北方某平原水库工程地质问题分析

张海涛

（河北省水利水电勘测设计研究院，石家庄050081）

1 工程概况

某水库位于太行山东麓，属山前平原河谷地貌形态。库区范围内地形较为平坦，总体西北高，东南低。水库所在的封龙河属洨河二级支流，为季节性河流。库区北侧为某科技园，高出河床5～6m，南侧阶地不明显。工程区地震基本烈度7°。无断裂及地裂缝通过。地下水埋深6.8～8.3m，为第四系孔隙潜水，主要由大气降水和上游水库放水渗透补给。库区地层岩性主要为下元古界甘陶河群南寺掌组下段（Ptn1）的石英砂岩、第四系全新统冲洪积（）黏土、壤土、砂壤土、粗砂、砾砂等。

2 工程地质存在的问题

2.1 库区渗漏

库区表层壤土具弱透水性，在壤土层下部有一贯通的砾砂层，该层具强透水性且分布连续，一般埋深6～8m，层顶高程79～83m，最浅埋深仅1.6m，顶高程85.1m。水库设计库底高程85.0m，即该砾砂层顶位于设计库底附近，甚至局部高于库底，地下水位于砾砂层中，是库区渗漏的主要通道。

2.2 库岸稳定问题

库区北侧和西侧为已建岸坡，西侧边坡为浆砌石防护，经过多年的运用，处于稳定状态，故本次只考虑北边坡的稳定问题。

北侧边坡岩性为杂填土（Qs），厚5.6～7.2m，杂填土中含有约40%～60%的建筑垃圾，其余充填为壤土，现状边坡坡比1∶1.2，为库区相对不稳定区域，在库水浸润及波浪冲蚀作用下易产生坍塌，造成岸坡不稳。

2.2.1 边坡塌滑区范围估算

边坡塌滑区范围根据GB50330—2013 《建筑边坡工程技术规范》，计算结果如式（1）：

式中L为边坡坡顶塌滑区外缘至坡底边缘的水平投影距离（m）；H为边坡高度（m），取5m；θ为坡顶无荷载时边坡的破裂角（°），斜面土质边坡取（β+φ）/2，β为坡面与水平面的夹角，取39°（边坡坡比1∶1.2），φ为土体内摩擦角，计算选取两个断面，分别取22°和24°。

选取断面Ⅶ-Ⅶ′，Ⅷ-Ⅷ′进行计算，最大塌滑宽度取8.5m，结果如表1。

表1 边坡塌滑范围计算

2.2.2 边坡稳定性评价

边坡岩性主要为黏性土，黏性土边坡的滑动方式多为圆弧形，根据GB50330—2013《建筑边坡工程技术规范》，对边坡稳定性进行判定，计算如式（2）：

式中Fs为边坡稳定性系数；ci为第i计算条块滑面黏聚力（kPa），取19；φi为第i计算条块滑面内摩擦角（°），取22°；li为第i计算条块滑面长度（m），按每滑块水平宽度0.85m折算为0.96m；θi为第i计算条块滑面倾角（°），滑面倾向与滑动方向相同时取正值，滑面倾向与滑动方向相反时取负值，取28°；Ui为第i计算条块滑面单位宽度总水压力（kN/m），现状地下水位低于87m高程，取0；水库蓄水后，水位高程87m，假设边坡不做防渗，考虑毛细水上升高度，按1.55m计，则取25.5；Gi为第i计算条块单位宽度自重（kN/m），按li=1.0、γi=18.5计算，取18.5；Gbi为第i计算条块单位宽度竖向附加荷载（kN/m）；向下方时取正值，向上方时取负值；围墙宽度按0.4m、高度按2.2m计，砖墙重度按18kN/m3计，则Gbi=15.84，此附加荷载仅出现在第⑥条块中 （如图1）；Qi为第i计算条块单位宽度水平荷载（kN/m）；方向指向坡外时取正值，指向坡内时取负值；由于划分的10个条块均位于临空面内侧，均取正值；每个条块按其自重的0.4取值，计7.4；hwi，hw，i-1为第i及i-1计算条块滑面前端水头高度，考虑浸润线弧度，自坡外向坡内均按0.2m递减，第⑩条块按2m计；γw为水的重度，取10kN/m3；n为条块数量，取10。

