张峰水库一干末端蓄水池开挖土料评价

高永亮

（山西省水利建筑工程局，山西 太原 030006）

1 工程概况

张峰水库位于晋城市沁水县张峰村沁河干流上，距晋城市城区90 km。总库容3.94亿m3，是沁河干流上一座以城市生活和工业用水、农村人畜饮水为主，兼顾防洪、发电等综合利用的大型水利枢纽工程。

水库输水工程包括总干、一干和二干，主要建筑物有倒虹吸、渡槽、隧洞、明渠、输水管道、调节水池和扬水站等。一干线路始于总干分水口，至阳城县芹池镇结束，线路全长18.86 km，主要建筑物有隧洞、明渠、倒虹吸、渡槽、蓄水池。线路末端蓄水池设计为半挖半填式，池底高程712.06m，池顶高程722.06m，长200m，宽150m，正常蓄水位721.0m，容积20万m3。

2 工程地质条件

蓄水池位于阳城县芹池镇刘东村东北，芦苇河右岸。地貌上属沁河流域侵蚀中低山区之山间黄土台地。芦苇河右岸支流黄土冲沟发育，均为干沟，仅雨季有洪水。大旦沟及西沟分布于蓄水池东西两侧，蓄水池处于梯田状土梁上，北高南低，现多为耕地，地面高程约705.00～728.00m。涉及地层主要有第四系上更新统洪积（Q3pl）褐黄色低液限黏土、低液限粉土，松散，稍湿，表层有植物根系，局部含碎石；分布于表层，厚0～3.2m。其下为第四系中更新统洪积（Q2pl）浅红色低液限黏土，较密实，稍湿，局部含钙质结核层，在蓄水池附近广泛分布，厚度大于20m。

工程区地下水类型为碎屑岩类裂隙水，主要接受北部山体侧向补给及大气降水入渗补给，总体由北向南径流，地下水位埋深大于50m，对工程无直接影响。

3 开挖土料质量及储量评价

该蓄水池采用挖填结合方案，筑坝土料拟就近采用水池开挖部分。开挖总量12.78万m3，其中开挖土料有用层储量10.50万m3，填筑用量12.68万m3。

3.1 料场概况

土料场地面高程712.00～728.00m，岩性主要为Q3pl低液限黏土，厚0～3.2m，为无用层，其下为 Q2pl低液限黏土，厚度大于20m，为有用层。土料场勘探深度内未见地下水位。土料场紧临大坝，运输条件较好。

3.2 土的物理力学性质指标

本阶段在料场范围内取原状及扰动土样进行了室内物理力学性质试验。Q2pl低液限黏土层原状土样物理力学指标为：天然含水率15.6%～26.7%，平均值20.5%；天然密度 1.63～2.04 g/cm3，平均值 1.88 g/cm3；干密度 1.34～1.76 g/cm3，平均值 1.57 g/cm3；垂直渗透系数 5.90×10-6～6.21×10-4cm/s，平均值 1.45×10-4cm/s，水平渗透系数 3.30×10-6～7.06×10-4cm/s，平均值 1.71×10-4cm/s；天然状态压缩系数 0.04～0.34 MPa-1，平均值0.13 MPa-1，具低—中等压缩性；饱和状态压缩系数0.07～0.38 MPa-1，平均值 0.16 MPa-1，具低—中等压缩性；抗剪强度 12.7～35.2 kPa，平均值 23.0 kPa，内摩擦角 20°～22.9°，平均值 21.7°。自重湿陷系数 0.001～0.019，湿陷系数0.00～0.019，仅局部土层具湿陷性。击实后土的物理力学指标为：最优含水量18.5%～21.7%，平均值 20.3%；最大干密度 1.66～1.69 g/cm3，平均值 1.68 g/cm3；垂直渗透系数 3.1×10-7～9.8×10-7cm/s，平均值6.8×10-7cm/s；非饱和状态压缩系数0.05～0.07 MPa-1，平均值 0.06 MPa-1，具低压缩性；饱和状态压缩系数 0.08～0.17 MPa-1，平均值 0.11 MPa-1，具低—中等压缩性；抗剪强度12.7～35.2 kPa，平均值23.0 kPa，内摩擦角 20°～22.9°，平均值 21.7°。

