肯尼亞KarimenuⅡ大壩壩址工程地質(zhì)條件及評(píng)價(jià)

摘 要：肯尼亞KarimenuⅡ大壩壩址處地質(zhì)條件復(fù)雜，第四系松散層河谷中較薄，兩岸厚度大，基巖為第三系火山厚層～巨厚層火山角礫巖熔結(jié)凝灰?guī)r及角閃粗面巖透鏡體，并夾有低液限粉（粘）土、級(jí)配不良砂。壩址主要存在壩基滲漏問題，壩基抗滑穩(wěn)定性較好，壩肩穩(wěn)定性較好。

關(guān)鍵詞：壩基;滲透;滲漏;穩(wěn)定性;肯尼亞KarimenuⅡ大壩

KarimenuⅡ大壩位于Karimenu河流上游，距肯尼亞首都內(nèi)羅畢北部約75公里，庫(kù)水回水范圍內(nèi)，壩址以上主河道長(zhǎng)約5km，最大淹沒面積1.35×106m2。擬建大壩壩型為渣石心墻壩，水庫(kù)總庫(kù)容2821萬(wàn)m3，水庫(kù)興利庫(kù)容1867萬(wàn)m3，死庫(kù)容555萬(wàn)m3，死水位1833.00m。壩頂長(zhǎng)400m，壩頂長(zhǎng)400m，壩頂寬10m，壩頂高程1859.0m，最大壩高58m。

1 氣候水文

Karimenu河流位于肯尼亞阿伯德爾山脈南部，屬于濕潤(rùn)至半濕潤(rùn)農(nóng)業(yè)氣候區(qū)。年平均溫度約為18～14℃。流域年平均降水量為1420毫米。一年的雨季有兩次，長(zhǎng)雨季（大約是三月到五月），短雨季（大約在十月到十一月）。月平均溫度變化幅度為 9.9 至 14.6℃，年平均變化幅度為 11.6℃。

2 地形地貌

大壩壩址位于肯尼亞Kiambu郡North gatundu鎮(zhèn)Kanyoni村Karimenu河谷，地貌單元為高原河流侵蝕堆積地貌，地形上為山間河谷，河谷斷面呈“V”字形。河床高程為1801.0～1812.0m，寬近90m，主河床位于河谷右側(cè)，寬約17m，壩軸線處河流流向?yàn)镾64°E。左岸坡度約21°，右岸岸坡由下部的約38°漸變?yōu)橹猩喜康?7°。兩岸坡及河谷底均被松散層覆蓋。

3 工程地質(zhì)條件

3.1 地層巖性

壩址區(qū)覆蓋層有分布于兩壩肩的第四系上更新統(tǒng)坡洪積堆積物（Q3dpl）與河谷中的第四系全新統(tǒng)洪沖積堆積物（Q4pal）。其地層特征如下：

（1）第四系上更新統(tǒng)坡洪積堆積物（Q3dpl）。為褐紅、棕紅色高液限粉（粘）土，可塑～硬塑狀態(tài)，具中等壓縮性，不具膨脹性，下部含有較多鈣質(zhì)結(jié)核與少量礫石。層厚左壩肩為11.0～19.4m，右壩肩為18.2～27.8m。

（2）第四系全新統(tǒng)洪沖積堆積物（Q4pal）。為褐紅、淺紅、褐色高液限粉土，松散～稍密狀態(tài)，具中等壓縮性，含腐植質(zhì)，工程性質(zhì)差，層厚4.6～7.9m。

（3）壩址區(qū)涉及基巖地層均為第三系火成巖（TV）。區(qū)域上火山共有6個(gè)活動(dòng)期，沉積了厚層的火山碎屑巖。[1]壩址區(qū)沉積有厚層～巨厚層火山角礫巖與熔結(jié)凝灰?guī)r，左岸夾有巨厚層角閃粗面巖透鏡體。按巖性及巖性組合，可將壩址區(qū)的基巖劃分為三個(gè)巖組（T-1～T-3），各巖組巖性及厚度見表1。其中T-2層類為古風(fēng)化殼，為火山噴發(fā)間斷產(chǎn)物，未成巖。分布于左壩肩與壩基下部。

3.2 地質(zhì)構(gòu)造

壩址區(qū)巖體出露較少，巖層無(wú)明顯層理，未發(fā)現(xiàn)有斷層存在。

壩軸線上游約300m處左岸基巖裸露，節(jié)理裂隙主要發(fā)育兩組：①N10°～20°W/NE∠80°～90°，②N40°～50°W /NE（或SW）∠60°～80°，裂隙延伸較短，多微張與閉合，泥質(zhì)充填或無(wú)充填，兩組節(jié)理小角度相交，第①組比較發(fā)育，兩組節(jié)理裂隙與河流斜交。第②組不利于壩基防滲。

