涇河東莊水利樞紐工程高拱壩建設工程地質適宜性研究

王泉偉，周益民，戴其祥，劉建磊，杜朋召

(黃河勘測規劃設計有限公司，河南鄭州 450003)

東莊水利樞紐工程是渭河下游河防工程體系中不可缺少的重要骨干工程，開發任務是“以防洪減淤為主，兼顧供水、發電及改善生態環境”。工程位于涇河下游峽谷段，距峽谷出山口約29 km。東莊水利樞紐擬建壩型為混凝土雙曲拱壩，最大壩高230 m，壩頂高程804 m，規劃水庫總庫容32.9億m3。

東莊水利樞紐壩址處河谷深窄(呈“V”形)，河谷岸坡對稱，地形完整，山體渾厚(圖1)。建壩地層為奧陶系厚層、巨厚層灰巖，巖層傾向下游偏左岸，中等傾角，巖石堅硬，巖體風化卸荷帶較薄，巖體較完整，但沿部分層面、裂隙存在溶蝕現象。

眾所周知，巖體工程地質條件和巖體的力學特性是拱壩設計的關鍵因素之一，這也正是拱壩勘察研究的重要內容［1］。為了查明壩址區巖體風化與卸荷特征，評價壩基巖體質量，分析壩肩抗力體及邊坡穩定性，前期勘察在壩址區兩岸不同高程布置勘探鉆孔和平洞，并開展了巖體(石)物理力學試驗，為評價壩址區工程地質條件對拱壩的適宜性及拱壩設計提供了重要依據。

1 基本地質條件

1.1 地貌特征

工程區地處渭北黃土丘陵區，涇河深切于黃土丘陵之下，形成高達500～600 m的峽谷。兩岸750～780 m以上，河谷相對開闊，岸坡陡緩相間，總體坡度40°～65°;750～780 m高程以下，河谷狹窄，岸坡陡峻，坡度70°～85°。

壩址區河流流向南西245°，平直河段長約700 m。平水期河水面高程590 m，水面寬15～30 m，水深6～9 m，河谷底部高程581～584 m，正常蓄水位789 m時，河谷寬約200 m。從壩基基巖面算起，河谷寬高比約為 0.95。

1.2 地層巖性

壩址區右岸及左岸750 m高程以下基巖裸露，地層巖性較為單一，為奧陶系中統馬家溝組(O2m)灰巖，厚層—巨厚層，淺灰色白色隱晶質灰巖，夾含生物及白色似鮞狀隱晶質灰巖。

左岸壩肩753～785 m高程分布一層膠結、半膠結的古沖積層，主要有砂卵礫石組成。順河向長160 m，寬125 m，空間形態為中間低、四周高的窩狀。

1.3 地質構造

壩址區處于唐王陵向斜北翼，巖層走向NWW，產狀190°～210°∠30°～55°，即傾向左岸偏下游方向，為斜橫向谷。壩址區的構造行跡主要有斷層、順層大裂隙、節理裂隙等，如圖1所示。

壩址區斷層不發育且規模較小，對大壩有影響的主要為右岸壩肩的f5斷層，走向NE40°～86°(與河流近平行)，傾向NW，傾角56°～85°，斷層帶寬一般10～40 cm，充填巖屑、角礫、方解石及少量斷層泥，擠壓較緊密，泥鈣質膠結，輕微溶蝕，局部伴生方解石結晶。

兩岸壩肩發育多條順層大裂隙，局部溶蝕切層，連續性和延伸性較好，具有一定的規模，走向260°～335°，傾向 SW 為主，傾角 22°～60°，寬一般 0.5 ～30 cm，局部可達50～60 cm，充填泥夾巖屑或巖屑夾泥，局部以鈣質硬性結構面形式存在，對巖體質量、壩肩穩定有一定影響。

