兰州新区水库工程地质分析

第１４卷第１１期２０１４年４月１６７１—１８１５（２０１４）１１—０１１０—０４科学技术与工程ＳｃｉｅｎｃｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＶ０１．１４Ｎｏ．１１Ａｐｒ．２０１４⑥２０１４Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈ．Ｅｎｇｒｇ．

地球科学

兰州新区水库工程地质分析

陈龙飞１刘高１康复生２石广明１（兰州大学土木工程与力学学院１，甘肃省水利水电勘测设计研究院２，兰州７３００００）

摘要基于大量现场调查资料，分析了兰州新区水库地形地貌、地层岩性、地质构造特征、水文地质条件和物理地质现象，探讨了水库坝基稳定性、坝址及库区的渗漏、库岸塌岸等工程地质问题。针对所存在的工程地质问题进行评价分析及提出相应的处理措施，为黄土高原地区水库选址、设计及安全运行提供理论依据。关键词兰州新区工程地质地质问题工程措施中图法分类号Ｐ６４２．２；文献标志码Ｂ

兰州新区为第五个国家级新区，西北首家国家级新区。由于地质条件所决定，水资源成为影响新区发展的重要因素，制约着国家级新区一兰州新区中长期规划，为此兰州新区水库修建很有必要和意义，为新区提供了充分可靠的水资源保障。水库坝型为均质土坝，设计最大坝高约６５ｍ，总库容约３７００×１０４ｍ３，其中死库容为２５０×１０４ｍ３，兴利库容为３４５０×１０４ｍ３，水库死水位２０９３ｍ，正常蓄水位２１２０ｍ。水库大坝按５０年一遇洪水设计，设计洪水位２１２０．９ｍ；１０００年一遇洪水校核，校核洪水位２１２２．０ｍ。兰州新区水库处于黄土广泛分布的丘陵区，由于黄土具有湿陷、崩解、渗透、潜蚀等不良工程地质性状，因此，结合历次的勘察结果，针对兰州新区水库的工程地质条件，分析论证均质土坝渗透稳定性、黄土边坡塌岸、库区渗漏等工程地质问题，提出相应的处理措施，为水库修建提供理论依据。１工程地质条件分析１．１地形地貌工程区总体地势北高南低，海拔高程２０００～２５００ｍ，相对高差约５００ｍ（图１）。库周为南北向展布构造剥蚀黄土低中山构成，由于剥蚀较厉害，其山脊单薄，地势较为陡峻，地形破碎。沟谷两岸普遍对称发育有政阶地，宽５０～５００ｍ，高于沟床５～８ｍ，较平坦开阔，为堆积阶地。Ｉ级阶地仅零星发育，阶地面高于沟床１～２ｍ。２０１３年ｌＯ月２２日收到，１１月１８日修改第一作者简介：陈龙飞（１９８８一），男，甘肃甘谷人，硕士研究生，研究方向：工程地质。Ｅ－ｍａｉｌ：ｃｈｅｎｌｆ２０１２＠ｌｚｕ．ｃｎ。幽１水库三维地貌图１．２地层岩性根据地质测绘和以往地质资料，库尾附近出露上新近系中新统咸水河组（Ｎｊ）砂质泥岩、砂砾，呈褐红色，产状平缓，遇水软化、崩解。库区及库岸基本被第四系松散堆积物覆盖，离石黄土（Ｑ步一）构成中低山的山体骨架；风积马兰黄土（Ｑ；０１）覆盖在山体顶部，厚度在５ｍ左右；上更新统（Ｑ３１－ｐ１）砂碎石、粉土、黏土，分布于库内Ⅱ级阶地。１．３地质构造与地震从区域构造上看¨Ｊ，库区位于祁连山褶皱系中祁连隆起带东段的陇中黄土高原轻微隆起区，主要为一系列北北西向的新生代的隆起带和凹陷带相间排列的多字型构造体系，其规模和影响范围不大，地质构造相对简单。构造单元属永登一河口中新凹陷，由白垩系、第三系地层组成，基底为下古生代变质岩。凹陷盆地内沉积了巨厚层上第三系红色碎屑岩，受燕山～喜山期构造运动影响，岩层单斜产出，产状ＮＥ４０～５００ＳＥ／＿６０～１２。。北部与古生界地层呈角度不整合接触，红层内未发现较大的断裂构造，裂隙不发育。啪㈣㈨㈨啪㈣㈣

