3.2　库区主要工程地质问题研究

3.2.1　库岸稳定

组成库岸的岩体（石）大致可分为两类：一类为∈1mz2、∈2z岩组，中层至厚层状，鲕状灰岩、结晶灰岩、白云质灰岩等，岩性单一，岩石致密，强度及抗水性能好，对岸坡稳定有利；另一类为∈1m、∈1mz1、∈2x岩组，薄层状，岩性为粉砂质页岩、泥灰岩、粉砂岩、灰岩等，岩性复杂，软硬相间，岩石强度相对低，抗水性能差，对岸坡稳定较为不利。在地形上，前类岩组对应为陡崖（坎），自然坡角60°～90°，后一类岩组对应为缓坡，自然坡角25°～40°。

据地质调查、探洞、物探及钻探资料分析，岸坡强风化层一般厚2～4m，个别地带如右岸ZK504可达7.8m，左岸ZK511可达7.1m；弱风化层一般厚2～6m。岸坡卸荷带发育情况与岩性、地形关系较大，据3号探洞，∈1mz2中厚层状灰岩0～6m为强卸荷带，6～20m为弱卸荷带，2号探洞∈1m3薄层泥灰岩卸荷带仅4m。库区内仅在左岸东沟村上方、狼山北麓和右岸库尾的∈2x地层形成的缓坡上发现有数处∈2z灰岩的倒石堆，未见基岩滑坡等其他不良物理地质现象，自然库岸边坡稳定。

库区地层总体倾向330°，倾角0°～5°，属水平地层区。地层倾角远小于层面间的摩擦角，对岸坡稳定较为有利。左岸山体边坡类型为顺向坡，自然边坡较缓，15°～30°，右岸山体边坡为逆向坡，自然边坡稍陡，为25°～40°。

综前所述，开挖前库岸边坡从岩质、岩体结构上可分为三种类型（见表3.2－1）。它们构成了库岸边坡稳定的最基本类型。

3.2.2　库盆地质条件研究

上水库库盆是利用天然东沟，在宝泉村上游1km左右建堆石主坝，在东沟上游库尾建砌石副坝，并经对东沟两侧规整开挖后形成库盆。

根据岩体结构、岩性及结构面等条件综合考虑，可将岸坡分为两个稳定性分区。

Ⅰ区：库水位以下大部分岸坡，地层正常，主要由薄层结构的∈1m3～∈1m5，∈1mz1泥灰岩、粉砂质页岩组成岸坡，另在正常蓄水位附近，有少量的中至厚层结构的∈1mz2灰岩。在未蓄水时，由于工程边坡比自然边坡缓，库岸边坡将处于稳定状态。但是蓄水后，在库水的长期浸泡下，库岸易软化的泥灰岩、粉砂质页岩的抗压及抗剪强度将降低，特别是抽水蓄能电站骤升骤降的运行工况，将使渗入到岸坡的库水不能及时排出，对岸坡的稳定产生不利的影响。另一方面，由于泥灰岩、页岩软弱易风化，在施工开挖到建基面时，也需要对建基面采取临时保护措施。因此，从库岸稳定角度考虑，库盆整体防渗是必要的。

Ⅱ区：库水位以下库区南侧边坡主要有断层及其间所夹岩体组成的岸坡。由于岩体较为破碎，工程地质条件较差，主要表现在断层带附近岩体破碎，但对边坡整体稳定性影响不大，但断层带岩体较破碎，鉴于以上情况，一方面，针对断层发育不同情况需采取固结灌浆或混凝土塞等不同的工程处理措施；另一方面，更要做好岸坡的保护措施。实际开挖揭露断层规模较小，断层带物质胶结良好，没有进行专门性处理。

另外，在库盆开挖过程中，由于库岸岩体主要为薄层、中厚层页岩、泥灰岩，加上裂隙切割，易形成岩质陡坎，对于以上的地质缺陷处理采用以下方法：当陡坎高度超过0.3m（垂直坡面）厚时，采用C10素混凝土补坡，补坡表面应保持粗糙，粗糙度不小于2mm；部分采用M7.5水泥砂浆砌60号块石补坡。

