實例探析水庫拱壩工程主要地質(zhì)問題及評價

胡大彪

(貴州省水利水電勘測設(shè)計研究院，貴陽 550002)

0 引言

隨著水利工程建設(shè)規(guī)模的不斷擴大，地質(zhì)勘察工作也變得越來越重要，只有對工程地質(zhì)進行全面的了解、分析，才能夠更好的做好工程建設(shè)基礎(chǔ)工作，而在地質(zhì)勘察工過程中，必須對存在的地質(zhì)問題進行全面的了解和評價，才能更好的服務于工程建設(shè)。

1 工程概況

貴州省息烽縣枧槽溝水庫工程位于息烽縣東北部，距縣城約1 km。該工程是以縣城供水為主，兼有農(nóng)業(yè)灌溉的水利工程，主要樞紐建筑有大壩、供水水廠、泵站等。水庫壩址以上集雨面積10.9 km2，正常高蓄水位1 066 m，推薦壩型為常態(tài)混凝土拱壩，壩高54.7 m，水庫回水線長約1.2 km，總庫容約140萬 m3，屬小(1)型水利工程。

2 工程地質(zhì)條件

2.1 壩址區(qū)地形

壩址軸線位于川黔鐵路枧槽溝大橋上游約157 m處，壩址處河流流向大致由東向西，巖層傾下游略偏左岸，為較對稱的U型橫向河谷，河床高程1 022～1 025 m，河床寬15～30 m，水深 ＜0.5 m，正常蓄水后河床寬約820 m，地形寬高比1.9兩岸地形上陡下緩，地形坡腳約50°～70°。

2.2 地層巖性

壩址區(qū)砂卵石主要分布于河床，厚度2～5 m，殘破積層主要分布于兩岸緩坡靠近河床河床附件及壩肩上部臺地內(nèi)，厚0.5～2.5 m，少量崩塌堆積體分布在左岸獅子山組與松子坎組交界以下緩坡帶厚度0.5～3.5 m。基巖為三疊系。厚度壩址新生界0～5 m。下游及壩肩三疊系獅子山組100 m，壩前16 m三疊系松子坎組100 m。

2.3 地質(zhì)構(gòu)造

壩址區(qū)主要構(gòu)造以北東向居多，區(qū)內(nèi)構(gòu)造不發(fā)育，與庫壩區(qū)有關(guān)的構(gòu)造是南極定斷層南部的分支斷層(F1)，呈張扭性，斷距 ＞200 m，距離壩址約600 m。壩址區(qū)未見大的斷裂構(gòu)造發(fā)育，僅右壩肩渠道高稱處發(fā)育一小斷層，受層面控制存在節(jié)理裂隙，建議設(shè)計預留適當灌漿對關(guān)健層灌漿處理[1]。

2.4 巖溶水文地質(zhì)情況

2.4.1 地下水類型

壩址區(qū)地下水為孔隙性潛水和基巖裂隙性潛水兩種類型。

2.4.2 巖體透水性

壩址區(qū)地下水位受地質(zhì)構(gòu)造影響較大，鉆孔壓水試驗說明，地表巖層裂隙發(fā)育、張開、透水率大，深部巖層的透水率有逐漸減小的趨勢。壩址區(qū)巖層以弱、微透水性為主，總體上巖體透水性相對較弱。局部如地表岸坡處或風化強烈地帶或巖體擠壓破碎處、結(jié)構(gòu)面發(fā)育地帶，巖體的透水性相對較強。由于巖溶不發(fā)育，地下水位總體與岸坡坡度的變化基本一致，地下水的自然坡降與地表分水嶺體系呈正態(tài)分布，無陡降及異常現(xiàn)象。