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万方数据１１期陈龙飞，等：兰州新区水库工程地质分析

据《中国地震动参数区划图》（ＧＢ１８３０６—２００１）和兰州地震局鉴定结果旧Ｊ，水库坝址处于５０年超越概率１０％的地震动峰值加速度０．１５ｇ，地震动反应谱特征周期０．４５Ｓ，相应的地震基本烈度为ＶＩＩ度。１．４水文地质条件本区属于寒温带亚干旱区，区内无地表水，仅有少量的地下水。地下水主要受大气降水补给，排泄于庄浪河，水量不丰，且受季节性变化较大。按其埋藏条件口Ｊ，地下水类型可分为孑Ｌ隙性潜水与基岩裂隙性潜水两种：第三系地层仅局部粗碎屑岩或风化层中有微量裂隙性潜水，水质差；区内孔隙性潜水主要补给来源于大气降水，由于天旱缺雨，降雨量少，故径流补给、埋藏条件都很差，在康家井沙沟的全新统砂碎石中含有少量地下水。２工程地质问题处理及评价２．１水库渗漏２．１．１库区渗漏库区挡水岸坡主要由Ｑ；－ｐｌ离石黄土、Ｑ；０１马兰黄土，其渗透系数小，一般为０．１～６．１８×１０～ｅｍ／ｓ，属微一弱透水层，层内未发现侧向渗漏的砂碎石层透水带。库岸周围的垭ＶＩ及低邻谷的渗漏（图２），对其渗漏量采用单层岩土体分水岭计算Ｈ１。图２单层潜水渗漏计算剖面图经对各垭口进行赋值计算，正常蓄水位２１２０ｍ，在库岸粉土渗透系数为０．０５２ｍ／ｄ时，其渗漏量在１．１６～１２．７ｍ３／ｄ（表１），渗漏微弱，库周渗漏问题不突出。表１库岸各垭口渗漏量左岸１＃左岸２＃右岸２＃右岸１＃右岸３＃右岸４＃右岸５＃２０９０．３４８５３０．８２．９１２０９０．５３６８４１．０５．０４２１００．Ｏ３１５５８．０３．８２２０９０．２１８３５０．５１２．７２１００．５６８３４０．２１．１６２１０６．４３１０３０５．４９．４７该处在拦洪坝外侧，且导洪渠经过，可不考虑渗漏２．１．２坝基渗漏坝址区分布有沉积有不同时代的粉土、黏土，其渗透性小；砂碎石层渗透系数较大，一般为２０－５０ｍ／ｄ，属强透水层，在不截渗的情况下坝基存在渗漏的可能。坝基地层结构较复杂，对其进行归类，可近似为透水层双层结构，结构模型公式如下”Ｊ：ｑ：——』＝

（１）＝—————————■＝＝二二二ｌｌＪ

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Ｋ２咒。。√Ｋ。如咒

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（２）式中，ｑ为单宽剖面的渗漏量（ｍ３／ｄ・ｍ），Ｋ、Ｋ’、∥分别为不同地层的渗透系数（ｍ／ｄ），日为坝上下游水位差（ｍ），２６为坝底宽（ｍ），Ｔ为透水层厚度（ｍ）。经计算，在未截渗的情况下，坝基渗漏量２．７５×１０４ｍ３／ｄ。结合拟定土坝，进行防渗处理，坝基可采用混凝土防渗墙与帷幕灌浆相结合的垂直防渗形式，下游坝壳底部设水平反滤层。２．２库岸稳定黄土丘陵地区的水库，普遍存在库区塌岸问题，已建的三门峡、岳城、汾河、大良、官厅水库等工程，都发生了较为严重的塌岸问题。水库岸坡由离石黄土、马兰黄土组成，抗冲刷能力弱。左岸岸坡高出沟床３０～６０ｍ，坡度一般２００一５０。，局部岸坡因雨季洪流淘蚀，形成６００一７００的高陡边坡，水库蓄水后塌岸较严重；右岸岸坡高出沟床３０—６０ｍ，坡度一

般２５０～４５０，自然边坡稳定，塌岸较左岸程度轻。２．２．１库岸稳定性评价由于水库蓄水改变原来库岸边坡所处的环境，后期水库水位的波动、季节性降雨等作用下会产生滑坡、崩岸，直接影响了水库的正常运行，涉及坝稳定性。从定量的角度，研究水库蓄水过程中及运行中变化情况，认识影响库岸稳定因素及其规律性，从而指导防治进程。根据大量室内土工试验，数据整理与处理结果，得到库岸边坡原状土及饱和土的物理力学参数（表２），利用极限平衡理论进行分析∞ｏ，得到库岸边坡在各种条件下的稳定状态（图３）。

