石山口水库除险加固工程地质研究

□卢工义(河南省水利勘测有限公司)

一、工程概况

石山口水库位于淮河流域竹竿河支流小潢河的上游，控制流域面积306km2，总库容3.72亿m3，属大(Ⅱ)型水库。百年一遇设计水位80.60m，相应库容2.05亿m3。兴利水位79.50m，相应库容1.69亿m3。石山口水库1959年1月正式开始施工，1968年10月基本建成。主要建筑物有主坝、副坝、溢洪道、输水洞、南干渠首闸、北干渠首闸及水电站。

现水库主坝坝型为粘土心墙砂壳坝，坝轴线方向为146° 33'，坝顶高程85.62m，最大坝高25.62m，坝顶长295m，坝顶宽7m。主坝心墙土质主要为粉质粘土及重粉质壤土，心墙底部直接座落在坝基中重粉质壤土上。坝基防渗采用截水槽辅以水平铺盖，在心墙下设深2.0m、底宽8～10m、边坡1:1的截水齿墙，墙体座落在灰色软土层，但未切断其下透水层。

二、主坝坝基工程地质条件

（一）地形地貌

主坝坝基地质概况石山口水库主坝位于低山丘陵向倾斜平原的过渡地带，左右坝头山丘海拔高程100～103.3m，由中生界白垩系陈棚组安山质凝灰岩组成，高出河床约40m；河床及漫滩宽浅平坦，河流主道靠近右岸，左岸发育有阶地，地层为第四系粘性土及砂砾石，下伏基岩为安山质凝灰岩。

（二）地层岩性

主坝坝基上部为第四系冲积物，地面高程60～68m，第四系厚度12～18m。在河床及漫滩为全新统（Q4al）砂砾石层。在河流两岸阶地上为上更新统（Q3al）地层，自上而下依次为黄色中粉质壤土、中细砂、砾砂、黑色软土、砂砾石。下伏基岩为安山质凝灰岩。

（三）地质构造

1.断层

主坝坝基区较大的断层有4条。

F6－6：分布在主坝下游，走向336°，倾向北东，倾角46°，属压性断层；F1－1：出露于左岸坝头，斜穿坝基，直通右岸坝头上游。走向10°，倾向南东，倾角60°～80°，属压扭性断层；F2－2：出露于左岸坝头下游，与F1－1斜交，通过坝基直达库内。走向80°，倾向北西，倾角52°，属压扭性断层；F4－4：出露于右岸坝头上游，走向约286°，倾向北东，倾角54°。

2.片理与节理

在安山质岩类中，节理以北东向和北西向两组较为发育，一组垂直主坝轴线，一组平行主坝轴线。节理多数呈闭合状态，少数为张开型，粘土岩屑充填，充填不好。

三、主坝主要工程地质问题及评价

石山口水库主坝坝基存在的主要工程地质问题是坝基灰色软土问题，坝基渗流及承压水问题，坝肩绕渗问题。

（一）坝基灰色软土问题

坝基灰色软土位于上下两层砂砾石之间，土质成分上部以灰色中粉质壤土为主，下部以灰黑色重粉质壤土为主，饱水，软塑～流塑状态，见有植物根系等腐植质，略有腥臭味。土质不均，局部夹有薄层砾砂透镜体。该层在坝基部位广泛分布，厚度约4.0～6.5m。该层标准贯入击数94次，范围值为1～6击，最小不到1击，平均值3.4击，小均值2.4击，其天然含水量接近液限，天然孔隙比接近1.0。天然干密度平均值为1.50g/cm3。在主要力学性指标中，饱和快剪 C=10kPa，φ=10.7°，压缩系数（P=100～300kPa）0.20MPa-1。

从以上指标可以看出，灰色软土从天然干密度分析是很不均匀的，且抗剪强度低，具有中等压缩性。其底部为粗砂层，具平面排水的条件，从勘察试验成果干密度、抗剪强度和压缩系数等指标的分析对比来看，总体强度有增加的趋势，但由于该层灰色软土上下都有承压水存在，且承压水头较高，致使该层虽有坝体荷载作用，但其固结将是缓慢的。

（二）坝基渗流及承压水问题

主坝坝基第四系孔隙水分为潜水和承压水，潜水赋存在河槽表层黄色砾砂透水层中；承压水又分为上下两层，上层承压水位于左岸阶地黄色壤土与灰色软土之间的黄色中砂、灰色砾砂层中，下层承压水位于灰色软土以下与基岩面之间灰色砂砾石层中，故坝基透水层可分为三层，现将各层的渗流稳定问题分述如下：

1.河槽表层黄色砂砾石透水层的渗流稳定问题

该砂砾石层含少量泥质，具中等透水性，厚度1.5～2.6m，建库前该层中含有潜水。建库施工时采用粘土水平铺盖和截水齿墙防渗，铺盖末端齿墙穿过砂层坐落在灰色软土上，下游砂壳直接坐落在该层砂砾石上，故砂壳中的地下水位和该砂砾石层中的水位应该是一致的。从历年的观测孔及库水位关系来看，水位线平缓，与下游尾水位接近，这些情况表明铺盖及截水齿墙具有较好的防渗效果。

2.上层承压水含水层的渗流稳定问题

上层承压水位于黄色壤土与灰色软土之间，顶部高程为61～65m，底部高程为58.5～62.0m，厚0.5～5.0m，在河槽左侧岸坡附近变薄或尖灭。本层上部为黄色细砂，中粗砂及砾砂（含泥），下部为灰白色砾砂，含较多泥质。在桩号0+127以左，层间夹厚约0.3～0.5m软土薄层。注水试验求得其渗透系数为4.6× 10-4～1.6×10-3cm/s，具中等透水性。

