四系上更新統(tǒng)(Qeol3)淡黃色～黃褐色低液限粉土。沖溝溝底地表上覆第四系全新統(tǒng)洪沖積(Qpal4)卵石混合土、含礫級(jí)配不良砂等。厚度0 m～27 m，結(jié)構(gòu)松散。礫、卵石主要成分為灰?guī)r、泥灰?guī)r、砂巖等。人工堆積(Qs)碎石以及人工建筑物。

泥質(zhì)白云巖巖石塊體天然密度為2.64 g/cm3～2.65 g/cm3，吸水率為 1.27%～1.94%，烘干單軸抗壓強(qiáng)度為 54.7 MPa～72.4 MPa，飽和單軸抗壓強(qiáng)度為 42.3 MPa ～59.0 MPa，軟化系數(shù)為0.77 ～0.82，泊松比 μ50=0.18 ～0.37，飽和變形模量 E50=4.16 ×104MPa～5.95 ×104MPa，飽和凝聚力 C=1.41 MPa～3.44 MPa，內(nèi)摩擦角 φ =46.7°～48.1°。

灰?guī)r巖石塊體天然密度為2.66 g/cm3～2.72 g/cm3，吸水率為0.81%～1.08%，烘干單軸抗壓強(qiáng)度為 52.4 MPa ～93.0 MPa，飽和單軸抗壓強(qiáng)度為44.6 MPa～83.6 MPa，軟化系數(shù)為0.85～0.96，泊松比 μ50=0.2 ～0.23，飽和變形模量 E50=3.33 ×104MPa ～10.3 ×104MPa，飽和凝聚力C=4.76 MPa～16.4 MPa，內(nèi)摩擦角 φ =42.2°～43.4°。

泥灰?guī)r巖石塊體天然密度為2.66 g/cm3，吸水率為1.15%，烘干單軸抗壓強(qiáng)度為22.8 MPa，飽和單軸抗壓強(qiáng)度為22.8 MPa，軟化系數(shù)為0.91，泊松比 μ50=0.41，飽和變形模量 E50=2.45 ×104MPa。需要指出的是，地層中較軟的泥灰?guī)r未取到原狀試樣。

鉆孔泵站基礎(chǔ)附近RQD值為0～48，巖體完整性差。壓水試驗(yàn)值4.8 ～11.8，具弱 ～中等透水性。縱波波速2 400 m/s～2 800 m/s。

該處位于天橋背斜的南東翼，巖層產(chǎn)狀N20°～30°E/SE∠2°～6°。Fa1正斷層從場(chǎng)地西側(cè)通過(guò)后沿溝向上游延伸，斷層產(chǎn)狀N50°～80°W/SW∠70°～80°。斷層帶寬 3 m ～5 m，斷距 50 m ～65 m，影響帶寬約50 m。泵站處主要發(fā)育兩組節(jié)理裂隙:1)N70°～80°E/NW 或 SE∠75°～85°，裂隙面平直，寬度 1 mm ～3 mm，泥質(zhì)充填，延伸一般3 m～5 m，裂隙間距為0.5 m～1 m;2)N20°～30°W/NE 或 SW∠65°～75°，裂隙面較粗糙，寬度0.5 mm ～2 mm，有少量泥質(zhì)充填，裂隙間距為1.2 m～3 m。

泵站地處天橋泉域，地下水類(lèi)型有松散巖類(lèi)孔隙水和巖溶水。溝底常年有小型水流流淌。松散巖類(lèi)孔隙水地下水位埋深0 m～3 m。巖溶水具承壓性，且隨著深度增加，水頭增高。根據(jù)溝內(nèi)鉆孔可知，當(dāng)孔深在高程795 m～808 m以上時(shí)地下水位一般低于地表，自高程795 m～808 m左右開(kāi)始自流。終孔地下水位高于地表。綜合分析泵站開(kāi)挖范圍內(nèi)巖溶地下水位高程833 m～834 m之間。

據(jù)收集的黃崖溝口ZK3鉆孔抽水試驗(yàn)資料，該孔孔口高程821.5 m，孔深88.4 m，其中覆蓋層10.5 m。該孔自19.85 m 開(kāi)始自流，流量約43 m3/d;孔深至34.0 m時(shí)，該孔每天出水量達(dá)3 000 m3/d;孔深至 57.6 m時(shí)，水量達(dá) 10 694 m3/d;孔深至72.7 m時(shí)，水量達(dá)16 225 m3/d;孔深至 88.4 m 時(shí)，水量達(dá)24 103 m3/d。靜水位 837.4 m，動(dòng)水位 821.4 m，滲透系數(shù)51.6 m/d。

2.2 工程地質(zhì)評(píng)價(jià)

