山西中部引黄取水枢纽工程压力泵站工程地质

贾宇珍

(山西省水利建筑工程局，山西 太原 030006)

1 取水工程概况

取水工程主要建筑物包括取水口进水塔、无压引水隧洞、引水暗涵、取水泵站、泵站压力管道及出水池等。

2 压力泵站

压力泵站地处天桥电站大坝坝头左侧沟谷右岸，沟底高程828 m～832 m，距离沟口约350 m。采用半地上半地下形式，泵站厂房长90 m，走向 S76°E，宽约35 m。泵站基础开挖底高程803.0 m。该冲沟为黄河支流，泵站处沟底宽60 m～100 m，大致走向N76°W，两岸均为基岩岸坡，沟左侧有保德至神池的省道。

2.1 工程地质条件

该处发育的地层由老至新有:奥陶系中统上马家沟上段(O2s3)厚层灰岩、豹皮状灰岩夹薄层泥灰岩，岩性较硬。厚度40 m～50 m。主要分布于沟底部。奥陶系中统峰峰组下段第①层(O2f1-1)泥灰岩、泥质白云岩，泥灰岩岩性较软，灰岩岩性较硬。厚度14 m～20 m。峰峰组下段第②层(O2f1-2)灰岩，灰岩岩性较硬。厚度20 m～30 m。峰峰组下段第③层(O2f1-3)泥灰岩夹薄层灰岩，泥灰岩岩性较软，灰岩岩性较硬。厚度30 m～50 m。主要分布于沟右岸岸坡中下部。石炭系中统本溪组(C2b)砂岩、铝土岩及山西式铁矿;石炭系上统太原组(C3t)砂砾岩、页岩、泥质灰岩及煤层;第四系上更新统(Qeol3)淡黄色～黄褐色低液限粉土。冲沟沟底地表上覆第四系全新统洪冲积(Qpal4)卵石混合土、含砾级配不良砂等。厚度0 m～27 m，结构松散。砾、卵石主要成分为灰岩、泥灰岩、砂岩等。人工堆积(Qs)碎石以及人工建筑物。

泥质白云岩岩石块体天然密度为2.64 g/cm3～2.65 g/cm3，吸水率为 1.27%～1.94%，烘干单轴抗压强度为 54.7 MPa～72.4 MPa，饱和单轴抗压强度为 42.3 MPa ～59.0 MPa，软化系数为0.77 ～0.82，泊松比 μ50=0.18 ～0.37，饱和变形模量 E50=4.16 ×104MPa～5.95 ×104MPa，饱和凝聚力 C=1.41 MPa～3.44 MPa，内摩擦角 φ =46.7°～48.1°。

灰岩岩石块体天然密度为2.66 g/cm3～2.72 g/cm3，吸水率为0.81%～1.08%，烘干单轴抗压强度为 52.4 MPa ～93.0 MPa，饱和单轴抗压强度为44.6 MPa～83.6 MPa，软化系数为0.85～0.96，泊松比 μ50=0.2 ～0.23，饱和变形模量 E50=3.33 ×104MPa ～10.3 ×104MPa，饱和凝聚力C=4.76 MPa～16.4 MPa，内摩擦角 φ =42.2°～43.4°。

泥灰岩岩石块体天然密度为2.66 g/cm3，吸水率为1.15%，烘干单轴抗压强度为22.8 MPa，饱和单轴抗压强度为22.8 MPa，软化系数为0.91，泊松比 μ50=0.41，饱和变形模量 E50=2.45 ×104MPa。需要指出的是，地层中较软的泥灰岩未取到原状试样。

钻孔泵站基础附近RQD值为0～48，岩体完整性差。压水试验值4.8 ～11.8，具弱 ～中等透水性。纵波波速2 400 m/s～2 800 m/s。

该处位于天桥背斜的南东翼，岩层产状N20°～30°E/SE∠2°～6°。Fa1正断层从场地西侧通过后沿沟向上游延伸，断层产状N50°～80°W/SW∠70°～80°。断层带宽 3 m ～5 m，断距 50 m ～65 m，影响带宽约50 m。泵站处主要发育两组节理裂隙:1)N70°～80°E/NW 或 SE∠75°～85°，裂隙面平直，宽度 1 mm ～3 mm，泥质充填，延伸一般3 m～5 m，裂隙间距为0.5 m～1 m;2)N20°～30°W/NE 或 SW∠65°～75°，裂隙面较粗糙，宽度0.5 mm ～2 mm，有少量泥质充填，裂隙间距为1.2 m～3 m。

