石頭河水利樞紐建壩工程地質條件分析評價

李向群，南浩然，李宗效

吉林建筑大學 測繪與勘察學院,長春 130118

1 工程概況

石頭河水利樞紐工程位于吉林省圖們市境內,坐落在圖們江一級支流石頭河上游,壩址地理坐標位置:東經130°04′,北緯43°06′,是以供水為主,兼顧防洪、灌溉、養殖等綜合性水利樞紐工程.石頭河水利樞紐工程為中型水庫,工程等別Ⅲ等,主要建筑物級別3級,次要建筑物級別4級,臨時建筑物級別5級.在可研階段,延邊水利水電勘測設計研究院在壩址區進行了詳細的地質勘查.

物探工作的主要任務是:采用綜合物探方法對上、下壩址區第四系覆蓋層厚度,是否存在隱伏構造帶及具體位置、構造帶傾向、走向作出評價.在探測工作中,根據壩址的實際地質情況和氣候條件,采用地球物理方法有視電阻率聯合剖面法、高密度電法和探地雷達法.

野外勘察工作于2018年8月2日至8月16日完成,共完成視電阻率聯剖剖面線測量5條1 320m,物理點516個;高密度電法剖面線測量3條885 m,物理點1 305個;地質雷達剖面線測量6條1 470 m,物理點1 470個.

2018年8月17日至8月24日完成了資料的分析、處理、計算及報告編寫工作.

2 壩址區的工程地質條件

2.1 地形地貌

該壩址處于河谷相對狹窄地段,河流呈彎曲狀,河谷寬度139 m ～ 159 m,右岸山體坡度41 °左右,覆蓋層厚2.5 m左右,由碎石土組成,植被較好.左岸山體坡度13 °左右,覆蓋層厚1.7 m左右.左岸上游10 m處為溝口,該溝是石頭河的主要支流,常年有溪水流淌,該溝谷長2 km,溝谷寬50 m左右.

2.2 地層巖性

該壩址區的地層比較單一,均屬于侏羅系下的火山碎屑巖,巖性主要為安山角礫巖及安山巖組成[1].此外,即是第四系全新統河流相堆積層和殘積坡積層.河流堆積的河漫灘是以沖洪積松散物為主,由卵石、礫石、砂組成,厚度3 m～4 m,含漂石、塊石等,粒徑最大可達1.5 m.殘積坡積層分布于山腳及山坡和山脊上,為含土碎石,厚度1 m～2.5 m,山腳處較厚,最厚可達4 m.其區域內地層巖性見表1.

表1 區域內地層巖性Table 1 Regional stratigraphic lithology

2.3 地質構造特征

根據《工程地質勘察工作大綱》及委托方意見,結合地形條件,上壩址區內共布設3條視電阻率聯合剖面法測線、1條高密度電法測線和6條探地雷達測線.視電阻率聯合剖面法測線沿壩軸線方向布置2條;在輸水洞方向上布置1條視電阻率聯合剖面法和高密度電法測線;探地雷達測線沿北西向布置4條,分別為10測線、13號測線、15號測線和20號測線,沿東南方向布置2條測線,分別為7號測線和9號測線.

沿下壩軸線布置1條視電阻率聯合剖面法和高密度電法測線;沿下壩址到上壩址的東山腳下布置1條視電阻率聯合剖面法和高密度電法測線,剖面線方位80°.壩址區未發現規模較大的斷裂構造,根據高密度電法和地質雷達探測發現的小規模斷層及破碎帶共計4條[2].

因物探結果具有多解性,加之壩址內地形較復雜,地表植被茂盛,地表水系發育,這對物探工作的結果都造成一定的干擾和影響,故在物探提出的異常處開展鉆探驗證工作.

為此,在上壩線物探提出的破碎帶(P 2,P 3)與趾板相交處破碎帶中心部位布置了兩個鉆孔,下壩線物探提出的破碎帶(P 4)與下壩線溢洪道相交部位布置了鉆孔進行鉆探驗證,在壩軸線所圈定的破碎帶上采用了聯合剖面法和高密度電法測量[3],根據鉆探及孔內數字成像結果:上壩線物探提出的破碎帶部位巖石完整性較好,僅在巖石上部1 m～2 m深度內巖石相對破碎,對壩基影響不大;下壩線物探提出的破碎帶部位巖石完整性差,巖體呈碎裂結構,且與溢洪道斜交,交角較小,寬度較大,對溢洪道的影響較大.

綜合物探及鉆探結果:上壩線在溢洪道外側17 m處發育有F 1斷層,走向NE 63°,直立,寬度1 m,規模及對大壩的影響較小.下壩線溢洪道部位發育有P 4破碎帶,走向NE 75°,傾向SW 75°,傾角65°,寬度12 m,規模較大,且與溢洪道斜交,交角較小,寬度較大,對溢洪道的影響較大,探明的斷層及破碎帶性狀見表2.

