耿庄水库库区地质条件及地质问题评价

渠继明

（山西省水利水电勘测设计研究院有限公司山西太原030024）

1 水库概况

耿庄水库是万家寨引黄北干线向朔州市供水线路末端的调节水库，水库按双库设计，总库容236 万m3，两库库容均为118 万m3,死库容均为13 万m3。Ⅰ库位于工程区西部，Ⅱ库位于工程区东部，属半挖半填平原围封水库，大坝为碾压均质土坝，全库盆采用复合土工膜防渗。两库坝顶高程均为1128.0 m，正常蓄水位为1 126.5m，Ⅰ库设计库底高程1120.7～1 122.5 m，Ⅱ库设计库底高程1 119.9～1 123.0 m。主要建筑物为大坝、调压井、进水口、出水口泄水建筑物以及环库公路等，大坝为均质土坝。属小Ⅰ型水库。在水库东侧有一条南北向的天然气管线。

2 区域地质条件

区域地势北高南低，受构造运动及新构造运动的作用，本区可分为构造剥蚀低山区、边山构造剥蚀丘陵区和山前倾斜平原区三种地貌单元。研究区所涉及的地貌单元主要有边山构造剥蚀丘陵区和山前倾斜平原区，以山前倾斜平原区为主。

区内出露地层有：下古生界寒武、奥陶系碳酸盐岩，上古生界石炭、二迭系砂岩、页岩、泥岩、铝土岩，新生界上第三系黏土及第四系松散堆积物。

研究区地质构造单元处于吕梁—太行断块云岗块坳西南端，桑干河新裂陷西北边部。研究区构造格架受区域地应力和构造活动控制。晋冀鲁豫运动（加里东运动）和海西运动形成了奥陶系与石炭系中统平行不整合。中生代燕山运动在本区表现为主应力场是以东部相对向北，西部相对向南的直线扭动作用，形成云岗块坳和偏关神池块坪雏形。云岗块坳总体为向斜。向斜内微型波状褶皱、次级断裂发育，并伴有中酸性岩浆岩侵入。

研究区地震动峰值加速度为0.10 g，反应谱特征周期为0.45 s，地震基本烈度为Ⅶ度。

按照地下水的赋存条件，可将区域地下水分为碳酸盐岩类岩溶水、松散岩类孔隙水、碎屑岩类裂隙水和碎屑岩夹碳酸盐岩类裂隙岩溶水。

区域内主要物理地质现象是滑坡坍塌、煤矿采空区塌陷、泥石流、岩溶与风化。

3 库区工程地质条件

水库地貌上属于山前倾斜平原区，北邻边山构造剥蚀黄土丘陵区。

水库涉及的地层由新至老依次有：人工堆积（Qs）、第四系上更新统洪积（Q3pl）、第四系中更新统洪积（Q2pl）。

人工堆积（Qs）：人工堆积物主要由库区内现有人工建筑物及筑路构成。

第四系上更新统洪积（Q3pl）：在库区地表广泛分布，该层厚度一般3.4～25 m，岩性为浅黄-棕黄色低液限黏土，局部夹有少量的砂、砾类，土层上部干，中下部较湿、硬塑-坚硬，含水率为4.6%～31.9%，平均值为13.52%，干密度为1.29～1.61 g/cm3，平均值为1.45 g/cm3，天然状态压缩系数av1-2=0.04～0.81 MPa-1，多具中等压缩性，部分土层具高压缩性，饱和状态压缩系数av1-2=0.11～0.56 MPa-1，多具中-高压缩性，湿陷系数0～0.225，多具湿陷性，标准贯入试验实击数平均值为16.5 击，修正后的平均值为15.1 击。

第四系中更新统洪积（Q2pl）：在整个库区均有分布，多埋于地表以下，只在沟壁陡壁及局部地表开挖揭露处有所出露，顶面埋深3.4～25 m，上覆上更新统及全新统地层。岩性为浅红、浅黄色低液限黏土夹少量砂、砾类土层。土层湿-饱和，硬塑-软塑状态，含水率为8.3%～32.3%，平均值为18.13%，干密度为1.32～1.70g/cm3，平均值为1.49 g/cm3，天然状态压缩系数av1-2=0.02～0.23 MPa-1，多具低-中压缩性，饱和状态压缩系数av1-2=0.1～0.38 MPa-1，多为中等压缩性。部分土层具湿陷性，标准贯入试验实击数平均值为10.4 击，修正后的平均值为8.4 击。

库区地下水类型为松散岩类孔隙水，主要接受北边山侧向补给及大气降水入渗补给，总体由北而南向桑干河迳流。库区地下水位埋深14.65～20.85 m，水位高程1 101.60～1 111.54 m。

4 库区地质问题评价及处理措施

4.1 水库渗漏及处理措施

库区地层为Q3pl、Q2pl低液限黏土，偶夹有薄层砂、砾及卵石混合土透镜体。

Q3pl低液限黏土垂直渗透系数9.8×10-5～2.8×10-4cm/s，平均值1.72×10-4cm/s，大值平均值2.33×10-4cm/s；多属弱-中等透水层，水平渗透系数2.1×10-6～1.1×10-3cm/s，平均值为1.67×10-4cm/s，大值平均值为3.32×10-4cm/s，多属弱-中透水层。

