某淤地壩工程中新建溢洪道工程地質(zhì)評價分析

王 建

（婺源縣水利水電勘察設(shè)計室,江西 婺源 333200）

1 工程概況

某淤地壩工程設(shè)計控制面積3.21 km2,總庫容為53 萬m3,其中淤積庫容為24.69 萬m3,防洪庫容為28.31 萬m3,可淤地面積為4.67 hm2,設(shè)計年平均土壤侵蝕模數(shù)為 6600 t/km2。設(shè)計壩高26 m,壩頂寬4 m,壩頂長105 m。壩體為均質(zhì)土壩。大壩依據(jù)“高壩滯洪管道排清”的原則設(shè)計,按土壩、放水建筑物組成,上游壩坡比1∶3,下游壩坡比1∶2.75,壩體下游高16 m處設(shè)一道1.5 m寬的馬道,壩腳設(shè)高2 m反濾體,放水建筑物采用涵臥管形式,進口臥管采用44 級臺階狀,總高為 13.2 m,放水涵管采用Φ600 mm的鋼筋混凝土預(yù)制管,總長96 m。目前該壩已運行至今18 年,其已淤積庫容為25.25 萬m3,攔沙量為25.25 萬m3,剩余庫容為27.75 萬m3,已淤地面積為3.90 hm2。根據(jù)《水土保持工程設(shè)計規(guī)范》相關(guān)規(guī)定,無溢洪道的淤地壩工程在淤積庫容淤滿至50%時,增設(shè)溢洪道。本文從新建溢洪道工程地質(zhì)出發(fā),進行溢洪道工程地質(zhì)評價,評價結(jié)果將用于本次溢洪道的設(shè)計施工,為設(shè)計施工提供可靠的工程地質(zhì)資料。

2 基本地質(zhì)條件

2.1 地形地貌

淤地壩集水面積3.21 km2,溝道總長度3.2 km,壩區(qū)海拔高程 2086.4 m~2099 m,山體自然坡角 45°~75°,呈寬 “V”字型展布,庫區(qū)岸坡較陡,局部為陡崖,壩址以上主溝道長約3.2 km,平均溝深約40 m,溝底寬約20 m~80 m,壩面人工種植的植被發(fā)育、兩岸及上游坡體表面發(fā)育有天然植被。

2.2 地層巖性

淤積壩新建溢洪道表層大部分被第四系堆積物覆蓋,根據(jù)野外探井揭露地層的沉積特征,結(jié)合地基土的工程特性,場地內(nèi)土層如下：

①風(fēng)積黃土（Q3eol）,灰色,土黃色,干～稍濕,顆粒以粉粒為主,部分含鈣質(zhì)結(jié)合,發(fā)育垂直裂隙,具大孔隙,結(jié)構(gòu)松散～稍密,上部土層具有濕陷性,分布連續(xù),分布厚度5 m~10 m,分布ft前丘陵上部地帶。

②新近系西寧組泥巖（N1x）,巖性為桔紅色砂巖、泥巖與石膏互層：主要分布于ft體下部,下伏于風(fēng)積黃土層之下,沖溝下部、底部基巖裸露。厚層狀,大多為泥質(zhì)膠結(jié),成巖弱,屬軟巖,產(chǎn)狀近于水平。表層多發(fā)育全風(fēng)化層,呈碎屑或粉末狀,一般厚度1 m~2 m,強風(fēng)化巖體內(nèi)風(fēng)化裂隙發(fā)育,巖體較破碎,呈碎裂結(jié)構(gòu),一般厚度3 m~5 m。

圖1 壩址地形地貌圖

2.3 溢洪道分段工程地質(zhì)條件

淤積壩新建溢洪道布置在壩體右岸,根據(jù)右岸走勢向下布置,采用開敞式正槽溢洪道,不設(shè)閘門,溢洪道總長214.0 m,總落差25.2 m,溢洪道由進口段、溢流堰、陡槽段和消能段,出水渠組成。

（1）進口段（樁號K0+000.0~K0+034.5）

溢洪道樁號K0+000~K0+034.5為溢洪道進口段,底板高程為2091.00 m,溢洪道進口段地形坡度為10°~20°,高出溝底約25 m,沿線ft體自然坡度一般為20°~ 30°,地層巖性為第四系全新統(tǒng)濕陷性黃土,該處濕陷性黃土層最厚,厚度約13 m左右,淺黃色,結(jié)構(gòu)松散,含植物根系,分布層厚為 2.5 m~3.6 m。勘查期間未見地下水分布,沿線物理地質(zhì)現(xiàn)象不發(fā)育,該段地基土為風(fēng)積黃土,地基穩(wěn)定性較差,建議用三七灰土換填處理,處理厚度 0.5 m~1.0 m,并分層碾壓夯實。

