南沟门水库坝址工程地质条件分析研究

徐宗昌

(陕西省水利电力勘测设计研究院，陕西 西安 710001)

南沟门水库坝址工程地质条件分析研究

徐宗昌

(陕西省水利电力勘测设计研究院，陕西 西安 710001)

南沟门水库位于陕北黄土高塬南部的黄土梁峁区，坝基为二迭系砂岩夹泥岩、第四系湿陷性黄土及砂砾石等。左坝肩主要工程地质问题是基岩强风化带的渗透问题，防渗帷幕深入岩面以下30 m;坝基存在表层堆积的砂壤土、黄土、古土壤的湿陷问题和下部砂砾石层、基岩强风化带的渗透问题，对湿陷性土层进行工程处理或清除，对砂砾石层采用结合槽截渗处理，防渗帷幕垂直厚度应大于25 m;右坝肩存在斜坡表面土层的湿陷性问题和沿三级阶地砂砾石层、基岩强风化带的绕坝渗透问题，建议翻碾处理湿陷性土层，用砼墙对砂砾石层进行截渗处理，防渗帷幕应深入岩体表面以下20 m。

水库坝址;工程地质;工程处理

南沟门水库枢纽工程位于陕西省延安市黄陵县境内，南沟门水库坝址位于葫芦河河口上游约3 km处的寨头河村南沟门附近。工程枢纽主要由大坝、导流洞、引水发电洞、溢洪道及发电站等建筑物组成。大坝为均质土坝，坝高68.0 m，坝顶高程852.0 m，正常蓄水位高程 848.0 m，水库总库容19 391万 m3。是一座以供水与灌溉为主兼顾发电防洪的大(2)型水利枢纽工程。

1 坝址工程地质条件

1.1 地形地貌

坝区河流流向由西向东，河谷平面呈“S”形，左坝肩岩石裸露，岩石顶面高程845～850 m;右坝肩河流阶地发育齐全，地形上稍缓。

漫滩高出河床0～5 m，宽度40～160 m;一级阶地阶面高出河床5 m，宽度70～180 m，基座岩面高程 788～790 m;二级阶地阶面高出河床28 m左右，宽度110～160 m，基座岩面高程792～794 m;三级阶地台面高程820～900 m，宽度150～310 m，基岩面高程807～812 m;四级阶地基座岩面高程845～850 m;黄土塬面高程在950～1 000 m。阶地堆积二元结构明显，上部为黄土和黄土状壤土夹古土壤;下部为砾石、卵石。

1.2 地层岩性

坝基范围内的岩土有二迭系胡家村组河湖相的砂岩、泥岩，第四系各种成因的松散土层，现由新到老分述如下:

(1)第四系(Q)滑坡的粉质壤土，厚度5～10 m。

(2)第四系(Q)风积的黄土、黄土状壤土夹古土壤，厚度10～50 m。

(3)第四系(Q)河流冲积堆积的砂砾石、壤土、砂壤土、粉细砂等，厚度 2.0～10.0 m。

(4)三迭系胡家村组(T3h):砂岩夹泥(页)岩互层，砂岩灰绿色、灰黄色，中细粒结构;泥岩灰黑色，层状结构，夹煤线。出露于左岸边坡及右岸坝肩上游部分地段。

1.3 地质构造

工程区位于鄂尔多斯台向斜南部的子午岭次级向斜以东，区内地质构造简单，岩层产状近于水平，微向西倾斜，倾角2°～5°。未发现断层，常见有 NNW和 NEE两组共轭高角度剪切节理，发育长度3～5 m，裂隙间距1～2 m。

1.4 水文地质条件

坝区地下水按照含水层岩性组成和埋藏条件可分为以下几种类型:

1)孔隙潜水:埋藏于漫滩，一、二级阶地下部堆积的砂砾石层中，水位埋深4.0～7.0 m，相对隔水层为下伏基岩;受大气降水、河水和岸边基岩裂隙水交替补给，向河谷排泄。三、四级阶地及黄土塬底砾石层浅部不含水。

2)基岩裂隙潜水:主要分布于河流两岸基岩风化、卸荷带内，系无压层间水，含水层为砂岩，多由泥(页)岩顶板附近以下降泉水出露于岸边，显示其多层性，泉水出露高程在801～808 m。地下水位受降雨影响明显，含水层富水性相对较好。

3)基岩裂隙承压水:主要分布于河床基岩面以下11.0～23.0 m 内，承压水水头高出孔口 2.10～8.36 m，含水层为砂岩，由于泥岩相对隔水层，承压水具多层性，随含水层埋深的增加，承压水头也随之增大。在钻孔 ZK12勘探过程中，伴随局部承压水有易燃气体喷出，水面有油状飘浮物。承压水顶板埋深由南东向北西逐渐变浅，上覆基岩厚度变薄，最薄处位于坝址中游钻孔 ZK12，承压水层上覆基岩层厚7.45 m，顺河流方向承压水层分布高程变化明显;根据钻孔ZK11观测，承压水的水头高程和流量有逐年降低和减少的趋势。

