水利工程大壩選址的地質勘察分析研究

劉殊慧

(齊齊哈爾市水利勘測設計研究院，黑龍江 齊齊哈爾 161006)

水利工程大壩選址的地質勘察分析研究

劉殊慧

(齊齊哈爾市水利勘測設計研究院，黑龍江 齊齊哈爾 161006)

我國水利事業發展迅速,而水利工程的建設,會在較大程度上影響到經濟發展,因此,需要嚴格控制水利工程施工質量。壩址選擇是水利工程中非常重要的一個環節,通過科學選址,可以促使水利工程質量得到提升，而基礎工作則是深入勘察水利工程所在區域的周邊地質環境,選擇科學的勘察技術,結合勘察資料,更加科學地選址。

水利工程；大壩選址；地質勘察；地質構造

1 緒 論

地質勘查在水利水利工程的大壩壩址選擇中具有重要作用，與其他建筑工程相比，水利工程對于地質的要求更高，所以在進行水利工程大壩建設之前，一定要了解大壩建設區域的地質情況和水文條件，避免大壩選址失誤，引起滲漏等大壩問題。在進行大壩建設之前，設計人員一定要對于水利工程進行嚴格的考察，確定其地質勘探結果，確保壩址選擇正確，不會對大壩正常使用造成影響。

壩址選擇的地質勘察主要任務：①區域的穩定性是基礎，對工程的后期有重要的影響。壩址設計中，對需要開發的河段進行檢測工作，認真分析區域的穩定性。對于地震對壩址和工程建設造成的影響要重點分析，分析地震的安全性等級和產生的危險性。②地形地貌特征對水利工程壩型的選擇很重要，制約著工程施工條件和設計方案。在地質勘察中，需要熟悉地形對壩型的施工條件，因地形要求在一定的范圍內，狹小、分明的基巖“V”型谷能夠適合設計壩址。不同的地形地貌都有不同結構、特點，針對這些限制條件充分分析，對每個河谷地段的結構土層進行研究，合理判斷在施工中將會遇到的問題并做出有效的解決措施[1]。③ 巖土的性質。完整的巖體結構、抗水性能、堅硬度都是壩址選擇的有利條件。在進行選取時，對巖石周圍不同時期的接觸邊緣進行研究，考慮風化夾層和風化殼的分布位置，在壩址選取時要注意避開不利因素。噴出巖的類型研究上，其抗水性能強、強度較高，通常也是壩基選取的首要考慮。很大程度上對工程地基的抗滑穩定性上產生關系重大的影響。一般工程選址在較高的強度、透水性能差和抗水性能強的區域。

2 地質構造對于壩址選擇影響

2.1 水文地質對于選址的影響

水文地質對于壩址的選擇有重要的影響，巖溶區的存在、河床區滲漏問題都是影響壩址選擇的因素。其對于壩址選擇的影響主要有以下幾點：

在進行壩址建設前，要充分對于水利工程建設區域的巖溶區進行考量，確保選址區域擁有隔水層的橫谷，更好的對于水流進行阻隔，也要保證區域的巖石分布大部分在上游段，盡可能的在水流經過大壩前起到緩沖作用。對于大壩經常出現的水庫滲漏現象，要提早做好預測和保護措施，避免滲漏問題出現。在進行壩址選擇的時候，要盡可能選擇擁有隔水區域的巖層，以減少水流對于大壩的壓力；并且選擇兩岸的分水嶺較高的區域，可以更好的實現對于水流的集中，以保證大壩的使用安全。如果水利工程建設區域沒有可以利用的自然隔水層，在壩址的選擇上，要盡可能的選擇弱巖溶化區域，以保證壩基的穩定，確保大壩正常使用。

2.2 物質地理對于選址的影響

物質地理對于壩址的選擇影響較多，巖石的分化會影響壩基選址；泥石流出現的幾率會影響地址的選擇；崩塌和滑坡現狀對于壩址選擇也有很大影響，其具體影響如下：①滑坡。在實際的水利工程壩址選擇中，滑坡對于大壩的影響重大，如果在大壩的建設和使用中，建設區域出現滑坡，不僅會影響工程進度，也會對于施工人員造成人身傷害。所以對于工程建設區域滑坡情況進行嚴格的考察分析。②在進行壩址的選擇時，往往會選擇狹窄的峽谷區域，因為峽谷可以更好的對于河流進行控制調節，更加有利于方案的設計和工程的實施。但是由于峽谷的坡度較大，所以在建設中，要注意確保工程穩定性，保證施工人員安全和大壩使用安全性。③天然材料對于壩址選擇的積極作用，在水利工程的壩址選取上，天然建筑材料也可以作為一個重要的因素進行考慮。施工中工材料的采購運輸問題也是必須重視的問題，壩址的選擇上可以看看周圍是否存在能夠滿足工程施工材料的要求。在施工中，一些砂石、黏土是在壩址的選擇上就應當考慮的，同時天然建筑材料的選擇上，其數量、質量、種類和開采條件，這些因素對工程建設具有很大的影響。

