西关水库工程地质条件及评价

马 龙

(清原满族自治县水利勘测设计室,辽宁 清原 113300)

1 概 况

西关水库位于昌图县朝阳镇西关村,距昌图镇45km,是一座以防洪为主,兼有养殖等综合利用的小(2)型水库。西关水库位于太平河上游,该水库位于水文分区Ⅲ7区,坝址以上控制面积为67.7km2,河道平均比降为2.19‰,控制河道长度10.95km。北温带大陆性季风气候。夏天又热又多雨。春天和秋天干燥。寒冷期较长。流域多年平均降雨量550mm,多年最大冻深为1.60m,土壤多为壤土,水土易流失,土质较肥沃,作物多为小麦、玉米和水稻为主。多年平均径流量575.25万m3,降雨年内分配多集中在6～9月的汛期,年际变化较大。水库主体结构由拦河坝和溢洪道组成。

1)拦河坝为均质土坝,大坝全长约120m,最大坝高4.9m,大坝顶高程117.40m,坝顶宽4.0m,上游坡比为1∶3.0,下游坡比为1∶2.5～1∶3.0。大坝迎水侧为混凝土面板护坡,背水侧为草皮护坡。

2)溢洪道位于大坝最左端处,由进口段、控制段,陡槽段、消力池、海漫组成[1-6]。堰顶高程为114.50m,堰顶纵长5.0m,净宽40m。底板为钢筋混凝土结构。陡坡段长为5.43m,坡比为1∶2.4;反弧段长为4.59m,总长为15.02m,鼻坎顶高程为112.60m,挑角23°。

2 勘察方法及勘察工作量

根据本次勘察范围、勘察目的及规范要求,利用《昌图县西关水库大坝安全评价工程地质勘察报告》已有资料,在坝体及溢洪道出口处布设勘探点6个,钻孔间距50～100m,具体工作量见表1。

表1 勘察工作量一览表

3 区域地质概况

3.1 地形地貌

西关水库位于昌图县朝阳镇西关村境内,建于条子河一级支流太平河的上游。地貌类型为平原地区,坝址两侧以上地势平坦,向两侧延伸,下游河谷逐渐开阔,地貌逐渐过渡为平原地区,地貌单元为河床、漫滩和一级阶地前缘。

3.2 地层岩性

区域出露地层主要为中生界白垩纪和新生界第四纪,其中新生界第四系发育较好。

白垩系泉头组(kql):以它为基底构成现状波状准平原景观。为一套紫色、棕红色泥岩。泥质粉砂岩中穿插有中细砂岩,细砂岩呈灰白色,泥质棕色厚度>100m。最大厚度>800m,呈角度不整合覆盖下部基岩之上。

第四系(Q):发育在波状准平原上部,第四系沉积物体现为上细下粗的二元结构特征,岩性有黏性土、粉土、砂土及卵砾石等。

3.3 地质构造及地震

该区位于阴山东西向复杂构造带与新华夏构造的交界处。区域断裂构造北侧为NW走向,其次为“入”字构造的NE走向断裂,区内发育多条NE向断裂。其中对本区稳定性影响大的有一条,即新安堡-石砬子断层,该断层发育与前震旦系与侏罗系上统之间,长约30km,为压性兼扭性断层。分枝断裂平行排列在它的东侧,走向均为北东50°～60°,其中两条规模较大的断裂:①法库-柏家沟断层,长约19km,走向北东60°;②尚屯-调兵山断层,长约14km,走向北东50°～60°,为压扭性断层。

该构造带活动于中生代,第四纪以来没有明显的活动记录。构造带表现稳定,对工程影响不大。工程区域内被较厚的第四系陆相河流冲积地层覆盖,未见断层等构造。

4 工程地质条件及评价

4.1 坝体工程地质条件及评价

目前的大坝位于溢洪道的右侧。为L型均质土坝,坝长120m。坝顶高程为117.20～117.40m,坝顶平均宽度为4.0m,最大坝高为4.9m;上游坡比1∶3.0,上游坡为混凝土面板护坡,现状局部混凝土面板破损较严重,下游坡比1∶2.5～1∶3.0,坡面为草皮护坡,坝脚处为贴坡排水,贴坡排水顶高程为112.83～115.78m。

4.1.1 坝体工程地质特征

西关水库坝体填筑料主要由黄褐色的黏性土组成,稍湿～湿,可塑,含少量铁锰结核,局部混少量砂砾,有机物含量较少,就地取材,坝体表层有0.5m由砂碎石铺盖,坝身土层厚约4.2～5.2m。

4.1.2 坝身土的物理力学性质

通过野外钻探、通过现场试验和室内土质试验,得出主要物理力学性能的推荐值见表2和表3。

表2 坝身土的主要物理力学指标

表3 坝身土的渗透性分级

4.1.3 水文地质条件

西关水库区域的地表水为条子河及其支流太平河,地下水为第四纪孔隙潜流。第四纪孔隙水主要存在于砾石砂层中。主要由大气降水和地表水提供。通过对库区水的水质简分析可知,工程现场地表水对混凝土的碳酸盐腐蚀较弱,对钢筋混凝土结构的腐蚀较弱,对钢结构的腐蚀较弱。详见表4～表6。

4.1.4 坝体填筑质量评价

拦河坝为均质土坝,坝体填筑料主要为粉质黏土,通过野外钻探、测试及室内土工试验结果可知,坝身填土干密度ρd为1.50g/cm3,最大干密度ρdmax为1.65/cm3;压实度λc为90.9%。西关水库修建于20世纪50年代末,修建时未经碾压处理,由于当时施工工艺、技术与规范要求并不能达到现行规范标准,故压实度相对较低,但是土体经过60多年的自重固结,已经基本稳定。

