新疆莫莫克水利樞紐工程庫區地質問題分析和評價

張聚峰

（新疆水利水電勘測設計研究院地質勘察研究所,新疆 烏魯木齊 830000）

1 工程地質概況

提孜那甫河是葉爾羌河的一條支流,發源于海拔5000 m的昆侖山北坡科克阿特達坂,總地勢西南高東北低。莫莫克水利樞紐工程位于提孜那甫河山區中游河段上,河流由南西流向北東,庫盤位于構造剝蝕、侵蝕堆積的中、低山河谷地貌區。河谷呈“U”型,谷底寬200 m~500 m,河谷山體較雄厚,相對高差250 m~500 m。水庫工程區內主要為中、新生界侏羅系、白堊系、古近系地層以及廣泛分布的新近系上新統～下更新統西域礫巖（N2~Q1）,斷層裂隙不發育,巖體較完整,新鮮基巖多屬于微透水層,透水率一般0.1 Lu~5.0 Lu。庫區地處中低山區,降雨少,大氣降水多形成溝谷洪流,僅有極少量的降水滲入中～新生界砂巖、粉砂巖中形成裂隙水,并通過深切的溝谷以潛流形式排泄向河谷。

2 水庫區工程地質問題評價及分析

2.1 水庫滲漏

水庫區兩岸河谷階地發育,Ⅲ級以上為基座階地,階地寬10 m~200 m,階地砂卵礫石厚2 m~8 m,強透水,階地面覆蓋低液限粉土,階地后緣為弱透水基巖山體。

水庫主要以新近系中新統厚層、中厚層狀砂巖、泥質砂巖、砂質泥巖與礫巖不均勻互層以及上新統～下更新統巨厚層西域礫巖為基底,礫巖泥鈣質、鈣泥質、泥質膠結,巖層產狀穩定,斷層和裂隙不發育,巖體較完整。類比壩址鉆孔壓水試驗成果,弱風化以下巖體透水率1.4 Lu~5.5 Lu,為弱透水巖體。

2.2 庫岸穩定

水庫區構造不發育,組成庫盤的巖性為新近系上新統紅色砂巖（N2）及巨厚層狀西域礫巖（Q1x）,均為軟巖,不存在滑坡,庫岸變形破壞模式主要以崩塌和岸坡再造為主。根據地形地質條件,庫區可劃分為二個庫段。

第一個庫段為近壩礫巖庫段：壩址至上游2000 m庫段,庫岸由巨厚層西域礫巖組成的岸坡,礫巖為泥鈣質膠結、鈣泥質或泥質膠結,屬極軟巖。

近壩右岸坡：壩址上游2000 m范圍內的右岸由僅分布殘留高階地,坡高100 m~180 m,岸坡坡度50°~80°,該段岸坡無大的邊坡穩定問題,局部存在岸坡再造；壩址上游1000 m~2000 m右岸為沖刷凹岸,礫巖臨河邊坡蝕及軟化作用,致使該段岸坡不斷垮塌,形成目前坡高200 余米的陡立（局部倒坡）的岸坡。水庫蓄水后,在庫水長期軟化、掏蝕,以及凍融、風化作用下,該段庫岸可能產生逐步的卸荷-崩塌,考慮其變形模式為坡腳巖體受庫水作用軟化,強度降低,上部巖體產生卸荷裂隙,繼而向臨谷方向產生崩塌,由于每次崩塌量有限,加之崩塌方向指向對岸偏上游,產生大規模涌浪的可能性不大,不會對大壩有影響。

近壩右岸坡卸荷變形體BT1：分布于壩址上游約1000 m處,分布高程2005 m~2075 m之間,順河長20 m左右,高度70 m左右,寬度7 m左右,估算方量約1.0萬 m3,該不穩定體主要由兩條NW向裂隙L1（產狀300°NE∠53°）和L2（產狀335°SW∠75~80°）控制,裂隙延伸至坡頂,裂面上部張開寬3 cm~10 cm,該崩塌體下部已塌落,形成倒坡,目前處于基本穩定狀態,運行期在庫水或外力作用下,可能產生崩塌甚至整體塌落。通過經驗公式法進行崩塌涌浪估算。