表2 斷層破碎帶產狀規模Table 2 Fault fracture zone production scale

3 主要工程地質問題及評價

3.1 壩基承載力及沉陷穩定問題

大壩全長272.80 m,地貌單元為低山和河谷漫灘,低山斜坡坡度13°～40°,河谷漫灘相對平緩.低山斜坡表部為厚度2.2 m～2.4 m的第四系全新統坡積碎石土,河谷段為厚度3.6 m～7.6 m的砂卵石.其下為侏羅系安山巖,全風化厚度2 m左右,僅在左壩肩斜坡部位分布,強風化厚度9 m～15 m.大壩地基各巖土層的物理力學指標見表3[4].

表3 各巖層物理力學指標Table 3 Physical and mechanical indicators of each rock layer

河谷砂卵石無軟弱夾層,巖性均一,地基允許承載力為0.35 MPa,可作為大壩壩殼基礎,沉陷穩定問題不大.根據基壩址區地質、地形條件,設計優選混凝土面板堆石壩[5].

坡積碎石土厚度不大且穩定,巖性均一,較密實,地基允許承載力為0.25 MPa,在清皮壓實處理后亦可作為大壩壩殼基礎[6],沉陷穩定及滑動問題不大.

面板壩前趾板基礎可座落在強風化安山巖上,地基允許承載力為1.0 MPa,滿足設計要求.而趾板河谷段巖石呈次塊狀,壩肩部位巖石呈碎裂角磨機結構,節理裂隙較發育[7],建議進行固結灌漿,固結灌漿后將大大提高巖體的整體性,降低巖體的變形及不均勻沉陷.

3.2 壩基滲漏及滲透穩定問題

壩基巖體總體透水率由上而下呈逐漸變小的趨勢,河床部位巖體透水率值小于兩岸壩肩部位.建議對壩基采取帷幕灌漿,灌漿深度控制到巖石透水率q≤5.0 Lu[8].

3.3 壩肩邊坡穩定性問題

左壩肩山體坡度13 °左右,植被良好,覆蓋層厚度約2.4 m.下伏基巖為侏羅系安山巖,節理裂隙發育,受F 1斷層影響,15 m深度內巖石較破碎,呈碎裂結構.全風化厚度2 m左右,強風化厚度約15 m.左壩肩節理裂隙走向,以走向NW 278°～308°,NE 6°～30°兩組為主,兩組節理大多是張開,鈣質充填.開挖后形成的邊坡將存在崩塌掉塊及局部邊坡穩定問題,建議進行掛網噴錨處理[9].

右壩肩山體坡度40°左右,山體覆蓋層厚約2.2 m,由碎石土組成,植被較好.右岸山體的巖石屬侏羅系安山巖,節理裂隙發育,20 m深度內巖石破碎,呈碎裂結構.右壩肩巖石強風化厚度約為9 m.右壩肩節理裂隙走向與左壩肩相同.

3.4 繞壩滲漏問題

兩壩肩巖體透水率較大,不滿足設計控制q小于5.0 Lu標準,存在繞壩滲漏問題,建議結合壩基帷幕灌漿將防滲帷幕向左右延長[10],可延長至地下水位線與正常高水位線相交處,左壩肩沿壩軸線延長至溢洪道軸線外61 m,右壩肩沿壩軸線延長至輸水洞軸線外33 m,灌漿深度控制到巖石透水率q≤5.0 Lu.

4 結語

(1) 石頭河水利樞紐壩址區的地層比較單一,出露地層均屬侏羅系形成的火山碎屑巖,巖性主體由安山角礫巖及安山巖組成.此外,綜合物探及鉆探的結果分析:相比較于下壩線,上壩線在溢洪道外側的斷層,規模較小,對大壩的影響不大.工程地質也優于下壩線,建議選用上壩線為壩址.

(2) 河谷砂卵石和坡積碎石土巖性均一,滿足地基承載力要求,均可作為大壩壩殼基礎.其沉陷穩定及滑動問題不大.面板壩前趾板基礎可建設在強風化安山巖上,其強度在地基允許承載力范圍內,滿足設計需要.

(3) 在河床壩基和壩肩存在透水率從上到下逐漸減小的透水帶,存在壩基和壩肩滲漏問題.上壩線兩壩肩巖石完整性差,呈碎裂角磨機結構,建議在沿趾板全段進行帷幕灌漿、固結灌漿等防滲處理,其中帷幕灌漿深度需深入到巖石透水率小于5.0 Lu以下5 m,固結灌漿深度控制到強風化下限.為防止繞壩滲漏問題的產生,需將兩壩肩帷幕灌漿延長至正常高水位與地下水位相交處.