由于库岸岩体的工程地质特性，主要分布寒武系馒头组的泥灰岩、页岩和泥质粉砂岩，岩性较软，一般属中硬岩，开挖过程中未发现溶洞。

在前期勘探过程中，为查明覆盖层厚度，在地质测绘的基础上，布置了钻孔40余个，总进尺达3000余m；同时考虑钻探成果的局限性及时间性，还进行大量的地球物理勘探工作，共完成地震剖面20条，低速带点10个，露头弹性波测试2处，测线累计长度4.20km，工作方法采用地震折射法勘探。但由于库底覆盖层为砂卵石层，以块石和碎石为主，基岩为寒武系馒头组泥灰岩、页岩以及粉砂岩，受风化卸荷影响，上部岩石较破碎，基岩弹性波速较低，地震勘探的精度受到一定影响。为了解覆盖层的物质组成和物理力学性质，对其进行大量的室内、外科学试验，其中大型载荷试验5组，颗分30余组，常规物理力学试验10余组。根据以上工作，对整个勘察成果经过分析，形成了上水库基岩等高线图，对于基岩露头和勘探揭示的基岩等高线一般采用均插法进行展布。通过勘探表明，库坝区冲沟覆盖层分布广泛，左岸（今4号沟）至主坝坝址在高程750.00～780.00m以下分布有较大范围的坡、洪积物，一般厚10～35m，钻孔ZK105处达41m。主坝坝址右岸高程740.00m以下分布有半胶结松散状坡积物，厚10～16m。副坝附近也有一定范围的覆盖层。覆盖层的物质组成、结构、分布厚度十分复杂，既有半胶结状，也有松散状。高程780.00m以上覆盖层多分布在冲沟内。

在库盆开挖过程中，环库两岸发育有大小不一的冲沟7条（见图3.2－1）。从已揭露冲沟看其发育多为V形，冲沟与岩石边坡连接段陡峭，下切剧烈。

一般正常河流的侵蚀与堆积，总是与该流域的地质构造运动和气候变化有着直接的相关性。根据宝泉上水库冲沟的物质组成和结构特点及其空间分布规律，分析其成因与下列因素有关：

（1）新构造运动的间歇性抬升。宝泉抽水蓄能电站区域总的来讲是处于新构造运动，以强烈的持续上升为主，但有停顿或下降，造成山体切割强烈，多形成深切峡谷，相对高差达1000余m，河流在急剧切蚀过程中，两岸岩体初始地应力卸荷释放，造成岩体松弛，裂隙发育，崩塌和滑坡发育，堆积在河床中。由于抬升过程中间歇性停顿或下降，造成覆盖层具有一定成层性。

（2）强降水形成泥石流和碎屑流（固体径流）。宝泉地区年降雨总量的70%左右集中在5～9月，且多大雨和暴雨，同时山高坡陡，东沟两侧的支流冲沟发育（多为V形沟），冲沟两侧岩体风化层厚，加上坡降大，常形成泥石流或碎屑流，这些松散物质被搬运并沉积在东沟及其支沟内，亦为覆盖层的重要物质来源之一。

（3）与构造、岩性有关。由于上水库断层及层间错动相对发育，受其影响，岩体破碎，加上寒武系下部为泥灰岩、页岩，易风化，而且顺河向裂隙发育（高倾角裂隙），受地表水和地下水影响，在河谷和沟涧中形成局部深潭、深槽，为上游不断搬运而来的沉积物质提供了沉积场所。

各冲沟具体工程地质特性如下：

1号沟覆盖层物质组成为第四系冲、洪积物。

1号沟同坝址区一样都位于东沟内（近平行岸坡），沟底覆盖层物质组成与坝址区覆盖层基本相同，多数试样大于20mm的粗粒含量均大于50%，按覆盖层的工程分类名称河床覆盖层可定义为碎石土。河床覆盖层不均匀系数一般介于10.3～1949.2，多数试验点小于100，曲率系数介于1.1～12.4之间，较难压实；其天然干密度为1.84～2.36g/cm3，多数试样大于2.00g/cm3，根据波速测试结果分析，纵波速900～1000m/s，相对密实。整体天然状态下可以作为坝基，同时在招标设计阶段变形试验表明变形量并不大，开挖期对该部位的覆盖层重Ⅱ型动探结果表明，变形模量在35MPa左右。