（1）水科院經驗公式法滑坡涌浪估算

水科院經驗公式是根據一個援外工程庫內邊坡的室內試驗,美國利貝1∶120的滑坡涌浪模型試驗,國內白龍江碧口水電站壩址上游5 km滑坡的1∶150模型的滑坡涌浪試驗,三個模型的試驗資料,以及柘溪原型滑坡資料,選擇滑坡區對岸和壩區兩處最大涌浪高度為代表,進行整理,得出滑坡區對岸最大涌浪高度與滑速及滑體體積的關系曲線,盡管這些資料是來自不同的模型試驗、不同的比尺、滑體方量、滑動方式以及河道的特征各不相同,但所有的試驗點子還是基本上在一小條帶內,說明滑速和滑體方量是影響涌浪高度的主要因素,滑體入水前的最大涌浪高度的計算公式為：

式中：K為綜合影響因子,取平均值0.12；U為滑體體積,104m3；V為滑速,m/s；ηmax為最大涌浪高度。

距滑坡處x處的涌浪高度的估算公式為：

式中：K1為與滑坡點距離x有關的函數,當x=2000 m時,K1=0.08；當x=5000 m時,K1=0.05；當x=12000 m時,K1=0.02。n=1.3 ~1.5 ,η為涌浪高度。

通過對不同的滑體材料對比,不同的滑體材料,相同的滑速和體積,產生的涌浪高度并無顯著差別。上述的經驗公式,未能包括滑體滑動方向以及水深等影響因素。

（2）潘家錚法滑坡涌浪估算

在單向流分析成果的基礎上,假定涌流首先在滑坡入水處發生,產生初始波,然后向周圍傳播,在傳播的過程中,通過反射波的疊加,來求得涌浪高度。該方法首先需要判斷岸坡變形類型,然后根據滑坡速度求初始浪高,再根據初始浪高求任意點處的浪高。

1）初始浪高0 的確定

當岸坡發生水平運動時,激起的初始浪高為：

當岸坡發生垂直運動時,激起的初始浪高為：

圖1 滑坡體初始浪高變化曲線圖

式中：v為滑坡體的水平（豎向）速度；h為水深；為滑體的平均厚度。

假定水庫庫岸為兩條平行陡崖,寬度為B,滑坡范圍L內的庫岸斷面保持一致。岸坡變形率（滑速）為常數,發生在0

2）滑體對岸點A處的浪高：

式中：ζo為初始波高；k為波的反射系數,可近似取1；∑為級數之和,其項數取決于滑坡歷時T及涌浪從本岸傳播至對岸需時Δt之比。

3） 距滑體xo處的A'的浪高：

式中：θn為傳至A'的第n次入射線與岸坡法線的交角,；n為級數,可通過查表法或迭代法進行求解。

（3）滑速與涌浪計算結果

已知條件：正常蓄水位1894.0 m,滑體的出露高程范圍為1965 m~2065 m,估算其重心高程為2022.3 m,方量為10000 m3。

1）滑體滑速計算

假定滑體以自由落體的方式落入水中。已知滑體重心至水面的距離h=128.3 m,則滑體落入水中的速度=50. 6m/ s 。

2）滑坡涌浪估算

采用水科院經驗公式法進行涌浪估算的計算條件為：滑體總體積Vol=1.0×104m3；滑體距離大壩的距離為1600 m。

采用潘家錚法進行涌浪估算的計算條件為：假定岸坡發生垂直變形；平均水深h=31.4 m；滑體平均厚度=4.0 m；滑體平均寬度L=10.0 m；滑坡體歷時t=2 s；河流寬度B=70.0 m。

相應的計算結果見表1。

表1 采用水科院經驗公式法與潘家錚法進行涌浪分析計算結果

近壩左岸坡：庫區近壩左岸為寬闊的階地平臺,坡高40 m~80 m。由于正常蓄水位線大部分落在階地面及后緣緩坡上,除局部的庫岸再造外,無邊坡穩定問題。

第二個庫段為遠壩庫段：壩址上游2000 m至庫尾段,由古近系厚層、中厚層狀砂巖、泥質砂巖、砂質泥巖等軟巖組成,巖層走向與岸坡大角度斜交,構造結構面不發育。

臨河庫岸陡立,坡高10 m~15 m,絕大部分位于正常蓄水位以下,河坎以上岸坡主要由Ⅲ~Ⅶ級階地組成,各級階地連續性較好,階地面多較寬闊,在近庫岸形成“階梯狀”平臺,階地前緣大部分基巖裸露,前緣坡度一般40°~50°,局部60°~70°,上覆階地砂礫石厚度一般3 m~6 m,表層覆蓋2 m~5 m粉土,岸坡整體穩定性較好,部分段庫水位線位于階地前緣斜坡,主要存在庫岸再造,對工程無大的影響。

