南水北调东线东湖水库工程地质评价

郑作民

(山东水总有限公司，济南，25000)

引言

东湖水库功能是蓄干线引江水量，解决干线输水与支线取水之间时空分配矛盾，提高干线输水量，保障南水北调东线输水干线完成供水目标[1-2]，比如兰州新区水库[3]与武汉高腊梅水库[4]，该类工程的修建恰好解决了其所在地区的相应问题。

通过野外勘察基本查明了水库周边及主要建构筑物的工程地质条件，东湖水库新建过程中主要面临坝基渗漏、浸没及渗透变形等工程地质问题，本文主要探讨该水库的工程地质问题和处理方法以及工程地质评价。

1 工程概况

东湖水库库区位于济南市东北部，地处小清河流域，紧邻小清河干流南堤布设。库区内分布大量农灌井，据水质分析结果，库区水化学类型有两大类，一是重碳酸氯化物钙镁水，另一类为重碳酸氯化物钙镁钠(或钙钠镁)水，对混凝土无腐蚀性。东湖水库的最大库容约为0.54亿m3，死库容为0.07亿m3，死水位为19.00m。水库年入水量约为0.8亿m3，年供水量约为0.8亿m3。

2 工程地质

2.1 地形地貌

东湖水库取址于平原，总体上来看地形北低南高，根据现场勘察报告得出东湖水库地面高程在20m～22m左右，高差一般不超过3m，地面坡度约0.5～1‰，因窑厂取土以及修建排水沟，库内沟壑纵横，洼地较多。

2.2 地层岩性

库区地层自下而上分为四部分。地层的下部由第四系上更新统冲洪积堆积的较浅的褐棕色粘土、浅黄褐色壤土、褐棕色的粘土夹有姜石及黄棕色砂壤土为主，该层揭露的总厚度约为10.0m～20.0m左右；中部为全新统冲洪积层，该部分岩性以褐灰色、蓝灰色夹黄褐色壤土夹有姜石为主，总厚度约1.8m～6.4m左右；上部为第四系全新统湖沼积层，该部分岩性为较浅的棕灰色淤泥质粘土、较浅的灰色砂壤土及黑灰色粘性土层，总厚度约1.9m～6.7m左右；顶部为第四系全新统黄泛冲积层，该部分岩性为黄褐色砂壤土和棕褐色裂隙性粘土，总厚度3.3m～6.3m左右。

2.3 水库地震稳定性

东湖水库库区历史上近场区内没有发生过Ms≥4级的地震，上世纪70年代后，该地区地震活动较弱。因此，近场区内不具备发生6级以上地震的活动构造条件，表明工程场地处于较为稳定的地块，对东湖水库的修建基本没有影响。

2.4 水文地质条件

东湖水库库区地下水位埋深为3.10m～8.70m，地下水位高程由17.07m降落至12.90m。库区地下水的主要来源为白云湖及小清河侧渗补给和每年夏季7、8月份的大量雨季降水，而库区水的主要排泄途径为由东南部、东部、北部向西南方向的蒸发和径流。

东湖水库库区含水层岩性主要为裂隙性粘土、砂质壤土、夹姜石壤土和壤土。经现场分层、混合层抽水或注水试验，各层土的渗透系数成果统计见表1。

表1 各层土渗透系数

2.5 水文地质评价

2.5.1 渗漏问题

东湖水库库区坝基地层除②-1层软粘土、⑥层壤土外，其余含水层渗透系数一般为1.8m/d～9.26m/d，均属中等～强透水层，含水层间水力联系密切，存在渗漏问题，应采取有效的防渗措施。

2.5.2 浸没问题

水库蓄水后，除南坝段外，其余三坝因坝后有较深的排水沟或小清河，修整完善后，可作为截渗沟使用。只要截渗沟控制水位在地面以下2m，坝后的农田及村庄就不会受到浸没危害，但由于排水沟岸坡均没有衬护，谨防出现渗透变形破坏，影响岸坡稳定。

2.6 坝基土渗透变形判定及工程地质评价

经现场勘查得出，坝基下伏①层砂质壤土抗渗能力及抗冲刷能力比较低，存在着较严重的渗透变形和渗漏问题，①-1层裂隙性粘土、②-1层软粘土为软弱粘性土，由于它具有的低力学强度、高压缩性及遇水软化强度降低等对东湖水库修建工程很不利的特性，很有可能对坝基稳定造成影响。坝基浅层地基土为新近堆积的①砂壤土结构松散，①-1层裂隙性粘土、②-1层软粘土，具高压缩性，且厚度及分布不均匀，另在坝基勘察深度内，未见有土洞穴，但不排除有人工墓室的存在。

坝基土层为多层结构形式，坝基表层分布的砂壤土、壤土及裂隙性粘土直接暴露地表，对该三类土的渗透变形特征判定如下：

该坝基地层结构的破坏模式大部分为流土，其中，砂壤土局部地段虫孔发育较严重，这些地段往往伴随着管涌破坏，勘察和计算表明其危害相对较小。这三种土的临界坡降和建议允许坡降分别为①ik=0.30、i=0.15；②ik=0.40、i=0.10；③ik=0.60、i=0.24。