3 壩線及壩型選擇

3.1 壩線選擇

可行性研究階段批復下壩線為選定壩線，壩軸線距離息烽縣川黔鐵路枧槽溝大橋135～158 m，有縣城通往庫內(nèi)枧槽溝組鄉(xiāng)村公路，交通便利。受地形條件、水庫規(guī)模以及川黔鐵路的限制，若壩線往下游移，水工布置較為困難，且對川黔鐵路影響較大，防滲工作量亦增大較多，若往上游移，地形變開闊，工程投資將增大，反而水庫規(guī)模變小，因此，壩線選擇具有唯一性。

3.2 壩型選擇

在擬定比較壩型時，考慮到:①庫區(qū)周圍無合適料場，故不適合修建當?shù)夭牧蠅?②根據(jù)選定壩線附近的地形地質(zhì)條件，若采用當?shù)夭牧蠅伟凑障掠螇纹路牌潞螅瑝文_距離鐵路橋只有50m，且泄洪建筑物消力池末端，離鐵路橋墩過近，難以解決校核洪水位下泄洪時對鐵路橋產(chǎn)生沖刷的問題。綜上，本階段選擇剛性材料壩進行比較，即重力壩和拱壩進行比較。

拱壩方案樞紐由常態(tài)混凝土拱壩+壩頂開敞式溢洪道+壩身取水兼放空管組成。重力壩方案由碾壓混凝土重力壩+壩頂溢洪道+壩身取水兼放空管組成。重力壩對基礎(chǔ)要求較高，拱壩對壩肩巖體強度及完整性要求較高，結(jié)合壩線工程地質(zhì)條件，壩基為軟硬互層巖體，壩基前緣抗沖刷能力差，沖刷對重力壩基礎(chǔ)穩(wěn)定影響較大、壩肩硬質(zhì)巖占多、且?guī)r層傾下游，所以壩線處工程地質(zhì)條件更適宜建拱壩，所以常態(tài)混凝土拱壩為推薦壩型。

4 建拱壩主要工程地質(zhì)條件評價

4.1 建基面的選擇

拱弧軸線河床高程為1 024.3 m，處于T2s2薄至中厚層白云巖、灰?guī)r、泥質(zhì)白云巖、鈣質(zhì)泥頁巖不等厚互層巖體中。通過鉆孔揭露，河床覆蓋層4.8 m，強風化2.4 m，弱風化5m，建基面選擇在弱風化下部，高程為1 013 m。通過壩基(肩)T2s2巖體真厚度統(tǒng)計證實并綜合分析，建基面選擇是合適的。

4.2 壩基(肩)邊坡穩(wěn)定問題

壩線河谷為橫向谷，巖層傾下游，傾角28°～37°。基坑開挖上游面必然形成順向坡，河床邊坡達10～15 m，兩岸拱座存在以層面或軟弱夾層面為底滑面、陡傾角裂隙為側(cè)滑面的滑移不利組合，岸坡邊坡高達50～60 m，開挖巖體多為強風化至弱風化巖體邊坡，受巖體卸荷的影響，壩肩局部存在結(jié)構(gòu)面組合不利巖塊，上游側(cè)基坑開挖后，將形成臨空巖體傾向坑內(nèi)，受裂隙切割的影響，臨空巖體穩(wěn)定性差。因此，建議設(shè)計應充分考慮其處理措施[2]。

施工階段，應根據(jù)壩基(肩)開挖及檢測情況復核壩基(肩)抗滑穩(wěn)定、抗壓縮變形穩(wěn)定、開挖邊坡穩(wěn)定條件。

4.3 壩基(肩)抗滑穩(wěn)定問題

壩基(肩)由巖性堅硬、強度均勻性較好的T2sh1灰色中—厚層灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r夾灰黃色白云巖和強度均勻性相對較差的T2s2薄至中厚層白云巖、泥質(zhì)白云巖、鈣質(zhì)泥頁巖不等厚互層兩部分巖體組成。開挖深度應因地而異，T2sh1硬質(zhì)巖區(qū)(兩肩)宜挖除強風化和弱風化中上部溶蝕松動巖體;T2s2軟硬相間巖體，壩體應置于弱風化中下部(或微風化)巖體上，同時施工開挖中應盡量減輕爆破振動等帶來的不利影響[3]。現(xiàn)對壩基、兩壩肩巖體抗滑穩(wěn)定分析評價如下:

4.3.1 壩基抗滑穩(wěn)定及建議

壩線處為橫向谷，巖層傾向下游略偏左岸，傾角28～37°，無大的斷層切割，庫首河床平緩，壩線上、下游均無水下深槽存在，不存在地形臨空面。分布地層為強度均一性相對較差的T2s2薄至中厚層白云巖、泥質(zhì)白云巖、鈣質(zhì)泥頁巖不等厚互層，據(jù)鉆孔揭露，河床無泥化夾層分布，但巖體軟硬相間分布，巖體風化較深，巖層傾向下游，縱、橫向裂隙切割面存在，構(gòu)成了剖面上分布的三角體，當壩基開挖到一定的深度形成臨空面時(人工邊坡)，壩基上游側(cè)抗滑穩(wěn)定的控制因素，為提高壩基巖體整體強度，建議在開挖同時進行上游壁邊坡的固結(jié)加錨桿處理，全面作好壩基固結(jié)灌漿及防滲、排水處理措施，對壩體與巖體接觸帶設(shè)高標號鋼筋混凝土墊層。由于河床覆蓋層結(jié)構(gòu)松散，且夾有少量塊石，開挖施工難度大，開挖邊坡穩(wěn)定性差。

4.3.2 左、右岸壩肩抗滑穩(wěn)定及建議

根據(jù)裂隙發(fā)育方向，左岸第②組N60～80°W/NE∠75～82°裂隙(主要為溶溝、溶槽及卸荷裂隙)傾向山外，與層面軟弱夾層構(gòu)成兩滑面，底滑面為層面或軟弱夾層，側(cè)滑面為第二組陡傾角裂隙面。

右岸壩軸線第①組 N60～70°E/SE∠62～68°裂隙與河床斜交，傾山體外，偏上游，第②組N30°W/NE∠57～62°裂隙近于垂直河床，傾向山內(nèi)，同陡崖線卸荷帶追蹤發(fā)育，并且岸坡為夾軟弱層互層狀砌體結(jié)構(gòu)巖體，構(gòu)成上陡下緩不穩(wěn)定巖體，裂隙面為側(cè)滑面，底滑面為層面或?qū)娱g軟弱夾層，構(gòu)成不穩(wěn)定巖體。

T2sh1灰色中－厚層灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r夾灰黃色白云巖為硬質(zhì)巖，T2sh1地層軟弱(泥化)夾層較發(fā)育，厚1～5cm，局部達25cm，連續(xù)性較好，分析對巖體的受力變形有一定影響，建議在施工中深挖(掏挖)回填處理，以增強巖體的整體強度。

T2s2薄至中厚層白云巖、泥質(zhì)白云巖、鈣質(zhì)泥頁巖不等厚互層為軟硬相間巖體，天然岸坡表層有少量崩塌堆積層，在開挖之前先清除部分崩塌堆積層及覆蓋層，介于風化較深特點，需采取一定的安全措施。

鑒于T2sh1/T2s2分界線接觸帶巖體軟硬相間，分布不均，建議設(shè)計對此固結(jié)灌漿處里，以提高巖體承載力，滿足拱端壓應力允許值。

在左壩肩及平硐內(nèi)發(fā)育較大巖溶洞穴(如K1、K2、K3)，分布高程均在1 066 m以下，洞寬 1～2.5 m，洞高0.8～2.0 m。開挖時，可結(jié)合防滲帷幕灌漿回填處理。