Q2pl低液限黏土垂直渗透系数为1.2×10-5～9.7×10-5cm/s，平均值5.5×10-5cm/s，大值平均值8.8×10-5cm/s，属弱透水层，水平渗透系数为1×10-6～9×10-4cm/s，平均值为1.37×10-4cm/s，大值平均值为3.41×10-4cm/s，多属为弱-中等透水层。

据库区低液限黏土层现场注水试验，渗透系数为3.55×10-6～2.76×10-5cm/s，平均值为1.28×10-5cm/s，大值平均值为2.19×10-5cm/s，属微-弱透水层。

由于库区地层具有一定的透水性，区内地下水位埋藏较深，水库存在向库周及库盆的永久渗漏问题。对渗漏问题，全库盆采用复合土工膜防渗。

4.2 库区浸没

水库地形较平缓，地层岩性主要为Q3pl、Q2pl低液限黏土。土层至地下水位深度内无相对隔水层，地下水位埋藏较深，径流条件好，地下水矿化度低。水库蓄水后，其渗流向下游排泄，地下水位壅高值也不会太大，故库区不存在浸没问题。

4.3 水库岸坡稳定及处理措施

水库范围内不存在滑坡及潜在不稳定岸坡，天然状态下岸坡稳定。库岸地层岩性为低液限黏土，局部夹极少量砂、砾粒，属土质岸坡，抗水冲蚀能力弱。该水库为挖填结合的围封水库，开挖填筑后形成的库岸边坡在库水作用下易产生坍岸问题，坝坡采用预制六边形混凝土防护，下设反滤土工布。

4.4 水库淤积

由于入库水主要为清水，泥沙含量不大，故水库淤积物可能的主要来源是库岸坍塌物，在对库岸进行有效防护后水库淤积问题不大。

4.5 水库诱发地震

库区地下水位埋藏较深，水库容量很小，水库最大水深仅8m，水头低。水库建于透水性较弱的覆盖层中，库水即使渗漏对周围水文地质条件的改变也很小。因此水库蓄水后产生诱发地震的可能性不大。

4.6 湿陷性及处理措施

库区土层由中更新统（Q2）、上更新统（Q3）土层组成，其中，上更新统土层应判为中等湿陷性土层，中更新统土层顶部为低-中等湿陷性土层。

在200 kPa 压力下湿陷厚度一般3～7 m。在现状下库区北部场地为非自重湿陷性场地，库区南部场地为自重湿陷性场地，地基湿陷等级Ⅰ级（轻微）～Ⅱ级（中等）。

水库开挖后，库区北部土体开挖厚度大，上部湿陷性土层将被挖除，北部地基湿陷等级将降低，局部不具湿陷性；南部土体只挖除表层约0.5 m 的耕植土，湿陷性不会消除。

总体上，库区北部场地按非自重湿陷性场地，地基湿陷等级按Ⅰ级（轻微）考虑；南部场地按自重湿陷性场地，地基湿陷等级按Ⅱ级（中等）考虑。为防止湿陷产生不均匀沉陷，影响土工膜防渗效果，对湿陷性场地均进行了针对性处理，处理深度为3～7 m。根据现场施工条件等，主要采用强夯法消除部分或全部地基湿陷量，并采取严格防水措施。另外，由于水库东侧的天然气管线距离强夯边界线较近，管轴线与强夯边界线最小距离仅为3.9 m，为避免强夯施工可能对天然气管线造成不利影响，根据现场实验数据，对强夯边界距离天然气管线小于60 m 范围内的库区土处理采用比强夯振动较弱的素土挤密桩的方法；对工程区域内树木根系发育密集区域，为不影响强夯效果，进行土体挖除后换填。

4.7 场地土类型及建筑场地类别

建筑场地类别应根据场地土的等效剪切波速与场地覆盖层厚度划分，据场地物探剪切波测试成果，场地土等效剪切波速Vse为278～316 m/s，属中硬场地土，场地覆盖层厚度大于5 m，故建筑场地类别为Ⅱ类。

4.8 场地稳性

水库位于山前斜坡地带，工程区内无滑坡、泥石流等不良地质现象。虽然F12断裂在水库附近或通过水库，但该断裂在上更新世（Q3）以来均未见活动迹象，其活动性对工程影响很小。

4.9 地下水腐蚀性评价

库区地下水化学类型为HCO3-Ca-Mg-Na 型，其指标值HCO3-含量3.25 ～3.78 mmol/L，PH 值7.34～7.51，侵蚀性CO2未检出，Mg2+含量16.91～26.78 mg/L，SO42-含量41.79～51.54 mg/L，地下水对混凝土无腐蚀性。

5 结语

耿庄水库建于深厚覆盖层中，地下水位埋藏较深，存在向库底及库周的永久渗漏问题，全库盆采用复合土工膜防渗；坝基土具有湿陷性，采用强夯法和素土挤密桩处理；开挖后形成的库岸边坡存在坍岸问题，边坡采用预制六边形混凝土防护。

水库于2011年7月底开始蓄水运营至今已10年有余，根据耿庄水库监测点2021年的监测数据，Ⅰ库最大垂直位移年度累计沉降54.4 mm，Ⅱ库最大垂直位移年度累计膨胀38.2 mm；Ⅰ库集水井2021年平均水位4.31 m，水位最大变幅0.07 m，水位变幅较小，Ⅱ库集水井2021年平均水位5.36 m，水位最大变幅0.05 m，水位变幅较小。

从目前观测数据分析，大坝垂直位移和集水井渗流量均比较稳定，在规范允许范围内，说明查明的水库地质问题及评价较为客观准确，采用的措施合理、效果明显。