3 工程實例

3.1 水庫區工程地質

水庫區位于西南省份南部的中低山區，為“V”字型峽谷地貌，植被豐茂。河流兩岸山勢陡峻，沖溝發育，總體趨勢為北高南低。文章在上壩址區內選擇了上、中、下三條壩線進行比選，其中上壩線距中壩線約85m，下壩線距中壩線約72m。三條壩線的布置見圖1。

圖1 不同壩線位置圖

3.1.1 水庫滲漏

庫區地形封閉,周邊山體雄厚，無單薄分水嶺存在，亦無與外界連通的溝谷凹地，庫盆主要由弱-微風化基巖構成,透水性能弱,溶巖沒有與下游鄰谷溝通，且巖溶發育輕微，連通性差；地下水出露高程高于正常蓄水位，以下降泉形式補給河水；周邊水系中距庫壩區最近的河段距庫壩區直線距離約3.96km及6.5km，鄰谷沿線泉水出露高程高于水庫正常蓄水位，中部有地下水分水嶺；通過庫區的Fi5-1、Fi5-2斷層，在庫外出露高程及斷層帶上的泉水出露高程均高于水庫正常蓄水位，其它斷層帶上的泉水出露高程亦高于水庫正常蓄水位高程。故認為水庫的地形地質條件不滲漏，不存在永久性滲漏問題。

3.1.2 庫岸穩定性及評價

水庫區回水岸坡總長度155.24km,基巖岸坡約占岸坡總長度的80%,第四系地層庫岸約占總長度的19%，基巖岸坡穩定性較好，塌岸主要位于第四系岸坡。根據圖解法預測水庫可能產生塌岸的庫段有15處，建議進行工程處理。

庫岸邊坡分布有3個滑坡，其中1#、2#號滑坡天然狀態下基本穩定，2#號滑坡圍堰截流及水庫蓄水條件下不穩定，建議削坡減載處理，并結合圍堰施工可作為填筑用料。3#號滑坡天然及蓄水條件下均穩定，由于各滑坡距壩址較遠，滑坡方量較小，對水庫大壩的安全運行基本無影響。

3.1.3 庫區浸沒

正常蓄水位附近無平緩臺地及村莊，庫區不存在浸沒問題。

3.1.4 誘發地震

3.2 壩址區工程地質

1)壩型適應性評價：本階段所選的三條拱壩線均位于200m范圍內的基巖峽谷區，間隔距離≤80m，二者地質條件相當。該段河谷為“V” 形，谷底寬度約40-65m，正常蓄水位對應的河谷寬高比為2.7-3.2，兩岸山體雄厚，自然岸坡穩定。壩基巖體主要為結晶灰巖及變質砂巖，二者的力學性質及變形模量相近，巖體堅硬、較完整，具有較高的抗壓強度及抗剪強度；弱風化巖體壩基工程地質分類為AⅢ2-AⅢ1類；兩岸微風化巖體水平埋深在40-70m，為AⅡ類壩基工程巖體，屬較好的高混凝土壩建基巖體。兩類壩型壩線附近的小型斷層、裂隙均比較發育，主要斷層走向與河流均呈大角度相交，發育的緩傾角斷層量少且規模較小，壩基及兩壩肩整體抗滑穩定性較好，局部存在抗滑穩定不利結構面，對大壩的抗滑穩定有一定影響，但經過必要的工程處理后是可以建壩的。

2)拱壩壩線選擇：本階段選擇了上、中、下三條拱壩壩線進行比選，其中上壩軸線距中壩線約85m，下壩軸線距中壩線約72m。分別從地形條件、河床覆蓋層厚度、基巖巖性、風化卸荷特征、地質構造及組合抗滑穩定性、壩基及壩肩的變形特征、巖體滲透條件等方面，對三條壩線的主要工程地質條件及地質問題進行了分析比較。

