肯尼亚KarimenuⅡ大坝坝址工程地质条件及评价 摘 要：肯尼亚KarimenuⅡ大坝坝址处地质条件复杂，第四系松散层河谷中较薄，两岸厚度大，基岩为第三系火山厚层～巨厚层火山角砾岩熔结凝灰岩及角闪粗面岩透镜体，并夹有低液限粉（粘）土、级配不良砂坝址主要存在坝基渗漏问题，坝基抗滑稳定性较好，坝肩稳定性较好关键词：坝基;渗透;渗漏;稳定性;肯尼亚KarimenuⅡ大坝KarimenuⅡ大坝位于Karimenu河流上游，距肯尼亚首都内罗毕北部约75公里，库水回水范围内，坝址以上主河道长约5km，最大淹没面积1.35106m2拟建大坝坝型为渣石心墙坝，水库总库容2821万m3，水库兴利库容1867万m3，死库容555万m3，死水位1833.00m坝顶长400m，坝顶长400m，坝顶宽10m，坝顶高程1859.0m，最大坝高58m1 气候水文Karimenu河流位于肯尼亚阿伯德尔山脉南部，属于湿润至半湿润农业气候区年平均温度约为18～14℃流域年平均降水量为1420毫米一年的雨季有两次，长雨季（大约是三月到五月），短雨季（大约在十月到十一月）月平均温度变化幅度为 9.9 至 14.6℃，年平均变化幅度为 11.6℃。
2 地形地貌大坝坝址位于肯尼亚Kiambu郡North gatundu镇Kanyoni村Karimenu河谷，地貌单元为高原河流侵蚀堆积地貌，地形上为山间河谷，河谷断面呈“V”字形河床高程为1801.0～1812.0m，宽近90m，主河床位于河谷右侧，宽约17m，坝轴线处河流流向为S64E左岸坡度约21，右岸岸坡由下部的约38渐变为中上部的17两岸坡及河谷底均被松散层覆盖3 工程地质条件3.1 地层岩性坝址区覆盖层有分布于两坝肩的第四系上更新统坡洪积堆积物（Q3dpl）与河谷中的第四系全新统洪冲积堆积物（Q4pal）其地层特征如下：（1）第四系上更新统坡洪积堆积物（Q3dpl）为褐红、棕红色高液限粉（粘）土，可塑～硬塑状态，具中等压缩性，不具膨胀性，下部含有较多钙质结核与少量砾石层厚左坝肩为11.0～19.4m，右坝肩为18.2～27.8m2）第四系全新统洪冲积堆积物（Q4pal）为褐红、浅红、褐色高液限粉土，松散～稍密状态，具中等压缩性，含腐植质，工程性质差，层厚4.6～7.9m3）坝址区涉及基岩地层均为第三系火成岩（TV）区域上火山共有6个活动期，沉积了厚层的火山碎屑岩[1]坝址区沉积有厚层～巨厚层火山角砾岩与熔结凝灰岩，左岸夹有巨厚层角闪粗面岩透镜体。
按岩性及岩性组合，可将坝址区的基岩划分为三个岩组（T-1～T-3），各岩组岩性及厚度见表1其中T-2层类为古风化壳，为火山喷发间断产物，未成岩分布于左坝肩与坝基下部3.2 地质构造坝址区岩体出露较少，岩层无明显层理，未发现有断层存在坝轴线上游约300m处左岸基岩裸露，节理裂隙主要发育两组：①N10～20W/NE∠80～90，②N40～50W /NE（或SW）∠60～80，裂隙延伸较短，多微张与闭合，泥质充填或无充填，两组节理小角度相交，第①組比较发育，两组节理裂隙与河流斜交第②组不利于坝基防渗坝轴线下游约440m处右岸基岩裸露，节理裂隙主要发育三组：①N20～30W/NE∠70～90，②N20～40E/SE∠80～90，③N75～85E/NW∠60～85，裂隙延伸较短，多微张与闭合，泥质充填或无充填，第①组与第③组近于直交，与第②组斜交，第①组比较发育，与河流斜交，不利于坝基防渗，第②、③组与河流近于直交3.3 水文地质坝址区地下水类型有第四系孔隙水和基岩裂隙水两种前者分布于河床，埋深2.5～3.0m根据勘察期间设置的观测孔，坝基水位水位高程为1805.0～1806.5m，水位随季节性变化幅度不大;坝肩水位高程为1834.3～1835.7m，雨季达到高程1839.5m。
