水利樞紐工程壩址區工程地質分析

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摘要：針對尤溪縣汶潭水利樞紐工程地質問題，開展壩址區的工程地質勘察。基于壩址區的地勘資料，對主要的工程地質問題進行了分析，給出相應的解決措施，為工程設計與施工提供參考。

關鍵詞：水利樞紐；壩址地質；地質分析

水利水電工程地質分析與評價是一項綜合性的勘察工作，樞紐的工程地質勘察更是水利水電工程地質勘察中的重要一環。大壩作為樞紐工程的主要建筑物，壩址的工程地質條件分析是樞紐工程地質勘察的主要內容[1]。本文根據尤溪縣汶潭水利樞紐工程初步設計階段工程地質勘察有關情況，討論了樞紐工程壩址區工程地質條件對工程建設和壩址區選擇的影響，并給出了相應的對策。

1工程概況

汶潭水利樞紐工程位于尤溪縣梅仙鎮上游約4.6km，壩址距尤溪城關9.6km。尤溪汶潭水利樞紐工程是一項以灌溉、供水為主，兼顧發電和改善區域生態環境作用的綜合水利樞紐工程，壩址處流域面積4525km2。該工程屬于河床式樞紐工程，水電站廠房與壩相銜接，兼具發電及擋水作用。通過對河床式樞紐工程的地質調查，為壩址的選擇提供依據。

2壩址區工程地質條件

2.1地形、地貌及物理地質現象

壩址處河流流向由南東至北西，河谷呈寬“U”字型，河床高程89.00～91.50m，兩岸坡度35°～40°，河床寬度170m。壩線下游左岸80m、200m、右岸55m處各有沖溝發育，壩址下游左岸河床旁有較寬闊的漫灘，兩岸高程103m、108m平臺分別為Ⅰ、Ⅱ級堆積階地階面。整體河床較為開闊，地形較為平坦，適合河床式樞紐工程的開發與建設。壩址區物理地質現象以巖體的風化、卸荷裂隙發育為主，不存在滑坡、崩塌體等不良地質現象。巖體的風化、卸荷相輔相承，對壩區淺層、表層巖體的破壞有著較大影響。壩區巖體風化以表層面狀均勻風化為主，風化程度隨高程增加而加劇。河床大多直接出露弱風化基巖，僅局部小范圍呈強風化。兩岸均分布有全、強、弱、微風化等較完全的風化分帶。壩址區巖體的卸荷作用，主要表現為早期構造斷裂擴展形成的岸坡卸荷裂隙，而河床處的卸荷裂隙主要表現為一系列的緩傾角裂隙。岸坡的卸荷裂隙使巖體松弛張開，延伸長度達10～20m，張開0.2～1.5cm，充填有次生泥、碎屑等。河床處的卸荷裂隙主要集中在河床靠近岸邊附近，緩傾角卸荷裂隙均受到不同程度鐵錳質浸染。部分卸荷裂隙在此基礎上，受風化作用的進一步影響，形成風化夾層。緩傾角卸荷裂隙及軟弱夾層控制了風化帶的發育深度[2]，緩傾角卸荷裂隙數目越多，弱風化帶下限埋深越大。

2.2區域地層

壩區地層巖性較復雜，其出露的地層包括前震旦系、侏羅系和第四系。前震旦系建甌群下亞群上段地層巖石主要包含大理巖、石英巖、碎裂巖化板巖。其中大理巖、石英巖為接觸變質巖，碎裂巖化板巖為區域變質巖[3]。變質巖片理及巖層產狀變化較大。侏羅系上統南園組第二段地層巖石主要為復成分火山角礫巖，巖石為火山碎屑物和膠結物兩部分組成。火山碎屑物成分復雜，總體含量大于60％，其中晶屑和巖屑含量基本相等，玻屑很少，長石多見蝕變，與下覆的前震旦系建甌群下亞群上段為不整合接觸。第四系殘坡積堆積、沖洪積堆積及人工堆積地層主要包含砂卵石、碎石土及粉質黏土等，厚度0.5~13.0m，主要分布于河流兩岸的大部分岸坡、階地及右岸公路沿線上。選取本區域地層中最典型的幾種巖石進行室內巖石力學試驗，得到巖石物理力學性質試驗成果如表1所示（A代表復成分火山角礫巖、B代表碎裂巖化板巖、C代表石英巖、D代表大理巖）。由表1可知，本區域地層中石英巖抗壓強度最高，碎裂巖化板巖抗壓強度次之，大理巖抗壓強度最低，復成分火山角礫巖抗壓強度介于碎裂巖化板巖與大理巖之間。本區域地層廣泛分布復成分火山角礫巖，巖石堅硬且致密，巖石膠結面具有一定的膠結強度，巖面具有較強的抗沖刷能力。且河床面上基巖大面積裸露，巖體呈弱風化，因此本河床式工程壩址選取復成分火山角礫巖作為基巖進行工程建設。

