偏关县马家山水库工程地质勘察

石浩杰

（忻州水利建设投资有限公司，山西 忻州 034000）

1 工程概况

偏关县马家山水库位于关河的右岸，老营镇方城村北、原教儿墕沟出口段，后改道岩头寺村南出口。该工程上下游拟建均质土坝，主坝设计最大坝高15.20m，坝顶长158.0m，副坝设计坝高15.2m，坝顶长255.0m，设计库底高程1230.0m，水库总库容172万m3，死库容为4万m3。主要建筑物由主坝、副坝、溢洪道、进水建筑物、出水建筑物、输水管线和泵站等组成。

工程区地貌系吕梁山西侧，山、陕、蒙黄土高原北部，东部为吕梁山系北段，山势走向近于南北；吕梁山以西以中低山和低山丘陵地形为主，沟谷纵横，地形破碎。地势东高西低，地面高程800～1600m。支流与关河斜交，形成树枝状山区河谷地形地貌。由于内外地质应力作用的差异，形成了不同的地貌景观，按其成因和形态类型工程区可分为三大类：中低山区、黄土丘陵、山间河谷。

2 库区工程地质条件

2.1 地形地貌

库区位在关河的右岸教儿墕沟出口段，库底地形平坦，海拔高程1230.08～1231.43m，高差1.35m，上游高下游低，沉积物为淤泥质粉土及粉质粘土，淤积厚度10.7～18.70m。左岸为关河的二级阶，沉积物主要为第四系上更新统冲洪积物，岩性上部为粉土，下伏卵砾石，粉土最大厚度为44.40m，阶面微向河床及下游倾斜。右岸为黄土丘陵，整体地形倾向关河，北高南低。在流水地质作用下黄土丘陵被冲沟切割成树枝状，沟谷纵横地形破碎，切割深度5～19m。主要沉积物为第四系上更新统黄土及黄土状土，下部为中更新统浅棕红色粉质粘土、奥陶系下统白云岩夹黄绿色页岩。

2.2 地层岩性

库区裸露和揭露的主要地层有第四系中更新统、上更新统、全新统。中更新统冲积物：库区未见出露。揭露岩性为浅棕红色粉质粘土，含有钙质结核，厚度1.70～3.20m，未揭穿。上更新统风积物：主要分布于库区的右岸，岩性为风成黄土，灰黄色，结构松散，垂直节理发育，大孔隙，夹数层粉质粘土古土壤层，钻孔揭露最大厚度50.60m，未揭穿。上更新统冲洪积物：分布于库区左岸及右岸上游段，为关河二级阶地沉积物，岩性为粉土，偶含砂砾，揭露最大厚度为44.40m，下伏为卵砾石，成分多为灰岩含有变质岩，磨圆度比较好。全新统冲洪积物:堆积于沟谷底，岩性为砾卵石，具棱角状，分选不好，泥质充填，最大厚度6.0m，顶部为粉土，厚1.10～1.30m。该层上覆为近期引洪淤积物，岩性以粉土为主，夹有多层粉质粘土，厚度9.0～18.70m。

2.3 构造与地震

本区位于黄河左岸，吕梁山西坡经向挠褶带北端、祁吕贺兰山字型构造东翼内侧，往西过渡为伊陕盾地，东南邻静乐内陆断陷，北东部邻云岗——平鲁新华夏构造盆地。经本次工程地质勘察，库区未发现大的不利构造断裂通过。

据史料记载偏关县历史上未发生过大的破坏性地震，只有周边地震影响到本区。根据《中国地震动参数区划图》（GB18306-2015），本区基本地震动峰值加速度为0.1g，基本地震动反应普特征周期为0.45s，相当于地震基本烈度Ⅶ度。

2.4 物理地质现象

经本次工程地质勘察，库区物理地质现象主要为塌滑，其主要发育在河谷及冲沟两岸陡壁处。塌滑现象多发生在雨季，在水流的侧蚀作用下造成边坡失稳，一般规模不大，对水库的影响甚微。

2.5 水文地质条件

工程区地下水类型按含水层性质分为松散岩类孔隙潜水和岩溶裂隙水两大类。

松散岩类孔隙潜水：含水部位为黄土层的底部，受其第四系中更新统粉质粘土的隔水，雨季出现，干旱季节消失。冲洪积孔隙潜水主要埋藏在教儿墕沟谷底及关河右岸二级阶地底部，含水层为卵砾石，地下水位埋深27.3～36.1m，高程为1203.54～1194.10m，单井出水量一般为10～20m3/h，水质较好，水化学类型以HCO3—Ca、Mg型为主，矿化度小于0.5g/L。