壩軸線下游約440m處右岸基巖裸露，節(jié)理裂隙主要發(fā)育三組：①N20°～30°W/NE∠70°～90°，②N20°～40°E/SE∠80°～90°，③N75°～85°E/NW∠60°～85°，裂隙延伸較短，多微張與閉合，泥質(zhì)充填或無(wú)充填，第①組與第③組近于直交，與第②組斜交，第①組比較發(fā)育，與河流斜交，不利于壩基防滲，第②、③組與河流近于直交。

3.3 水文地質(zhì)

壩址區(qū)地下水類型有第四系孔隙水和基巖裂隙水兩種。前者分布于河床，埋深2.5～3.0m。根據(jù)勘察期間設(shè)置的觀測(cè)孔，壩基水位水位高程為1805.0～1806.5m，水位隨季節(jié)性變化幅度不大;壩肩水位高程為1834.3～1835.7m，雨季達(dá)到高程1839.5m。

3.4 壩基巖體滲透性

對(duì)壩基及左右壩肩處鉆孔中進(jìn)行了壓水及注水試驗(yàn)（強(qiáng)風(fēng)化帶及T2軟層），根據(jù)大值平均值評(píng)價(jià)如下表：

其中T2層取原狀樣進(jìn)行室內(nèi)垂直滲透性試驗(yàn)，滲透系數(shù)為4.02×10-5cm/s。分析由于該層組成物質(zhì)為低液限粘（粉）土與級(jí)配不良砂、級(jí)配良好礫等相互混雜，均勻性差，分析其透水性也不均勻，局部由低液限粘（粉）土組成段的透水性較小。

3.5 巖土體物理力學(xué)性質(zhì)

全新統(tǒng)洪沖積（Q4pal）土層的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)如下：土的含水率（ω）平均值為43.1%;干密度（ρd）平均值為0.82g/cm3;天然孔隙比（e）平均值2.428;液限（WL）平均值為62.1%;塑限（Wp）平均值為42.3%;塑性指數(shù)（Ip）平均值為17.42%;液性指數(shù)（IL）為-0.17～0.26，呈堅(jiān)硬～硬塑狀態(tài)，粘粒含量平均值為38.0%;土層自由膨脹率為10%～30%，不具膨脹性。該層標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)（實(shí)擊值）平均值為9.8擊，經(jīng)桿長(zhǎng)修正后擊數(shù)為平均值為9.4擊。

上更新統(tǒng)洪沖積（Q3dpl）高液限粉（粘）土層的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)如下：土的含水率（ω）平均值為45.3%;干密度（ρd）平均為1.00g/cm3;天然孔隙比（e）平均值為1.800;液限（WL）平均值為88.3%;塑限（Wp）平均值為44.7%;塑性指數(shù)（Ip）平均值為437%;液性指數(shù)（IL）為-0.38～0.39，多呈堅(jiān)硬～硬塑狀態(tài)，粘粒含量平均值為48.1%;土層自由膨脹率為8%～31%，不具膨脹性。對(duì)該層土樣進(jìn)行了慢剪試驗(yàn)?zāi)哿平均值為33.7kPa，內(nèi)摩擦角φ平均值為24.0°，三軸剪切試驗(yàn)，不固結(jié)不排水（UU）條件下其凝聚力c平均值為107.3kPa，內(nèi)摩擦角φ平均值為158°;固結(jié)不排水（CU）條件下其凝聚力c平均值為47.8kPa，內(nèi)摩擦角φ平均值為19.1°，有效凝聚力c'平均值為48.2kPa，有效內(nèi)摩擦角φ'平均值為26.4°。該層標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)實(shí)擊值平均值為24.7擊，經(jīng)桿長(zhǎng)修正后擊數(shù)平均值為20.6擊。該土層與混凝土間摩擦系數(shù)地質(zhì)建議值為0.28～0.30。

壩址區(qū)第三系火成巖T-1巖組熔結(jié)凝灰?guī)r：飽和塊體密度平均值為2.11g/cm3，干抗壓強(qiáng)度平均值40.5MPa;飽和抗壓強(qiáng)度平均值為26.6MPa，軟化系數(shù)平均值為0.75，吸水率平均值為11.62%，飽和吸水率平均值為11.65%，飽和泊松比（μ50）平均值為0.21，飽和變形模量為平均值為1.49×104MPa。

