肯尼亞Karimenu Ⅱ大壩庫區工程地質評價

胡 福 軍

(太原理工大學,山西 太原 030024)

1 工程概況

KarimenuⅡ大壩樞紐位于Karimenu河流上游，行政區劃歸肯尼亞中部加通都地區克里克鎮，距肯尼亞首都內羅畢北部約75 km，主要向羅畢市居佳、如如子區供水。庫水回水范圍內，壩址以上主河道長約5 km，最大淹沒面積135×104m2。大壩壩型為均質土壩，水庫總庫容2 821萬m3，壩頂長400 m，壩頂寬10 m，壩頂高程1 859.0 m，最大壩高58 m。Karimenu河位于阿伯德爾山脈南部的斜坡，流域面積是105 km2，屬于肯尼亞最長河流Tana河的二級支流。Karimenu河位于肯尼亞的濕潤～半濕潤農業氣候區，流域年平均降水量為1 420 mm，年平均溫度約為18 ℃～14 ℃，月年平均溫度變化幅度為11.6 ℃。

2 庫區工程地質條件

2.1 地形地貌

庫區地貌類型為河流峽谷地貌。Karimenu河谷兩岸地勢稍陡，地形起伏較大，兩岸高程在1 870 m～1 880 m之間，回水范圍內，河谷底高程1 800 m～1 860 m，相對高差約60 m。Karimenu河谷呈底部較為寬敞的“V”型谷，由庫尾到壩址上游600 m處，庫區由3條～4條支溝組成，主河道位于庫區北側，主河道河流總體流向為SE向，由壩址到其上游600 m處，河流呈“S”型。庫區河谷兩岸沖溝發育不多，均呈“V”字型，谷底寬敞，溝坡稍陡。庫區河谷底寬度多在50 m～90 m之間，兩岸高度60 m～70 m，坡度為11°～27°。溝床兩岸堆積階地不甚發育，僅不連續發育Ⅰ級基座階地，階面寬0 m～70 m。

2.2 地層巖性

庫區地層涉及第四系土層和第三系巖層，巖性由老至新為：①第三系火成巖：T-1層厚層的熔結凝灰巖；T-2層低液限粉土、級配不良砂、礫互層；T-3層厚層～巨厚層火山角礫巖與熔結凝灰巖為主，局部分布有巨厚層角閃粗面巖透鏡體；②第四系上更新統坡洪積層：主要為褐紅、棕紅色高液限粘土，下部含有較多鈣質結核及少量礫石，分布于高原表部及溝谷兩岸坡，厚度0 m～30 m；③第四系全新統洪沖積層：主要由高液限粘土、高液限粉土組成，松散，軟塑～流塑狀，分布于Karimenu河谷底部與 Ⅰ 級基座階地，厚0 m～8 m。

2.3 地質構造

庫區地質構造簡單，斷裂構造不發育，庫區構造主要受東非大裂谷控制。庫區巖層層理不明顯。巖體內主要發育2組節理裂隙，均屬構造裂隙，①N40°～60°E/NW(或SE)∠35°～65°；②N30°～50°W/SW(或NE)∠35°～85°。

2.4 水文地質條件

庫區地表徑流主要是以Karimenu河為主的常年性水流，其來源為大氣降水及兩岸補給。地下水以火成巖裂隙水為主，排泄方向以Karimenu河為排泄基準面，向河床及其下游排泄。

由于庫區兩岸松散覆蓋層堆積厚度達10 m～25 m，分布面積較廣，故含有一定量的孔隙型上層滯水。河谷底部的第四系全新統粘性土厚度較薄，水的賦存量也較為有限。孔隙水主要分布于Karimenu河河道和山間谷地，其補給條件除大氣降水外，尚有地表水及其他含水巖系的補給，排泄方向為Karimenu河下游。

3 庫區工程地質評價

3.1 庫區滲漏

從構成庫區的巖性條件來看，庫岸由第四系上更新統坡洪積褐紅、棕紅色高液限粘土構成，土質滲透性微弱，可視為庫岸隔水層，庫區溝谷底部雖有火成巖出露，但其滲透性較弱，在水庫蓄水初期將被淤積物淹埋，難以構成向外的滲漏通道；從庫區的地形、地貌方面來看，庫區兩側有平行或近于平行的溝谷，但受庫區地表厚層高液限粉土層隔水作用，庫水難以向兩側溝谷進行滲漏；從地質構造條件來看，由于庫區構造作用不明顯，未發現大的構造帶，因此也不存在滲漏通道，從而形成庫區較為優越的儲水條件。綜上所述，庫區整體上不存在永久性滲漏。

3.2 庫區浸沒

當水庫蓄水至正常蓄水位時，回水長度約5.25 km，正常蓄水位以下無村莊及重要礦產。正常蓄水位以上、以下有大量的溝邊耕地。

浸沒地下水臨界埋深按照式(1)計算：

HCR=HK+ΔH

(1)

其中，HCR為浸沒地下水臨界埋深，m；HK為土壤毛細水最大上升高度，m；ΔH為安全超高值，m。

據豎井資料，毛細水最大上升高度1.6 m。對安全超高值農業區(農作物根系深度)取1.0 m，居民區(建筑物基礎埋置深度)取1.5 m。則浸沒地下水臨界埋深：農業區為2.6 m，居民區為3.1 m。