3.2.1 颗粒级配

利用有用层所有土样的颗粒分析试验成果，统计出各粒组的含量的平均值，并绘制颗粒级配曲线图，见图1。

图1 颗分曲线图

由图1可见：Q2pl土的有效粒径d10=0.002 mm，限制粒径d60=0.020 mm，中间粒径d30=0.009 mm，不均匀系数Cu=10.000，曲率系数Cc=2.03。

3.2.2 土的压缩性

由原状土样物理力学指标，天然状态下料场Q2pl土层压缩系数范围值为0.04～0.34 MPa-1，平均值为0.12 MPa-1，饱和状态下料场Q2pl土层压缩系数范围值为 0.07～0.38 MPa-1，平均值为 0.16 MPa-1，属低—中等压缩性土。

采用轻型击实，按0.97的压实度配样后，压缩系数在天然状态下范围值为0.05～0.07 MPa-1，平均值为0.06 MPa-1，具低压缩性。饱和状态下范围值为0.08～0.17 MPa-1，平均值为0.11 MPa-1，饱和状态下土层具低—中等压缩性。

3.2.3 击实试验

由击实试验结果可知，Q2pl低液限黏土层最大干密度为 1.66～1.69 g/cm3，平均值为 1.68 g/cm3；最优含水率为18.5%～21.7%，平均值为20.3%。

3.2.4 渗透性

按最大干密度的97%配样后进行渗透试验，由试验结果可知，Q2土层垂直渗透系数在 3.1×10-7～9.8×10-7cm/s之间，平均值6.8×10-7cm/s，具极微透水性。

3.2.5 抗剪强度

在进行稳定计算时，建议选用c抗剪强度和土的内摩擦力的小值平均值，需要指出的是，上述表中的强度值是在土层按试验最大干密度的97%（即压实度为0.97）作为干密度配样后试验得出的，若施工时控制压实度较试验压实度小，或压实度计算时最大干密度未采用大值平均值时，则稳定计算参数值应适当减小。

3.3 质量评价

开挖范围内Q2pl低液限黏土的质量评价见表1。

表1 开挖土料指标与均质土坝用料质量要求对比表

由表1可知：天然含水率范围值16.3%～20.2%，平均值18.3%，最优含水率范围值18.5%～21.7%，平均值20.3%，最优含水率与天然含水率平均值接近；最大干密度范围值1.66～1.69 g/cm3，平均值1.68 g/cm3，天然干密度范围值1.61～1.64 g/cm3，平均值1.63 g/cm3，最大干密度平均值略大于天然干密度平均值，其余各项指标均满足均质坝土料质量指标。

3.4 储量计算

该蓄水池采用挖填结合方案，筑坝土料拟就近采用水池开挖部分。地面高程712.00～728.00m，地表地层岩性主要为Q3pl低液限黏土，厚度0～3.0m，为无用层，其下为Q2pl低液限黏土，厚度大于20m，为有用层。总开挖量12.78万m3，其中无用层体积为2.28万m3，开挖土料有用层储量为10.50万m3，填筑用量为12.68万m3，因蓄水池四周均为梯田状土梁，有用层Q2pl低液限黏土储量丰富，必要时可扩大开采范围，与已开挖土料结合能够满足设计要求。

4 结论及建议

本次蓄水池开挖土料主要为第四系中更新统洪积低液限黏土，其天然含水率略低于土料的最优含水率，其余各项指标均满足均质土坝土料质量要求，施工时应适量加水。经计算，储量基本满足设计要求，必要时可扩大开采范围。