經(jīng)對黃土取樣試驗,風(fēng)積黃土濕陷厚度最深為 7.5 m,濕陷等級為III 級自重濕陷性,為中等嚴重。

（2）泄槽段（樁號 K0+034.5~K0+197.5）

溢洪道樁號 K0+034.5~K0+197.5 段為泄槽段,地形較為相對平緩,地形坡度 15°左右,地層巖性為第四系全新統(tǒng)濕陷性黃土,厚度約13 m 左右。勘查期間未見地下水分布,沿線物理地質(zhì)現(xiàn)象不發(fā)育,該段地基土為風(fēng)積黃土,地基穩(wěn)定性較差,建議用三七灰土換填處理,處理厚度0.5 m~1.0 m左右,并分層碾壓夯實。

（3）消能段（樁號 K0+197.5~K0+214.0）

溢洪道泄槽后設(shè)置消力池,消力池后設(shè)出水渠,位于溝底,地形平坦,地形坡度 8°左右,覆蓋層巖性為第四系全系統(tǒng)濕陷性黃土,底板深度為 4.4 m,基巖巖性為下更新統(tǒng)泥巖,強風(fēng)化厚度 0.6 m。消能段、出水渠地下水位埋深約1.5 m~3.0 m,基礎(chǔ)開挖受地下水的影響,建議施工時做好相應(yīng)的排水措施。沿線物理地質(zhì)現(xiàn)象不發(fā)育,該段地基土為風(fēng)積黃土,地基穩(wěn)定性較差,建議用三七灰土換填處理,處理厚度0.5 m~1.0 m,并分層碾壓夯實。

3 新建溢洪道工程地質(zhì)問題分析及評價

3.1 黃土狀土的濕陷性評價

根據(jù)本次勘察揭露地層情況和取探井土樣進行室內(nèi)試驗結(jié)果,依據(jù)《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》（GB 50025-2004）相關(guān)規(guī)范進行自重濕陷量的計算值與濕陷量的計算值,自重濕陷量的計算值zs由于設(shè)計暫未提供設(shè)計標高,從自然地面算起,濕陷量的計算值s從自然面下1.50 m 算起。

擬建場地①層濕陷性黃土具有濕陷性,濕陷系數(shù)為 0.014~0.108,濕陷程度屬強烈,濕陷量的計算值為 682.5 mm；自重濕陷系數(shù)為 0~0.055,自重濕陷量的計算值為 337.5 mm,濕陷底深為7.5 m,場地濕陷等級為 III 級（嚴重）自重濕陷性。擬建工程區(qū)的建筑物,地基土為黃土,建議采用整片土（或灰土）墊層。依此規(guī)范擬建建筑物地基應(yīng)采取以下處理措施：（1）地基土為自重濕陷性黃土場地,灰土墊層的厚度應(yīng)大于0.30 m,土墊層的厚度應(yīng)大于 0.50 m,擬建溢洪道換填厚度為 0.5 m~1.0 m；（2）土（或灰土）墊層的壓實系數(shù)大于 0.97。

3.2 場地土對建筑材料的腐蝕性評價

（1）土的含鹽量分析

根據(jù) Tk2-1和 Tk2-2資料表明,黃土含鹽總量為0.27%~0.32%,按含鹽量分類為中鹽漬土；c（Cl-）/2c（SO42-）為0.475~0.493,按含鹽化學(xué)成分分為亞硫酸鹽漬土。土層含鹽量分析見表 1。

表1 工程壩址分期設(shè)計洪水計算成果表 單位：m3/s

（2）土的鹽脹性評價

根據(jù)表1 可知,黃土1.0 m已淺,根據(jù)易溶鹽實驗數(shù)據(jù)分析,以上兩組實驗中所含 Na2SO4的含量＜1%,因此判定黃土不具有鹽脹性,工程建設(shè)和使用過程中可不考慮此影響。

（3）土的腐蝕性評價

根據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》（GB 50021-2009）中附錄 G.0.1場地環(huán)境類型分類表中相關(guān)規(guī)定壩區(qū)環(huán)境類別按Ⅲ類判定。黃土中取樣進行易溶鹽分析,分析表明： pH值為 8.27~8.35,土中 SO42-含量為1991 mg/kg~2069 mg/kg,土對混凝土結(jié)構(gòu)具弱腐蝕性,Cl-含量 1120 mg/kg~1278 mg/kg,對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋具弱腐蝕性,綜合判定黃土層對混凝土結(jié)構(gòu)具弱腐蝕性[1]。土對建筑材料腐蝕的防護應(yīng)符合《工業(yè)建筑防腐蝕設(shè)計規(guī)范》（GB 50046-2008）的規(guī)定。

3.3 新建溢洪道的滲漏問題

新建工程主要為溢洪道,其滲漏量大小取決于溝道地基巖土層的滲透性的強弱,本次工程區(qū)所經(jīng)均為黃土狀土,透水性弱,地基滲漏問題不嚴重。但工程區(qū)的滲漏除了地基土本身的滲漏問題外,還包括因地基土滲漏引發(fā)的其它工程地質(zhì)問題,如因滲漏惡化邊坡地質(zhì)條件引起的邊坡失穩(wěn)定問題、因滲漏使地基飽和引起的黃土的濕陷、地基土含水量變化引起的地基凍脹問題等。因此建議本次新建溢洪道應(yīng)進行防滲處理[2]。

