山西小浪底引黄工程取水口地质条件的分析与评价

张 峰

（山西省小浪底引黄工程建设管理局 山西太原 030002）

1 小浪底引黄工程取水工程概况

山西小浪底引黄工程取水口位于板涧河入河口处上游黄河岸边，取水口由引渠段和进水塔段组成。引渠段位于进水塔与黄河左岸谷底之间，长约171 m；进水塔引水方式为有压引水，设计取水流量20.0 m3/s。以取水口进水塔塔基建基面为基准，取其相对高程为0 m，设计最低取水水位10.5 m，最高取水水位55.5 m。

2 基本地质条件

1）取水口位于本段黄河河谷左岸岸坡处，岸坡中下部为土质岸坡，上部岸坡为基岩岸坡。进水塔和引渠段地面相对高程3.5～65.5 m，岸坡上部较缓，下部较陡。

2）取水口处出露的地层为奥陶系中统（O2）薄-中厚层深灰色灰岩、白云质灰岩、白云岩；下第三系平陆群门里组（E2pm）砂砾岩、砾岩夹泥岩及第四系松散堆积层。

奥陶系中统（O2）薄-中厚层深灰色灰岩、白云质灰岩、白云岩，主要分布于取水口底部及上部岸坡处；下第三系平陆群门里组（E2pm），岩性主要为砂砾岩、砾岩夹泥灰岩，本组地层固结程度低，岩性较软，厚度0～30 m，分布于岸坡下部；第四系松散堆积层（Q4)：岩性上部为浅红色低液限黏土夹级配不良砂、卵石混合土，下部为卵石混合土层，厚度10～30 m，分布于取水口岸坡处；第四系全新统洪冲积（Q4pal），岩性主要为卵、石混合土、低液限粉土、淤泥河粉砂。卵石混合土结构松散，分布于黄河河谷岸坡坡脚处，低液限粉土多呈软塑状态，在黄河河谷低洼处为淤泥或粉砂。卵石混合土结构松散，分布于黄河河谷岸坡坡脚处，厚度0～5 m。低液限粉土多呈软塑状态，在黄河河谷低洼处为淤泥或粉砂。分布于黄河河谷底部及河漫滩处，厚度大于5 m。

3）取水口处地质构造不发育，主要为单斜岩层，产状 N20°～30°E/SE∠33°～42°。岩层倾向黄河河谷偏下游，岩体中节理裂隙发育。取水口北西约550 m处发育F1正断层，断层产状NE50°SE∠70°，断层与引渠近垂直，断层影响带宽约20 m，断层带中岩石破碎强烈。取水口上游约350 m的北沟发育一条正断层，断层走向NW330°～340°，与取水口引渠近平行，倾向SW（黄河上游）。断层上盘为群门里组（E2pm）砾岩，下盘为奥陶系中统（O2）灰岩、白云质灰岩、白云岩。

4）取水口位于小浪底库区左岸，岸坡中下部为土质岸坡，上部岸坡为基岩岸坡，岸坡陡峻，且岩层倾向河谷，为顺向岸坡。岸坡坡脚多位于库水位以下，在库水长期冲刷、淘蚀及库水蓄水、排水反复浸泡作用下，土质岸坡及砾岩岸坡坍塌、崩塌现象较多。

3 工程地质问题评价

3.1 进水塔工程地质问题评价

1）进水塔基地基稳定性评价

进水塔位于黄河河谷左岸岸坡中下部，岸坡坡度30°左右，为土质边坡。进水塔距正常蓄水位岸边90 m，距水库放空后岸边160 m，该处地面相对高程61.5～64.5 m，出露地层上部为低液限黏土、含砾低液限黏土夹卵石混合土，厚度25～40 m。其下为砂砾岩、砾岩夹泥岩，含石膏泥岩，砾岩、砂砾岩泥钙质胶结，砾石成分主要为灰岩，成岩固结程度低，岩性软弱，厚度0～12 m。进水塔处砾岩顶面相对高程在20.5～40.5 m。从钻探岩心看，岩体质量较差。最下部为薄-中厚层深灰色灰岩、白云质灰岩。岩石为较软-中硬岩，厚度大于50 m。岩体裂隙发育完整性差碎裂局部岩溶发育夹泥破碎。进水塔处基岩顶面相对高程在10.5～35.5m，由岸里向河谷方向渐低。强风化层厚度4～11m，强风化下限相对高程在5.5～25.5 m；弱风化厚度12～15 m，弱风化下限相对高程在-4.5～10.5 m。