2.7 坝基渗漏与渗透变形

2.7.1 渗漏条件分析

通过查阅《碾压式土石坝设计规范》(SL 274-2020)，最终确定坝基渗漏估算的分段原则如下：

(1)如果每层土之间的透水层渗透系数数值相差小于5倍，可以将其视为同一层土进行计算，取各层土渗透系数的厚度加权平均值。

(2)⑥层壤土的计算原则为：确定⑥层壤土的厚度是否超过2m，同时应满足⑥层壤土的上覆土层的综合渗透系数与⑥层壤土的渗透系数之比是否超过100倍为计算准则，来确定⑥层壤土是否可以看作坝基渗漏估算时的相对隔水层。如果超过2m，且两者的渗透系数之比大于100倍，则将⑥层壤土看作在坝基渗漏估算时的相对不透水层，并将⑥层壤土看作单层结构来估算该段坝基渗漏量；如果条件不满足，将坝基看作没有相对隔水层，按无穷深渗透水坝基的情况估算该段坝基渗漏量。

2.7.2 渗漏量计算

坝基渗漏量按单层结构估算时，采用如下公式：

(1)

坝基渗漏量按无限深透水坝基估算时，采用如下公式：

(2)

式中：

Q单——单层透水结构坝段渗漏量(m3/d)；

Qyi——无限深透水结构坝段渗漏量(m3/d)；

B——渗漏坝段长(m)；

H——上、下游水头差(m)；

2b——坝底宽(m)；

K——透水层渗透系数(m/d)；

M——按单层估算坝基渗漏量时透水层厚度(m)；

yi——按无穷深透水坝基的情况估算坝基渗漏量时计算深度(m)，进行计算时，i取30m、50m、100m。

2.7.3 渗透变形

坝基土层为多层结构形式，坝基表层分布的砂壤土、壤土及裂隙性粘土直接暴露地表，对该三类土的渗透变形特征，采用现场、室内和理论计算三种方法进行了判定。结果如下：

砂壤土、壤土和裂隙性粘土的破坏模式表现均为流土破坏，特别的是，砂壤土有很小的部分存在着虫孔发育的现象，对工程进展十分不利，这些地段往往伴随着管涌破坏，不过这些地段的管涌破坏对东湖水库库区的兴建影响可以忽略不计。经现场勘查和查阅规范得出，砂壤土、裂隙性粘土和壤土的出口无保护条件下允许比降分别采用0.34、0.20、0.18。

3 坝基截渗方案

根据《东湖水库初步设计地质勘查报告》，坝基最严重的问题是渗漏，应采取有效的防渗截渗措施。

3.1 坝基渗漏地质评价

东湖水库库区中上部土层根据现场的勘查报告发现相对隔水层不存在的可能性较大，下部的⑥层壤土一般具弱透水性且分布连续，可视为相对不透水层，但最薄处为1.5m。

结果表明：在估算深度(无穷深透水坝基)分别为100m、50m、30m时东湖水库的围坝年渗漏量分别为0.18亿m3、0.17亿m3、0.16亿m3，分别占总库容的33.1%、31.0%和29.7%，渗漏现象相当严重，应采取有效的防渗截渗措施，同时可以防止坝基渗透变形和可能发生的坝后沼泽化次生灾害。

3.2 截渗方案分析确定

东湖水库的坝基防渗方法采用垂直截渗[5-8]，根据隔水体的不同形成原理，我们可以将其分为介入法和不透水材料置换法。介入法是指利用不透水材料直接对原状地基进行改良成振动切槽不透水板墙和高喷板墙等，使其具备一定的不透水功能。不透水材料置换法是指利用不透水材料代替原状地基材料，如垂直铺塑、薄混凝土不透水墙等，通常需要在机械成槽后，再对不透水体进行施工。因此，不透水材料置换法对槽孔的稳定性有较高的要求，而且极容易在墙的底端产生淤积现象，影响墙体与相应防渗层的连接可靠性。东湖水库坝基⑥层为壤土，结构较密实，渗透系数平均值为0.052m/d，具有较弱的透水性，可以看作相对不透水层。

4 结论

(1)本文充分考虑了东湖水库坝基存在着较严重的渗漏问题，提出了垂直防渗的截渗方案，可针对具体地质条件选用合适的施工工艺。

(2)东湖水库的工程地质条件一般，但是坝基渗漏问题找到了解决措施，因此，做好水库周围工程地质勘察非常重要，采取适当的处理措施对工程的安全性、经济性、合理性有很大的意义。

(3)东湖水库的兴建响应了国家南水北调政策的号召，为我国胶东地区的经济发展带来了希望，产生了极大的供水效益，也为以后其他类似工程出现相同问题如何处理提供了范本。