承德市雙峰寺水庫工程地質問題

郭建禮，劉建明

（河北省水利水電勘測設計研究院，天津 300250）

雙峰寺水庫是解決承德市防洪安全及水資源供需矛盾，防止生態環境持續惡化等問題的大型水利工程。水庫地處承德市區上游12km，總庫容1.37億m3，正常蓄水位389m，以河流流域防洪為主，兼具城市供水及發電等多項功能。

庫區及壩址區地質條件比較復雜，工程問題較多，水庫滲漏、庫岸穩定、水庫浸沒、地質構造穩定性及壩基（肩）抗滑穩定等都是影響水庫建設的工程地質問題。隨著勘察深度及精度的進一步深入，逐步查明了上述問題對工程的危害性及影響程度，初步提出了防治處理措施，為水庫的建設施工提供了可靠的地質依據。

1 區域地質概況

庫區地處內蒙古高原向華北平原的過渡帶，為燕山北麓低山河谷地貌，地勢總體北高南低，溝谷間山體渾厚，峰巒疊起。

區域內巖相復雜多變，巖漿巖、變質巖、沉積巖均有分布，以巖漿巖及變質巖分布最為廣泛，溝谷及河岸則多分布松散沉積物。

流域內主要河流為灤河支流武烈河，總體流向自北而南。武烈河及上游支流較少斷流，汛期大范圍降雨后河水急漲迅泄，歷時短暫，水位回落后水流平緩，徑流漸小。

2 庫區主要工程地質問題評價

2.1 庫區滲漏

雙峰寺水庫為山間溝谷型水庫，水庫蓄水后水位抬高，兩岸淹沒區主要為變質巖、火山巖、沉積巖構成的山體及巖體上覆的黃土狀土、黃土底礫等。

壩址位于玉帶河、茅溝川、鸚鵡川及石洞川4條河流交匯口下游10km。庫岸總體呈彎曲帶狀，最窄處不足1km，寬處達3.75km。兩岸山體渾厚，分水嶺脊頂高程為600.0m。

庫盆整體由塊狀巖體構成，部分岸坡被粘性土覆蓋，庫岸山體寬厚。推測F1斷層向東延伸5km至下河口村所在溝內，出露點高程達480.0m，遠高于正常蓄水位；F1斷層延伸短，斷層帶內壓碎巖膠結緊密；F14斷層帶內膠結良好，東端被黃土狀壤土覆蓋。上述3條斷層對水庫滲漏影響較小，巖體整體封閉性較好，無不利構造帶貫通庫岸山體，不具備庫岸向相鄰低谷滲漏及深層滲漏條件。

2.2 庫岸穩定

水庫蓄水后，水位上升引起庫岸巖土體的濕化和物理、力學性質的改變，破壞了巖土體的結構，從而大大降低了其抗剪強度及自穩能力，易于形成庫岸坍塌。組成庫岸的巖土類型和性質是決定水庫塌岸速度和寬度的主要因素，巖土體堅硬程度、庫岸地質構造、軟弱結構面的產狀及組合關系都對庫岸穩定影響巨大。另外，庫水位的變化幅度和波浪作用也是影響水庫塌岸的重要因素。

壩址庫岸多為巖質岸坡，巖體多呈塊狀，構造不發育，節理裂隙多輕度發育，局部中等～較發育，未發現大規模不穩定巖體分布，岸坡整體穩定性較好。

庫區淹沒范圍內左岸岸坡分布黃土狀土，位于東荒村～東黃土坎村之間，長度6.5km，為庫岸相對不穩定區域。岸坡中下部多夾卵石或碎石層，坡壁多陡峭，在庫水浸潤及波浪沖蝕作用下易產生坍塌，造成岸邊再造。

左、右岸因修公路、鐵路而造成局部山體坡壁陡峭，頂部存在不穩定巖塊，易產生塌落。

采用圖解法計算塌岸寬度及坍塌量：土質岸坡水下穩定坡角選用10°，水上穩定坡角35°，浪高選用2m。預測最大塌岸寬度28m，估算由黃土狀壤土坍岸造成的淤積量為35萬m3。由于易坍塌的黃土狀土高岸坡分布于中上游段，庫岸坍塌造成的涌浪對水庫大壩安全不會產生明顯影響。

2.3 庫區浸沒

水庫蓄水后，如果庫區周圍地下水相應雍高而接近或高出地面，會導致地面沼澤化而造成浸沒。庫區周圍地面高程和起伏變化是決定能否產生浸沒及其浸沒范圍的主要因素，另外地層巖性及其周邊的水文地質條件也是影響浸沒的重要因素。