在库盆开挖过程中，自高程768.00m左右向下基岩面变陡，形成倾角约60°的基岩陡坎，由于形不成1：1.7设计边坡，自高程768.00m以下脱空。由于坡面上覆盖层是松散软弱的堆积物，施工中已挖除，沿基岩面已开挖至高程720.00m左右，基岩已出露。根据冲沟出露地形地貌和内部覆盖层性状分析，分析其成因是由于东沟内河床冲刷偏右侧库岸，加上顺河向高倾角风化裂隙的切割，形成岩石陡坎。

2号沟位于副坝右坝肩处（库岸桩号K0＋977），该冲沟是由于宝泉上水库山高坡陡，多大雨、暴雨冲刷形成冲沟，物质组成为第四系崩、坡积物。覆盖层由碎块石夹壤土组成，碎块石之间由细颗粒的砾和壤土充填，开挖前未发现架空现象。

2号沟在副坝右坝肩基础开挖过程中大部分已经挖除，剩余较少一部分位于库盆以内，目前2号沟位置按1：1.7边坡，库岸已开挖至高程752.00m，覆盖层已全部挖除，在高程770.00m以下有少量脱空，但脱空量较小，估算开挖回填量在1000m3左右。

3号沟位于库岸桩号0＋930处，近于正交岸坡，最大宽度约30m左右，在环库公路上部与2号沟相交，该冲沟成因和物质组成与2号沟一致，为第四系崩、坡积物。覆盖层由壤土夹碎块石或碎块石夹壤土组成，碎块石之间由细颗粒的砾和壤土充填，未发现架空现象。

4号沟位于库岸桩号0＋780处，与岸坡斜交，高程791.60m处宽度约85m左右，该冲沟物质组成主要为第四系壤土夹碎块石或碎块石夹壤土，局部含有粒径大于1m的块石，大于20mm的粗粒含量占50%以上，松散—中密，局部半胶结。

综合分析，该区P5含量一般略小于70%，初步认为主要取决于粗料性质，其物理力学性质如何，将是影响覆盖层受力后变形大小的重要因素之一，覆盖层碎石的岩性以灰岩为主，其次为白云质灰岩，不同深度均处于弱风化状态；其饱和抗压强度一般大于60MPa，均属坚硬岩类；软化系数一般大于0.75，属于不软化的岩石，但经长期地下水淋滤或风化作用，可能使得部分吸水率较大、软化系数较低，易于浸水软化，然而，库区为全面防渗，防渗体的下部还布设有排水设施，因此达到饱和状态的可能性较小，即使有少量水的下渗，由于覆盖层的渗透系数较大，也会很快渗透到持力层以下，所以，从实际运行情况分析，只要做好沥青混凝土护岸下的防渗与排水，减少覆盖层中的含水量，便可以排除或削弱浸水软化问题，不会形成对工程的控制性危害。

前期研究表明，该区不均匀系数一般大于100，最大可达8873，曲率系数CC＝1.1～101.0，表明颗粒组成不均匀；其天然干密度为1.62～2.26g/cm3，绝大多数试样小于2.00g/cm3，根据波速测试结果分析，上部纵波速500～600m/s，相对松散，下部1050～1100m/s，相对密实，但整体天然状态下不宜作为库岸基础，对上部松散层进行挖除。下部必须进行夯实工程处理措施以提高其密实性。

根据开挖情况接露基岩面分析，排水廊道轴线向库岸方向最低基岩面高程低于735.00m。4号冲沟是上水库库区表面汇流最大的一个冲沟，环库路以上两个支沟表面汇流均进入4号冲沟，汇流面积0.25km2，25年一遇洪峰流量16m3/s。

同时在4号沟下游侧库岸桩号K0＋660处（顺东沟方向）发育一宽约70m的岩质陡坎，造成该部位大面积脱空。该陡坎的形成主要是由于5号沟雨水冲刷和4号沟流水掏蚀而成，加上岩体高倾角顺河向裂隙切割，经历大洪峰冲刷引起岩体沿裂隙发育面搬运，形成岩石陡坎，陡坎顶部高程769.00m左右。

5号冲沟位于库岸左侧4号、6号冲沟之间，库岸桩号K0＋550处，与岸坡近正交，最大出露宽度约16m，覆盖层最大厚度5m左右，在高程782.00m处结束，脱空量较小，覆盖层开挖完毕后直接采用浆砌石与库岸边坡补齐。该冲沟物质组成主要为第四系壤土夹碎块石或碎块石夹壤土，成因同3号冲沟。由于开挖量较小，冲沟覆盖层已全部挖除，回填已经完成。

