黄河规划设计

西霞院工程上第三系地层的透水性初步分析

张绍民刘平安郑予阳(地质工程院) ［摘要］西霞院工程上第三系地层岩性为一套由粘土岩、砂层(岩)、卵砾石(岩)组成的多层结构，同时地质构造比较复杂，因此上第三系地层的透水性跨度很大，其透水性往往是渐变的，加之各类地层的分布很不规律，形成了较为复杂的水文地质条件。［关键词］上第三系地层地下水渗透系数承压水西霞院工程上第三系河、湖相地层广泛分布于黄土台塬、Ⅱ级阶地及河床河漫滩覆盖层下部，其岩性为一套由粘土岩、砂层(岩)、卵砾石(岩)组成的多层结构地层，其透水性不均一。其中，砂层(岩)、卵砾石(岩)一般胶结较差，孔隙率高，为中等透水层，是较好的储水构造，赋存一定的孔隙水；成岩作用较好的砂岩及粘土岩，存在微小的隐裂隙，赋存极少量的裂隙水，但总体上为弱～微透水层，可作为相对隔水层。由于沟谷深切，地下水埋深较大，达60m～130m。该含水层地下水以大气降水、上部第四系松散岩类孔隙水补给为主，其次为基岩裂隙水的侧向补给。 1 上第三系地层分类及分区1.1 岩性分类由于该地层的成因复杂，其岩性也很复杂，根据细粒(粉粒、粘粒)含量可将其概化为以下两大类岩性地层： Ⅰ类地层:总称为泥(岩)类地层，该类地层颗粒组成以粉粒、粘粒为主，包括泥质粉砂岩、(粉砂质)粘土岩及(粉质)粘土等，成岩固结一般较好，一般呈坚硬、硬塑状，局部较软，接近可塑状。泥岩中小的隐裂隙发育，一般呈闭合状。 Ⅱ类地层:总称为砂(岩)类地层，该类地层颗粒组成以砂粒为主，岩性以(含泥、泥质)砂层、砂岩为主，局部为砂卵石层、砾砂层，胶结程度各处不一，和颗粒的组成、级配及细粒(粉粒、粘粒)含量有关。一般情况是：泥质细砂、粉砂，轻微胶结；较纯的或含泥较少中、细砂，基本没有胶结；在岩性转换的层面上，由于地下水的钙质淋漓作用，往往形成厚度小于1m的强度较高的钙质砂岩。 1.2 工程地质分类根据工程地质特性及物理力学性质，将岩性及成岩作用结合起来，可将上第三系概化为以下6类地层(Ⅰ-1、Ⅰ-2、Ⅱ-1、Ⅱ-2、Ⅱ-3、Ⅱ-4)。 Ⅰ-1：泥岩类地层，为Ⅰ类地层中似岩类地层，成岩作用相对较好，主要包括泥质粉砂岩、粉砂质粘土岩等，多呈互层状分布，总称为泥岩类地层。 Ⅰ-2：粘土类地层，为Ⅰ类地层中的土类或似土类地层，主要包括粉质粘土、粘土，该类地层往往由于粘粒含量高，成岩作用差，呈可塑～硬塑状，镜面相对发育，分布不稳定，具有老粘土的性质，总称为粘土类地层。 Ⅱ-1：为砂类地层中的土类地层，主要为密实的(含泥)中细砂层，较纯，基本没有胶结，局部为(含砾)中粗砂、砾砂层。 Ⅱ-2：为砂类地层中的似土类地层，主要为(含泥、泥质)粉细砂层，微胶结，较均一。 Ⅱ-3：为砂类地层中的岩石地层，是本区成岩作用最好的地层，主要为钙质中细砂岩层，局部为薄层钙质砾岩，厚度较薄，分布不稳定。 Ⅱ-4：为砂类地层中的砂卵石层或砂砾石层，局部微胶结，厚度较薄，呈透镜体分布。 1.3 地层分区电站厂房基坑的地层产状以f13断层及f21断层为界，可分为两个大的区(A区和B区)。F13断层下盘(下游地层)及f21断层以南为A区，f13断层上盘(上游地层)及f21断层以北为B区。