水庫蓄水后，壩下泄（漏）水通過河床卵石層排泄，卵石層具強透水性，且兩岸高出河床3m以上，庫下游不會發生浸沒。

水庫淹沒區總體呈條帶狀，兩岸山體綿延渾厚，巖體透水性微弱，不會通過滲透造成鄰谷浸沒。

水庫正常蓄水位389.0m，淹沒東黃土坎村、大窯村、西黃土坎村一帶，淹沒區上游地面高程一般大于397.0m，該區上部為厚度0.4～0.7m的壤土層，下伏砂或卵礫石層，地下水一般不會雍高至粗粒土層頂面，故發生浸沒的可能性不大。

河床右側甸子村以東及東南一帶地勢較低，上部為0.5～1m的含礫砂壤土，下部為砂或礫卵石層，分布連續，透水性良好。土體毛細上升高度與安全超高經驗值（臨界地下水埋深）和為1.5m，當地下水位達到砂或礫卵石層頂面時易發生浸沒。由于向上游方向地勢漸高，地表坡降為5/1000，預測甸子村東南及其上游河右岸易發生浸沒，但沿河長度不超過300m，寬度100m。

2.4 水庫誘發地震

依據國內外目前對于水庫誘發地震的機理分析，在巖體儲備有高應變能地區建庫，水庫蓄水后容易造成庫區巖體應力狀態的改變，引起應力集中，當應力集中到一定程度時，應力釋放就容易激發庫區地震。水庫誘發地震多發生在構造相對活動區，特別是與近期活動斷層有關；另外，復雜的水文地質條件常易引起局部流體動力異常，使巖體失穩，產生地震。

壩址區分布的斷層活動性不明顯，第四紀以來均未有活性跡象，庫區內未發現大的活動斷裂帶或較深的裂隙帶，未有使庫水下滲引發孔隙水壓力升高致使巖體滑移變形的構造，不具備誘發地震的主要因素。

另外，水庫誘發地震與壩高及庫容密切相關，而且受水位漲落的影響。現有資料表明，震級大于5級的地震均發生在壩高超過100m、庫容超過10億m3的大（I）型水庫中。雙峰寺水庫壩高52.1m，庫容1.37億m3，認為發生5級以上水庫誘發地震的可能性較小。

3 壩址區工程地質問題評價

壩址位于承德市雙峰寺鎮小廟子村南1km處，設計壩型為混凝土重力壩，壩頂高程396.1m，設計正常蓄水位389.0m，壩頂長度533m，最大壩高51.1m。

3.1 卵石層透水性問題

河床卵石層滲透系數（k）建議值200～260m/d，具強透水性。修建混凝土重力壩，卵石層被全部挖除，基坑排水問題較為嚴重，對壩基的滲透穩定無不利影響。

3.2 壩基巖體強度問題

壩基下伏黑云斜長片麻巖，勘察揭露強、弱、微3種風化狀態。

3.2.1 強風化巖體

巖體厚度1～8.8m，頂面埋深4.1～9.9m，底面埋深7～17.7m，底面高程348.6～357.9m，厚度不均。

強風化巖體普遍破碎，節理裂隙發育，鉆孔聲波測試縱波波速大部分2500～3500m/s，按巖體結構分類屬碎裂結構，按壩基巖體工程地質分類為Ⅳ類巖體。

強風化巖體單軸抗壓強度建議值為25MPa，屬于較軟巖，承載力建議值1000kPa，變形模量2.0×103MPa，強度較低。巖體與混凝土接觸面抗剪斷強度建議值：f＇＝0.70、c＇＝0.35MPa，巖體的抗剪斷強度建議值：f＇＝0.60、c＇＝0.35MPa， 抗剪強度指標偏低。

通過壩軸線上布置的2個豎井勘察發現，強風化巖中節理裂隙大部分傾向上游，傾角大部大于45°，基本不存在不利于壩基穩定的緩傾角軟弱結構面，也未發現穩定的軟弱夾層分布，對壩基抗滑穩定影響不大。強風化巖體強度較低，完整性較差，具有較低的抗變形能力，易產生不均勻沉降，不宜作為高壩段重力壩的壩基，如做低壩段壩基，建議進行固結灌漿處理，增加壩基強度。

3.2.2 弱風化巖體

巖頂面最大埋深17.7m，最低頂面高程348.6m，巖體節理裂隙輕度～中等發育，鉆孔縱波波速一般3500～5000m/s，巖體完整性系數0.43～0.89，按巖體結構分類屬次塊狀結構，巖體大部較完整，局部完整性差，按壩基巖體工程地質分類為Ⅲ1類。

