掌崗圖景觀水系工程地質條件評價及填筑料場分析

于紅波

（遼寧省營口水文局，遼寧 營口 115003）

1 概述

伊金霍洛旗掌崗圖景觀水系開元路工程位于烏蘭木倫河的一級支流掌崗圖河下游、伊金霍洛旗政府所在地阿騰席熱鎮西1km處，控制流域面積43.8 km2。該工程最大蓄水量為727.85 萬m3，工程等別為Ⅳ等，工程規模為?。?）型，永久性主要建筑物為擋水路基、排洪渠、輸水涵洞按4 級建筑物設計，臨時性建筑物按5 級設計[1-4]。根據筑壩土料質量要求、開采運輸及周邊地形條件，本次勘察由建設單位推選了5 個筑壩土料場，按產地規模及位置分為料-1、料-2、料-3、料-4、料-5。5個料場除黏粒含量、滲透性指標、礫石含量不滿足規范要求外，其余各項指標均符合要求，適合用于填筑材料。

2 工程地質條件與評價

2.1 擋水路基工程地質條件與評價

2.1.1 地形地貌

擋水路基水庫區地形地貌特征同區域地形地貌基本一致。按照成因和特征，可劃分為3 個地貌單元。

（1）風積地形（Ⅰ）。分布于庫區兩岸平緩斜坡坡腳處，地勢較低，地面高程1 331.4～1 334.8 m，地形有起伏，植被較好，以風積固定、半固定沙丘為主。

（2）侵蝕堆積河谷地形（Ⅱ）。條帶狀分布于掌崗圖河道及兩側次級支溝中，河谷較寬闊，底寬120～240 m，主流線較穩定，河谷地貌單元較少，以河漫灘及二級堆積階地為主，局部分布有一級階地。

（3）構造剝蝕丘陵地形（Ⅲ）。廣泛分布于庫區兩岸岸坡及分水嶺地段，以右岸最為明顯，分布范圍較大，地勢較高，地面高程1 358～1 378 m，地形起伏較大，沖溝較發育，基巖裸露明顯。

2.1.2 地層巖性

擋水路基水庫區地層巖性較簡單，巖性及巖相與區域地質基本相同。庫區地層由老至新分述如下。

（1）白堊系下統志丹群第二巖段（K1zh2）。巖性以紫紅色、黃綠色、灰白色細砂巖為主，產狀近于水平，巖質較致密，泥質膠結，礦物成份為長石、石英及高嶺土，弱～微透水性，地層厚度60～120 m。地層上與第四系地層呈角度不整合接觸，下與白堊系二、三、四、五巖段呈平行不整合接觸。

（2）第四系全新統沖洪積（Q4al-pl）。條帶狀分布于各溝谷河床及階地地形中，巖性以土黃色粉砂、細砂、礫砂、卵石為主，稍密～中密，主流線附近濕～飽和，河漫灘處稍濕～濕，中等～強透水性，礦物成份以長石、石英為主，顆粒級配較差，磨圓較好，構成地區唯一第四系潛水含水巖組，地層厚度一般1.5～7.8 m。

（3）第四系全新統風積（Q4eol）。主要分布于庫區右岸丘陵斜坡坡腳，巖性以粉砂、細砂為主，松散，局部稍密，干燥～稍濕，礦物成份為長石、石英及云母，透水不含水，地層厚度一般1.1～5.8 m。

（4）人工堆積物（Qml）。主要分布在左壩肩，巖性以粉砂土、細砂土、砂巖屑及砂巖塊等為主，人工堆積而成，稍密、局部中密，稍濕，為路基填土，地層厚度1.1～21.9 m。