从渗透性来看,坝体填筑料的渗透系数k在10-5cm/s量级上,渗透等级为弱透水,渗透变形为流土型,允许水力比降取0.45。从整个坝体来看,坝身填土的抗渗性好,没有渗漏现象。

4.2 坝基工程地质条件评价

4.2.1 坝基组成

①粉质黏土:茶色,灰褐色。微湿至湿,塑料,含少量铁锰结核和白云母,局部含少量腐殖质及粉砂,层厚为1.60～3.90m左右,靠近河床部位较薄。

②细砂:黄褐色,绿灰色,稍湿,稍密,选磨圆度一般,掺有一定量粉砂,矿物成分以长石为主,河相冲积形成,厚度为0.90～2.90m左右。

③中砂:黄褐色,湿,稍密～中密状态,分选磨圆一般,混有一定量的淤泥质,矿物成分主要由长石、石英、云母等组成,河相冲积形成,厚度为0.70～2.00m左右。

④砾砂:黄褐色、青灰色土,上部湿,底部饱和,中等致密～致密,矿物成分主要由长石、石英、云母等组成。分选磨圆一般,冲洪积形成,厚度在1.90～2.50m左右。局部夹有淤泥粉质黏土透镜体。

④泥质粉砂岩层:棕红色,灰白色,湿,半成岩,已经全风化呈土状,可～硬塑状态,矿物成分变质,遇水易软化,本次最大钻探揭露深度为2.7m。

4.2.2 坝基土的物理力学性质

通过以往勘测结果并结合地区经验,给出坝基各岩土层主要物理力学指标[7]、渗透系数、承载力分别见表7～表8。

表4 工程场地地表水对混凝土的腐蚀性判别

表5 工程场地地表水对钢筋混凝土结构中钢筋的腐蚀性判别

表6 工程场地地表水对钢结构腐蚀性判别

表7 坝基各土层的主要物理力学性质指标

表8 坝基各土层的渗透系数、渗透性分级及承载力

4.2.3 坝基土评价

1)坝基土稳定性评价:西关水库坝基上部的粉质黏土,主要在塑性状态,分布范围宽,连续的,其物理和机械性能都很好,弱透水;中部的细砂、中砂以及砾砂层,物理力学性质也较好,承载力较高,均为中等渗透率;下部泥质粉砂岩层为土状,风化充分,可为硬塑性[8-10]。具有良好的物理力学性能,承载力高,渗透性弱。西关水库经多年运行,拦河坝坝基土的压缩已经基本稳定,不存在沉降问题,抗滑稳定性也较好。

2)坝基渗漏评价:大坝坝基地层中,粉质黏土层位相对较厚,分布广范,渗透系数较小,承载力相对较高,为大坝理想的建基层,经多年运行,未发现渗漏情况。

3)渗透变形评价:根据《水利水电工程地质勘察规范》的规定结合土工试验结果,坝基中的细砂、中砂的渗透变形类型为流土型,其允许水力比降可取0.25;而砾砂的渗透变形类型为管涌型,其允许水力比降可取0.20。粉质黏土层为不透水层且层位相对较厚为较好天然的防渗铺盖层,故粉质黏土不存在渗透变形问题。

4.3 溢洪道工程地质条件及评价

4.3.1 溢洪道工程地质条件

西关水库现状溢洪道为河岸开敞式溢洪道,位于左坝端。为陡坡挑流式消能,净宽40m,底板为钢筋混凝土结构,堰顶高程为114.50m,堰顶两侧边墙控制高程为117.50m。控制堰顶顺水流纵向长度5.0m,陡坡段长5.43m,坡比反弧段长4.59m,总长15.02m。

1)溢洪道地基组成:根据勘察可知,溢洪道底板及两侧翼墙基础均坐落在黄褐色、灰褐色的粉质黏土层上,可塑为主,局部软塑,下部为稍密状态的细砂和中砂层。

2)溢洪道地基土的物理力学性质:西关水库溢洪道以粉质黏土为建基层。各项指标可参照表9、表10。

表9 西关水库溢洪道地基各土层的主要物理力学性质指标

表10 西关水库溢洪道地基各土层的渗透系数、渗透性分级及承载力

4.3.2 溢洪道地基评价

1)西关水库溢洪道建基层为粉质黏土,下部为细砂、中砂与砾砂层,这些地层的物理力学性质较好,呈中等压缩性。

2)溢洪道与两侧坝体接触紧密,不存在接触渗漏,由于溢洪道上游铺盖损坏失效,导致其与地基土接触部位发生渗漏;溢洪道下游无消力池,而溢洪道又为挑流式,这样就导致水流的冲击势能增加,在水流冲击与回流掏蚀作用下,溢洪道出口地段已出现深坑。现状溢洪道底板尤其陡槽段渗漏破坏较严重,基础已被冲刷掏空,底板呈悬空状态,故建议拆除重建。

5 结 语

区域内存在的新安堡-石砬子断层,第四系以来没有明显的活动记录,构造带表现稳定,对工程影响不大。坝基各土层物理力学性质较好,承载力较高,经多年运行,坝基土的压缩已经基本稳定,不存在沉降问题。根据水文气象资料可知,该场地的最大冻深为1.60m。西关水库溢洪道建基层为粉质黏土,下部为细砂和中砂层,这些地层的物理力学性质较好,呈中等压缩性,粉质黏土层抗冲性相对较好,但细砂与中砂层抗冲性较差。溢道下游无消力池,现状溢洪道底板,基础已被冲刷掏空,底板呈悬空状态,故建议拆除重建。