图1 边坡稳定计算

计算结果为：蓄水前，边坡稳定性系数FS=1.510；蓄水后，边坡稳定性系数FS=0.863。

水库建成后北边坡高5m，边坡工程安全等级为2级，根据GB50330—2013《建筑边坡工程技术规范》划分，如表2。

表2 边坡稳定性状态划分

作为永久边坡，一般工况下，边坡稳定安全系数FSt为1.30。水库蓄水后，边坡稳定性系数降为0.863，小于1.00，成为不稳定边坡。

2.3 水库浸没

水库蓄水后，库区周围地面高程和起伏变化是决定能否产生浸没及其浸没范围的主要因素，另外地层岩性及其周边的水文地质条件也是影响浸没的重要因素。根据GB50487—2008《水利水电工程地质勘察规范》，判定是否符合浸没条件，当预测的蓄水后，地下水埋深值小于浸没的临界地下水埋深时，即可判定为浸没区。

2.3.1 北堤浸没区北堤以外为某科技园，地面高程92m，远高于水库正常蓄水位87.0m，不存在浸没问题。

2.3.2 南堤浸没区

水库蓄水后，正常蓄水位为87.0m，对南堤钻孔12，13，12～13中间，21，22，21～22之间距离21孔15，25m共7个点进行了计算，结果得出，距离围堤10m以内均易发生浸没，距离14m以上不易发生浸没。

2.4 地基液化

工程区为7°，根据钻孔标准贯入试验数据，对初判为可液化层的砂壤土、中砂、粗砂、砾砂层进行复判，并根据GB50011—2010《建筑抗震设计规范》计算各钻孔液化指数。经计算，南围堤表层的砂壤土和北围堤埋深8.5m以下的粗砂层均具中等液化，对坝基稳定不利。

3 工程地质问题

3.1 库区渗漏

水库蓄水后可能会产生管涌、流土等渗透破坏，库区主要透水层为连续分布的砾砂层，砾砂层上部为相对隔水的壤土层，可将浅部砾砂层替换为相对隔水的岩土层。采取水平铺盖和垂直防渗墙结合的防渗处理。

3.2 库岸稳定

平原水库蓄水后，库岸失稳最主要的破坏形式是滑坡，工程设计时应设计合理的永久开挖坡比，或采取抗滑支挡措施，确保边坡稳定，避免滑坡带来的次生灾害。

3.3 浸没

防渗墙作用主要是截断地下水、延长渗径。截渗沟要穿透上部的壤土层，沟底直达砂层，主要是降低地水水位，减低承压水头，达到治理浸没的目的。

为防止库区外农田浸没、盐渍化等问题，建议采用堤体防渗墙结合坝后截渗沟的综合处理方式。

3.4 地基液化

南围堤表层砂壤土埋深较浅，可在筑堤时采取强夯、 振冲加密等抗液化处理措施。北围堤埋深8.5m以下的粗砂层可采取振冲碎石桩、灌浆胶结法等方式，也可结合围堤设置防渗墙，减少库水入渗流量。

4 结语

（1）平原水库主要的地质问题是渗漏和地基稳定问题。渗漏问题除了库区渗漏外，还包括由渗漏引起的浸没、渗透稳定等问题，但通过换填、垂直防渗墙，以及在坝后设置截渗沟等工程措施，可有效地减少水库渗漏，预防浸没、渗透破坏等地质问题。

（2）通过采取强夯、振冲碎石桩等措施，可解决地基的液化问题。