6号沟位于库岸桩号K0＋435～K0＋470段（风门口），与岸坡近正交，该冲沟是上水库较大的支沟，冲沟物质组成主要为第四系壤土夹碎块石或碎块石夹壤土。开挖以后最大出露宽度40m，最大开挖深度13m左右。冲沟覆盖层已全部挖除，设计方案采用堆石混凝土对脱空段进行回填。该冲沟在高程774.00m左右结束，对该高程以下边坡开挖没有影响。

7号冲沟位于库岸左侧桩号K0＋040～K0＋070段，与岸坡近正交，覆盖层全部开挖完毕，最大出露宽度30m，开挖出露最大深度20m左右，在高程750.00m以下基岩出露，冲沟物质组成主要为块石、碎石。

通过分析可以看出，冲沟内充填物结构复杂，多为坡积、崩积和冲洪积的土夹石或碎石土，局部含直径1m以上大块石，其代表性物理力学指标见表3.2－2。

冲沟覆盖层主要是可压缩性较小的碎石土，但相对于岩石，其变形模量仅为1/1000左右，而宝泉地区天然形成的基岩坡面非常陡峭，库区常见几十米高的绝壁，开挖揭露的基岩面多为几十米深的陡坎，避免蓄水过程中地基软硬交接面产生过大的不均匀沉降，是冲沟处理方案需要解决的突出地质问题。

在库盆开挖过程中，揭露断层数十条，但发育规模不大，且延伸不长，多为陡倾角断层，而开挖边坡坡比1：1.7，结构面组合分析对边坡稳定影响不大。

3.2.3　库底工程地质问题研究

上水库库底开挖揭露地层主要为第四系碎石土，在排水廊道附近部分库盆出露∈1m2、∈1m3泥灰岩、粉砂岩，其中覆盖层出露范围占库底面积的80%左右（79790m2）。

开挖以后覆盖层分布厚度河床部位较厚，但厚度一般小于15m，向靠近库底四周排水廊道处逐渐变薄，直至廊道附近基岩出露，靠主坝区域覆盖层较厚，其中主坝右岸坝肩与库底连接段，覆盖层厚达40m。

覆盖层下部主要分布寒武系馒头组泥灰岩、页岩，在前期勘探及地质测绘过程未发现岩溶情况，库底基岩出露∈1m2、∈1m3泥灰岩、粉砂岩部分也未发现岩溶现象。仅在∈1m3上部灰黄色泥灰岩中有溶蚀现象。

3.2.4　库区渗漏问题研究

上水库的渗漏问题是宝泉抽水蓄能电站的主要工程地质问题之一。

东沟两岸地形不对称。右岸关山山体雄厚；正常蓄水位789.60m时，左岸狼山山体厚480～760m，相对右岸略显单薄，且外侧即临峪河深切河谷和豫北平原，与东沟高差达数百米，是东沟地下径流的排泄区。因此，本区的地貌格局使上水库具有向邻谷可能渗漏的条件。

上水库寒武系地层呈近水平状分布，岩层层面发育，属多层含水层结构，相对隔水层基本上不具有阻隔水平渗流的作用，地层结构有利于地下水的渗透。上水库的断层也较发育，根据压水试验结果统计，断层带附近岩层透水性均较强，透水率均大于10Lu。因此，贯穿库区的断层构成库水外泄的重要通道。另外，地层中发育的节理对渗漏也有一定的影响。

从水文地质条件看，宝泉地区位于太行山与山前平原交接部位，处于区域地下水的排泄带上，峪河即是区域地下水排泄基准面。上水库寒武系地层中泉群的发育部位即反映了这一特点。据对东沟中ZK905孔、ZK909孔一个水文年的地下水位观测，地下水位基本上保持在高程670.00m以上，高于石英岩状砂岩顶面高程645.00m。显然，地下水有利于向峪河排泄。从区域地下水的运动规律分析，东沟右岸应存在地下水分水岭，所以右岸地下水向东沟至峪河排泄。但右岸地下水分水岭的确切位置及水位高程目前尚无法预测。由于上水库设计正常蓄水位789.60m，死水位758.00m，高于目前的地下水位，最高水位相差达80m以上。因此，上水库蓄水后，库水将补给右岸地下水。左岸处于区域地下水径流排泄区前缘地带，地下水水位显著低于右岸，由于山体相对较为单薄，在高水头压力下，左岸是上水库产生永久性渗漏的主要地段。