2.3水文地質條件

壩址選擇建設在河面較為寬闊，比降較小的中、下游河段上，水頭較低，壩上游側的水壓力不大，將水電站廠房與壩相銜接，共同充當擋水建筑物。壩址區水文地質條件主要包括地下水埋藏條件、環境水腐蝕性評價及基巖透水性分析等。通過對壩址區水文地質條件的分析，佐證壩址選擇的合理性。壩址區兩岸分水嶺分布高程為230～270m，地下水類型以基巖裂隙潛水為主，賦存在巖體裂隙網絡中，其分布、運動規律與斷裂發育呈顯著的相關性。此外，在覆蓋層、全強風化層中分布大量孔隙水。地下水受大氣降水的補給，并向河谷、沖溝排泄。壩址區域地下水位埋深，左岸20.0～30.0m，右岸10.0～15.0m。按照《水利水電工程地質勘察規范》（GB50487-2008），對河水進行腐蝕性評價。經取樣化驗分析，水樣HCO3-離子含量為0.46mmol/L，Cl-離子含量為4.6mg/L，pH值為6.7、Cl-+SO42-離子含量為23.27mg/L。以上結果表明，河水對混凝土具有重碳酸型中等腐蝕；在干濕交替作用下，對鋼筋混凝土結構中的鋼筋無腐蝕性；對鋼結構具有弱腐蝕性。依據《水利水電工程鉆孔壓水試驗規程》的規定，對鉆孔內巖體進行壓水試驗。由壓水試驗得出結論：全風化基巖滲透系數為1.55×10-3～1.76×10-3cm/s，屬中等透水層。河床部分巖體相對隔水層頂板埋藏相對較淺，一般為1.6～3.5m。而部分區域巖體受緩傾角裂隙、夾層等的影響，相對隔水層頂板埋藏較深。從巖體透水率情況看，巖體的透水性強弱明顯受巖體風化、卸荷、斷裂構造的影響，壩基巖體透水率一般為0.35～2.82Lu，平均值為1.33Lu，壩基巖體屬于微～弱透水。

3壩址區主要工程地質問題分析

3.1岸坡穩定性

從勘察結果看，岸坡未揭露貫穿性好且存在較大緩傾角的裂隙，未揭露較大規模不利于邊坡穩定的結構面組合體，且不存在嚴重的邊坡穩定問題，自然邊坡基本穩定。工程建設區域內存在高度大于5m的土質邊坡，其邊坡穩定性較差，易產生小規模的塌滑現象，巖體破碎，穩定性較差。兩岸壩肩開挖后，將形成人工邊坡，左岸壩肩邊坡高22.3m，邊坡上部為坡殘積及全風化，下部為強～弱風化基巖，強～弱風化巖體節理裂隙較發育，但未發現有不利于邊坡穩定的不利結構面組合，未見明顯的卸荷及松動變動作用，左岸邊坡基本穩定。在開挖過程中，為保障上部坡殘積及全風化土體的穩定，建議采取支護措施，以保證邊坡的穩定性。右岸壩肩邊坡高19.3m，邊坡為強～弱風化基巖，強～弱風化巖體節理裂隙較發育，未揭露有不利于邊坡穩定的不利結構面組合，未見明顯的卸荷及松動變動作用，右岸邊坡基本穩定。