2.1.3 地質構造

庫區無斷裂構造，節理、裂隙也以巖層表部次生風化形成為主，厚度較小，連通性較差。庫區位于相對穩定的地塊臺地上，新構造運動以上升為主，構造形跡簡單。

2.1.4 水文地質條件

擋水路基水庫區發育有地表水及地下水。地表水主要接受大氣降水直接補給，該地表水水位及水量受季節性影響變化較大，一般在枯水年及枯水期五六月份常出現斷流現象，其余時段清水基流量較小。區內地下水主要為第四系松散巖類孔隙潛水，賦存于Q4al-pl細砂、礫砂含水層中，主要接受河床地表水及周邊丘陵側向徑流補給，水位及水量受季節性影響變化較大，在河床地表斷流時，河床地下潛水位埋深一般0.2～7.9 m，而在河床地表有正常徑流時，地下潛水位基本與地表徑流水位齊平；其次為碎屑巖類孔隙～裂隙潛水，賦存與分布主要受巖體風化狀態影響控制，一般含水介質以細砂巖孔隙及風化裂隙為主，潛水位埋深一般大于-20 m。潛水與承壓水明顯分界，補徑關系一般為潛水補給承壓水。經室內化驗，地表水和第四系松散巖類孔隙潛水水質均較好，水化學類型均為HCO3·SO4-Ca·Mg 型水，礦化度均小于1 g/L，水質對混凝土及鋼結構無腐蝕性。

2.2 排洪渠工程地質條件與評價

排洪渠屬開敞式泄洪結構，布置在擋水路基右側，渠軸線與路基軸線基本垂直。本次勘察共在排洪渠布置鉆孔9 個，其中1 個孔與路基線共用、其余8個鉆孔總進尺94.3 m。

2.2.1 地形地貌

排洪渠沿線為丘陵山體與侵蝕堆積河谷地形的過渡帶，地勢較高，地面高程1 334.20～1 353.08 m，地形起伏較大，坡度0.3‰～9.2‰，進出口段相對高差18.9 m。地表多被風積砂覆蓋，表現為固定半固定地貌，其上植被發育。

2.2.2 地層巖性

（1）單元層②（Q4eol）粉砂。風積，土黃色，松散，干燥～稍濕。該層分布范圍較大，除排洪渠出口段外，其余地段均有分布，地層厚度1.1～5.8 m，平均厚度3.8 m，層頂標高1 335.24～1 353.08 m，層底高程1 335.55～1 351.98 m，埋深0。滲透系數K=2.0×10-2cm/s，屬強透水性。

（2）單元層③（Q4al-pl）細砂。沖洪積，土黃色、棕黃色，稍稠密，微濕～飽和。該層主要分布于排洪渠出口段的河床中，地層厚度2.6～3.6 m，平均厚度3.1 m，層頂標高1 334.20～1 335.24 m，層底高程1 331.60～1 331.64 m，埋深0～5.8 m。滲透系數K=3.0×10-2cm/s，屬強透水性。

（3）單元層④（Q4al-pl）礫砂。沖洪積，棕灰色、灰白色，微密～中密，濕～飽和，含卵石、塊石。該層主要分布于排洪渠出口段的河床中，地層厚度1.4～1.6 m，平均厚度1.5 m，層頂標高1 331.60～1 331.64 m，層底高程1 330.10～1 330.14 m，埋藏深度2.6～3.6 m。滲透系數K=4.9×10-2cm/s，屬強透水性。

（4）單元層⑤（K1zh2）細砂巖。全風化，黃綠色、紫紅色、灰白色，稍濕～濕。該層在排洪渠沿線均有分布，層頂標高1 330.10～1 351.98 m，層底標高1 326.70～1348.38m，埋深1.1～5.8 m，層厚2.5～3.6 m，平均厚度3.0 m。透水率q=13.9 Lu，屬中等透水性。

（5）單元層⑥（K1zh2）細砂巖。風化性強，紫紅色、灰白色、藍灰色，微濕。該層在排洪渠沿線均有分布，層頂標高1 326.70～1 348.38 m，埋深4.7～8.8 m，鉆孔揭露厚3.7～9.3 m。透水率q=3.6～3.9 Lu，屬弱透水性。

2.2.3 地質構造

排洪渠沿線地質構造簡單，無斷裂構造，結構穩定性好。

2.2.4 水文地質條件

勘測期間，排洪渠進口至挑流段一線均未見地下水，但河床出口處有地下水潛水存在，含水層為細砂、礫砂，潛水位埋深2.5～3.0 m，水位標高1 331.74～1 332.23 m，水位及水量受季節性影響變化較大[5]，受補給條件限制，水量較貧乏，枯水年及枯水期一般未見分布，對混凝土及鋼結構不具侵蝕性。

