大沙河庫區工程地質條件及穩定性評價分析

從 楠

(單縣水務局，山東 單縣 274300)

1 大沙河水庫庫區地質概況

1.1 地形地貌

大沙河水庫位于山東省魯西南黃河沖積平原，水庫所在的地區地形平坦，地勢呈西南向東北傾斜趨勢，地面高程在44.3～45.8 m 之間(1985 國家高程基準，下同)，地面坡降0.1‰～0.2‰。地貌單元屬微傾斜低平原區(Ⅵ)-黃河沖積平原亞區(Ⅵ1)。區域河床、崗地呈條帶狀分布，淺碟式洼地星散其間，平緩坡在崗、洼之中形成崗、坡、洼地相間排列。

1.2 地層巖性

工程區位于魯西南黃泛沖積平原，主要有第四系全新統黃泛沖積堆積層巨野組(Qhj)、沼積堆積層黑土湖組(Qhh)及第四系上更新統沖洪積堆積層平原組(Qpp)。

1.3 地質構造及地震

庫區位于華北板塊(Ⅰ)魯西南潛隆起(Ⅱb)菏澤-兗州潛斷隆(Ⅱb1)，區域范圍內構造發育。由于堆積較厚的松散覆蓋層，地質構造呈隱伏構造。近場區區域構造主要有：

(1)單縣斷裂：從單縣高韋莊向東北經單縣，金鄉到嘉祥的紙坊，走向北東，傾向南東，為第四紀不活動斷層。位于場區的北部，垂直距離約6 km。

(2)巨野斷裂：北起聊城南，經巨野縣南入河南省，走向 355°左右，傾向西，為正斷層，斷裂長約 210 km，為第四紀活動斷層。位于場區的西北部，垂直距離約 20 km。

(3)東明-成武斷裂帶：從東明縣東經牡丹區解元集、定陶到成武，長約 100 km，走向南東東，傾向北東，為全新世活動的走滑斷層。位于場區的北部，垂直距離約20 km。

(4)曹縣斷裂帶：北起陽谷，經鄆城、成武西、曹縣，南入河南省，并錯斷近東西向的鄆城斷裂、菏澤斷裂、東明-成武斷裂、單縣斷裂，斷層傾向東-南東，傾角上陡下緩，呈鏟狀。有跡象表明該斷裂可能是一條第四紀中更新世時期活動的斷裂。位于場區的東部，垂直距離約40 km。

(5)金鄉斷裂：西起曹縣莊寨，經定陶、成武、金鄉東至界河，總體走向83°，傾向北，傾角 70°左右，為正斷層，控制長度為180 km，位于場區的南部，垂直距離約40 km。主要活動時間為古生代至燕山期，為第四紀不活動斷層。依據場地 20 m以內等效剪切波速資料，場區地層等效剪切波速值約為170～190 m/s，場地覆蓋層厚度大于50 m，確定場地土類型為中軟土，場地類別為Ⅲ類。

2 庫區水文地質條件分析

庫區環境水包括地表水(河水)和地下水，庫區地下水為第四系孔隙潛水，主要含水層為砂壤土，勘察期間揭示地下水埋深為 0.90～2.70 m，潛水位為 42.23～43.10 m。水位與地形基本一致，呈西南高東北低之勢。據水質分析資料，庫區水化學類型地表水均為重碳酸氯化物硫酸鈉鎂型水，地下水為重碳酸鈉鎂鈣型水。地表水pH 值為7.4，總硬度為233.03 mg/L，總堿度為 199.10 mg/L，礦化度為 642.50 mg/L，無侵蝕性CO2；地下水pH 值為7.0，總硬度為688.01 mg/L，總堿度為678.85 mg/L，礦化度為 1656.41 mg/L，無侵蝕性CO2。據《水利水電工程地質勘察規范》(GB50487-2008)附錄 L 判定，場區地表水對砼無腐蝕性，對鋼結構具弱腐蝕性，對鋼筋混凝土結構中的鋼筋具弱腐蝕性。場區地下水對砼具硫酸鹽型弱腐蝕性，對鋼結構具弱腐蝕性，對鋼筋混凝土結構中的鋼筋具弱腐蝕性。綜合野外抽水、注水試驗及室內滲透試驗等試驗成果，大沙河水庫各土層滲透系數建議值見表1。

