水利樞紐工程壩址區(qū)工程地質(zhì)分析

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摘要：針對(duì)尤溪縣汶潭水利樞紐工程地質(zhì)問(wèn)題，開(kāi)展壩址區(qū)的工程地質(zhì)勘察。基于壩址區(qū)的地勘資料，對(duì)主要的工程地質(zhì)問(wèn)題進(jìn)行了分析，給出相應(yīng)的解決措施，為工程設(shè)計(jì)與施工提供參考。

關(guān)鍵詞：水利樞紐；壩址地質(zhì)；地質(zhì)分析

水利水電工程地質(zhì)分析與評(píng)價(jià)是一項(xiàng)綜合性的勘察工作，樞紐的工程地質(zhì)勘察更是水利水電工程地質(zhì)勘察中的重要一環(huán)。大壩作為樞紐工程的主要建筑物，壩址的工程地質(zhì)條件分析是樞紐工程地質(zhì)勘察的主要內(nèi)容[1]。本文根據(jù)尤溪縣汶潭水利樞紐工程初步設(shè)計(jì)階段工程地質(zhì)勘察有關(guān)情況，討論了樞紐工程壩址區(qū)工程地質(zhì)條件對(duì)工程建設(shè)和壩址區(qū)選擇的影響，并給出了相應(yīng)的對(duì)策。

1工程概況

汶潭水利樞紐工程位于尤溪縣梅仙鎮(zhèn)上游約4.6km，壩址距尤溪城關(guān)9.6km。尤溪汶潭水利樞紐工程是一項(xiàng)以灌溉、供水為主，兼顧發(fā)電和改善區(qū)域生態(tài)環(huán)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(fā)電及擋水作用。通過(guò)對(duì)河床式樞紐工程的地質(zhì)調(diào)查，為壩址的選擇提供依據(jù)。

2壩址區(qū)工程地質(zhì)條件

2.1地形、地貌及物理地質(zhì)現(xiàn)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(fā)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(tái)分別為Ⅰ、Ⅱ級(jí)堆積階地階面。整體河床較為開(kāi)闊，地形較為平坦，適合河床式樞紐工程的開(kāi)發(fā)與建設(shè)。壩址區(qū)物理地質(zhì)現(xiàn)象以巖體的風(fēng)化、卸荷裂隙發(fā)育為主，不存在滑坡、崩塌體等不良地質(zhì)現(xiàn)象。巖體的風(fēng)化、卸荷相輔相承，對(duì)壩區(qū)淺層、表層巖體的破壞有著較大影響。壩區(qū)巖體風(fēng)化以表層面狀均勻風(fēng)化為主，風(fēng)化程度隨高程增加而加劇。河床大多直接出露弱風(fēng)化基巖，僅局部小范圍呈強(qiáng)風(fēng)化。兩岸均分布有全、強(qiáng)、弱、微風(fēng)化等較完全的風(fēng)化分帶。壩址區(qū)巖體的卸荷作用，主要表現(xiàn)為早期構(gòu)造斷裂擴(kuò)展形成的岸坡卸荷裂隙，而河床處的卸荷裂隙主要表現(xiàn)為一系列的緩傾角裂隙。岸坡的卸荷裂隙使巖體松弛張開(kāi)，延伸長(zhǎng)度達(dá)10～20m，張開(kāi)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(zhì)浸染。部分卸荷裂隙在此基礎(chǔ)上，受風(fēng)化作用的進(jìn)一步影響，形成風(fēng)化夾層。緩傾角卸荷裂隙及軟弱夾層控制了風(fēng)化帶的發(fā)育深度[2]，緩傾角卸荷裂隙數(shù)目越多，弱風(fēng)化帶下限埋深越大。

2.2區(qū)域地層

壩區(qū)地層巖性較復(fù)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(zhì)巖，碎裂巖化板巖為區(qū)域變質(zhì)巖[3]。變質(zhì)巖片理及巖層產(chǎn)狀變化較大。侏羅系上統(tǒng)南園組第二段地層巖石主要為復(fù)成分火山角礫巖，巖石為火山碎屑物和膠結(jié)物兩部分組成?；鹕剿樾嘉锍煞謴?fù)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(zhǎng)石多見(jiàn)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(zhì)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(qū)域地層中最典型的幾種巖石進(jìn)行室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)，得到巖石物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)成果如表1所示（A代表復(fù)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(qū)域地層中石英巖抗壓強(qiáng)度最高，碎裂巖化板巖抗壓強(qiáng)度次之，大理巖抗壓強(qiáng)度最低，復(fù)成分火山角礫巖抗壓強(qiáng)度介于碎裂巖化板巖與大理巖之間。本區(qū)域地層廣泛分布復(fù)成分火山角礫巖，巖石堅(jiān)硬且致密，巖石膠結(jié)面具有一定的膠結(jié)強(qiáng)度，巖面具有較強(qiáng)的抗沖刷能力。且河床面上基巖大面積裸露，巖體呈弱風(fēng)化，因此本河床式工程壩址選取復(fù)成分火山角礫巖作為基巖進(jìn)行工程建設(shè)。

