山西中部引黃取水樞紐工程壓力泵站工程地質

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水塔、無壓引水隧洞、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90 m，走向 S76°E，寬約35 m。泵站基礎開挖底高程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，溝左側有保德至神池的省道。

2.1 工程地質條件

該處發育的地層由老至新有:奧陶系中統上馬家溝上段(O2s3)厚層灰巖、豹皮狀灰巖夾薄層泥灰巖，巖性較硬。厚度40 m～50 m。主要分布于溝底部。奧陶系中統峰峰組下段第①層(O2f1-1)泥灰巖、泥質白云巖，泥灰巖巖性較軟，灰巖巖性較硬。厚度14 m～20 m。峰峰組下段第②層(O2f1-2)灰巖，灰巖巖性較硬。厚度20 m～30 m。峰峰組下段第③層(O2f1-3)泥灰巖夾薄層灰巖，泥灰巖巖性較軟，灰巖巖性較硬。厚度30 m～50 m。主要分布于溝右岸岸坡中下部。石炭系中統本溪組(C2b)砂巖、鋁土巖及山西式鐵礦;石炭系上統太原組(C3t)砂礫巖、頁巖、泥質灰巖及煤層;第四系上更新統(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洪沖積(Qpal4)卵石混合土、含礫級配不良砂等。厚度0 m～27 m，結構松散。礫、卵石主要成分為灰巖、泥灰巖、砂巖等。人工堆積(Qs)碎石以及人工建筑物。

泥質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%，烘干單軸抗壓強度為 54.7 MPa～72.4 MPa，飽和單軸抗壓強度為 42.3 MPa ～59.0 MPa，軟化系數為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，內摩擦角 φ =46.7°～48.1°。

灰巖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%，烘干單軸抗壓強度為 52.4 MPa ～93.0 MPa，飽和單軸抗壓強度為44.6 MPa～83.6 MPa，軟化系數為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，內摩擦角 φ =42.2°～43.4°。

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

鉆孔泵站基礎附近RQD值為0～48，巖體完整性差。壓水試驗值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，巖層產狀N20°～30°E/SE∠2°～6°。Fa1正斷層從場地西側通過后沿溝向上游延伸，斷層產狀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。泵站處主要發育兩組節理裂隙: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，有少量泥質充填，裂隙間距為1.2 m～3 m。

泵站地處天橋泉域，地下水類型有松散巖類孔隙水和巖溶水。溝底常年有小型水流流淌。松散巖類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。根據溝內鉆孔可知，當孔深在高程795 m～808 m以上時地下水位一般低于地表，自高程795 m～808 m左右開始自流。終孔地下水位高于地表。綜合分析泵站開挖范圍內巖溶地下水位高程833 m～834 m之間。

據收集的黃崖溝口ZK3鉆孔抽水試驗資料，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 開始自流，流量約43 m3/d;孔深至34.0 m時，該孔每天出水量達3 000 m3/d;孔深至 57.6 m時，水量達 10 694 m3/d;孔深至72.7 m時，水量達16 225 m3/d;孔深至 88.4 m 時，水量達24 103 m3/d。靜水位 837.4 m，動水位 821.4 m，滲透系數51.6 m/d。

2.2 工程地質評價

泵站開挖底高程803.0 m，泵站東側基礎持力層為奧陶系中統上馬家溝組三段灰巖，西側為奧陶系中統峰峰組下段第①層厚層泥灰巖、泥質白云巖，分析該組剩余厚度較小。灰巖巖性較堅硬。建議清除泵站基底奧陶系中統峰峰組下段第①層泥灰巖，將泵站基礎置于奧陶系中統上馬家溝組上段灰巖層上。灰巖地基承載力地質建議值1.5 MPa～2.5 MPa。泵站混凝土基礎與灰巖接觸面抗剪斷參數 f′=0.8 ～0.9，C′=0.6 MPa～0.7 MPa，抗剪參數f=0.5～0.6。若基礎坐于泥灰巖之上，地基承載力地質建議值為500 kPa～1 000 kPa，建議泵站基底與弱風化泥灰巖接觸面抗剪斷參數 f′=0.4 ～0.45，C′=0.05 MPa～0.15 MPa，抗剪參數 f=0.3 ～0.32。

溝谷右岸在泵站開挖過程中形成高陡邊坡，邊坡高度最小50 m左右，最高可達90 m。邊坡巖體主要為弱風化狀態下奧陶系中統峰峰組下段灰巖、泥灰巖。泥灰巖巖性較軟，對邊坡穩定有不利影響。建議開挖邊坡:泥灰巖:水上1∶0.5 ～1∶0.75，水下1∶0.75 ～1∶1，灰巖: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，并對邊坡進行防護，建議對邊坡進行監測。施工過程中要嚴格控制爆破規模，特別在最終邊坡附近，應放小炮，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，與工程有關的隔水底板高程795 m～805 m之間，泵站開挖已揭穿承壓水隔水頂板，會形成突水，需要排水。建議采取超前固結灌漿措施，以減少基坑涌水量。同時溝谷中汛期有一定規模的洪水，采取一定的防護措施。

泵站基坑全斷面開挖涌水量按照大口徑承壓水水井進行估算，見式(1):

其中，Q為涌水量，m3/d;K為滲透系數，m/d;M為承壓含水層厚度，取值30 m;Sw為動水位降深，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號鉆孔抽水試驗資料，工程開挖至32 m左右時，其滲透系數約48.1 m/d。經估算泵站全斷面開挖，基坑涌水量約7.8 萬 m3/d。

3 結語

壓力泵站，泵站基礎持力層為奧陶系中統峰峰組下段第①層厚層泥灰巖、泥質白云巖夾薄層灰巖，局部地段為奧陶系中統上馬家溝組上段灰巖夾泥灰巖，溝谷右岸在泵站開挖過程中形成高邊坡，邊坡高度最小50 m左右，最高可達90 m，邊坡內有較多的泥灰巖層，存在邊坡穩定問題，建議進行護坡處理并進行監測。泵站基坑開挖中會遇到覆蓋層中孔隙水及承壓巖溶水，存在施工涌水問題，承壓水頭較高，建議進行超前固結灌漿，以減少基坑涌水量。泵站位于沖溝右側，存在洪水沖刷問題，建議進行防護。

經試驗及工程經驗分析，線路上絕大多數巖石放射性不強，對施工無影響。但也不能完全排除施工時遇到放射性強巖石的可能，需在施工時加強防范，遇到可疑巖石，及時隔離送檢。