3.4 承載力特征值

根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》,結(jié)合室內(nèi)試驗和地區(qū)經(jīng)驗確定地基承載力特征值fak統(tǒng)計表見表2。

表2 地基土承載力特征值統(tǒng)計表

黃土狀土（Q3eol）承載力特征值fak為 120 kPa,由于該黃土狀土具有濕陷性, 建議做相應(yīng)的處理后可做為地基持力層。強風(fēng)化泥巖（N1X）承載力特征值fak為300 kPa～350 kPa,該層可滿足工程的地基持力層要求,可作為工程的地基基礎(chǔ)。

3.5 凍脹性評價

工程區(qū)海拔2400 m左右,參考附近已建工程的凍深資料,工程場地標準凍深為 1.1 m。根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》附錄 G表 G.0.1 分析判定,溢洪道進口段、堰口段和陡坡端凍深范圍內(nèi)地層為黃土,根據(jù)土工試驗,含水量為 9.7%~11.3%,小于 19%,地下水位距凍結(jié)面深度大于1.5 m。根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》附錄 G,凍脹類別為不凍脹,凍脹等級為Ⅰ級,凍脹系數(shù)η＜1.0。消力池、出水渠、放水明渠地基中含水量較高,為凍脹土,建議采取防凍脹處理。

3.6 基坑評價及支護參數(shù)

淤積壩擬建溢洪道基礎(chǔ)持力層為①濕陷性黃土狀土,其最大厚度在溢洪道堰口段 15 m左右,基坑開挖深度在5 m之內(nèi),依據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》,經(jīng)評價判定基坑等級為三級,重要性系數(shù)為 0.90,建議采用坡率法或放臺放坡開挖,土質(zhì)基坑側(cè)壁放坡坡度允許值濕陷性黃土狀土1∶0.75~1∶1.00。

3.7 溝道洪水的沖刷作用

廟兒溝骨干淤積壩溝谷底部以第四系松散風(fēng)積黃土狀土和強風(fēng)化泥巖為主, 部分為礫質(zhì)土,上部 1 m~2.5 m 較松散,抗沖刷能力較差,地基易受洪水的沖刷破壞。擬建溢洪道在跨溝段易受洪水的沖刷破壞,需要進行加固處理并將跨溝管道基礎(chǔ)應(yīng)埋置在最大沖刷深度以下。經(jīng)調(diào)查,淤積壩溝道最大沖刷深度為 2.5 m。

3.8 溢洪道穩(wěn)定性與適宜性評價

淤積壩溢洪道位于右岸山體,其坡頂與溝底相對高差較大,約 20 m,場地地形起伏較大,場地內(nèi)不良地質(zhì)作用主要為小型沖溝。

地內(nèi)土層主要為濕陷性黃土狀土（濕陷性）,分布較均勻,地層結(jié)構(gòu)相對簡單, 場地適宜性良好。但是在后期施工過程中應(yīng)加強防范,防止發(fā)生意外。

綜上,場地地形起伏較大,穩(wěn)定性一般,適宜性較適宜,在施工過程中,應(yīng)進行加固處理,防止后期對溢洪道的破壞。

根據(jù)擬建的建（構(gòu)）筑物特征、性質(zhì),擬建工程的功能特性,結(jié)構(gòu)特點,結(jié)合場地地層情況,設(shè)計方應(yīng)從經(jīng)濟、安全、工期等方面綜合考慮,確定基礎(chǔ)方案, 建議采用三七灰土墊層對黃土狀土（濕陷性）進行地基處理。

4 結(jié)論及建議

通過對新建溢洪道工程區(qū)地形地貌、地層巖性以及溢洪道分段地質(zhì)條件的分析,并進行溢洪道工程地質(zhì)問題分析及評價,得到以下結(jié)論和建議：

（1）淤積壩溢洪道基礎(chǔ)位于風(fēng)積黃土層上,地基穩(wěn)定性較差,建議用三七灰土換填,建議換填厚度 0.5 m~1.0 m；

（2）主要工程地質(zhì)問題為邊坡開挖穩(wěn)定性,地基穩(wěn)定性問題；

（3）溢洪道地下水位埋深較大,基礎(chǔ)開挖基本不受地下水影響；

（4）溢洪道沿線地基土凍脹等級為Ⅰ級,凍脹類別屬不凍脹土；消力池、出水渠、放水明渠地基中含水量較高,為凍脹土,建議采取防凍脹處理；

（5）黃土層對混凝土結(jié)構(gòu)具弱腐蝕性,建議對擬建場地進行相應(yīng)的防腐處理； 地表水對混凝土結(jié)構(gòu)具強腐蝕性,對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋中等腐蝕性,對鋼結(jié)構(gòu)有中等腐蝕性,新建溢洪道應(yīng)進行防腐處理。