三岔河水庫壩址區(qū)工程地質(zhì)問題論證分析

熊 偉,韓 敏,楊 蘭

(1.貴州海禹勝天工程咨詢有限公司，貴陽 550002； 2.貴州中水建設(shè)管理股份有限公司，貴陽 550002； 3. 西安理工大學(xué)，西安 710048)

1 工程概況

三岔河水庫工程位于貴州省務(wù)川縣黃都鎮(zhèn)萬元村境內(nèi)，屬長江流域烏江水系洪渡河上游豐樂河左岸二級支流。壩址距黃都鎮(zhèn)政府約2.3 km，距務(wù)川縣約53 km。水庫地表集雨面積為4.6 km2，壩址河床高程約為873 m。水庫正常蓄水位919.00 m，相應(yīng)庫容約為158.00×104m3，屬Ⅳ等小(Ⅰ)型水庫。擋水建筑物為混凝土重力壩，最大壩高66 m。在三岔河水庫成庫條件地質(zhì)勘察中，結(jié)合豐樂河流域水資源合理開發(fā)規(guī)劃，對壩址區(qū)工程地質(zhì)條件及地質(zhì)問題進(jìn)行全面分析和反復(fù)論證[1]，為合理選擇壩址和不良地質(zhì)問題處理提供詳實的地質(zhì)資料與論證結(jié)果，確保樞紐建筑物設(shè)計與工程實際具有良好匹配性，推動工程高效優(yōu)質(zhì)的施工建設(shè)。

2 壩址區(qū)工程地質(zhì)條件

2.1 地形地貌

設(shè)計優(yōu)選的上壩址位于建壩河段的起始河段，河流流向N84°W，上游為S3°W。壩址處河流急轉(zhuǎn)彎處，右壩肩總體為凸出山脊地形。右岸925 m高程以下自然坡度60°～55°，925 m高程以上30°～35°，河床高程873 m左右，河床寬3.5～5 m，槽谷寬33～46 m。河流兩岸均有寬10～20 m的臺地，臺地高于河床0.7～1.5 m，左岸山頂海拔高于1 100 m，自然坡度65°～80°，局部為陡壁。壩址區(qū)呈基本對稱U字型河谷地貌，見圖1。

圖1 壩址區(qū)地形地貌(上游下視)

2.2 地層巖性

兩岸大多基巖裸露，河床覆蓋層厚度1.5～3 m，成分為砂卵石、塊石夾少量黏土；在左岸坡腳一帶有崩塌堆積分布，厚度3～8 m,成分為塊石、碎石夾少量黏土，結(jié)構(gòu)松散，下伏基巖地層為寒武系中上統(tǒng)婁山關(guān)群第二段(∈2-3ls2)，巖性為薄層夾少量中厚層白云巖、灰質(zhì)白云巖夾白云質(zhì)灰?guī)r、灰?guī)r，其中白云質(zhì)灰?guī)r、灰?guī)r所占比例約30%。

2.3 地質(zhì)構(gòu)造

壩址區(qū)位于黃都斷層(F6)東側(cè)，壩軸線距離斷層軸線約1.7 km，受F6斷層影響，左壩肩發(fā)育余家灣(f1)斷層，斷層帶至河床平距約300 m。巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，其中發(fā)育在左壩肩3號沖溝西側(cè)的L11節(jié)理裂隙規(guī)模較大，產(chǎn)狀N60°～80°E/NW∠62°～85°，延伸長度約15 m，寬0.5～3 m，切深5～20 m，為裂縫，充填巖塊巖屑(鈣質(zhì))，連通率大于90%。壩址主要結(jié)構(gòu)面統(tǒng)計見表1。

表1 壩址區(qū)主要結(jié)構(gòu)面特性統(tǒng)計表

從表1可知，巖層成單斜產(chǎn)出，產(chǎn)狀為N25°E/SE∠20°，傾向上游微偏左岸。

2.4 物理地質(zhì)現(xiàn)象

上壩址左壩肩坡腳一帶有3#崩塌堆積體(BT3)分布，順河向長約90～105 m，后緣高程為886 m，前沿至河邊，鉛垂厚度2～6 m，體積約0.2×104m3，成分為塊石、碎石夾少量黏土，呈松散狀態(tài)，現(xiàn)狀穩(wěn)定。