圖1 壩址區平面地質圖Fig.1 Plan engineering geological map of dam area

壩址發育產狀為 270°～290°∠15°～45°的 J1，315°～335°∠15°～35°的 J2，330°～350°∠25°～50°的J3，165°～195°∠30°～55°的J4，310°～350°∠65°～85°的 J5，260°～295°∠65°～80°的 J6等六組節理，節理面多平直，寬度一般＜5 mm，充填鈣質，個別溶蝕后充填泥膜、巖屑。

1.4 巖體風化卸荷

壩址區基巖為致密堅硬的灰巖，均勻風化作用微弱，裂隙溶蝕風化主要表現為沿斷層、層面、陡傾裂隙等形成溶隙、溶孔及小溶洞。

壩址區岸坡高陡，相對高差200多米，根據岸坡鉆孔、平洞及波速測試，兩岸岸坡卸荷帶特征［2］見表1。

1.5 巖體(石)物理力學特性

東莊壩址基巖巖性單一，為厚層、巨厚層狀灰巖，巖石主要物理力學指標見表2。

壩址區灰巖采用剛性承壓板法原位變形試驗，試驗成果見表3。

電子商務平臺和交易的發展拉動了消費也為社會民眾提供了便利，但對于其中出現的問題要通過法律及時探查并解決，規則設置既要考慮到基本法理也要注重電子商務合同的特殊性。

表1 壩址區卸荷帶特征表Table 1 The features of unloading zone at dam area

表2 灰巖物理力學指標Table 2 The physical and mechanical indexes o f limestone

表3 巖體變形試驗成果表Table 3 The test results of rock mass deformation

壩址區結構面分為兩類:一類是軟弱結構面，包括順層大裂隙、溶蝕夾泥裂隙;另一類是硬性結構面，包括層面、構造節理。兩類結構面的力學特征［3］見表4。

表4 主要結構面力學特性表Table 4 The mechanical characteristics of the main structure face

2 壩基巖體質量及工程特性

壩區地層較為簡單，主要為奧陶系(O2m4－2)巨厚層灰巖，巖石致密、堅硬，抗風化和變形能力強，巖石單軸飽和抗壓強度一般在80 MPa以上，基本物理力學性能好。巖體結構主要有巨厚層塊狀結構、巨厚層次塊狀結構、巨厚層鑲嵌結構、碎裂結構和散體結構五種類型。

壩基巖體質量是由多種地質因素綜合作用的結果，根據對影響壩基巖體質量的地層巖性、巖體結構、卸荷、溶蝕風化等基本地質因素，并結合室內試驗和現場原位試驗測試(如原位大型剪切試驗、現場變形試驗、聲波測試、地應力等)成果，壩基巖體質量綜合分類［4］見表 5。

兩岸表層強溶蝕卸荷帶一般厚2.0～8.0 m，巖體為Ⅳ類，弱卸荷帶一般厚5.0～15.0 m，巖體質量為Ⅲ類;微—新鮮的巖體質量為Ⅱ類;f5斷層影響帶、節理密集帶、溶隙溶孔密集帶為Ⅳ類巖體;斷層帶、L12、L14等順層大裂隙、夾泥裂隙等張開充填及溶蝕充填帶為Ⅴ類巖體。

根據壩基巖體質量，結合拱壩受力狀況，拱端中下部可置于Ⅱ類或Ⅲ類巖體中，上部拱端受力較小部位可考慮置于Ⅲ類巖體中，但需采取一定的工程處理措施。對壩基及抗力體內影響比較大的順層大裂隙、夾泥裂隙張開充填帶、節理密集帶、溶隙溶孔密集帶［5］等Ⅳ-Ⅴ類巖體，需進行專門的工程處理措施。

表5 壩基巖體質量分類及特征表Table 5 Quality classification and characteristics of the rock mass of dam foundation

3 壩肩抗力體的抗滑穩定

3.1 左岸壩肩抗滑穩定

在735 m 高程以上，底滑面 J2(315°～335°∠15°～35°)與側裂面 J5(330°～350°∠70°～85°)的交棱線傾向河谷偏下游，對抗滑穩定不利，如圖2所示。但J2為硬性結構面，與側裂面形成的交棱線傾角較緩，發生滑動的可能性較小。