水庫兩岸由松散層構成，兩岸農田呈斜坡狀展布，地面高程1 855.0 m～1 857.6 m范圍內農田在水庫蓄水后將會受到浸沒影響。兩岸地面高程在1 855.0 m～1 858.1 m范圍內的村莊，如左岸的村莊部分近庫房屋以及右岸的教堂、小學校在水庫蓄水后也將會受到浸沒影響。

3.3 庫岸穩定

庫區回水范圍內，兩岸坡體多數被松散土質覆蓋，坡體坡度稍陡，一般為20°～25°，植被發育。在水庫蓄水后，兩岸坡土體受水浸潤，坡腳失穩，在庫水變化及浪蝕的作用下，存在坍岸問題。

根據左、右兩岸坡地形地貌，選用具有代表性的幾條工程地質剖面，引用均質庫岸最終坍岸寬度計算公式(2)預測坍岸寬度。由于水庫部分地段兩岸為土層下有基巖凸起的岸坡，且基巖坡角大于水下穩定坡角(約12°)，故可采用式(3)進行坍岸寬度估算預測。

St=N[(A+hp+hB)ctgα+(H-hB)ctgβ-(A+hp)ctgγ]

(2)

St=N[(H-hB)ctgβ+(B+hB)ctgφ]

(3)

其中，St為經修正后的坍岸帶最終寬度，m；N為與土的顆粒大小有關的系數；A為庫水位變化幅度，m，其值為h1與h2的差值；hp為波浪沖刷深度，m；hB為波浪爬高，m；H為正常蓄水位以上岸坡高度，m；α為淺灘沖刷后水下穩定坡角,(°)；β為岸坡水上穩定坡角,(°)；γ為原始岸坡坡角，(°)；h1為設計水庫正常蓄水位，取1 855.0 m；h2為設計低水位(消落水位)，取1 833.0 m；B為坍岸預測起點處基巖埋深，m；φ為基巖面坡角，(°)。

庫區土質岸坡坍岸帶來的影響是坍岸造成的固體物質使水庫淤積而侵占庫容。建議對土質岸坡進行有效防護處理。以上所估算的坍岸寬度為最終坍岸的值，水庫實際使用年代有限，僅數十年，在運行期內庫岸的坍岸寬度一般達不到預測值，并且庫區兩岸植被茂密，根系發達，在一定程度上有助于庫岸穩定，減小坍岸方量。

3.4 水庫淤積

Karimenu水庫庫區上游河谷兩岸均有松散土層覆蓋，雨季時兩岸坡土體受沖刷，雨水攜帶較多泥砂進入河谷，同時岸坡土體可能還會產生少量坍塌，庫區會有一定量的淤積。

3.5 水庫誘發地震

水庫誘發地震是水庫可能出現的工程地質問題之一，它主要是由于水庫的興建，改變了水庫周圍的地質環境所致，一旦產生水庫誘發地震，將有可能影響建筑物的安全。根據水庫的具體條件，對其產生誘發地震的可能性進行分析：

1)水庫區地表主要由第四系上更新統粘土組成，下伏地層是厚度較大的第三系火山碎屑巖，為塊狀軟質巖石，不具備應力集中的物質基礎，庫區無區域性斷層通過，無構造破碎帶，地層的含水或導水能力差，形成庫水通往地質體深部通道的可能性很小，因此，因水庫誘發構造型地震的可能性很小。2)庫區及鄰近地區無大面積的碳酸巖或地下采空區分布，不具備發生非構造型水庫誘發地震的基本條件。3)據統計，誘發地震多發生于壩高大于100 m、庫容大于10億m3的大型水庫。本水庫為中型水庫，最大壩高度為52 m，所產生的靜水壓力較小。4) 庫壩區無溫泉、地熱等異常現象。從以上分析看，本工程水庫蓄水后誘發地震的可能性較小。

4 結論與建議

綜合以上分析可得，研究水庫位于火山巖區，無永久性滲漏問題，水庫誘發地震的可能性較小，庫區存在浸沒問題，水庫有一定量的淤積。庫區局部會存在兩岸土質岸坡坍岸等失穩問題，但范圍較小，不會對大壩安全造成威脅。但由于水利工程與環境條件相互作用的復雜多變性，建議加強地質環境和施工的監測工作，發現問題及時處理，同時采取工程措施消除安全隱患。

1)挖除全新統覆蓋層將壩基置于基巖強風化層，并在強風化層設置截水槽或進行結合帷幕灌漿處理。壩基進行帷幕灌漿防滲，也可在壩前設粘土層輔蓋以減少滲漏量；對上下游圍堰堰基進行防滲處理，將溢洪道基礎置于基巖；2)對大 壩工程庫區布設排滲和疏干工程來有效降低地下水位，對于周邊的農耕區，應結合實際情況調整農作物種類；3)對水庫進行定期的地震觀測，出現微震時及時調查消除誘因，保證水庫安全運行；4)加強河流周邊的水土保持工作，植樹造林，加固庫岸。