以桩号0＋119下71.5孔为例：2002年4月库水位79. 52m，管水位66.30m；2004年4月库水位77.73m，管水位66. 38m，高于坝下游砂层顶面，但承压水头较低（2m左右），且低于坝下游地面高程（坝后处理后现高程70m）,由于坝脚附近已做反虑层和堆石体，未再发生异常现象，说明在现状水位下渗流是稳定的。

3.下层承压水含水层的渗流稳定问题

下层承压水含水层位于灰色软土以下与基岩面之间，层顶高程为52～54.4m，层底高程约49～51m。厚约2～5m，为灰色砂砾（卵）石，局部含泥质及软土透镜体。渗透系数为9.2× 10-3～2.8×10-2cm/s，属中等～较强透水层。该层承压水位较高，承压水位将高出台地约4.0～4.5m，高出河槽约7.0～8.0m，这时坝脚渗透稳定是不利的。另据钻孔注水连通试验，得知下层承压水与灰色软土中的砂砾石透镜体有较强的水力联系，这样其上复土层厚度变小，就更不利于坝脚渗透稳定。

根据坝基地质结构和水文地质条件，该层承压水的渗流稳定问题主要是承压含水层顶板的顶托破坏问题，据观测资料，当库水位达到兴利水位79.50m时，下游坝脚附近河槽段该层承压水位68.93m，阶地段承压水位73.38m，分别高出下游河槽地面8.93m，阶地地面3.38m，存在产生顶托破坏的条件。

参考《建筑地基基础设计规范》（GB50007－2002）关于基坑底抗渗流稳定性验算的有关规定，将承压含水层上覆土重与承压水压力进行比较（见表1），当安全系数≥1.1时渗流稳定。经分析对比，阶地段安全系数满足要求，不存在顶透破坏问题；河槽段，兴利水位79.50m时，安全系数1.08，预测校核水位82.79m时，安全系数1.08，处于极限状态，存在顶托破坏的危险，建议采取排水降压措施或增加上部压重。

表1 下层承压含水层上覆土重与承压水压力比值计算表

4.坝肩绕渗问题

两岸坝头均为安山质凝灰岩，多属强风化到弱风化。经地表岩石及钻孔岩心观察，裂隙较发育，一般呈闭合状，部分充填铁锰质，胶结较好，岩石也较完整。据地质测绘资料，仅左坝肩有F1－1及F2－2两断层，以夹角45～60°从坝上游穿过坝肩通向库外。岩石总体透水性弱，右岸较左岸弱，仅断层影响带局部透水性较强。据8孔22次压注水试验成果统计，透水率＜1Lu者16次，占73%；透水率＞5Lu者2次，占9%；且较大者均位于左岸，其中最大值为16.3Lu，位于E3孔F2－2断层下盘。

根据左岸各测压管水位与同期库水位的比较，管水位随库水位的变化而变化，在库水位74m以上时，管水位均低于库水位，说明坝肩渗漏是存在的，坝基结合面和坝肩均存在渗漏问题，但渗漏量都不大，现状水位下不致对主坝造成危害。

四、结论

由于水库修建于大跃进的特殊时期，先开始施工，而后进行补充地质勘探，所以主坝坝基座落在灰色软土和透水的砂砾石层上，采用水平铺盖与截水墙防渗，截水墙只做到了灰色软土层，坝基中的断层没做处理，主坝坝基工程地质条件复杂，存在坝基灰色软土固结问题、坝基渗流稳定及承压水问题、左坝肩绕渗问题，经过多年观测、分析、试验、研究，对主坝坝基存在的主要工程地质问题做出如下结论：

（一）关于坝基灰色软土问题

历次土工试验成果对比表明，40年来坝基强度有提高趋势，坝基灰色软土稍有固结，干容重略显增大，抗剪强度稍有增高。在80m高程平台以下部分贯入击数1～2击，液性指数部分大于1.0，平均达0.85，整体工程地质条件较差。坝基强度提高缓慢的原因应是坝基存在水头较高的承压水，使其难于排水固结，今后在存在承压水的条件下，坝基强度的提高仍将是缓慢的。

（二）关于坝基渗流稳定及承压水问题

河槽表面砾砂透水层，系潜水，建坝时已作过防渗处理，经历年来测压管水位观测，在库水位为78.50m以下时，防渗效果较好。

上层承压水，在坝基阶地段普遍存在，含水层中部最大厚度5.0m，在河槽左岸附近可能变薄或尖灭。1977年勘探时，下游沿河槽左岸约在高程64m处，曾发生过流土、涌砂现象，后经护坡处理，至今没有发生异常现象。至于在更高库水位时是否产生渗透稳定问题，有待观察。

下层承压水，承压水位较高，预测在校核水位时，其上覆土层重量与承压水压力比值（抗渗透破坏安全系数）河槽段仅1.01，低于规范≥1.1的要求，据此可认为在下游坝脚将存在顶托破坏的危险，存在渗透稳定问题。建议采取排水降压措施或增加上部压重。

（三）关于坝肩绕渗问题

两岸坝头岩石较新鲜完整，未见直接贯通坝肩上下游的断层，裂隙虽较发育，但多已充填，岩石总体透水性弱。虽存在绕渗问题，但渗漏量不大，应在水库运行中注意观测，必要时增设一些观测设施。