3.4 坝基岩体渗透性对坝基及左右坝肩处钻孔中进行了压水及注水试验（强风化带及T2软层），根据大值平均值评价如下表：其中T2层取原状样进行室内垂直渗透性试验，渗透系数为4.0210-5cm/s分析由于该层组成物质为低液限粘（粉）土与级配不良砂、级配良好砾等相互混杂，均匀性差，分析其透水性也不均匀，局部由低液限粘（粉）土组成段的透水性较小3.5 岩土体物理力学性质全新统洪冲积（Q4pal）土层的物理力学性质指标如下：土的含水率（ω）平均值为43.1%;干密度（ρd）平均值为0.82g/cm3;天然孔隙比（e）平均值2.428;液限（WL）平均值为62.1%;塑限（Wp）平均值为42.3%;塑性指数（Ip）平均值为17.42%;液性指数（IL）为-0.17～0.26，呈坚硬～硬塑状态，粘粒含量平均值为38.0%;土层自由膨胀率为10%～30%，不具膨胀性该层标准贯入试验（实击值）平均值为9.8击，经杆长修正后击数为平均值为9.4击上更新统洪冲积（Q3dpl）高液限粉（粘）土层的物理力学性质指标如下：土的含水率（ω）平均值为45.3%;干密度（ρd）平均为1.00g/cm3;天然孔隙比（e）平均值为1.800;液限（WL）平均值为88.3%;塑限（Wp）平均值为44.7%;塑性指数（Ip）平均值为437%;液性指数（IL）为-0.38～0.39，多呈坚硬～硬塑状态，粘粒含量平均值为48.1%;土层自由膨胀率为8%～31%，不具膨胀性。
对该层土样进行了慢剪试验凝聚力c平均值为33.7kPa，内摩擦角φ平均值为24.0，三轴剪切试验，不固结不排水（UU）条件下其凝聚力c平均值为107.3kPa，内摩擦角φ平均值为158;固结不排水（CU）条件下其凝聚力c平均值为47.8kPa，内摩擦角φ平均值为19.1，有效凝聚力c平均值为48.2kPa，有效内摩擦角φ平均值为26.4该层标准贯入试验实击值平均值为24.7击，经杆长修正后击数平均值为20.6击该土层与混凝土间摩擦系数地质建议值为0.28～0.30坝址区第三系火成岩T-1岩组熔结凝灰岩：饱和块体密度平均值为2.11g/cm3，干抗压强度平均值40.5MPa;饱和抗压强度平均值为26.6MPa，软化系数平均值为0.75，吸水率平均值为11.62%，饱和吸水率平均值为11.65%，饱和泊松比（μ50）平均值为0.21，饱和变形模量为平均值为1.49104MPa坝基T-2岩组组成物质较为不均，多由低液限粉（粘）土、级配不良砂、含少量碎石碎石组成其中级配不良砂土的含水率（ω）平均值为32.4%;干密度（ρd）平均值为1.22g/cm3;天然孔隙比（e）平均值为1.246;压缩系数（a0.1-0.2）平均值为0.30 MPa-1，压缩模量（Es0.1-0.2）平均值为8.40 MPa，呈中密～密实状态，不均匀系数Cu平均值为19.08，曲率系数Cc平均值为0.91。
低液限粘（粉）土层的含水率（ω）平均值为30.2%;干密度（ρd）平均为1.29g/cm3;天然孔隙比（e）平均值为1.219;压缩系数（a0.1-0.2）平均值为0.27 MPa-1，压缩模量（Es0.1-0.2）平均值为8.70 MPa，粘粒含量平均值为14.1%坝址区第三系火成岩T-3（1）岩组熔结凝灰岩：饱和块体密度平均值为2.11g/cm3，干抗压强度平均值为17.92MPa;饱和抗压强度平均值为13.3MPa，软化系数平均值为0.72，吸水率平均值为11.39%，饱和吸水率平均值为12.47%，饱和泊松比（μ50）平均值为 为0.20，饱和变形模量为平均值为1.49104MPa混凝土与T-3（1）间抗剪断强度地质参数建议值f为0.75～0.80，C为0.50～0.55，抗剪强度摩擦系数f地质建议值为0.50～0.55T-3（2）岩组火山角砾岩：饱和块体密度平均值为2.24g/cm3，干抗压强度平均值为39.1MPa;饱和抗压强度平均值为22.43MPa，软化系数平均值为0.58，吸水率平均值为7.0%，饱和吸水率平均值7.62%，饱和泊松比（μ50）平均值为0.20，饱和变形模量平均值为0.95104MPa。