进水塔塔基建基面持力层位于奥陶系中统（O2）弱风化灰岩、白云质灰岩层中，弱风化岩层作为进水塔地基，承载力满足要求。根据钻孔资料，岩体完整性差。建议对进水塔建基面以下破碎岩体进行固结灌浆处理。

2）基坑涌水量预测

由于该处岸坡紧邻库区水面，且岸坡岩层透水性较好，进水塔处地下水位与库水位联系密切，与库水位基本一致。进水塔基坑开挖存在涌水问题，施工时需采取排水措施。

进水塔基坑开挖后地面相对高程54.5 m，位于小浪底水库设计正常运行水位55.5 m以下。基坑地层自上而下为中更新统Q2pl低液限黏土夹卵石混合土层，厚度25～35 m；门里组（E2pm）砂砾岩、砾岩夹泥岩，厚度 15～22 m；马家沟组（O2）灰岩、白云质灰岩，厚度 5～13 m。低液限黏土夹卵石混合土层级砂砾石层综合渗透系数为2.82 m/d，为中等透水层。进水塔处钻孔相对高程-0.25 m以上灰岩、白云岩压水试验透水率一般在10.7～19.3Lu，平均值在13Lu左右，为中等透水地层。

现将进水塔基坑假设为大口探井，采用非完整井计算公式估算涌水量如下：

式中：Q——基坑涌水量，m3/d；

k——含水层平均渗透系数，m/d，取2.82 m/d；

H0——潜水含水层厚度，m，取56m；

h——基坑动水位至含水层底板深度，m；

l——滤管有效长度，m；

S——基坑水位降深，m，取53 m；

R——降水影响半径，m；

r0——基坑等效半径，m，取值25 m。

经计算，在小浪底水库正常运行条件下，估算进水塔基坑涌水量约为5 273 m3/d。

3）基坑边坡稳定性评价

进水塔基坑长90 m，宽50 m。进水塔基坑边坡上部为低液限黏土夹卵石混合土层厚度25～38 m，其结构松散；中部为砂砾岩、砾岩夹泥岩，厚度5～12 m；下部为薄-中厚层深灰色灰岩、白云质灰岩、白云岩，厚度16～50 m，砂砾岩胶结程度低，岩性软弱，遇水易软化。正面开挖边坡高度为56 m，岩层产状N20°～30°E/SE∠33°～42°。基坑正面边坡走向为 NE19°。岩层走向与基坑正面边坡近平行，为顺向坡，正面边坡稳定性较差，有顺层面失稳的可能性，需进行锚杆或锚索支护。两侧边坡走向为NW289°，岩层走向与基坑两侧边坡近垂直，为横向坡。边坡顶部覆盖层边坡及砂砾岩边坡遇水后易垮塌。开挖边坡多位于小浪底水库设计正常运行水位以下，故存在开挖高边坡稳定问题。进水塔基础在库水长期冲刷、淘蚀作用，及库水浸泡作用下，该处开挖边坡存在稳定问题，建议对进水塔处边坡及上部土质岸坡进行削坡衬砌防护。

3.2 引渠工程地质问题评价

引渠段位于进水塔与黄河左岸谷底之间，长约171 m。设计渠底相对高程为7.5 m，引渠轴向与黄河河谷近垂直。

1）0-021.5～0-056 段

本段引渠底部主要为奥陶系中统（O2）薄-中厚层深灰色灰岩、白云质灰岩、白云岩，块状构造，岩性较硬。岩体主要为强-弱风化，分布相对高程7.5～50.5 m。引渠上部开挖边坡岩性为下第三系砾岩夹泥岩层，岩性软弱，饱和后多呈松散状态，饱和单轴抗压强度多小于1 MPa。边坡基本位于最高取水位55.5 m以下，引渠下部边坡相对较为稳定，但上部砂砾岩边坡遇水性状变化较大，总体自稳能力差。需对引渠过水断面进行全面衬砌，并对上部开挖边坡进行防护。