弱風化巖石飽和單軸抗壓強度建議值為65MPa，屬堅硬巖，承載建議值為3500kPa，變形模量建議值為7.5×103MPa，強度 較 高 。 巖 體 與 混 凝 土 接 觸 面 的 抗 剪 斷 強 度 f＇＝0.95、c＇＝0.80MPa，巖體的抗剪斷強度f＇＝1.0、c＇＝0.90MPa，抗剪切強度指標較高。

通過豎井勘察發現，弱風化巖中節理裂隙大部傾向上游方向，少量傾向下游方向的節理傾角大于45°，未發現不利于壩基穩定的緩傾角軟弱結構面，也未發現連續穩定的軟弱夾層，對壩基抗滑穩定影響不大。巖體強度較高，完整性較好，無明顯的風化深槽及斷層破碎帶、節理密集帶等地質問題，具有較高的抗滑、抗壓縮變形及抗侵蝕能力，是較好的重力壩地基。

3.2.3 微風化巖體

巖體大部完整，縱波波速一般為5500～6500m/s，完整性系數一般大于0.75，飽和抗壓強度建議值75MPa，屬堅硬巖，強度較高。微風化巖體埋藏較深，巖體完好堅硬，具有良好的抗滑、抗壓縮抗滲透性。

3.3 壩基滲漏

勘探過程中，壩址區未揭露大的斷裂、溶蝕及破碎帶等地質構造，也未發現穩定分布的軟弱夾層，巖體中普遍存在節理，產狀不穩定，內多有充填，貫通性較差，由此推斷壩基巖層存在強滲漏情況的可能性不大。

若按防滲界限值3Lu考慮，大部分弱風化巖體應采取防滲措施，防滲深度宜控制在35～60m，防滲底板高程305.0～330.0m。 防滲深度較深部位在樁號0＋245～0＋435段， 長度190m，最大防滲深度60m。若按最大壩高的0.7倍考慮，壩基防滲深度為36m，防滲底板高程330.0m。

極個別部位弱風化巖體具中等透水性，是壩基易滲漏部位，采取深層帷幕灌漿時應密切關注灌漿效果，確保封堵滲漏通道，防止滲漏可能對壩基穩定及水庫蓄水造成的影響。

對強風化巖體進行的壓水試驗成果表明呈弱透水性，考慮到巖體的風化程度、構造發育及壓水試驗偏少等因素，推測強風化巖體多具弱～中等透水性。修建重力壩時，強風化巖大部分被挖除，在低壩段部位做為壩基，建議采取防滲措施。

除勘察揭露的易滲漏部位外，施工開挖過程中不排除發現隱伏的破碎、斷裂、通透等部位，應隨時調整設計方案，采取相應處理措施。

3.4 溢流壩段抗沖穩定

溢流壩布置在攔河壩中部偏右位置，堰頂高程387.0m，采用挑流消能型式。溢流壩段水流挑距63.85m，沖坑深度14.40m（從基巖算起）。該段卵石層厚度6.9m，下伏片麻巖，強風化巖厚度2.3m，底板高程357.7m，其下為弱風化巖。

沖坑的形成與巖體抗沖刷性、巖體完整性、緩傾角結構面發育程度、構造破碎帶及軟弱夾層的性狀與分布密切相關，沖坑深度由大壩單寬流量、上下游水頭差、下游水深、采用的泄流形式等計算，根據邊界條件，計算出沖坑底部高程為342.1m，低于建基面高程3m。坑底為弱風化片麻巖，巖體次塊狀結構，完整性較好，局部節理發育，無軟弱巖體或影響巖體穩定的地質構造，抗沖刷能力較強。沖坑形成后，坑底至挑坎底之間的坡比為1∶4.43，滿足《混凝土重力壩設計規范》的要求，不易對大壩抗滑穩定產生不利影響。

3.5 左壩肩滲漏

左壩肩發育三組節理，間距大部0.5～1m，少量0.1～0.3m，輕度～中等發育，地質結構比較復雜，巖體風化較劇烈，透水性較高，壩肩存在繞壩滲漏問題。

若按防滲界限值3Lu考慮，弱風化巖體應采取防滲措施，防滲深度宜控制在30～45m，防滲底板高程338.5～365.0m。 左壩頭以外巖體寬厚，透水微弱，透水率小于3Lu，視為相對隔水層。