泵站地处天桥泉域，地下水类型有松散岩类孔隙水和岩溶水。沟底常年有小型水流流淌。松散岩类孔隙水地下水位埋深0 m～3 m。岩溶水具承压性，且随着深度增加，水头增高。根据沟内钻孔可知，当孔深在高程795 m～808 m以上时地下水位一般低于地表，自高程795 m～808 m左右开始自流。终孔地下水位高于地表。综合分析泵站开挖范围内岩溶地下水位高程833 m～834 m之间。

据收集的黄崖沟口ZK3钻孔抽水试验资料，该孔孔口高程821.5 m，孔深88.4 m，其中覆盖层10.5 m。该孔自19.85 m 开始自流，流量约43 m3/d;孔深至34.0 m时，该孔每天出水量达3 000 m3/d;孔深至 57.6 m时，水量达 10 694 m3/d;孔深至72.7 m时，水量达16 225 m3/d;孔深至 88.4 m 时，水量达24 103 m3/d。静水位 837.4 m，动水位 821.4 m，渗透系数51.6 m/d。

2.2 工程地质评价

泵站开挖底高程803.0 m，泵站东侧基础持力层为奥陶系中统上马家沟组三段灰岩，西侧为奥陶系中统峰峰组下段第①层厚层泥灰岩、泥质白云岩，分析该组剩余厚度较小。灰岩岩性较坚硬。建议清除泵站基底奥陶系中统峰峰组下段第①层泥灰岩，将泵站基础置于奥陶系中统上马家沟组上段灰岩层上。灰岩地基承载力地质建议值1.5 MPa～2.5 MPa。泵站混凝土基础与灰岩接触面抗剪断参数 f′=0.8 ～0.9，C′=0.6 MPa～0.7 MPa，抗剪参数f=0.5～0.6。若基础坐于泥灰岩之上，地基承载力地质建议值为500 kPa～1 000 kPa，建议泵站基底与弱风化泥灰岩接触面抗剪断参数 f′=0.4 ～0.45，C′=0.05 MPa～0.15 MPa，抗剪参数 f=0.3 ～0.32。

沟谷右岸在泵站开挖过程中形成高陡边坡，边坡高度最小50 m左右，最高可达90 m。边坡岩体主要为弱风化状态下奥陶系中统峰峰组下段灰岩、泥灰岩。泥灰岩岩性较软，对边坡稳定有不利影响。建议开挖边坡:泥灰岩:水上1∶0.5 ～1∶0.75，水下1∶0.75 ～1∶1，灰岩:1∶0.3 ～ 1∶0.5。覆盖层卵石混合土:水上1∶0.5 ～1∶0.75，水下1∶1.25 ～1∶1.5，并对边坡进行防护，建议对边坡进行监测。施工过程中要严格控制爆破规模，特别在最终边坡附近，应放小炮，甚至不放炮。

泵站处岩溶水地下水位高程834 m～835 m之间，属承压水，与工程有关的隔水底板高程795 m～805 m之间，泵站开挖已揭穿承压水隔水顶板，会形成突水，需要排水。建议采取超前固结灌浆措施，以减少基坑涌水量。同时沟谷中汛期有一定规模的洪水，采取一定的防护措施。

泵站基坑全断面开挖涌水量按照大口径承压水水井进行估算，见式(1):

其中，Q为涌水量，m3/d;K为渗透系数，m/d;M为承压含水层厚度，取值30 m;Sw为动水位降深，取值32 m;rw为泵站基坑直径，考虑基坑坡度，取值55 m;R为影响半径，m。

利用ZK3号钻孔抽水试验资料，工程开挖至32 m左右时，其渗透系数约48.1 m/d。经估算泵站全断面开挖，基坑涌水量约7.8 万 m3/d。

3 结语

压力泵站，泵站基础持力层为奥陶系中统峰峰组下段第①层厚层泥灰岩、泥质白云岩夹薄层灰岩，局部地段为奥陶系中统上马家沟组上段灰岩夹泥灰岩，沟谷右岸在泵站开挖过程中形成高边坡，边坡高度最小50 m左右，最高可达90 m，边坡内有较多的泥灰岩层，存在边坡稳定问题，建议进行护坡处理并进行监测。泵站基坑开挖中会遇到覆盖层中孔隙水及承压岩溶水，存在施工涌水问题，承压水头较高，建议进行超前固结灌浆，以减少基坑涌水量。泵站位于冲沟右侧，存在洪水冲刷问题，建议进行防护。

经试验及工程经验分析，线路上绝大多数岩石放射性不强，对施工无影响。但也不能完全排除施工时遇到放射性强岩石的可能，需在施工时加强防范，遇到可疑岩石，及时隔离送检。