2.5 巖溶水文地質(zhì)條件

在壩址區(qū)未發(fā)現(xiàn)明顯溶洞、落水洞等，但巖芯表面溶蝕現(xiàn)象明顯，兩岸地下水位較為低平，但高于河水位。表層強烈溶蝕風(fēng)化巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，多呈張性，巖體呂榮值一般8～15 Lu，屬于中等透水性下帶至弱透水性上帶；裂隙性溶蝕風(fēng)化上帶巖體節(jié)理裂隙較發(fā)育，部分呈張性，巖體呂榮值一般5～8 Lu，屬于弱透水性中帶；裂隙性溶蝕風(fēng)化下帶及微新巖體節(jié)理裂隙少量發(fā)育，巖體呂榮值一般2～5 Lu，屬于弱透水性下帶[2]。左右岸地下水力坡降為5%～10%。該河段河床常年有水，地下水動力條件為地下水補給河水。根據(jù)地表地質(zhì)測繪、地質(zhì)鉆探、物探、室內(nèi)試驗等成果[3]，對壩址區(qū)巖體進(jìn)行綜合風(fēng)化分帶，見表2。

表2 壩址區(qū)巖體風(fēng)化分帶表

3 壩址區(qū)工程地質(zhì)問題論證分析

3.1 建基面的選擇

擋水大壩最大壩高65 m，接近中壩的上限。壩址區(qū)河段河谷狹窄，河床覆蓋層厚1.5～3 m，兩岸大多基巖裸露，壩址區(qū)地層為寒武系中上統(tǒng)婁山關(guān)群第二段∈2-3ls2，巖性為薄層夾少量中厚層白云巖、灰質(zhì)白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r、灰?guī)r等，其中白云質(zhì)灰?guī)r、灰?guī)r所占比例30%，巖層產(chǎn)狀總體傾向上游微偏左岸，巖體呈層狀結(jié)構(gòu)，巖層成單斜產(chǎn)出，巖層產(chǎn)狀為N25°E/SE∠20°，傾向上游微偏左岸。壩址區(qū)均為中硬巖，無軟弱夾層分布，兩壩肩巖體卸荷裂隙發(fā)育，多充填黏土，抗壓及抗變性能差，不宜作為大壩建基面[4]；弱風(fēng)化及微新巖體力學(xué)強度較高，抗變性能較強，需將弱風(fēng)化下帶巖體作為大壩建基面。

3.2 壩基承載力及壓縮變形

壩基開挖至設(shè)計的建基面高程后，下伏巖性均為白云巖、灰質(zhì)白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r、灰?guī)r等，為弱風(fēng)化下帶至微新巖體，裂隙多呈閉合狀。根據(jù)試驗資料綜合分析，壩基巖體承載力綜合值為fk=2.5～3.0 MPa,可滿足中壩的壩基承載力要求[5]。層間無軟弱夾層分布，壩基無壓縮變形問題。壩基巖體為白云巖(類)和灰?guī)r(類)，總體呈互層狀結(jié)構(gòu)，巖性物理力學(xué)參數(shù)有一定差異，白云巖巖體隱節(jié)理發(fā)育，且防止在基礎(chǔ)開挖過程中對壩基巖體的完整性造成破壞，需對壩基以下一定范圍內(nèi)巖體進(jìn)行固結(jié)灌漿處理。

3.3 壩基抗滑穩(wěn)定分析評價

壩址區(qū)河段河床平緩，水力坡降2%～3%，無明顯陡坎、深潭發(fā)育，無明顯臨空面存在。兩壩肩巖體節(jié)理裂隙較發(fā)育，可概括為4組。巖層總體傾向上游，傾角20°，對壩基抗滑穩(wěn)定不利，壩基(肩)滑移模式：卸荷裂隙為側(cè)滑面，巖層層面為底滑面，見圖2。

圖2 重力壩壩基抗滑穩(wěn)定分析示意圖

壩基巖體節(jié)理裂隙較發(fā)育，為防止壩體混凝土與基巖接觸帶及附近出現(xiàn)淺層滑動，需在壩體與壩基巖體接觸帶設(shè)置抗滑措施[6]，且對建基面以下10～15 m巖體進(jìn)行固結(jié)灌漿處理。

3.4 壩肩邊坡穩(wěn)定分析

自然邊坡：右壩肩總體為凸出山脊地形，右岸925 m高程以下自然坡度60°～55°，925 m高程以上30°～35°；左岸山頂海拔高于1 100 m，自然坡度65°～80°，局部為陡壁，左岸有3條沖溝發(fā)育，兩岸基巖裸露，巖層傾向上游微偏左岸，在左壩肩3號沖溝與2號沖溝之間山脊的912～887 m高程段邊坡受節(jié)理裂隙切割，導(dǎo)致下部巖體垮塌形成倒懸地形，但上部巖體較完整，后緣未見貫穿性節(jié)理裂隙發(fā)育，兩岸自然邊坡穩(wěn)定[7]。