壩基T-2巖組組成物質(zhì)較為不均，多由低液限粉（粘）土、級(jí)配不良砂、含少量碎石碎石組成。其中級(jí)配不良砂土的含水率（ω）平均值為32.4%;干密度（ρd）平均值為1.22g/cm3;天然孔隙比（e）平均值為1.246;壓縮系數(shù)（a0.1-0.2）平均值為0.30 MPa-1，壓縮模量（Es0.1-0.2）平均值為8.40 MPa，呈中密～密實(shí)狀態(tài)，不均勻系數(shù)Cu平均值為19.08，曲率系數(shù)Cc平均值為0.91。低液限粘（粉）土層的含水率（ω）平均值為30.2%;干密度（ρd）平均為1.29g/cm3;天然孔隙比（e）平均值為1.219;壓縮系數(shù)（a0.1-0.2）平均值為0.27 MPa-1，壓縮模量（Es0.1-0.2）平均值為8.70 MPa，粘粒含量平均值為14.1%。

壩址區(qū)第三系火成巖T-3（1）巖組熔結(jié)凝灰?guī)r：飽和塊體密度平均值為2.11g/cm3，干抗壓強(qiáng)度平均值為17.92MPa;飽和抗壓強(qiáng)度平均值為13.3MPa，軟化系數(shù)平均值為0.72，吸水率平均值為11.39%，飽和吸水率平均值為12.47%，飽和泊松比（μ50）平均值為 為0.20，飽和變形模量為平均值為1.49×104MPa。混凝土與T-3（1）間抗剪斷強(qiáng)度地質(zhì)參數(shù)建議值f'為0.75～0.80，C'為0.50～0.55，抗剪強(qiáng)度摩擦系數(shù)f地質(zhì)建議值為0.50～0.55。

T-3（2）巖組火山角礫巖：飽和塊體密度平均值為2.24g/cm3，干抗壓強(qiáng)度平均值為39.1MPa;飽和抗壓強(qiáng)度平均值為22.43MPa，軟化系數(shù)平均值為0.58，吸水率平均值為7.0%，飽和吸水率平均值7.62%，飽和泊松比（μ50）平均值為0.20，飽和變形模量平均值為0.95×104MPa。混凝土與T-3（2）間抗剪斷強(qiáng)度地質(zhì)參數(shù)建議值f'為0.75～0.80，C'為0.50～0.55，抗剪強(qiáng)度摩擦系數(shù)f地質(zhì)建議值為0.50～0.55。

T-3（3）巖組角閃粗面巖：飽和塊體密度平均值為2.06g/cm3，干燥抗壓強(qiáng)平均值為76.69MPa，飽和抗壓強(qiáng)度平均值為5801MPa，軟化系數(shù)平均值為0.79，吸水平均值為5.4%，飽和吸水率平均值為5.51%，飽和泊松比（μ50）平均值為0.23，飽和變形模量平均值為2.09×104MPa。混凝土與T-3（3）間抗剪斷強(qiáng)度地質(zhì)參數(shù)建議值f'為0.80～0.85，C'為0.45～0.50，抗剪強(qiáng)度摩擦系數(shù)f地質(zhì)建議值為0.50～0.55。

4 工程地質(zhì)評(píng)價(jià)

大壩可能存在的工程地質(zhì)問題為壩基滲漏、繞壩滲漏、壩肩穩(wěn)定等。

4.1 建基面的確定

4.1.1 壩基建基面

壩基覆蓋層為第四系全新統(tǒng)洪沖積（Q4pal）褐紅、淺紅、褐色高液限粉土，松散～稍密狀態(tài)，具中等壓縮性，含腐植質(zhì)，層厚4.6～7.9m，底部高程1801.0～1805.5m。

Q4pal高液限粉土下伏第三系火成巖（TV），巖性主要為火山角礫巖及熔結(jié)凝灰?guī)r，巖體強(qiáng)風(fēng)化帶厚度1.8～9.3m，強(qiáng)風(fēng)化帶底部高程為1898.7～1800.7m，該層滲透系數(shù)平均值為3.48m/d，大值平均值為7.56m/d，即8.75×10-3cm/s，屬中等透水層。

壩基基巖主要為火山角礫巖及熔結(jié)凝灰?guī)r，巖體RQD值平均值為51%，近于50%，壩基巖體飽和抗壓強(qiáng)度平均值小于30MPa，根據(jù)壩基鉆孔聲波測(cè)試，其聲波縱波波速平均值為2479.3m/s，小于2500m/s，壩基巖體較完整，強(qiáng)度低，抗滑、抗變形性能差，壩基巖體工程地質(zhì)分類屬Ⅳ類。