兩壩肩有兩個平勘探硐，在施工階段，需對兩平硐進行混凝土灌漿回填，以利于拱壩壩肩穩(wěn)定。

4.4 壩線下游巖體抗沖刷問題

壩線下游河床寬10～25 m，覆蓋層厚0～5 m，河床高程1 020～1 024 m。主要分布地層巖性為T2sh1灰色中－厚層灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r夾灰黃色白云巖硬質(zhì)巖和T2s2薄至中厚層白云巖、泥質(zhì)白云巖、鈣質(zhì)泥頁巖不等厚互層軟硬相間巖體，屬鑲嵌碎裂結(jié)構(gòu)巖體，巖層傾向下游略偏左岸，傾角28°～37°，T2sh1有軟弱夾層，為解決好壩頂溢流使壩腳不被沖刷形成臨空面，建議設(shè)置護坦。

4.5 巖溶及壩線防滲問題

由于T2sh1灰?guī)r巖溶發(fā)育，左岸地表可見溶洞發(fā)育，鉆探有遇掉鉆現(xiàn)象，鉆孔壓水呂榮值普遍偏大，壩肩開挖及防滲工作中遇巖溶洞穴的可能性都較大，地基處理及灌漿耗漿量大，建議設(shè)計充分考慮其處理措施，預留適當?shù)墓酀{工作量。根據(jù)設(shè)計布置方案和壩區(qū)巖溶水文地質(zhì)條件，通過鉆孔揭露情況，并綜合分析，確定其防滲邊界及防滲漏。

1)防滲線選擇:壩線區(qū)河谷為橫向谷，地質(zhì)結(jié)構(gòu)單元清晰明朗，河床分布有T2s2弱巖溶含水層，壩肩出露T2sh1強巖溶含水層，兩岸地下水位較低，防滲端點無法接較高地下水位，下游無隔水層與相對隔水層分布，防滲線只能由兩壩肩拱端向上游反接T2s2弱巖溶含水層(巖體含泥成分較高)，為避免壩線防滲工作量過大，又要兼顧考慮避開岸坡卸荷帶與巖體風化的影響，初擬左岸防滲線走向與壩軸線呈72.7°交角，右岸防滲線走向與壩軸線呈39.3°交角。

2)防滲原則:壩線防滲下限按＜3 Lu或深入T2s2基巖以下25～40 m控制，兩端點接正常蓄水位與T2s2相對隔水層的交點向山體內(nèi)延伸長15～20 m。兩岸地下水位橫向補給河谷，通過此防滲方案阻斷了庫水與外界水力聯(lián)系，因此水庫通過防滲處里后，具備較好的成庫條件。

3)防滲工作量:考慮壩不高，建議采用單排孔，孔距3 m，防滲線總長292.3 m，有效總防滲面積為16 371.3 m2。

在施工階段可通過先導孔壓水試驗進一步優(yōu)化帷幕深度和邊界。

4.6 施工干擾問題

壩線下游150 m即為川黔鐵路枧槽溝大橋，建議設(shè)計應充分考慮施工交通、開挖爆破對鐵路的干擾和壩下游抗沖刷巖體影響范圍等。

5 結(jié)語

通過上述分析，在T2sh1/T2s2地層建拱壩主要存在問題為選擇合理建基面、壩基(肩)邊坡穩(wěn)定、壩基(肩)抗滑、大壩下游巖體抗沖刷問題、巖溶、防滲以及開挖爆破對鐵路的干擾問題。合理解決上述地質(zhì)問題為工程順利建設(shè)提供有力地質(zhì)支撐。

[1]鄒志悝，許海望，王繼華.盤石頭水庫主要工程地質(zhì)問題淺議[J].河南水利，2003(02):67－68.

[2]王建華，王耿，張茂軍.某水電站壩址區(qū)工程地質(zhì)條件評價[J].土工基礎(chǔ)，2011(03):45－46.

[3]薛果夫，陳又華.三峽工程壩址區(qū)主要工程地質(zhì)問題研究[J].中國工程科學，2011(07):34－35.