岩溶裂隙水：工程区主要含水层为寒武系崮山组碳酸盐岩，据电厂资料地下水埋藏在100m以下，其岩溶发育水量丰富，水质好，单井出水量大于45m3/h。水质以HCO3—Ca、Mg型和HCO3—Ca、Na型为主。矿化度一般小于0.5g/L。

地下水的补排关系总的来看，主要是接受大气降水入渗补给，地下径流与地表水流向基本一致，最终排泄补给河流。区内地下水受地形地貌控制明显，水位变化与季节有关。

3 库区工程地质问题及评价

3.1 库区渗漏

经本次工程地质勘察，库区无冲沟通向库外，地形地貌上有利于建库，其右岸为黄土丘陵，左岸为关河二级阶地，库底为细颗粒淤积物。右岸揭露和出露的地层岩性为第四系上更新统风积黄土。邻谷马家山沟距离比较远，并且沟底高出该库正常水位，故不考虑渗漏问题。左岸为关河二级阶地，出露和揭露的地层为第四系上更新统冲洪积物，岩性为粉土，最大厚44.1m。该层下伏为卵砾石。左岸距关河邻谷距离124.0～366.0m，关河一级阶地高程1213.45～1205.0m，库底高程1230.0m，高差16.55～25.0m，设计正常蓄水高程1242.91m。故存在邻谷渗漏问题。

经计算，库区左岸渗漏量为229.70m3/d。库底钻孔揭露的地层18.70m以上为第四系全新统冲积物，18.70～26.0m为第四系全新统冲洪积物，26.0～38.0m为上更新统冲洪积物，38.0m以下岩性为第四系中更新统粉质粘土。其中18.70m以上为粉土和淤泥质粉质粘土呈互层状，从试验结果来看渗透系数相对比较小，其中淤泥质粉质粘土为相对隔水层，从沉积环境和钻孔揭露的情况来看成层性比较稳定，故可不考虑库底渗漏问题。

3.2 库岸稳定及水库淤积

该库右岸为黄土梁，岸高坡陡，土质松散，地层岩性为第四系上更新统风积黄土，湿陷系数为0.03，属中等湿陷性土，其工程地质条件差。左岸为关河二级阶地，出露和揭露的地层岩性为粉土，地面高程为1246.02～1250.26m，库底高程1230.0m，高差为16.02～20.26m，水库正常蓄水位为1242.91m，正常库水位以上岸高3.11～7.35m。左、右岸水库蓄水后在浪蚀作用下原边坡必将遭到破坏，形成塌滑现象和涌浪。库区左、右岸最终塌岸宽度预测，采用《工程地质学》中公式：

式中：S——塌岸最终宽度；

N——与土的颗粒大小有关的系数，黄土取0.6；

hp——波浪冲刷深度（相当于1～2倍波高），m；

A——水位涨落幅度，本次取水库正常蓄水位与死水位差值，m；

hB——浪击高度或爬升高度，大体为0.1～0.8倍波高，m；

α——浅滩冲刷后水下稳定坡角；

hs——正常高水位以上岸高，m；

β——预测的岸坡水上稳定坡角；

γ——原始岸坡坡角。

计算后左岸塌岸最终宽度为61.0m，右岸塌岸最终宽度为79.70～130.10m，从地形条件及地层岩性来看，计算结果比较符合实际，计算参数见表1。

表1 塌岸计算参数表

该库为旁引水库，河水不进库，淤积主要来源于库区两岸的塌滑物，经计算左岸塌岸淤积量为374625.0m3，右岸塌岸淤积量为728813.0m3，总计1103438.0m3。这些物理地质现象严重影响水库的使用寿命和大坝的安全。同时，左岸S304省道部分地段亦在塌岸范围内，为此设计时应采取工程措施，防止边坡失稳，延长水库的使用寿命。

3.3 水库浸没

经本次工程地质勘察，库区右岸为黄土丘陵，从整体地形来看不存在浸没问题。左岸为关河二级阶地，地形比较平坦，出露和揭露的地层岩性为第四系上更新统粉土，地面高程为1246.02～1250.26m，现有电厂、变电站、苗圃和部分农田，水库正常蓄水位高程为1242.91m，地面高出正常水位3.11～7.35m。根据《工程地质手册》毛细水上升带高度一般为1.30m，农作物根系深度为0.40m，建筑物基础埋置深度为1.50m。农作物地下水临界深度初步确定为1.70m，建筑物地下水临界深度初步确定为2.80m。