根据上水库地质结构及渗漏特点，地下水渗透形式可归纳为4种基本类型：

（1）层间渗透（层状渗透），由于页岩、泥灰岩与灰岩、粉砂岩等相间成层分布，使得赋存于其间的地下水具有层间水特征，地下水渗流在层间主要以水平运动为主。

（2）断层渗透（带状渗透），由导水断层构成的渗流通道。

（3）风化卸荷带渗透（壳状渗透），寒武系地层表层和汝阳群地层顶部均存在一定厚度的风化卸荷带，具有较强的透水性。

（4）脉管状渗透，主要发生于∈1m1地层中。由于层间小断层、节理、褶皱及溶孔、小溶洞发育，在渗流运移过程中，这些小溶洞小溶孔起着一种管道排水作用。

根据地貌、地质结构及渗透类型特征，可把上水库划分4个渗漏段：

（1）左岸渗漏段。由左坝肩至库尾（包括左坝肩渗漏部分），山体厚约1000m，地下水位远低于正常蓄水位，也低于死水位。

（2）右岸渗漏段。由右坝肩至库尾（包括右坝肩渗漏部分），地下水位远低于库水位。

（3）封门口断层束（F4～F6）渗漏段。位于左岸风门一带，断层带宽15.4m，渗透系数大于23m/d（后期开挖揭露断层规模变小）。

（4）坝基渗漏段。库水下渗至石英岩状砂岩隔水层顶，水平向坝下游排泄。

对于库盆的渗漏，因库底由隔水的汝阳群水平层状石英砂岩组成，而库区断层又因规模小，向下切割深度有限，加之渗径变长，因而渗漏量较小。可以认为，库盆向下垂直渗透至一定深度（汝阳群顶面以下10m）后，水平向外侧渗透。而这部分渗漏层已在以上各渗漏段中考虑过，因而，在渗漏量计算中不考虑库盆的渗漏量。

根据上水库地质结构及渗漏特点，上水库总渗漏量估算见表3.2－3，上水库总渗漏量为库区、坝基、风门口断层带等地段渗漏量之和。

需说明的是，以上是基于24h水位无变化条件下估算的结果。但根据上水库的运用方式，每日处于正常蓄水位的时间仅占2h，实际上，每日通过排泄边界永久性渗漏的水量应低于上述最大渗漏量。综合考虑渗透系数变化范围及水位变化因素，估计宝泉上水库总渗漏量范围应为3万～5万m3/d。

上水库库盆表面面积约33万m2，采用全防渗方案，主坝坝坡、库岸均采用沥青混凝土面板防渗，防渗面积约16.4万m2，副坝采用混凝土面板，防渗面积约0.5万m2，库底采用黏土防渗，防渗面积约15.5万m2。库底设置环库排水廊道。

在库盆开挖过程中，发现多处出水点，除了沿断层以及冲沟出水点外，其余大多数出水点分布在泥灰岩、粉砂岩等软岩层面顶部灰岩层面底部，形成原因是灰岩透水性较强，泥灰岩、页岩透水性较弱。

对所有出水点进行抠槽埋设排水管引导至库底排水廊道。

3.2.5　固体径流

东沟河床比降10%，在河床分布有大量的洪积、冲积砂砾石、块石及孤石。河谷两岸，∈2x组成的边坡坡角30°～40°，因页岩易风化，在山坡表面常分布有许多页岩碎片等；∈2z组成的边坡近于直立，其崩塌形成的碎石、块石常散落在半坡之上。东沟水库控制流域面积6km2，多年平均年径流量为0.0113×109m3，平时无径流产生，仅暴雨时产生径流，且暴雨一般发生在7～8月，如1996年8月发生洪水（最大日降雨量达306mm/d），大量的碎石、块石随洪水而下，使东沟河道地形发生了一定的变化，并将宝泉村小水塘淤积了一半。因此，东沟库区副坝区有产生固体径流的地形条件、物质来源和降雨条件，且物质来源较丰富。