底滑面L12等順層大裂隙為軟弱結構面，傾向岸坡內，與J5的交棱線傾向河谷偏下游，對抗滑穩定不利，如圖3所示。但交棱線傾角較緩，與河谷臨空面小角度相交，同時J5為硬性結構面，在拱端力作用下，產生滑動的可能性較小。

圖2 左壩肩抗滑穩定不利結構面組合一示意圖Fig.2 The schematic diagram for the first combination of the anti-slide stability of unfavorable structural surfaces at the left abutment of the dam

圖3 左壩肩抗滑穩定不利結構面組合二示意圖Fig.3 The schematic diagram for the second combination of the anti-slide stability of unfavorable structural surfaces at the left abutment of the dam

3.2 右岸壩肩抗滑穩定

在780 m高程以上，側裂面(f5、Rnj3、J5)與底滑面J1(270°～290°∠15°～45°)的交棱線與臨空面的傾向基本一致，且傾角低于臨空面，在拱端力的作用下存在向下游伙房溝滑動的可能，如圖4所示。

圖4 右壩肩抗滑穩定不利結構面組合一示意圖Fig.4 The schematic diagram for the first combination of the anti-slide stability of unfavorable structural surfaces at the right abutment of the dam

在720～780 m高程，以J1為底滑面，以f5、Rnj3、J5為側裂面，以河谷和下游L22為臨空面，形成的切割塊體在拱端力的作用下，對抗滑穩定不利，如圖5所示。

圖5 右壩肩抗滑穩定不利結構面組合二示意圖Fig.5 The schematic diagram for the second combination of the anti-slide stability of unfavorable structural surfaces at the right abutment of the dam

在720 m 高程以下，以L12、L14 、L16、L18(350°～30°∠22°～45°)等順層大裂隙為底滑面，以 J4、J5為側裂面，形成切割塊體的交棱線傾向坡外，偏向下游，對抗滑穩定不利，如圖6所示。

圖6 右壩肩抗滑穩定不利結構面組合三示意圖Fig.6 The schematic diagram for the third combination of the anti-slide stability of unfavorable structural surfaces at the right abutment of the dam

4 壩肩變形穩定

左壩肩753 m高程以上古沖洪積層物理力學性能差，不宜作拱壩基礎需清除，基巖壩基主要為微新的Ⅱ類巖體，變形模量E0達15 GPa以上，局部Ⅲ類巖體變形模量也在8 GPa以上，巖體抵抗變形能力強。勘探揭露的 L7、L8、L9、L10、L12、L13、L14、L16、L22 等順層大裂隙及夾泥裂隙局部溶蝕寬可達數十厘米，充填物以巖屑夾泥為主，且距離拱端較近，大壩變形穩定有一定的不利影響［6］，但寬度較小，對壩肩的整體變形穩定影響不大。

右壩壩基巖體主要為微新的Ⅱ類巖體，局部為Ⅲ類巖體，巖體變形模量一般在10 GPa以上，抵抗變形能力較強。勘察揭露的f5斷層陡傾，走向與拱端受力方向近正交，距拱端較近，對變形穩定不利。L22、L12、L14、L6、L8 等順層大裂隙、Rnj1、Rnj2、Rnj3 等夾泥裂隙，對大壩變形穩定有一定的不利影響，但寬度較小，對右壩肩變形穩定影響不大。

5 邊坡穩定性

800 m高程以下，兩岸邊坡陡峻，自然坡度60°～80°，巖性為厚層、巨厚層灰巖，致密堅硬，風化卸荷作用不甚強烈［7］，強卸荷水平厚度一般 1.0 ～8.0 m，弱卸荷水平厚度一般4～15 m，岸坡整體穩定性較好。