1.5 物理地质现象

坝址区有滑坡20个，其地貌特征明显，大小各异，规模不等，多为坡体式覆盖层滑坡，滑坡堆积层的厚度一般10.0～15.0 m，最大 60 m。

滑坡体的稳定分析采用两种方法:一是工程地质类比，二是稳定计算分析，稳定计算分析采用推力传递系数法和毕晓普两种方法。滑坡的稳定性计算参数选取，密度采用室内试验成果平均值:自然 ρ=1.90 T/m3，饱和密度 ρsr=1.98 T/m3，滑动面残剪强度(c、φ值)根据室内残剪试验和经验公式计算反演和工程类比综合确定，采用值 φ=11.4°c=15.5 kPa。

自然状态下，坝址区两岸的 H5、H6滑坡基本稳定，南沟内H4、H7滑坡稳定性较差。坝址区右岸下游H14号滑坡局部稳定性差，须进行工程处理。水库蓄水至848.0 m高程降落过程中，H5、H6、H4、H7滑坡可能失稳。H5、H6滑坡规模较小，距坝址很近，滑坡堆积土层可作为上坝土料进行处理。

1.6 岩土工程地质特性

1.6.1 土层的物理力学性质

工程地质单元物理力学指标表明:

1)风积黄土、黄土状壤土、古土壤，干密度 ρd＜1.45 g/cm3时具有湿陷性;ρd≥1.45 g/cm3时属非湿陷性土。

2)Q3黄土相对压缩系数 a1－2＞ 0.5 MPa－1，为高压缩性土，属自重湿陷性土。

3)第三层古土壤以上Q2黄土状壤土相对压缩系数 a1－2=0.30 ～0.41 MPa－1，属中压缩性土，具湿陷性;第三层古土壤以下Q2黄土状壤土和古土壤相对压缩系数 a1－2＜0.10 MPa－1，属低压缩性土，一般不具湿陷性。

4)各土层渗透系数垂直大于水平一个数量级，各层无大的差异，均呈 R×10－3～10－4cm/s，本区各类土透水性都较大。

1.6.2 岩石和岩体的物理力学指标

根据坝址区的勘探试验资料分析，坝址区砂岩，呈厚层状，弱风化砂岩饱和抗压强度平均值 Rb=49.4 MPa，软化系数平均值kr=0.70;微风化砂岩饱和抗压强度平均值 Rb=84.6MPa，软化系数平均值 kd=0.69。泥岩为软岩，强 ～ 弱风化泥岩饱和抗压强度 Rb=23.63～29.8 MPa，弱风化自由膨胀率≤18%，泥岩遇水崩解，失水干裂。

水库枢纽勘探深度内的岩体，按风化程度可划分为强风化、弱风化及微风化，坝基岩体表面强风化带垂直厚度2.0～3.0 m，坝肩斜坡强风化带垂直厚度5～6 m，水平宽度8～10 m，弱风化带的水平宽度21 m左右;岸边卸荷带水平宽度6～8 m。坝基岩体上部透水率 q=10.0～35.0 Lu，中等透水，中等透水岩体厚约10.0 m，下部岩体q＜3 Lu，可视作相对隔水层。根据坝基岩体压水试验分析，坝基岩体表面强 ～弱风化岩体透水率q＞10 Lu中强透带的垂直厚度一般10 m左右，局部(钻孔 ZK6)20 m。

根据GB50218－94《工程岩体分级标准》，强风化岩体的纵波速度 Vp≤2 150 m/s，完整系数Kv=0.08 ～0.23，基本质量指标(BQ)=160～230，基本质量级别Ⅴ级;弱风化砂岩岩体的纵波速度 Vp=2 150～3 225 m/s，完整系数 Kv=0.23～0.51，基本质量指标(BQ)=306～366，岩体级别为Ⅲ ～Ⅳ级;弱风化泥(页)岩和砂泥岩互层岩体的纵波速度 Vp=2 325～3 636 m/s，完整系数 Kv=0.27 ～0.65，基本质量指标(BQ)=259～342，工程岩体级别为Ⅳ级。岩体物理力学指标建议值见表1。

表1 岩体力学指标参数建议值

1.6.3 土层的湿陷性

根据勘探资料分析，坝区一 、二、三级阶地表面堆积黄土状砂壤土、黄土和黄土状壤土具湿陷性。一级阶地表面湿陷性土层厚度5.5～9.0 m;二级阶地表面湿陷性土层厚度21.7～22.7 m;三级阶地表面湿陷性土层的最大厚度24.1m。

一级阶地表面黄土状壤土层厚 7.2～9.0 m，层底高程792.00～800.00 m，场地的湿陷类型属自重湿陷性场地，坝基湿陷等级为Ⅱ级(中等);二级阶地湿陷性黄土层底高程806～821 m，场地湿陷类型属自重湿陷性场地，坝基湿陷等级Ⅳ级(很严重);三级阶地上部(第三层古土壤以上)堆积的黄土、古土壤、黄土状壤土具湿陷性，场地湿陷类型属自重湿陷性场地，地基湿陷等级为Ⅲ～Ⅳ级。