泵站開(kāi)挖底高程803.0 m，泵站東側(cè)基礎(chǔ)持力層為奧陶系中統(tǒng)上馬家溝組三段灰?guī)r，西側(cè)為奧陶系中統(tǒng)峰峰組下段第①層厚層泥灰?guī)r、泥質(zhì)白云巖，分析該組剩余厚度較小。灰?guī)r巖性較堅(jiān)硬。建議清除泵站基底奧陶系中統(tǒng)峰峰組下段第①層泥灰?guī)r，將泵站基礎(chǔ)置于奧陶系中統(tǒng)上馬家溝組上段灰?guī)r層上。灰?guī)r地基承載力地質(zhì)建議值1.5 MPa～2.5 MPa。泵站混凝土基礎(chǔ)與灰?guī)r接觸面抗剪斷參數(shù) f′=0.8 ～0.9，C′=0.6 MPa～0.7 MPa，抗剪參數(shù)f=0.5～0.6。若基礎(chǔ)坐于泥灰?guī)r之上，地基承載力地質(zhì)建議值為500 kPa～1 000 kPa，建議泵站基底與弱風(fēng)化泥灰?guī)r接觸面抗剪斷參數(shù) f′=0.4 ～0.45，C′=0.05 MPa～0.15 MPa，抗剪參數(shù) f=0.3 ～0.32。

溝谷右岸在泵站開(kāi)挖過(guò)程中形成高陡邊坡，邊坡高度最小50 m左右，最高可達(dá)90 m。邊坡巖體主要為弱風(fēng)化狀態(tài)下奧陶系中統(tǒng)峰峰組下段灰?guī)r、泥灰?guī)r。泥灰?guī)r巖性較軟，對(duì)邊坡穩(wěn)定有不利影響。建議開(kāi)挖邊坡:泥灰?guī)r:水上1∶0.5 ～1∶0.75，水下1∶0.75 ～1∶1，灰?guī)r:1∶0.3 ～ 1∶0.5。覆蓋層卵石混合土:水上1∶0.5 ～1∶0.75，水下1∶1.25 ～1∶1.5，并對(duì)邊坡進(jìn)行防護(hù)，建議對(duì)邊坡進(jìn)行監(jiān)測(cè)。施工過(guò)程中要嚴(yán)格控制爆破規(guī)模，特別在最終邊坡附近，應(yīng)放小炮，甚至不放炮。

泵站處巖溶水地下水位高程834 m～835 m之間，屬承壓水，與工程有關(guān)的隔水底板高程795 m～805 m之間，泵站開(kāi)挖已揭穿承壓水隔水頂板，會(huì)形成突水，需要排水。建議采取超前固結(jié)灌漿措施，以減少基坑涌水量。同時(shí)溝谷中汛期有一定規(guī)模的洪水，采取一定的防護(hù)措施。

泵站基坑全斷面開(kāi)挖涌水量按照大口徑承壓水水井進(jìn)行估算，見(jiàn)式(1):

其中，Q為涌水量，m3/d;K為滲透系數(shù)，m/d;M為承壓含水層厚度，取值30 m;Sw為動(dòng)水位降深，取值32 m;rw為泵站基坑直徑，考慮基坑坡度，取值55 m;R為影響半徑，m。

利用ZK3號(hào)鉆孔抽水試驗(yàn)資料，工程開(kāi)挖至32 m左右時(shí)，其滲透系數(shù)約48.1 m/d。經(jīng)估算泵站全斷面開(kāi)挖，基坑涌水量約7.8 萬(wàn) m3/d。

3 結(jié)語(yǔ)

壓力泵站，泵站基礎(chǔ)持力層為奧陶系中統(tǒng)峰峰組下段第①層厚層泥灰?guī)r、泥質(zhì)白云巖夾薄層灰?guī)r，局部地段為奧陶系中統(tǒng)上馬家溝組上段灰?guī)r夾泥灰?guī)r，溝谷右岸在泵站開(kāi)挖過(guò)程中形成高邊坡，邊坡高度最小50 m左右，最高可達(dá)90 m，邊坡內(nèi)有較多的泥灰?guī)r層，存在邊坡穩(wěn)定問(wèn)題，建議進(jìn)行護(hù)坡處理并進(jìn)行監(jiān)測(cè)。泵站基坑開(kāi)挖中會(huì)遇到覆蓋層中孔隙水及承壓巖溶水，存在施工涌水問(wèn)題，承壓水頭較高，建議進(jìn)行超前固結(jié)灌漿，以減少基坑涌水量。泵站位于沖溝右側(cè)，存在洪水沖刷問(wèn)題，建議進(jìn)行防護(hù)。

經(jīng)試驗(yàn)及工程經(jīng)驗(yàn)分析，線路上絕大多數(shù)巖石放射性不強(qiáng)，對(duì)施工無(wú)影響。但也不能完全排除施工時(shí)遇到放射性強(qiáng)巖石的可能，需在施工時(shí)加強(qiáng)防范，遇到可疑巖石，及時(shí)隔離送檢。