表1 壩基土層滲透系數建議值表

3 壩基工程地質條件評價

3.1 地層分布

勘探深度范圍內，揭露的地層主要為第四系松散堆積層，自上而下可分為 14 層(含亞層)：

①層粉砂(Q4al)：褐黃色～淺黃色，很濕，松散～稍密，礦物成分主要為石英、長石，含少量云母碎片，砂質不純凈，局部相變為砂壤土。

②砂壤土(Q4al)：黃褐色，飽和，稍密，土質不均，手捻有砂感，切面無光澤，搖振反應迅速，干強度低，韌性差，分布連續，夾②-1 層黏土。

②-1 層黏土(Q4al)：黃褐色-灰褐色，軟塑，土質較均勻近壤土，裂隙發育，切面較光滑，搖振無反應，干強度高，韌性中等，呈透鏡體分布。

③層黏土(Q4al)：灰褐色，軟塑～可塑，含有機質，有腥臭味，切面光滑，搖振無反應，干強度及韌性中等。局部夾壤土及淤泥質黏土薄層。

③-1 層壤土(Q4al)：灰褐色，軟塑～可塑，土質較均勻，局部含少量有機質，切面36較粗糙，搖振反應一般，干強度中等，韌性中等，呈透鏡體分布。

③-2 層淤泥質黏土(Q4al)：灰褐色，軟塑～-流塑，土質較均勻，含少量有機質，切面較光滑，搖振無反應，干強度中等，韌性中等，呈透鏡體分布。

④層黏土(Q4al)：黃褐色-褐黃色，可塑，土質較均勻，切面光滑，搖振無反應，干強度高，韌性高，下部含少量鐵錳結核及鈣質結核，直徑一般 1.0～3.0 cm，次圓狀。

④-1 砂壤土(Q4al)：黃褐色，飽和，稍密～中密，土質不均，手捻有砂感，切面無光澤，搖振反應迅速，干強度低，韌性差。

⑤-1 砂壤土(Q3alp)：黃褐色，飽和，稍密～中密，土質不均，手捻有砂感，切面無光澤，搖振反應迅速，干強度低，韌性差。

⑤層壤土(Q3alp)：褐黃色，可塑，干強度及韌性中等，局部相變為黏土，含少量鐵錳結核及鈣質結核，下部含姜石 20%左右，粒徑 5～20 mm。

⑥層粉砂(Q3alp)：褐黃色，飽和，稍密～中密，礦物成分主要為石英、長石，含少量云母碎片。

⑦層壤土(Q3alp)：褐黃色，可塑～硬塑，土質不均，稍有光澤，干強度及韌性中等，局部為黏土，含少量鐵錳結核及鈣質結核，土中管狀孔隙發育，橫向連通性好。

⑦-1 砂壤土(Q3alp)：黃褐色，飽和，中密，土質不均，手捻有砂感，切面無光澤，搖振反應中等，干強度低，韌性差。

⑧砂壤土(Q3alp)：黃褐色，飽和，中密，土質不均，手捻有砂感，切面無光澤，搖振反應中等，干強度低，韌性差。

3.2 壩基滲漏

根據鉆探資料及庫區地質調查，庫區分布的地層主要為①層粉砂、②層砂壤土、③-1層壤土、③層砂壤土、④層粘土、⑤層壤土、⑥層粉砂、⑦壤土、⑧層砂壤土。具中等透水性，且各透水層間連通性較強，水力聯系密切，勘察控制地層深度內，沒有穩定、統一、連續的相對隔水層。建議設計部門進行滲漏計算，并采取有效的防滲截滲措施。

3.3 壩后浸沒

大沙河水庫地勢低洼平緩，壩基地層分布以粉砂、砂壤土和裂隙粘土為主，滲透性較強，地下水排泄不暢，勘察期間實測資料顯示，庫外地面高程 44.25～45.22 m，庫區多年地下水位平均高程為 42.50 m。水庫建成蓄水后，地下水位將進一步提高，根據《水利水電工程地質勘察規范》(GB 50487-2008)附錄 D 庫外符合浸沒的初判條件，故庫外為可能浸沒區，可能會產生較大范圍的浸沒及鹽漬化，建議采取截滲、排滲措施，減少和降低對庫區周圍環境的影響。

3.4 滲透變形

依據《水利水電工程地質勘察規范》(GB50487-2008)附錄 G，粘性土的滲透變形為流土。所選土樣②層砂壤土為少粘性土滲透變形類型為流土。①層粉砂為無粘性土Cu=8.53，P=18%，滲透變形類型為管涌。依據《水利水電工程地質勘察規范》(GB50487-2008)附錄 G，根據計算結果結合工程經驗對比，建議①層粉砂允許水力比降可采用 0.18，②層砂壤土允許水力比降可采用0.20。