2.2.5 巖土抗沖刷評價

排洪渠為開敞式泄洪結構，進口段開口寬43.15 m，控制段底寬30 m，陡槽段底寬30 m，進口段頂堰高程1 347.00 m，消力池出口底高程1 334.00 m。排洪渠進口段附近底部及側壁地基均為Q4eol粉砂，出口段附近底部及側壁地基均為Q4al-pl細砂及礫砂，僅中部為強風化細砂巖層。第四系地層抗水流沖刷能力極差。細砂巖層屬極軟巖，泥質膠結，成巖性差，遇水易風化及軟化崩解，抗水流沖刷能力較差。根據水利水電工程相關規定[6]，其不滿足泄洪要求，應進行襯砌。因巖體風化及軟化速率較快，開挖后應及時襯砌。

綜上，排洪渠進口及出口附近建筑基底分布有第四系粉砂、細砂及礫砂，不滿足抗沖刷穩定要求，中部一帶基底為基巖，形成巖土組合地基，不滿足地基一致性要求。建議進出口段基底加深至基巖為準，其中進口段需加深至高程1 345.8 m，加深深度1.2 m；出口消力池附近加深至高程1 330.1 m，加深深度3.9 m。挑流鼻坎以下區段均為第四系細砂及礫砂，抗沖刷能力極差，應做渠道化襯砌處理，以防止洪流形成沖刷坑反淘鼻坎。

2.2.6 邊坡穩定分析

按現狀地貌形態及地面標高估算，排洪渠開挖將形成高度為0.7～5.0 m 的土質邊坡，中部將形成高度約6.6 m的巖土組合邊坡，其中土質邊坡高度一般1.1～6.2 m、巖質邊坡高度0.4～5.5 m。

根據土工化驗資料，第四系地層等效內摩擦角一般為28°，等效內聚力為0。按照無黏性土邊坡穩定理論，土質邊坡穩定坡角宜為28°，在此條件下土質邊坡處于穩定狀態?；鶐r體為細砂巖層，成巖性差，易風化及軟化崩解，屬極軟巖。因巖質過于軟弱，建議等效內聚力C=32 MPa，等效內摩擦角φ=36°，穩定坡比為1∶0.75。該巖質邊坡地層產狀近于水平，不會產生滑坡工程地質問題，但陡立邊坡坡頂易風化剝落和小塊體崩落。

經分析發現，土質邊坡和巖質邊坡坡比控制在允許范圍內時[7]，邊坡處于穩定狀態。但因巖土體抗水流沖刷能力差，將出現坡面沖蝕、流土等現象，最終趨于不穩定，因此應對排洪渠邊坡及基底進行鋼筋混凝土全斷面襯砌及支護處理。

2.2.7 底板基礎滲透破壞評價

當排洪渠底板地基土為第四系地層時，排洪渠地下滲流對巖土體的滲透破壞評價如下。

（1）單元層②粉砂層。不均勻系數Cu=4.518，該地層屬流土型滲透變形[8]。

（2）單元層③細砂層。不均勻系數Cu=2.869，該地層屬流土型滲透變形。

（3）單元層④礫砂層。不均勻系數Cu=38.577，該地層屬流土型滲漏變形[9]。結合地區實際，排洪渠基底允許水力比降J允許=0.25。

（4）單元層⑤全風化細砂巖層。該巖層屬極軟巖，成巖作用差，易風化軟化解體。在長期風化及浸水狀態下，表部會出現全風化層，性狀類似于土類，在滲透條件下出現流土滲透變形[10]。泥巖風化軟化后也會出現季節性凍脹現象，使底板開裂變形。

綜上，排洪渠底板無論是土基還是巖基，地下滲流都會導致滲透破壞問題。因此，應對底板進行隔水防滲處理。

2.3 輸水涵洞工程地質條件與評價

輸水涵洞位于庫壩左岸，呈直線分布，洞軸線與壩軸線基本垂直[11]。本工程設輸水涵洞2 個，埋設直徑1.8 m預應力鋼筒混凝土管，閘門進口高程分別為1 339、1 342 m，且2號輸水涵洞兼二期導流洞，導流底高程1 336 m。

2.3.1 地形地貌

輸水涵洞沿線為侵蝕堆積河谷地形，出口段臨時堆積高11.4 m 左右的堆土，地面高程1 336.32～1 348.08 m，地形起伏一般較小，局部堆土段較大，坡度一般0.3‰～1.1‰，局部堆土處45.4‰～76.6‰，相對高差11.8 m。