2.3水文地質(zhì)條件

壩址選擇建設(shè)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(cè)的水壓力不大，將水電站廠房與壩相銜接，共同充當(dāng)擋水建筑物。壩址區(qū)水文地質(zhì)條件主要包括地下水埋藏條件、環(huán)境水腐蝕性評(píng)價(jià)及基巖透水性分析等。通過(guò)對(duì)壩址區(qū)水文地質(zhì)條件的分析，佐證壩址選擇的合理性。壩址區(qū)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(wǎng)絡(luò)中，其分布、運(yùn)動(dòng)規(guī)律與斷裂發(fā)育呈顯著的相關(guān)性。此外，在覆蓋層、全強(qiáng)風(fēng)化層中分布大量孔隙水。地下水受大氣降水的補(bǔ)給，并向河谷、沖溝排泄。壩址區(qū)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(zhì)勘察規(guī)范》（GB50487-2008），對(duì)河水進(jìn)行腐蝕性評(píng)價(jià)。經(jīng)取樣化驗(yàn)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(jié)果表明，河水對(duì)混凝土具有重碳酸型中等腐蝕；在干濕交替作用下，對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋無(wú)腐蝕性；對(duì)鋼結(jié)構(gòu)具有弱腐蝕性。依據(jù)《水利水電工程鉆孔壓水試驗(yàn)規(guī)程》的規(guī)定，對(duì)鉆孔內(nèi)巖體進(jìn)行壓水試驗(yàn)。由壓水試驗(yàn)得出結(jié)論：全風(fēng)化基巖滲透系數(shù)為1.55×10-3～1.76×10-3cm/s，屬中等透水層。河床部分巖體相對(duì)隔水層頂板埋藏相對(duì)較淺，一般為1.6～3.5m。而部分區(qū)域巖體受緩傾角裂隙、夾層等的影響，相對(duì)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(qiáng)弱明顯受巖體風(fēng)化、卸荷、斷裂構(gòu)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(qū)主要工程地質(zhì)問(wèn)題分析

3.1岸坡穩(wěn)定性

從勘察結(jié)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(guī)模不利于邊坡穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)面組合體，且不存在嚴(yán)重的邊坡穩(wěn)定問(wèn)題，自然邊坡基本穩(wěn)定。工程建設(shè)區(qū)域內(nèi)存在高度大于5m的土質(zhì)邊坡，其邊坡穩(wěn)定性較差，易產(chǎn)生小規(guī)模的塌滑現(xiàn)象，巖體破碎，穩(wěn)定性較差。兩岸壩肩開(kāi)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(fēng)化，下部為強(qiáng)～弱風(fēng)化基巖，強(qiáng)～弱風(fēng)化巖體節(jié)理裂隙較發(fā)育，但未發(fā)現(xiàn)有不利于邊坡穩(wěn)定的不利結(jié)構(gòu)面組合，未見(jiàn)明顯的卸荷及松動(dòng)變動(dòng)作用，左岸邊坡基本穩(wěn)定。在開(kāi)挖過(guò)程中，為保障上部坡殘積及全風(fēng)化土體的穩(wěn)定，建議采取支護(hù)措施，以保證邊坡的穩(wěn)定性。右岸壩肩邊坡高19.3m，邊坡為強(qiáng)～弱風(fēng)化基巖，強(qiáng)～弱風(fēng)化巖體節(jié)理裂隙較發(fā)育，未揭露有不利于邊坡穩(wěn)定的不利結(jié)構(gòu)面組合，未見(jiàn)明顯的卸荷及松動(dòng)變動(dòng)作用，右岸邊坡基本穩(wěn)定。