3.6 右壩肩滲漏

右壩肩有三組節理比較發育，節理間距大部0.5～1m，延伸長度多在2～8m。巖體完整性較好，呈弱風化狀態，結構分類屬次塊狀結構。

通過平洞勘察表明，右壩肩側山體大部穩定，巖體堅硬完整，穩定性較好，無穩定的軟弱夾層分布，無大的斷裂破碎帶、節理裂隙帶等滲漏通道。

右壩肩山體相對單薄，西側為小碾子溝，寬40～60m，溝底高程367.0～390.0m，多低于正常蓄水位389.0m。 該溝通向水庫下游，壩肩至山溝沿軸線方向的距離不足200m，巖體較完整，穩定性較好，無大的地質構造與臨谷連通，水庫蓄水后，引起嚴重繞壩滲漏可能性不大。

3.7 壩基（肩）抗滑穩定

強風化巖中節理裂隙大部分傾向上游，傾角大部大于45°，節理裂隙大部分閉合，節理面較光滑，少見次生泥膜，基本不存在不利于壩基穩定的緩傾角軟弱結構面，也未發現軟弱夾層、斷層破碎帶等分布，對壩基抗滑穩定影響不大。

強風化巖體強度較低，完整性較差，具有較低的抗變形能力，易產生不均勻沉降。弱風化巖中節理裂隙大部傾向上游方向，少量傾向下游的節理傾角大于45°，未發現不利于壩基穩定的緩傾角軟弱結構面，也未發現連續穩定的軟弱夾層，巖體強度較高，完整性較好，無明顯的風化深槽及斷層破碎帶、節理密集帶等地質問題，具有較高的抗滑、抗壓縮變形能力。

壩址下游未發現橫穿河床的斷層破碎帶、節理密集帶、風化深槽及軟弱巖體，不會形成陡立臨空面，對壩基（肩）穩定無不利影響。

3.8 基坑排水

修建重力壩存在基坑排水問題，河床主要含水層為卵石層，滲透系數建議值為200～260m/d，具強透水性。整體開挖估算卵石層涌水量為25800～33500m3/d，特別是豐水季節，武烈河過流較大，施工時建議設置圍堰或采取導流措施。在較高的水頭壓力下，卵石層內含的中粗砂可能產生涌砂，建議采取相應處理措施。

強風化巖體整體為中等透水性，重力壩建基面座落于弱風化巖體中，應考慮強風化帶基巖裂隙水的涌水量。

3.9 邊坡穩定

壩肩及壩基存在基坑開挖邊坡問題，最低坑底高程345m。卵石層最大坡高接近10m，建議開挖坡比為1∶1.75；強風化巖體開挖厚度1～8.8m，建議開挖坡比為1∶0.5；弱風化巖體最大開挖厚度超過10m，建議開挖坡比1∶0.25。

4 結語

（1）庫岸巖體寬厚，封閉性較好，透水性較弱，無大規模構造貫穿庫岸，不會產生庫區強滲漏。

（2）庫岸山體主要由火成巖及火山沉積巖構成，構造不發育，無明顯的大規模不利結構面組合及不良物理地質現象，庫岸整體穩定。

（3）庫岸主要是巖體組成，固體徑流來源并不豐富，局部地段庫岸易坍塌形成堆積物，在雨水沖刷作用下，極易順水流搬運而下，形成泥沙。

（4）水庫兩岸山體延綿寬厚，透水較弱，不會通過滲漏通道造成鄰谷浸沒。水庫尾回水線以外地面高程大于尾回水線高程，地下水壅高不會超過地表，不存在產生大面積浸沒的條件。

（5）水庫壩址區均未發現大的活動斷裂帶，不具備誘發地震的主要因素，發生5級以上水庫誘發地震的可能性不大。

（6）壩址區工程地質問題評價：①河谷寬400m，覆蓋層厚4.1～9.9m，以卵石層為主，透水性很強；②強風化巖節理裂隙發育，大部破碎，屬碎裂結構，穩定性差，抗變形能力低，易產生沉降穩定問題，不宜做為重力壩地基；弱風化巖體屬塊狀結構，巖體較完整，未發現穩定的緩傾角裂隙面，是較好的重力壩地基；③左壩肩上部巖體較破碎，節理裂隙較發育，巖體完整性及穩定性較差，易產生繞壩滲漏；④右壩肩巖體呈弱風化狀態，穩定性較好，壩肩相對單薄，但總體完整性較好，產生較大繞壩滲漏可能性不大；⑤壩址區未揭露大的斷裂、溶蝕及破碎帶等地質構造，壩基巖層存在強滲漏情況的可能性不大。

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