2.3 水庫浸沒

水庫回水線范圍內的草場、耕地、林地主要分布于提孜那普河兩岸Ⅰ~Ⅱ級階地上,將全部被淹沒,回水線末端右岸分布少部分林地、耕地草場存在少量浸沒問題。據探坑揭露,浸沒區表層為透水微弱的低液限粉土,厚度0.5 m~1.5 m,下部為大厚度透水性強的砂卵礫石層。

根據室內試驗成果,低液限粉土毛細管上升高度在1.18 m~1.52 m,而砂礫石和碎石土的毛細水上升高度一般0.6 m~0.9 m（經驗類比）,毛細水上升高度按1.5 m考慮。

據現場調查,浸沒區為地下水補給河水,探坑揭露Ⅰ~Ⅱ級階地地下水位略高于提孜那甫河水水位,水庫蓄水后浸沒區的地下水位主要受庫水位的控制。

根據公式：

式中：Hcr為浸沒臨界地下水位埋深,m；Hk為地下水以上,土壤毛管水的上升高度,m；ΔH為安全超高值,按1.0 m考慮。

耕地的安全超高值取ΔH=1.0 m,則浸沒區地下水臨界值Hcr=1.5+1.0=2.5 m。

根據計算及庫尾現場調查,浸沒面積約0.0628 km2,約合94.21 畝（表2）,浸沒區主要為耕地。

表2 庫區浸沒區域統計表

2.4 水庫誘發地震預測

根據水庫區巖性、構造、水文地質條件及水庫規模對水庫誘發地震預測如下：

1）組成庫盤的地層多為新近系及第四系砂巖、砂質泥巖、泥質砂巖和礫巖,屬軟巖類,不利于應力積累；庫區無可溶巖分布,不會發生喀斯特塌陷型及洞穴塌陷型誘發地震。巖性條件不利于產生水庫誘發地震。

2）在地質構造單元上,場地位于鐵克力克陸緣地塊邊緣（Ⅰ1

2）,庫區內無區域性活動斷裂及潛在正斷型應力狀態的斷層分布,場地周圍5 km范圍內沒有M≥3.0地震記錄,說明場區地震活動相對較弱。水庫無產生水庫誘發地震構造條件。

3）庫盤巖石主要為砂巖、砂質泥巖、泥質砂巖,透水性差,無產生水庫誘發地震的水文地質條件。

4）庫區范圍內無大的地質災害體分布,發生地殼表層卸荷型及滑坡崩塌型等外成因誘發地震的可能性較小。

5）水庫規模不大,最大水深75 m,庫水荷載不大,發生水庫誘發地震的概率較小。

3 結論

水庫右岸山體高程在2500 m以上,山體雄厚,左岸基巖出露高程高于正常蓄水位。水庫區除壩址左岸繞壩滲漏問題外,水庫無永久滲漏問題。卸荷變形體BT1 分布于壩址上游約1000 m處,分布高程2005 m~2075 m之間,順河長20 m左右,高度70 m左右,寬度7 m左右,估算方量約1.0 萬m3,該不穩定體崩塌體下部已塌落,形成倒坡,目前處于基本穩定狀態,運行期在庫水或外力作用下,可能產生崩塌甚至整體塌落。根據水科院經驗公式法估算,塌落產生的涌當浪至壩址處最大涌浪高度1.8 m左右,建議清除該不穩定體。根據地質測繪及調查,庫區壩址以上1000 m~2300 m的庫段,坍岸主要發生在階地前緣陡坡段,破壞模式為坡腳掏蝕-卸荷-垮塌,一次坍岸方量不大,不會產生大的涌浪,對大壩安全影響不大,主要造成水庫區淤積問題。水庫建成蓄水后,在庫水長期軟化、掏蝕以及凍融、風化作用下,該段庫岸可能產生逐步的卸荷-崩塌,考慮其變形模式為坡腳巖體受庫水作用軟化,強度降低,上部巖體產生卸荷裂隙,繼而向臨谷方向產生崩塌。坍岸對工程的主要影響是增加水庫淤積量。為防止水庫蓄水后庫水翹高引起地下水位壅高,建議浸沒區域沿浸沒線（1899.5 m）設置排水溝,溝深2.5 m左右。從巖性、構造、水文地質條件及工程規模綜合分析后預測,莫莫克水利樞紐工程水庫蓄水后誘發地震的可能性較小,即使誘發地震,地震烈度也不會高于場地基本烈度。