開挖邊坡：①壩基：覆蓋層開挖邊坡高度小于3.5 m，成份主要為砂卵石、漂石等，由于結(jié)構(gòu)松散，在壩基開挖時應(yīng)進(jìn)行合理放坡，壩基崁深為8～10 m，在壩基開挖過程中需采取合理支護(hù)；②左壩肩：地形坡度65°～80°，邊坡開挖后將會形成超過70 m的人工巖質(zhì)邊坡，下游側(cè)為順向坡，上游為逆向坡，壩肩有多組節(jié)理裂隙發(fā)育。在壩肩開挖過程中，有垮塌或嚴(yán)重掉塊的可能，特別是受卸荷裂隙影響，開挖過程中后緣邊坡有順卸荷裂隙垮塌的可能，需采取放坡開挖，且及時進(jìn)行合理支護(hù)處理。③右壩肩:邊坡930 m高程以下自然坡度較陡，基巖裸露，930 m高程以上自然坡度30°～35°，壩肩開挖后將形成約20 m的人工土石邊坡，下游側(cè)為順向坡，上游側(cè)為逆向坡，壩肩有多組節(jié)理裂隙發(fā)育，在壩肩人工邊坡形成后須及時進(jìn)行合理的支護(hù)處理。

3.5 下游河床抗沖刷評價

壩址下游河床寬約6～8 m，覆蓋層厚2～4 m，設(shè)計樞紐采取壩頂溢流，20年一遇下泄流量58.6 m3/s,設(shè)計挑流距離最大11.63 m；沖刷區(qū)基巖均為于寒武系中上統(tǒng)婁山關(guān)群第二段(∈2-3ls2)薄層夾少量中厚層白云巖、灰質(zhì)白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r、灰?guī)r等，為中硬巖，抗沖刷能力較強。溢流霧化區(qū)的影響：設(shè)計挑流距離最大11.63 m，溢流霧化區(qū)應(yīng)在壩腳至60 m范圍內(nèi)，大壩建成蓄水后，其上下游水頭差達(dá)46 m，溢流將在這一帶形成強降水區(qū)，兩岸坡將長期處于濕潤狀態(tài)，但兩岸基巖裸露，均為中硬巖，溢流強降水不會產(chǎn)生大規(guī)模滑坡、崩塌等坍岸現(xiàn)象，但局部有小規(guī)模垮塌或掉塊的可能，需對岸坡和河床進(jìn)行抗沖刷處理。

3.6 繞壩滲漏及防滲帷幕處理

壩址區(qū)基本地質(zhì)條件、防滲方案選擇和邊界的確定原則均同混凝土拱壩。根據(jù)壩址區(qū)地形情況，兩岸地形陡峭，兩岸帷幕灌漿均應(yīng)在灌漿廊道內(nèi)實施，壩址區(qū)巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，且有明顯溶蝕現(xiàn)象。即兩岸防滲帷幕端點接水庫正常蓄水位與地下水位交點深入約15 m，兩端帷幕下限以進(jìn)入地下水位15～20 m為宜，河床段防滲下限以工程區(qū)最低排泄基準(zhǔn)面(黃都河河床高程838 m)且?guī)r體透水率小于3 Lu以下10 m。帷幕線總長510 m，帷幕總面積22 932 m2，兩岸均應(yīng)在灌漿平硐內(nèi)施灌，左岸灌漿平硐長176 m，右岸灌漿平硐長177 m。宜按雙排孔布置，孔間距3.0 m，排距3.0 m，梅花型布置。

4 結(jié) 論

1)選取多點進(jìn)行槽探開挖，并結(jié)合地質(zhì)測繪。結(jié)果表明，右壩肩存在節(jié)理裂隙發(fā)育，但巖體無明顯位移現(xiàn)象，鉆探及壓水等均無異常。壩址處無大型斷層或其他構(gòu)造通過，壩肩巖體整體穩(wěn)定，設(shè)計優(yōu)選壩型為混凝土重力壩。

2)將弱風(fēng)化下帶巖體作為壩基及壩肩下段建基面，壩肩上段建基面為弱風(fēng)化上帶巖體，建基面巖體承載力綜合值為2.5～3.0MPa，壩基巖體壓縮變形問題不突出。

3)兩壩肩巖體節(jié)理裂隙較發(fā)育，其中左壩肩L11為裂縫，對壩肩抗滑穩(wěn)定不利。兩岸自然邊坡穩(wěn)定，按常規(guī)放坡開挖工程量大，受卸荷裂隙和其他結(jié)構(gòu)面影響，開挖完成后形成的人工高陡邊坡穩(wěn)定性差，須及時采用合理支護(hù)措施進(jìn)行處理。