A区地层多为缓倾角地层，地层分布相对稳定；B区多一般为陡倾角地层，受小构造影响，地层的产状极不稳定。 2 地质构造从目前电站厂房基坑揭露的情况看，上第三系地层的小构造比较复杂，尤其是西北角(B区)构造比较发育，基坑内小断层较多，多数发育在泥岩类地层中，砂类地层中很少见。从走向看共有三组：一组为近SN向的(350°～10°)；一组为近WE向的(80°～95°)，大部分倾向NW，倾角75°～直立；另一组为泥岩类走向断层(50°～70°)，倾角与岩层倾角基本一致。断层延伸的可见长度多为5～10m，宽度0.5～50px，断距多在750px以下，断层面一般平直光滑，多见有泥膜与擦痕，充填物多为泥质与粘土岩碎屑。电站厂房基坑的地层产状以f13断层为界，可分为两个大的区。F13断层下盘(下游地层)多为缓倾角地层，地层分布相对稳定，一般走向为60°～70°，倾向NW，倾角5°～15°；f13断层上盘(上游地层)一般为陡倾角地层，受小构造影响，地层的产状极不稳定。 3 地下水类型根据地下水的赋存条件、含水层特征，坝址区地下水可分为浅层第四系松散岩类孔隙水与深层上第三系地层孔隙(裂隙)水两种类型。3.1 浅层第四系松散岩类孔隙水主要赋存于河漫滩及两岸Ⅱ级阶地下部砂卵石层孔隙中，以潜水为主，在南岸Ⅱ级阶地后缘具有微承压性质。坝址区黄河水位一般为120m～121m，左岸地下水位低于河水位，左岸河漫滩部位由黄河向Ⅱ级阶地方向，地下水位逐渐降低，至Ⅱ级阶地部位水位一般112m～114m，主要接受黄河水的补给。右岸地下水水位普遍高于河水位，主要接受邙山地下水及大气降水补给；在右岸河漫滩部位，地下水水位一般为120m～122m，在Ⅱ级阶地前缘附近，地下水水位一般为118m～119m，向阶地后缘方向，水位逐渐抬高。 3.2 深层上第三系地层孔隙(裂隙)水坝址区上第三系地层，岩性主要为砂(岩)类地层与泥(岩)类地层互层，其中的泥(岩)类地层基本为相对隔水层，但其中砂类地层，尤其是未胶结的中细砂层、砂卵石层，孔隙率高，胶结程度差，渗透性较大，赋存一定的孔隙水，主要接受上部浅层第四系松散岩类孔隙水的补给。 4 岩层的透水性4.1 渗透性分类从开挖后揭露的情况看，不同类地层的透水性差异较大，根据其透水性强弱，可将上第三系概化为以下3类地层。 (1)微～极微透水层：主要包括胶结较好的泥质粉砂岩、(粉砂质)粘土岩、(粉质)粘土及钙质砂岩、砾岩等，即Ⅰ-1、Ⅰ-2、Ⅱ-3类地层。 (2)弱透水层：主要包括微胶结(含泥、泥质)粉细砂层，即Ⅱ-2类地层。 (3)中等透水层：包括未胶结的(含泥)中细砂层、砂卵(砾)石层、粗砂或砾砂层透镜体，即Ⅱ-1、Ⅱ-4类地层。 4.2 渗透试验及渗透系数为了解上第三系地层的透水性，分别进行了室内土工试验、试坑渗水试验及钻孔涌水试验等不同的方法的渗透试验，试验成果见表1。根据上第三系地层渗透试验成果，并结合工程经验，提出上第三系地层的渗透系数，并根据不同透水层的比例，计算出其平均渗透系数，根据计算成果，建议上第三系地层砂类地层的平均渗透系数取1～2m/d。 