3.2壩基變形及抗滑穩(wěn)定

根據(jù)壩基巖石強(qiáng)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(wèn)題。斷層破碎帶是壩基壓縮穩(wěn)定的突出部位，壩址區(qū)斷層破碎帶分布規(guī)模較小，破碎帶對(duì)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(yīng)，會(huì)大大降低壩基壓縮穩(wěn)定性。第四系沖洪積層中分布的粉質(zhì)黏土，壓縮性高，土質(zhì)較軟，抵抗變形能力差，會(huì)產(chǎn)生壓縮變形問(wèn)題壩基表層第四系沖洪積堆積層巖層松散，具架空現(xiàn)象。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)試及室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，沖洪積堆積土層抗剪強(qiáng)度較低，易構(gòu)成軟弱滑動(dòng)面。該層在壩基基礎(chǔ)中屬于軟弱地基，易發(fā)生整體剪切破壞，總體上基礎(chǔ)抗滑移不穩(wěn)定，不滿足壩址基礎(chǔ)要求，需采取工程措施[4]。壩基基巖主要結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀分別為N55°～75°E和N60°～85°W。兩組結(jié)構(gòu)面與河流方向斜交，延伸長(zhǎng)度達(dá)10～20m，由于兩組結(jié)構(gòu)面多為高傾角且相交錯(cuò)，不會(huì)構(gòu)成壩基抗滑穩(wěn)定問(wèn)題，即不具備壩基沿軟弱結(jié)構(gòu)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(dòng)問(wèn)題。依據(jù)地勘資料，下游右岸已發(fā)現(xiàn)有12條緩傾的卸荷裂隙及軟弱夾層，緩傾角結(jié)構(gòu)面傾向下游偏右岸。按照緩傾角軟弱結(jié)構(gòu)面的平面分布、空間位置及程度規(guī)模，主要集中發(fā)育在左河岸的淺表層。針對(duì)軟弱夾層延伸長(zhǎng)度，初步調(diào)查發(fā)現(xiàn)上下游及左右延伸長(zhǎng)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(nèi)規(guī)模最大的軟弱結(jié)構(gòu)面。軟弱夾層結(jié)構(gòu)面與上述高傾角結(jié)構(gòu)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(wěn)定。在工程建設(shè)過(guò)程中，對(duì)壩體抗滑移問(wèn)題的處理應(yīng)當(dāng)高度重視。地勘鉆探資料揭示，最深的緩傾角軟弱結(jié)構(gòu)面埋深高達(dá)18.30m，可構(gòu)成切割面的貫穿性結(jié)構(gòu)面不發(fā)育，且臨空面形成條件不充分。因此，構(gòu)成壩基深層滑動(dòng)的可能性小。受地層巖性及斷層構(gòu)造特殊性的控制，壩基緩傾角結(jié)構(gòu)面不發(fā)育，巖層的片理、層面仍為不利的結(jié)構(gòu)面，基礎(chǔ)通常不存在淺、深層的壩基抗滑穩(wěn)定問(wèn)題。

3.3滲流穩(wěn)定

本樞紐工程壩址斷層規(guī)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(fā)育，壩址斷裂構(gòu)造特征主要為各組發(fā)育的節(jié)理裂隙，因此壩基滲透穩(wěn)定問(wèn)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(wěn)定問(wèn)題更應(yīng)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(duì)隔水層頂板規(guī)律不一：河床壩基相對(duì)隔水層頂板最深僅為3m，而其余區(qū)域相對(duì)隔水層頂板埋深最深可達(dá)16.3m?？v觀整條壩線，選取滲流穩(wěn)定最不利位置進(jìn)行分析。壩址左岸受風(fēng)化帶影響，強(qiáng)風(fēng)化帶下限埋深28.33m，強(qiáng)風(fēng)化帶以上部分的巖土體透水率大于5Lu。因此，壩址左岸強(qiáng)風(fēng)化以上巖體存在滲漏問(wèn)題。斷層由庫(kù)內(nèi)通過(guò)壩下游，可能產(chǎn)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(qiáng)，滲透系數(shù)大，易發(fā)生管涌破壞現(xiàn)象；第四系粘性土滲透系數(shù)較小，不易產(chǎn)生滲流破壞現(xiàn)象，但應(yīng)注意局部腐木夾于水庫(kù)壩體內(nèi)所帶動(dòng)的剪切破壞。

4解決措施

針對(duì)易產(chǎn)生塌滑的土質(zhì)邊坡，應(yīng)注意清理坍塌區(qū)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(duì)壩基淺層的抗滑穩(wěn)定影響較大。針對(duì)軟弱夾層危害大的應(yīng)進(jìn)行開(kāi)挖處理，對(duì)軟弱夾層危害較小的應(yīng)采取加固措施；易產(chǎn)生壩肩山體及斷層滲流問(wèn)題的區(qū)域，應(yīng)采取專門的防滲處理措施。而對(duì)個(gè)別較大規(guī)模的斷層應(yīng)視具體的產(chǎn)狀、性質(zhì)、充填物、膠結(jié)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。

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作者：魏瑞城 單位：福建省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院