三條壩線巖體主要以變質砂巖和結晶灰巖為主，但上壩線分布有大面積大理巖，下壩線存在多條偉晶巖脈，巖相變化相對較大，且弱風化的大理巖與偉晶巖脈變形模量相對較低，而中壩線巖脈分布面積相對較小，巖性相對單一；下壩線受下游穹窿褶曲影響，風化卸荷深度相對較大，同時上壩線拱座及抗力體上發育f44斷層，為橫跨河谷斷層，規模較大，壩址選址影響較大。綜合對比，因中壩線地形、地質條件優于上、下壩線。因此，推薦采用中壩線作為該大壩的壩軸線。

3.3 推薦拱壩壩線的工程地質條件及主要工程地質問題評價

3.3.1 工程地質條件

1)壩基：拱壩中壩線河床寬約75m，上覆砂卵石厚度5-8.5m。壩基巖體上部以變質砂巖為主，下部為結晶灰巖。基巖面以下強風化巖體屬BⅣ2類壩基工程巖體；弱風化壩基巖體工程地質分類屬AⅢ2類，壩基巖體工程地質分類屬AⅢ1類；微風化巖體屬AⅡ類壩基工程巖體。河谷壩基巖體結構較完整，裂隙無發育現象。

2)左壩肩：左壩肩主要由變質砂巖及結晶灰巖組成，局部夾透鏡體狀偉晶巖脈。卸荷帶水平寬度一般小于14m，強風化巖體屬BⅣ2類壩基工程巖體；部分巖體完整性較差，聲波波速變化大，且偏低，弱風化分帶不明顯，弱風化巖體下限屬AⅢ2類壩基工程巖體，且高弱風化上帶巖體完整性較差，屬AⅢ2類壩基工程巖體，弱風化下帶巖體較完整，屬AⅢ1類壩基工程巖體；微風化巖體較完整，屬AⅡ類壩基工程巖體。左壩肩未見地面出露較大斷層。

3)右壩肩：右壩肩基巖裸露，主要由變質砂巖組成，局部為結晶灰巖，夾透鏡狀偉晶巖脈及石英脈。卸荷帶水平寬度小于13m，強風化巖體屬BⅣ2類壩基工程巖體；弱風化上帶巖體巖體完整性較差，聲波波速變化很大，且偏低，屬AⅢ2類壩基工程巖體；弱風化下帶巖體巖體較完整，屬AⅢ1類壩基工程巖體；微風化巖體較完整屬AⅡ類壩基工程巖體。右壩肩斷層較發育，壩軸線附近共發育f13、f14、f57、f44、f46等五條地面斷層，另外平硐內有多條小規模斷層，發育4組裂隙。

在檢測出發生周跳的歷元后，利用Chebyshev多項式擬合算法對周跳進行修復。修復的具體過程為：先利用完好性監測算法探測出發生周跳的歷元，然后利用Chebyshev多項式將附近沒有發生周跳的載波相位數據進行擬合，計算出周跳的值。

3.3.2 推薦壩線的主要工程地質問題

1)壩基(肩)抗滑穩定問題：左壩肩抗滑穩定不利塊體規模均較小，壩肩抗滑整體穩定性較好，局部抗滑穩定性差，尤其是拱座高程處區域的塊體L2、L3、L5、L6、L7側滑面及底滑面由平硐斷層及蝕變帶構成，該類斷層的空間分布特征較為復雜，又位于拱座區域，應采取專項抗滑處理措施；其余塊體做常規抗滑處理即可。

右壩肩存在貫穿壩線至下游河床的側滑面斷層f57、f14，尤其f57斷層構成側滑面的塊體R2、R3規模較大，且部分位于建基面以下，抗滑穩定性較差。對拱座高程區域、建基面以下的斷層與斷層組合塊體R1、R2、R4、R5采取專項抗滑處理措施，其余塊體做常規抗滑處理。

壩基以變質砂巖為主，無軟弱夾層，巖體抗剪強度高；雖上游河床發育的斷層f44可構成后緣拉裂面，但河床未發現順河向斷層，裂隙不發育，河床壩基緩傾角裂隙亦不發育，下游無大的風化深槽構成臨空面。綜合分析認為河谷壩基不存在利于壩基抗滑穩定的組合，壩基不存在抗滑穩定問題。

2)壩基巖體變形問題：壩基巖體以變質砂巖為主，弱風化及微風化巖體均為堅硬巖，壩基無軟弱夾層及較大規模的斷層分布，在大壩荷載作用下，壩基不會出現較大壓縮變形及不均勻變形。