5 上第三系地层孔隙(裂隙)水初步分析5.1 上第三系地层地下水局部承压性的初步分析这次补充勘察的部分钻孔出现涌水现象，上第三系地层地下水局部表现出临时承压性质，分析原因主要是与上第三系地层的结构特征有关。概括的说，上第三系地层由微～极微透水的泥岩层、钙质砂岩薄层与弱透水～中等透水的砂层两大类不同透水性质的地层组成，总体上呈互层分布。微～极微透水的泥岩层、钙质砂岩薄层的可以看作相对隔水层，而不同层位的弱透水～中等透水的砂层就形成多层含水层，并且与上部第四系砂卵石层在不同部位相连，主要接受上部砂卵石层中地下水的补给，形成一个相互连通的储水体系。故此，总体上可以把两层地下水看作一个相互连通的含水层，只是下部含水层极不均一，渗透系数小，透水性弱，地下水连通性较差，并且由于上第三系地层中的泥岩类地层、钙质砂岩可以构成相对隔水层(一般不稳定)，故可以在局部的人工隔水区形成承压水。 5.2 与浅层第四系松散岩类孔隙水的关系在坝址区，位于上第三系浅部的地下水，通过上第三系地层中砂层、卵砾石层等弱～中等透水层与上部第四系松散岩类(主要是砂卵石层)的地下水是相互连通，主要接受上部砂卵石层地下水的补给，存在基本相同的地下水位。由于基坑开挖降水的影响，在基坑周边形成较大的地下水降落漏斗，最大降深约27m，故观测的承压水位就不尽相同。在A区，从不同层位承压水的水文地质观测中可以看出，承压水的水头与层位埋深有关，层位越深，承压水头就越高。浅层承压水的承压水头较低，一般不超过10m，承压水位一般为98～105m，与基坑边坡地下水逸出点附近的地下水位比较接近，说明浅层承压含水层在基坑边坡比较近的范围内就与上部砂卵石层中的地下水相连通。而较深层位的承压含水层由于延伸的距离远，在稍远的地方(基坑边坡外围)才与上部砂卵石层中的地下水相连通，承压水头就相对较高，最高水位为115m，但也没有超过上部砂卵石层的地下水位，这也反映上第三系地层中的地下水与上部砂卵石层中的地下水相连通，具有临时承压性质。在B区，承压水位也没有超过上部砂卵石层的地下水位，说明虽然受构造的影响，承压水含水层也在某一地方与上部砂卵石层相连，承压水没有高承压性质，属于临时承压水。 5.3 上第三系地层地下水局部承压含水层的分布及涌水情况从目前钻孔涌水观测成果看，在A区60m深的范围内大概有2～3层临时承压水，主要分布在Ⅱ-1未胶结砂类地层中(主要为中细砂层)，涌水量一般为10～70m3/d。在B区，由于受构造的影响，地层产状比较乱，含水层的分布没有明显的规律。 6 结语西霞院工程上第三系地层岩性为一套由粘土岩、砂层(岩)、卵砾石(岩)组成的多层结构，由于粘粒含量及胶结程度的差异，该类地层透水性跨度很大(渗透系数为10-2cm/s～10-7cm/s)，其透水性跨越中等透水、弱透水、微透水、极微透水多个透水等级，总体上可概括为微～极微透水的泥岩层、钙质砂岩薄层与弱透水～中等透水的砂层两大类不同透水性质的地层。微～极微透水的泥岩层、钙质砂岩薄层的可以看作相对隔水层，而不同层位的弱透水～中等透水的砂层就形成多层含水层，并且与上部第四系砂卵石层在不同部位相连，形成一个相互连通的储水体系。由于各类地层的透水性往往是渐变的，并且分布规律不明显，故上第三系形成了较为复杂的水文地质结构，在进行防渗设计时应予以重视。