2）0-056～0-086 段

本段引渠段底部为砂砾岩，砾岩夹泥岩层岩性软弱，饱和后多呈松散状态，饱和单轴抗压强度多小于1 MPa。该段存在基础承载力不足的问题，需进行必要的置换处理。边坡下部为砂砾岩，上部为覆盖层边坡，其结构松散，承载力低，抗冲刷能力差，岸坡自稳能力差，本段存在开挖边坡稳定及施工涌水问题。

3）0-086～0-167 段

该段引渠位于进水塔与岸坡坡脚之间，开挖边坡主要为中更新统（Q2pl)低液限黏土夹卵石混合土层，其结构松散，抗冲刷能力差，边坡总体自稳能力差。该处地下水位与库水位联系紧密，小浪底库区放水后，本段引渠开挖边坡底部约7～12 m位于地下水位以下，故引渠底部施工开挖存在渗水或少量涌水问题，应采取降排水措施，高边坡应设马道，并对上部开挖边坡进行防护。

4）0-167～0-191.5 段

本段引渠位于岸坡坡脚处及黄河河漫滩处，边坡地层为全新统（Q4pal)卵石混合土、低液限粉土及淤泥等，其呈松散状态，低液限粉土呈软塑状态，低洼处甚至呈流塑状态。其结构松散，承载力低，抗冲刷能力差，岸坡自稳能力差，本段存在开挖边坡稳定及施工涌水问题。

5）引渠岸坡稳定性评价

引渠段左侧边坡开挖高度较大，最大开挖边坡37 m；右侧边坡最大开挖边坡16 m。由于取水口位于黄河左岸的凹岸段，该处岸坡较陡，主要为Q2pl低液限黏土夹卵石混合土层土质岸坡，其结构较松散，抗冲刷能力差。引渠开挖后将形成较陡边坡，在河水湾流、淘蚀作用下岸坡稳定性差。目前在取水口下游处已产生部分坍塌现象。而且小浪底水库每年汛期要放水拉沙，在库水长期冲刷、淘蚀及库水浸泡作用下，存在岸坡稳定问题。建议对引渠两侧边坡及引渠进口处上下游河谷侧岸坡进行削坡衬砌防护并设马道、坡面和坡体排水设施。

6）取水口淤积特性

由于黄河含沙量大，每年蓄水期内小浪底水库库区内将堆积以低液限粉土、淤泥等为主的细颗粒淤积物。在每年汛期水库将放水拉沙，库区内河谷主河槽及其凹岸段处淤积物多数被水流携带走，在低洼及漫滩处形成淤积。因此，取水口存在淤积问题。根据谷底新近淤积物样颗分试验成果（表1），其颗粒主要为粉粒，粉粒（0.005～0.075 mm）含量平均值为89.6%，其中粉粒组（0.01～0.05 mm）含量为52.3%、粉沙（0.05～0.075 mm）含量为32.7%。

表1 小浪底库区新近淤积物试验成果统计表

4 结语

进水塔设计建基面承载力满足需要，但建基岩体完整性较差，建议对建基面及其以下岩体进行固结灌浆处理；进水塔基坑开挖边坡覆盖层结构松散，砂砾岩胶结程度低，岩性软弱，遇水易软化，且开挖边坡多位于小浪底水库设计正常运行水位以下，故存在开挖边坡稳定问题，开挖时应采取必要的支护措施；引渠边坡卵石混合土层结构松散，细颗粒缺失，局部具架空结构；低液限粉土呈软塑状态，低洼处甚至呈流塑状，其结构松散，抗冲刷能力差，岸坡自稳能力差，需采取必要的处理措施；引渠底部施工开挖时存在渗水或少量涌水问题，应采取降排水措施。