Q4pal高液限粉土干密度低，平均值僅0.82g/cm3，工程性質(zhì)差，巖體強(qiáng)風(fēng)層滲透性較強(qiáng)，從防滲和穩(wěn)定安全考慮，建議挖除全新統(tǒng)覆蓋層將壩基置于基巖強(qiáng)風(fēng)化層，并在強(qiáng)風(fēng)化層設(shè)置截水槽，或進(jìn)行結(jié)合帷幕灌漿處理。

4.1.2 壩肩建基面

壩肩表層為第四系上更新統(tǒng)高液限粉（粘）土，厚11.0～278m，表層4m內(nèi)結(jié)構(gòu)松散，壩肩表層4m內(nèi)土層水平滲透系數(shù)為515×10-5cm/s～2.60×10-4cm/s，平均值為1.34×10-4cm/s，垂直滲透系數(shù)為9.09×10-5cm/s～2.92×10-4cm/s，平均值為819×10-4cm/s，多具中等滲透性，干密度平均值為0.95g/cm3，表層2m以上土層含較多植物根系，建議挖除表層4m內(nèi)土層再行填筑。

4.2 壩基滲漏

壩基的主要滲漏層為第四系覆蓋層和基巖強(qiáng)風(fēng)化帶。考慮到將清除覆蓋層并對(duì)基巖強(qiáng)風(fēng)化層設(shè)置截水槽、固結(jié)灌漿等防滲措施，故大壩運(yùn)行時(shí)，不存在覆蓋層與強(qiáng)風(fēng)化層的滲漏，因此僅對(duì)基巖強(qiáng)風(fēng)化層下部巖體的滲漏量進(jìn)行估算。

壩基基巖風(fēng)化帶滲漏量可按公式（1）、（2）計(jì)算。

q=K*H*T/（2b+T）公式（1）

Q=q*B公式（2）

式中：q——壩基單寬滲漏量（m3/d·m）;

K——平均滲透系數(shù)取3.82 m/d;

H——壩前、后水頭差取49.0 m;

2b——壩基寬取360 m;

T——滲透層平均厚度取65.0m;

B——滲透層平均寬度取165 m;

Q——滲漏量（m3/d）。

其中將弱風(fēng)化帶中透水率小于5Lu的巖層視為相對(duì)隔水層。所以根據(jù)實(shí)際地層結(jié)構(gòu)及滲漏情況綜合考慮，確定壩基基巖滲漏層厚度取大值為65m，即至T-2（2）層底部。滲透系數(shù)k按壩基基巖強(qiáng)風(fēng)化層以下T-3層滲透系數(shù)的平均值1.06×10-4cm/s、T-2（2）層滲透系數(shù)的平均值5.32×10-3cm/s 以及由鉆孔抽水試驗(yàn)所得滲透系數(shù)值7.84×10-3cm/s三值加以平均后得到的滲透系數(shù)4.42×10-3cm/s即 3.82m/d考慮。

經(jīng)計(jì)算得：壩基基巖初步估算滲漏量為4723m3/d。

建議對(duì)壩基樁號(hào)大壩0+000～大壩0+400段進(jìn)行帷幕灌漿處理。

4.3 繞壩滲漏

正常蓄水位以下，壩址左右兩岸地表均為高液限粘（粉）土層，其中在左壩肩厚11.0～19.4m，在右壩肩厚13.8～18.2m。其水平滲透系數(shù)平均值為6.96×10-4cm/s，垂直滲透系數(shù)平均值為4.65×10-4cm/s，多具中等透水性。透水性強(qiáng)的土層主要位于地表4m內(nèi)，在地表4m以下，其水平滲透系數(shù)平均值為559×10-5cm/s，垂直滲透系數(shù)為平均值為3.63×10-5cm/s，多具弱透水性。土層在壩址兩岸連續(xù)分布，庫(kù)水沒有外滲得渠道和條件。

綜合分析，繞壩滲漏量較小，不需要進(jìn)行專門處理。

4.4 壩肩穩(wěn)定性分析

在正常蓄水位以下，壩址左壩肩基巖體中有T-2（1）巖組存在，該巖組主要由低液限粉土與級(jí)配不良砂、級(jí)配不良礫等組成，工程性質(zhì)較差，該層層厚約20m，層頂面高程位于1800～1820m，層底面高程位于1783～1800m，層頂面低于壩肩表面約40～60m。該層處于死水位以下，很快就會(huì)被淤積物掩埋，該巖組產(chǎn)生大范圍泥化的可能性很小，加之壩肩表層有11.0～194m厚的土層覆蓋，土層屬弱透水性土體，巖體中很少有切穿火山巖的貫通性裂隙，即基本不具備切割條件。故分析沿T-2（1）巖組產(chǎn)生切層滑動(dòng)的可能性很小。