2 坝址主要工程地质问题及处理措施

2.1 左坝肩

左坝肩四级阶地基座岩面高于水库设计蓄水位高程848.00 m，基岩斜坡表面强风化带的垂直厚度5～6 m，水平宽度6～8 m，强风化带岩体透水率 q＞10 Lu，中等透水。弱风化带岩体透水率 q＜10 Lu，岩体表面透水率 q＞3.0 Lu的中～弱透水带的垂直厚度20～25 m。强风化岩体基本质量级别Ⅴ级，弱风化岩体基本质量级别Ⅳ级。建议左坝肩结合槽建基面选择弱风化基岩，坝肩防渗帷幕水平宽度应≥30 m，垂直厚度应深入岩面以下30 m。泥(页)岩易风化破碎，施工时应采取保护措施。

2.2 坝基

坝基横跨河床、河漫滩、一级阶地、二级阶地，长283 m，河床漫滩段坝基长50 m，堆积层分为两层，上部砂壤土层厚3.0 ～8.5 m，土质松软;下部砂砾石层厚 2.0 ～4.5 m，渗透系数k=30～40.0 m/d。一、二级阶地场地湿陷类型属自重湿陷性场地，坝基湿陷等级Ⅱ ～Ⅳ级。阶地下部堆积层砂砾石层强透水，允许水力坡降 I=0.10～0.12，渗透破坏型式以管涌为主。坝基砂岩夹泥(页)岩岩体表面强风化带的垂直厚度1.5～2.0 m。强风化岩体基本质量级别Ⅴ级，承载力特征值fak=450 kPa，变形模量EO=1 000 MPa。弱风化岩体基本质量级别Ⅳ级，承载力特征值 fak=650 kPa，变形模量EO=2.0 GPa。

坝基岩体表面透水率 q≥3.0Lu的中—弱透水带的垂直厚度10～15 m。下部岩体透水率 q＜3.0 Lu，可视为相对隔水层，初步估算坝基渗漏量为5 975 m3/d，占径流量的1.88%。

建议对坝基表层堆积的砂壤土、黄土、古土壤进行工程处理或清除，对砂层、砂砾石层采用结合槽截渗处理，防渗结合槽建基面建议选择弱风化的砂岩夹泥(页)岩;坝基岩体防渗帷幕垂直厚度应大于25 m。

2.3 右坝肩

右坝肩由三级阶地堆积的黄土、黄土状壤土夹古土壤和砂砾石组成，堆积层厚50～70 m，由于南沟的切割，坝肩山梁比较单薄。右坝肩坝线上游四级阶地斜坡表面发育 H5、H6号滑坡体在修建上坝公路及处理导流洞进口边坡过程中已基本削除，残留滑坡体稳定性差，水库蓄水后可能失稳，应结合土料上坝进行削坡处理。

右岸坝肩斜坡表面Q3黄土及古土壤属自重湿陷性土层。坝肩斜坡表面湿陷性土层厚度10.0～19.8 m。下部堆积的砂砾石层厚 1.0～2.0 m，分布高程 805.0 ～807.0 m，坝肩上下游连通，最窄处宽度仅220 m，砂砾石层渗透系数 k=10 m/d，允许水力坡降 I=0.10～0.12。阶地基座表面强风化岩体的透水率 q=10～35 Lu，透水率 q≥3.0 Lu的中—弱透水带的垂直厚约10.0～15.0 m，下部岩体岩体透水率q＜3 Lu，可视为相对隔水层。

根据现有勘察资料分析，右坝肩存在的主要工程地质问题二个:一是坝肩斜坡表面湿陷性土层的处理;二是沿三级阶地砂砾石层和基岩表面强风化带的绕坝渗透。坝肩斜坡场地的湿陷类型属自重湿陷性场地，坝基湿陷等级Ⅲ～Ⅳ级。估算绕坝渗漏量为1 110 m3/d。

建议翻碾处理坝肩斜坡表面的湿陷性土层，用砼墙对砂砾石层进行截渗处理，坝肩防渗帷幕应深入岩体表面以下20 m。

3 结语

1)南沟门水库坝基上部堆积的砂壤土、壤土、黄土，具湿陷性，必须进行工程处理。下部堆积的砂、砂砾石层中—强透水，应采取防渗措施。应重视坝基局部承压水对结合槽开挖和帷幕灌浆的影响。

2)左坝肩岩面高程高于水库设计蓄水位。右坝肩斜坡表面湿陷性土层厚10.0～19.8 m，必须进行工程处理，三级阶地底砾分布高程805～807 m，上、下游连通，建议采用砼墙截渗。

［1］水利水电工程地质手册.水利电力出版社.1985.

［2］濮声荣.陕西水利工程地质实践.陕西科学技术出版社.2002.

［3］刘特洪，邵中勇，栾约生.岩土工程技术与实践.陕西科学技术出版社.2011.

P642

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1004－1184(2012)05－0212－03

2012－04－20

徐宗昌(1965－)，男，陕西岐山人，工程师，主要从事水利水电工程勘察、岩土施工及检测工作。