4 坝址区工程地质

4.1 坝址区工程地质条件

4.1.1 地形地貌

坝址区为“U”字型沟谷，谷底平坦，宽108.0m，地面高程为1230.22m左右，右岸为黄土梁，坡陡梁高，高差约60m，发育有小的冲沟，但不影响工程，左岸为关河的二级阶，地面高程为1246.02m左右，高出库底约15.80m。

4.1.2 地层岩性

坝址区出露和揭露的地层主要有第四系中更新统、上更新统、全新统。

4.1.3 水文地质条件

本次工程地质勘察，坝址区地下水类型为松散岩类孔隙水，含水层为第四系上更新统卵砾石，地下水位埋深35.7～36.1m，标高为1194.1～1194.2m，注水试验43L/min。据电厂资料：岩溶裂隙水埋藏在100m以下，其水量丰富，水质好，单井出水量大于45m3/h。

4.2 坝址区主要工程地质问题

4.2.1 坝基渗漏问题

该坝顶长158.0m，最大坝高15.2m，正常蓄水位高程1242.91m，坝基为第四系全新统冲积物，岩性粉土层厚4.70m，水平渗透系数为9.31×10-5cm/s，为弱透水层；从主坝及库区钻孔揭露的地层岩性看，下伏的卵砾石层埋藏比较深，无天然露头，故该层渗漏问题可不考虑。

4.2.2 坝基渗透变形问题

坝基为第四系全新统冲积粉土，渗透系数为0.08m/d，水库蓄水后，存在渗透变形问题。颗分结果：中砂含量0.3%，细砂含量0.5%～11.4%，粉粒含量64.9%～90.3%，不均匀系数Cu为2.2～13.0，根据试验资料和《水利水电工程地质勘察规范》（GB50487-2008），初判坝基粉土渗透变形为流土。

4.2.3 坝基地震液化问题

本次工程地质勘察主坝址区揭露的地层岩性：河床17.60～18.50m以上，为第四系全新统冲积粉土及淤泥质粉质粘土透镜体；左岸为第四系上更新统冲洪积粉土；右岸为第四系上更新统风积物黄土。根据《中国地震动参数区划图》（GB18306-2015），坝址区地震动峰加速度为0.10g，背景地震基本烈度为Ⅶ度区。初判左岸第四系上更新统冲洪积粉土、右岸第四系上更新统风积黄土及河床第四系全新统冲积淤泥质粉质粘土不考虑液化问题。根据河床第四系全新统冲积粉土粘粒含量平均值为7.6%，初判蓄水后可能存在液化问题。

根据标准贯入试验锤击数法，对河床第四系全新统冲积粉土进行液化判别，判别深度15.0m以内。据《水利水电工程地质勘察规范》（GB50487-2008）附录P，当N＜Ncr时，判定为液化土。其中N为工程运用时，标准贯入点在当时地面以下ds深度处的标准贯入击数。Ncr为液化判别临界值。依据以下公式求临界标贯击数：

式中：Ncr——液化判别标准贯入锤击数临界值；

N0——液化判别标准贯入锤击数基准值，本次取8；

ds——饱和土标准贯入深度；

dw——地下水位埋深（本次工程正常运用时，地面淹没于水面，故dw取0）；

ρc——粘粒含量百分率，不足3%按3%计算。

从计算结果来看，坝址区12.4m以上粉土层存在液化问题，设计时应采取工程措施。

5 结论及建议

工程区基本地震动峰值加速度为0.1g，基本地震动反应普特征周期为0.45s，地震基本烈度为Ⅶ度。

坝基第四系全新统粉土存在渗透变形问题，12.4m以上存在地震液化问题。破坏形式为流土，允许水力比降为0.41。库区两岸存在边坡稳定问题，在浪蚀作用下易发生塌滑现象，影响水库的使用寿命和大坝安全。库区左岸存在邻谷渗漏问题。天然建筑材料储量及质量均满足要求。

建议对主坝地基液化土层采用挤密桩加固处理。对库区及两岸采取工程措施，防止边坡失稳，影响水库的使用寿命。