壩址右壩肩覆蓋18.2～27.8m厚的土層，下伏第三系厚層塊狀火山角礫巖、熔結(jié)凝灰?guī)r，巖體無(wú)明顯的層理，節(jié)理裂隙發(fā)育少，裂隙面多呈閉合狀態(tài)，高程1779.0m以上未發(fā)現(xiàn)有軟弱結(jié)構(gòu)面存在，分析水庫(kù)蓄水后右壩肩穩(wěn)定性較好。

4.5 壩基T-2層工程地質(zhì)

根據(jù)鉆孔巖芯分析，T-2層可分為T-2（1）、T-2（2）層，為第三系兩次火山噴發(fā)間歇期間的沉積物。T-2（1）層為河床兩岸山體坡殘積物，T-2（2）層為河床的沖洪積物。

T-2（1）層位于左壩肩地面以下深約45m處，層頂高程1816m左右，層底高程1796m左右，層厚約20m。根據(jù)鉆探資料，巖芯呈灰黃夾淺灰色，其組成物為低液限粉（粘）土、級(jí)配不良砂，含少量碎石。

T-2（2）層位于河谷地面以下深42～48m處，層頂高程1766.5～1774.5m，層底高程約1741～1747m，層厚約22.8～27.3m。根據(jù)多個(gè)鉆孔鉆探資料，巖芯多呈深灰、褐色，夾有少量灰黃色，其組成物為低液限粉（粘）土、級(jí)配不良砂，含少量碎石。該層與T-2（1）層相聯(lián)。

對(duì)已發(fā)現(xiàn)T-2層的鉆孔進(jìn)行了聲波測(cè)試，該層縱波波速范圍值為1550～3125m/s，平均值約為2010m/s，該層較為軟弱。

T-2層在左壩肩與壩基均有發(fā)現(xiàn)。右壩肩在靠近河床的鉆孔中揭露該層，但遠(yuǎn)離河床側(cè)的鉆孔在深度91m中未發(fā)現(xiàn)該層，即在高程1799m以上未發(fā)現(xiàn)有該層存在。

在鉆探T-2層過程中，揭露該層的鉆孔中均未發(fā)現(xiàn)有掉鉆、卡鉆以及埋鉆等現(xiàn)象，也未發(fā)現(xiàn)有鉆孔突然漏漿等異常現(xiàn)象，說明該層層位連續(xù)，與其上下巖層聯(lián)接性好，無(wú)脫空現(xiàn)象，分析該層對(duì)壩基變形影響較小。

T-2層滲透系數(shù)平均值為5.32×10-3cm/s，具中等透水性，由于水庫(kù)蓄水后，庫(kù)區(qū)底部很快將會(huì)產(chǎn)生淤積，并隨時(shí)間發(fā)展淤積層會(huì)越來越厚，分析不會(huì)產(chǎn)生通過T-2層的庫(kù)區(qū)滲漏。在壩址區(qū)覆蓋層開挖后可能會(huì)產(chǎn)生通過此層的壩基滲漏，建議對(duì)該層壩基部分進(jìn)行帷幕灌漿防滲處理。

5 結(jié)語(yǔ)

壩址區(qū)地形、地質(zhì)條件均能滿足相應(yīng)壩高的建壩要求。

壩址主要存在壩基滲漏，壩基抗滑穩(wěn)定性較好，壩肩穩(wěn)定性較好。

建議挖除全新統(tǒng)覆蓋層將壩基置于基巖強(qiáng)風(fēng)化層，并在強(qiáng)風(fēng)化層設(shè)置截水槽或進(jìn)行結(jié)合帷幕灌漿處理。建議壩基進(jìn)行帷幕灌漿防滲。

參考文獻(xiàn)：

[1]D·A·布魯格曼;J·D·戈斯登（張?jiān)?袁培義譯）增加內(nèi)羅畢供水的錫卡壩.國(guó)際水力發(fā)電，1991（3）：38-39.

[2]GB 50487—2008.水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范[S].

作者簡(jiǎn)介：黃星（1968-），男，高級(jí)工程師，主要從事巖土工程勘察工作。