勘測期間，輸水涵洞沿線多有地下水潛水存在，含水層為Q4al-pl礫砂，潛水位埋深0.6～12.5 m，水位標高1 335.63～1 336.84 m，受補給條件限制，水量較貧乏，枯水年及枯水期一般未見分布，對混凝土及鋼結構不具侵蝕性。

2.3.2 地基滲透穩定性評價

單元層③細砂層、單元層④礫砂層屬強透水性，存在流土類滲透變形影響。其下伏巖層均不存在滲透變形影響。

2.3.3 地基抗沖刷穩定性評價

單元層③細砂層抗沖刷能力差，不滿足抗沖刷穩定要求；單元層④礫砂層抗沖刷能力差，不滿足抗沖刷穩定要求；單元層⑤全風化細砂巖巖層膠結差，強度較低，抗沖刷能力較差，允許流速1.5 m/s，不滿足抗沖刷穩定要求；單元層⑥強風化細砂巖巖層膠結較差，強度較低，抗沖刷能力較差，允許流速2.0 m/s，不滿足抗沖刷穩定要求。

根據分析可知，輸水涵洞沿線地層抗沖刷能力不夠，需進行抗沖刷襯砌和防止滲透變形處理。

2.3.4 地基持力層選擇及地基處理措施

綜合地層強度、滲流及沖刷穩定等因素，輸水涵洞地基可選持力層為單元層③細砂層或單元層④礫砂層。因抗沖刷和滲透變形不滿足要求，需進行襯砌和防止滲透變形處理。

3 填筑砂礫料場

3.1 儲量計算

儲量計算以勘探資料為基礎，采用平均厚度法和平行剖面法進行。經計算，其總儲量為422.2×104m3，詳見表1。

表1 土料料場儲量計算結果

另有6 號料場，距工程位置約15 km，主要成份為含卵礫砂，儲量約45萬m3。

3.2 質量評價

料-1 主要成份為粉細砂巖屑，顆粒較均勻，開采條件較好，其天然干密度ρd=1.93 g/cm3，天然含水量ω=7.99%。

料-2 主要成份為粉細砂巖屑，顆粒較均勻，開采條件較好，其天然干密度ρd=1.93 g/cm3，天然含水量ω=7.96%。

料-3 主要成份為粉細砂與粉細砂巖屑，顆粒較均勻，開采條件較好，其上部粉細砂天然干密度ρd=1.50 g/cm3，天然含水量ω=8.08%；下部粉細砂巖屑天然干密度ρd=1.94 g/cm3，天然含水量ω=7.99%。

料-4 主要成份為粉細砂巖屑，顆粒較均勻，開采條件較好，其天然干密度ρd=1.95 g/cm3，天然含水量ω=8.01%。

料-5 主要成份為粉細砂與含卵礫砂，粉細砂顆粒較均勻，含卵礫砂顆粒極不均勻，開采條件較好，其上部粉細砂天然干密度ρd=1.44 g/cm3，天然含水量ω=6.80%；下部含卵礫砂天然干密度ρd=1.57 g/cm3，天然含水量ω=14.40%。

各料場筑壩土料質量評價結果，詳見表2。

表2 筑壩土料質量評價結果

由表2 可知，料-1、料-2、料-3、料-4、料-5 這5個料場作為筑壩土料場，除黏粒含量、滲透性指標、礫石含量不滿足規范要求外，其余各項指標均符合要求，且巖質較疏松，易開挖、碾碎成細砂巖巖屑。

以上料場具有易開采、儲量大、運距短、可壓性較好等特點，是比較理想的筑壩土料場。但選用以上料場，壩體需采用防滲處理措施。設計時，應注意將現料場地表風積細砂及草皮清理后使用；原壩體土質以含細粒土砂為主，巖性基本一致。另外，對個別不易壓碎的巖塊應分撿出場。土料需灑水壓實。

4 結語

掌崗圖景觀水系開元路工程的地質條件評價及填筑料場分析是工程順利進行的基礎工作。通過對工程地質條件的綜合評價和對填筑料場的詳細分析，為工程的設計和施工提供了科學依據，確保了工程建設的質量和安全。同時，還需要加強對地質條件的監測和預測，及時調整工程設計和施工方案，以應對可能出現的風險和問題。