3.2壩基變形及抗滑穩定

根據壩基巖石強度，基巖具有較高的承載力，也具有較好的均一性。基巖自身壓縮性小，不存在壓縮變形的問題。斷層破碎帶是壩基壓縮穩定的突出部位，壩址區斷層破碎帶分布規模較小，破碎帶對壩基變形影響有限。壩基緩傾角軟弱夾層和具有一定厚度層狀分布的緩傾角卸荷裂隙耦合效應，會大大降低壩基壓縮穩定性。第四系沖洪積層中分布的粉質黏土，壓縮性高，土質較軟，抵抗變形能力差，會產生壓縮變形問題壩基表層第四系沖洪積堆積層巖層松散，具架空現象。根據現場原位測試及室內試驗結果，沖洪積堆積土層抗剪強度較低，易構成軟弱滑動面。該層在壩基基礎中屬于軟弱地基，易發生整體剪切破壞，總體上基礎抗滑移不穩定，不滿足壩址基礎要求，需采取工程措施[4]。壩基基巖主要結構面產狀分別為N55°～75°E和N60°～85°W。兩組結構面與河流方向斜交，延伸長度達10～20m，由于兩組結構面多為高傾角且相交錯，不會構成壩基抗滑穩定問題，即不具備壩基沿軟弱結構面滑移的完整邊界條件，壩基通常不存在深層或淺層的滑動問題。依據地勘資料，下游右岸已發現有12條緩傾的卸荷裂隙及軟弱夾層，緩傾角結構面傾向下游偏右岸。按照緩傾角軟弱結構面的平面分布、空間位置及程度規模，主要集中發育在左河岸的淺表層。針對軟弱夾層延伸長度，初步調查發現上下游及左右延伸長度大于50m，軟弱夾層厚度較大，已查明厚度為0.3m，可判定為壩基內規模最大的軟弱結構面。軟弱夾層結構面與上述高傾角結構面組合，在下游臨空面形成的條件下，可影響該壩段處的壩基淺表層抗滑穩定。在工程建設過程中，對壩體抗滑移問題的處理應當高度重視。地勘鉆探資料揭示，最深的緩傾角軟弱結構面埋深高達18.30m，可構成切割面的貫穿性結構面不發育，且臨空面形成條件不充分。因此，構成壩基深層滑動的可能性小。受地層巖性及斷層構造特殊性的控制，壩基緩傾角結構面不發育，巖層的片理、層面仍為不利的結構面，基礎通常不存在淺、深層的壩基抗滑穩定問題。

3.3滲流穩定

本樞紐工程壩址斷層規模不大，主要斷層走向基本上與河流方向斜交，順河斷裂不發育，壩址斷裂構造特征主要為各組發育的節理裂隙，因此壩基滲透穩定問題不突出。由于河床式樞紐工程水流直接從廠房上游引入廠房，因此廠房上游巖層的滲流穩定問題更應予以重視。受緩傾角卸荷裂隙及軟弱夾層的影響，壩址上游相對隔水層頂板規律不一：河床壩基相對隔水層頂板最深僅為3m，而其余區域相對隔水層頂板埋深最深可達16.3m。縱觀整條壩線，選取滲流穩定最不利位置進行分析。壩址左岸受風化帶影響，強風化帶下限埋深28.33m，強風化帶以上部分的巖土體透水率大于5Lu。因此，壩址左岸強風化以上巖體存在滲漏問題。斷層由庫內通過壩下游，可能產生的集中滲流通道。此外，河床部位第四系沖洪積層砂卵石組成松散，透水性強，滲透系數大，易發生管涌破壞現象；第四系粘性土滲透系數較小，不易產生滲流破壞現象，但應注意局部腐木夾于水庫壩體內所帶動的剪切破壞。

4解決措施

針對易產生塌滑的土質邊坡，應注意清理坍塌區域，并采取注漿或錨桿加固措施；河床壩基存在緩傾角軟弱夾層和卸荷裂隙，對壩基淺層的抗滑穩定影響較大。針對軟弱夾層危害大的應進行開挖處理，對軟弱夾層危害較小的應采取加固措施；易產生壩肩山體及斷層滲流問題的區域，應采取專門的防滲處理措施。而對個別較大規模的斷層應視具體的產狀、性質、充填物、膠結程度等情況，可采取混凝土襯砌防滲處理或塑料薄膜防滲處理。

參考文獻：

[1]馬喜祥，白世錄，袁學安，等.中國河流冰情[M].鄭州:黃河水利出版社，2009.

[2]王瑞紅，李建林，蔣昱州，等.含預制節理巖體卸荷條件下力學特性試驗研究[C].全國巖石力學與工程試驗及測試技術學術交流會，2012.

[3]工程地質手冊編委會.工程地質手冊（第4版）[M]．北京:中國建筑工業出版社，2007．

[4]尤鴻.陡灘口水電站壩址工程地質條件分析[J].小水電，2013（3）：89-93.

作者：魏瑞城 單位：福建省水利水電勘測設計研究院