表２各土层物理力学参数

马兰黄土１３．０２２．４５２６．５１７．３９．０１２．０

离石黄土１６．０４５．０２７．９１８．６５．１２４

从图３可知，天然状态下，除了个别剖面点，库岸边坡处于稳定状态，不易产生滑动变形破坏。水

万方数据图３库岸边坡各条件下的稳定性库修建后，在初期正常水位运行下，边坡土质的物理力学参数显著降低，库区水波浪作用下对库岸的侵蚀作用，马兰黄土湿陷性等不良影响下，计算库岸边坡稳定性，结果边坡处于不稳定状态，出现滑塌性破坏，大范围改造库岸边坡地貌形态。在长期运行下，将进一步弱化了边坡的物理力学参数，计算库岸边坡的稳定性系数，得到结果是稳定性进一步降低。所以必须预测塌岸范围以及进行对策预防、治理存在的塌岸问题。２．２．２水库塌岸预测国内外，水库土质岸坡塌岸宽度预测方法包括类比法、动力法、统计法等３大类，它们都属于半理论、半经验方法，各具特点，都不能作为通用的预测方法。针对兰州新区水库塌岸预测采用拟两段图解法¨１和卡丘金公式法邛Ｊ。从预测塌岸宽度数值（图４）分布看，水库左右两岸１５条预测断面中，图解法预测塌岸宽度１１．８～５２．８ｍ，占全部预测断面８６．７％，仅有两条断面塌岸预测宽度大于６０ｍ，而公式计算法预测宽度全部在２７—３５．５ｍ。

从两种方法预测塌岸宽度成果，相同预测断面，

图解法预测宽度大于公式计算法占５３．３％，小于占４６．７％。从两种方法预测结果差值分析可知，共有８条断面预测成果差值小于１０ｍ，占全部预测数量５３．３％。结合实际资料分析可知两种预测方法所得的预测塌岸宽度出现较大误差的主要原因是图解法没有考虑塌岸淤积等因素。由于注入性水库，基本没有冲刷的可能性，塌岸过程中会淤积在坡角，从而减小塌岸的范围，所以此断面处图解法预测塌岸宽度偏大；而公式法预测塌岸大于图解法预测宽时，断面基本处于在水深不大，库岸较平缓，岸坡较为稳

图４各个剖面点塌岸预测数值定，而蓄水位以上的高度较大，所以结合实际资料进行修正。两种方法总体预测宽度相差不大，预测范围为５～５０ｍ，塌岸总量（３３７．３—４９７．９）Ｘ１０４ｍ３，

占总库容的９％一１４％。２．２．３防治塌岸对策通过以上两种方法预测塌岸宽度，结合实际资料，兰州新区水库存在塌岸问题。库区塌岸防治的基本模式为岸顶截排、岸坡防浪、坡脚防冲加固的三级防治综合体系。针对塌岸比较严重，造成涌浪影响土坝稳定的情况，应给蓄水之前采取工程措施处理：①排除和拦截地表水，避免地表水渗进滑坡体和滑带，防止滑带土软化及滑坡体冲刷而造成滑坡或者崩塌；②减载与反压，采用坡顶开挖、削坡等方式，回填反压，减少下滑力，增加抗滑力，提高库岸的稳定性。２．３土坝稳定性针对拟定均质土坝坝体断面布置，坝高为６５．０ｍ，坝顶宽８．０ｍ。下游坡比为１：３．２５，上游马

道以下为１：３．５，马道以上为１：３．２５，马道宽２ｍ。

建筑材料由Ｑ，一粉土构成，结合室内试验的物理力学指标。综合考虑不同的工况条件，包括土坝开始蓄水到正常水位１／２、蓄水初期未形成稳定渗流、长期运行中形成稳定渗流以及地震条件下，利用极限平衡理论，分别采用Ｂｉｓｈｏｐ法、Ｊａｎｂｕ法、Ｓｐｅｎｃｅｒ法和Ｆｅｌｌｅｎｉｕｓ法，判断其上、下游坝坡最危险的潜在滑面，安全系数Ｋ表示其潜在滑动面的稳定性系数，从而综合分析上、下游坝坡在各工况条件下的稳定性。通过对拟建均质土坝坝体断面稳定性计算，表３为上、下游坝坡不同稳定分析方法计算的安全系数。不同的稳定性分析方法得出的安全系数有所差别，因为在极限平衡法理论体系中有一系列的简化

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