兩壩肩巖體由變質砂巖及結晶灰巖組成，局部穿插偉晶巖脈，弱風化下帶及微風化巖體變型模量較高，且差別不大，在大壩荷載作用下，不會因巖性差異而產生較大壓縮變形及不均勻變形。但兩壩肩發育多條地面斷層及多條平硐斷層，斷層破碎帶及影響帶巖體力學強度和變形模量顯著降低，因此斷層破碎帶及影響帶可能產生壓縮變形，導致壩肩局部不均勻變形。采取固結灌漿加固處理措施，對規模較大的斷層破碎帶及影響帶應部分挖除破碎帶回填混凝土處理。

3)開挖邊坡穩定性分析：兩壩肩發育有斷層及四-五組裂隙，斷層的組合大部分傾向與自然邊坡相反，對自然邊坡整體穩定有利，但對結合槽開挖邊坡穩定不利，施工中應加強處理。斷層與裂隙的組合易形成對自然邊坡及結合槽側向邊坡局部穩定不利的塊體，開挖時采取臨時噴錨措施。

4)滲透破壞分析及防滲措施：壩基巖體為變質砂巖及結晶灰巖，結構較完整，產生滲透破壞的可能性小。但壩基及兩壩肩發育斷層f13、f14、f57、f60、f61，斜穿壩軸線，斷層破碎帶屬中等透水-強透水性；在正常蓄水位處，各斷層壩線上下游水力梯度均大于允許坡降，將產生滲透破壞，破壞形式為混合型，針對上述斷層加強防滲處理措施。

3.3.3 推薦壩線建基面選擇及評價

1)建基面的選擇標準：綜合壩基(肩)巖體的聲波縱波速度、完整性系數、變形模量及彈性模量等工程地質特性指標，并參照同類工程的建基標準，確定壩基建基面量化標準見表1。

表1 推薦壩線壩基(肩)巖體選擇標準

2)河床壩基巖體選擇：河床基巖以變質砂巖及結晶灰巖為主，弱風化巖體為AⅢ2類巖體，不宜作為河谷段壩基巖體，應予以清除；微風化巖體為AⅡ類巖體，可直接作為建基面基礎。

3)兩壩肩建基面選擇：兩壩肩建基面主要置于微風化AⅡ類巖體(地震波≥4100)及弱風化下帶AⅢ1類巖體(地震波=3600-4100)中，并需對AⅢ1類巖體進行灌漿處理；2/3壩高以上，弱風化上帶AⅢ2巖體(地震波=3000-3600)下部加強固結灌漿后也可作為建基利用巖體；并應對貫穿壩線的斷層如f13、f14、f57進行專門處理。

就樞紐工程布置而言，壩址區地形、地質條件基本相同，因此三條壩線的樞紐工程布置相同，其主要建筑物均包括攔河壩、壩身泄洪表孔、電站廠房以及連接輸水隧洞，各建筑物工程規模一致。

三條壩線處河道兩岸均基本對稱，河谷寬度81-94m(中壩線82m)，正常蓄水位處河谷寬度344-372m(中壩線344m)，相對下壩線而言，上、中壩線下游無較大的溝谷發育。

三條壩線巖性主要以變質砂巖和結晶灰巖為主，但上壩線分布有大面積大理巖，下壩線存在多條偉晶巖脈，大理巖與偉晶巖脈的變形模量偏低，存在因巖性差異而產生的壓縮變形及不均勻變形，而中壩線巖脈相對較少，巖性相對單一。

中壩線附近的主要斷層在左岸有f58、f60，在右岸有f57、f14，它們對壩肩穩定有一定的影響；上壩線拱座及抗力體除受上述4條斷層影響外，還發育橫跨河谷規模較大的f44、f45斷層，對拱座變形影響較大；下壩線拱座及抗力體除受f58、f60、f57斷層影響外，其距離下游穹窿褶曲較近，受其影響小構造發育，風化卸荷深度較大。

綜合分析認為，中壩線地形、地質條件的分析是合理適宜的，故推薦采用中壩線。

4 結 論

選擇合適的壩址是確保水利工程建設安全的第一步，直接關系到大壩的安全穩定性。地質勘探對于壩址的選定具有重要意義，是確保壩基建設安全的基礎，也是確保大壩穩定的重要參數。所以在進行水利工程建設之前，一定要確保地質勘探的準確性，充分的對于地質環境進行考察，避免不利因素對于大壩使用造成影響。

[1]賈金生，袁玉蘭，鄭崔瑩，等.中國水庫大壩統計和技術進展及關注的問題簡論[J].水力發電，2010(01):6-10.

1007-7596(2017)08-0027-04

2017-07-28

劉殊慧(1965-)，女，山東肥城人，工程師，從事水利工程地質勘查工作。

TV221.2

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