混凝土与T-3（2）间抗剪断强度地质参数建议值f为0.75～0.80，C为0.50～0.55，抗剪强度摩擦系数f地质建议值为0.50～0.55T-3（3）岩组角闪粗面岩：饱和块体密度平均值为2.06g/cm3，干燥抗压强平均值为76.69MPa，饱和抗压强度平均值为5801MPa，软化系数平均值为0.79，吸水平均值为5.4%，饱和吸水率平均值为5.51%，饱和泊松比（μ50）平均值为0.23，饱和变形模量平均值为2.09104MPa混凝土与T-3（3）间抗剪断强度地质参数建议值f为0.80～0.85，C为0.45～0.50，抗剪强度摩擦系数f地质建议值为0.50～0.554 工程地质评价大坝可能存在的工程地质问题为坝基渗漏、绕坝渗漏、坝肩稳定等4.1 建基面的確定4.1.1 坝基建基面坝基覆盖层为第四系全新统洪冲积（Q4pal）褐红、浅红、褐色高液限粉土，松散～稍密状态，具中等压缩性，含腐植质，层厚4.6～7.9m，底部高程1801.0～1805.5mQ4pal高液限粉土下伏第三系火成岩（TV），岩性主要为火山角砾岩及熔结凝灰岩，岩体强风化带厚度1.8～9.3m，强风化带底部高程为1898.7～1800.7m，该层渗透系数平均值为3.48m/d，大值平均值为7.56m/d，即8.7510-3cm/s，属中等透水层。
坝基基岩主要为火山角砾岩及熔结凝灰岩，岩体RQD值平均值为51%，近于50%，坝基岩体饱和抗压强度平均值小于30MPa，根据坝基钻孔声波测试，其声波纵波波速平均值为2479.3m/s，小于2500m/s，坝基岩体较完整，强度低，抗滑、抗变形性能差，坝基岩体工程地质分类属Ⅳ类Q4pal高液限粉土干密度低，平均值仅0.82g/cm3，工程性质差，岩体强风层渗透性较强，从防渗和稳定安全考虑，建议挖除全新统覆盖层将坝基置于基岩强风化层，并在强风化层设置截水槽，或进行结合帷幕灌浆处理4.1.2 坝肩建基面坝肩表层为第四系上更新统高液限粉（粘）土，厚11.0～278m，表层4m内结构松散，坝肩表层4m内土层水平渗透系数为51510-5cm/s～2.6010-4cm/s，平均值为1.3410-4cm/s，垂直渗透系数为9.0910-5cm/s～2.9210-4cm/s，平均值为81910-4cm/s，多具中等渗透性，干密度平均值为0.95g/cm3，表层2m以上土层含较多植物根系，建议挖除表层4m内土层再行填筑4.2 坝基渗漏坝基的主要渗漏层为第四系覆盖层和基岩强风化带考虑到将清除覆盖层并对基岩强风化层设置截水槽、固结灌浆等防渗措施，故大坝运行时，不存在覆盖层与强风化层的渗漏，因此仅对基岩强风化层下部岩体的渗漏量进行估算。
坝基基岩风化带渗漏量可按公式（1）、（2）计算q=K*H*T/（2b+T）公式（1）Q=q*B公式（2）式中：q——坝基单宽渗漏量（m3/dm）;K——平均渗透系数取3.82 m/d;H——坝前、后水头差取49.0 m;2b——坝基宽取360 m;T——渗透层平均厚度取65.0m;B——渗透层平均宽度取165 m;Q——渗漏量（m3/d）其中将弱风化带中透水率小于5Lu的岩层视为相对隔水层所以根据实际地层结构及渗漏情况综合考虑，确定坝基基岩渗漏层厚度取大值为65m，即至T-2（2）层底部渗透系数k按坝基基岩强风化层以下T-3层渗透系数的平均值1.0610-4cm/s、T-2（2）层渗透系数的平均值5.。