3.5 地震液化

水庫處于地震基本烈度Ⅶ度區，應對壩基進行振動液化評價。根據《水利水電工程地質勘察規范》(GB 50487-2008)附錄 P 有關規定，對勘探深度范圍內 15m 深度的①層粉砂、②層砂壤土、③-1層壤土、④-1 層砂壤土進行地震液化評價，得出場區①層、②層、④-1 層砂壤土及③-1層壤土在基本地震動峰值加速度為 0.10 g，工程正常運行時均存在液化可能。

3.6 壩基地質綜合評價結果

①層粉砂、②層砂壤土，分布于圍壩表層，結構松散，具中等壓縮性、力學強度較低、易產生滲透破壞，具液化可能，是主要的持力層，工程地質條件差，對壩基穩定不利，應進行工程處理。

③層黏土及夾層，軟塑～可塑，局部流塑，該層具中高壓縮性、力學強度較差，普遍分布，工程地質條件差，不利于抗滑穩定，是壩基的沉降變形主要來源層，建議設計進行沉降驗算。

④層黏土，分布連續，厚度較大，具中等縮性、工程地質條件較好可作為建筑物深基礎持力層。

⑤層壤土分布連續，具中等壓縮性，工程地質條件較好可作為建筑物深基礎持力層。

⑥層粉砂：中密，分布連續，具較低壓縮性、中等透水性、力學強度較好，工程地質條件一般。

⑦層壤土：可塑～硬塑，分布連續，厚度較大,具中等壓縮性、力學強度較好，工程地質條件較好，可作為建筑物深基礎持力層。

4 庫區及圍壩部分穩定性分析

4.1 庫區

庫區位于華北板塊(Ⅰ)魯西南潛隆起(Ⅱb)菏澤-兗州潛斷隆(Ⅱb1)，區域范圍內構造發育。由于堆積較厚的松散覆蓋層，地質構造呈隱伏構造。根據《中國地震動參數區劃圖》(GB 18306-2015)，Ⅱ類場地條下，工程區基本地震動峰值加速度為 0.10 g，相應地震基本烈度為Ⅶ度。依據場地20 m 以內等效剪切波速資料，場區地層等效剪切波速值約為170～190 m/s，場地覆蓋層厚度大于50 m，確定場地土類型為中軟土，場地類別為Ⅲ類。

4.2 水庫圍壩

①層粉砂、②層砂壤土，分布于圍壩表層，結構松散，具中等壓縮性、力學強度較低、易產生滲透破壞，具液化可能，是主要的持力層，工程地質條件差，對壩基穩定不利，應進行工程處理。

③層黏土及夾層，軟塑～可塑，局部流塑，該層具中高壓縮性、力學強度較差，普遍分布，工程地質條件差，不利于抗滑穩定，是壩基的沉降變形主要來源層，建議設計進行沉降驗算。

④層黏土，分布連續，厚度較大，具中等縮性、工程地質條件較好可作為建筑物深基礎持力層。

⑤層壤土分布連續，具中等壓縮性，工程地質條件較好可作為建筑物深基礎持力層。

⑥層粉砂：中密，分布連續，具較低壓縮性、中等透水性、力學強度較好，工程地質條件一般。

⑦層壤土：可塑～硬塑，分布連續，厚度較大,具中等壓縮性、力學強度較好，工程地質條件較好，可作為建筑物深基礎持力層。

5 結語

(1)通過對大沙河水庫壩基工程地質進行分析，在此基礎上進行穩定性評價，可以看出，壩基①層粉砂、②層砂壤土存在滲透變形問題，①層粉砂滲透變形形式表現為管涌，允許坡降建議值為 0.18；②層砂壤土滲透變形形式表現為流土，允許坡降建議值為 0.20。壩基下①層粉砂、②層砂壤土及④-1砂壤土在地震基本烈度Ⅶ度區條件下，可能發生地震液化，施工中應采取抗震加固措施。

(2)后期水庫建成蓄水后，壩后將會產生浸沒危害，應加強壩后浸沒、鹽漬化等次生災害技術處理。采取截滲措施，對圍壩土料采用粉砂、砂壤土作為均質壩土料，采取工程處理措施并進行現場碾壓試驗，保證勘察筑壩土料儲量滿足規范要求，通過多種施工措施，以解決不利地質條件產生的影響，保證水庫后期運行安全。