5.1 左岸邊坡穩定

左岸自然邊坡高450～500 m，其中壩肩工程部位邊坡高200～250 m，由厚層高強度的灰巖組成，風化和表生卸荷作用不強烈，以裂隙式溶蝕風化為主，卸荷深度一般5～23 m，邊坡中地下水不發育，以裂隙水為主，無統一地下水位，巖體宏觀上呈塊狀—厚層、巨厚層狀結構，巖體質量總體較好，邊坡巖體以Ⅱ類巖體為主，其次為Ⅲ類，自然邊坡坡型完整，未見大規模的變形體，左岸邊坡整體處于穩定狀態。

需要指出的是，根據岸坡工程特點和基體裂隙發育的優勢方位，邊坡巖體發育的硬性結構面之間或與順層大裂隙切割，開挖邊坡可能形成局部不穩定塊體。主要表現為傾向坡外(NNW)的J2與近南北向的J5及順層大裂隙組合，形成切割塊體，在邊坡應力重分布卸荷后產生不穩定塊體，需加強支護。

5.2 右岸邊坡穩定

右岸自然邊坡高450～500 m，其中壩肩工程部位邊坡高200～250 m，由致密堅硬的灰巖組成，風化以裂隙式溶蝕風化為主，岸坡風化卸荷深度一般4～15 m。岸坡出露的結構面有順層大裂隙、夾泥裂隙及成組發育的硬性結構面。邊坡中地下水不發育，巖體呈塊狀—厚層、巨厚層狀結構，巖體質量總體較好，自然邊坡整體處于穩定狀態。

工程邊坡發育控制性結構面［8］有f5斷層與緩傾河谷偏下游的 L12、L14、L16、L18、L22 順層大裂隙。根據邊坡工程特點和結構面發育的優勢方位，存在不利組合主要有:一是以L22順層大裂隙為底滑面與f5、J4組合形成潛在不穩定塊體;二是L12等順層大裂隙與陡傾角J4、J5形成小規模潛在不穩定塊體，應引起重視;三是J1與J5組合形成的切割塊體，但交棱線傾向坡外，傾角較緩，且J1、J5是硬性結構面，對開挖邊坡穩定影響不大。

6 結論

(1)東莊壩址河谷窄深，巖性為厚層及巨厚層灰巖，地質構造簡單，巖石強度高，風化卸荷帶較薄。建基面巖體以Ⅱ類巖體為主，抗變形能力強，局部斷層、夾泥裂隙、順層大裂隙和裂隙密集帶部位為Ⅲ-Ⅳ類，具備修建混凝土拱壩的地形地質條件。

(2)兩岸壩肩抗滑穩定性整體較好，右岸受L22及伙房溝等下游臨空面影響，存在不利結構面組合，對不穩定組合塊體采取工程處理措施。

(3)左岸邊坡為逆向坡，邊坡整體穩定性較好。右岸邊坡順層大裂隙與其它硬性結構面組合形成潛在不穩定塊體。兩岸邊坡表部受卸荷、應力松弛影響，局部可能形成不穩定塊體，需加強支護。

［1］ 陳祖安，彭土標，郗綺霞，等.中國水力發電工程(工程地質卷)［M］.北京:中國電力出版社，2000.

［2］ 李建林，王樂華.卸荷巖體的尺寸效應研究［J］.巖石力學與工程學報，2003，22(12):2032 －2036.

［3］ 周火明，盛謙，熊詩湖.復雜巖體力學參數取值研究［J］.巖石力學與工程學報，2002，21(增刊):2045 －2048.

［4］ GB 50487—2008，水利水電工程地質勘察規范［S］.

［5］ 周火明，盛謙，李維樹，等.三峽船閘邊坡卸荷擾動區范圍及巖體力學性質弱化程度研究［J］.巖石力學與工程學報，2004，23(7):1078－1081.

［6］ 曹文貴，李翔，劉峰.裂隙化巖體應變軟化損傷本構模型探討［J］.巖石力學與工程學報，2007，26(12):2488－2494.

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［8］ 陳祖煜，彌宏亮，汪小剛.邊坡穩定三維分析的極限平衡法［J］.巖土工程學報，2001，23(5):525 －529.