板涧河水库坝址工程地质评价及坝型比选

2012-04-14刘军伟

山西水利 2012年10期

刘军伟

（山西省水利水电勘测设计研究院，山西太原 030024）

1 概况

板涧河水库工程位于垣曲县西部黄河的一级支流板涧河中游，本段河谷呈“S”型，流向由S65°E转向N80°E。谷底高程454～460 m，两岸高程多在790～1 050 m。河谷底宽 10～120 m，河谷断面呈“V”型，为剥蚀构造低山区。坝址区断裂构造不发育，安山岩喷发层流及间歇面产状 N33°～65°E/SE∠34°～46°，岩层倾向右岸偏下游。岩体中主要发育3组节理裂隙：①N40°～65°E/SE 或 NW∠46°～87°；②N15°～26°E/NW或 SE∠64°～80°；③N0°～14°W/SW∠53°～79°；第①组为张节理，第②，③组为剪节理。第①组裂隙主要受岩体中原生喷发间歇面、流层面和构造应力控制，延伸长度一般为6～13 m。坝址位于河谷由宽变窄段，谷底宽度20～65 m；坝轴线下游河谷突然变窄，谷底宽度5～20 m。坝址谷底基岩大多裸露，坝基建基面为马家河组第一岩组安山岩。

2 工程地质评价

2.1 坝基工程地质特性

坝基安山岩似层状分布，层面为喷发层流及间歇面，单层厚度2～30 m，一般厚度10～20 m。岩体中原生节理和构造节理裂隙发育，受节理裂隙相互切割作用，岩体呈碎裂块状构造。在层面间夹有泥岩、砂质页岩，呈薄层状分布，部分层间存在软弱层或泥化夹层，使两岸突显似层状分布。坝基安山岩强风化层厚度1～4 m，弱风化层厚度6～17 m，局部弱风化层较厚，在上游坝坡处ZK11-3号钻孔揭露厚度23.8 m，坝基安山岩不同层位存在风化差异性。不整合接触带处安山岩存在古风化带，古强风化层厚度3～5 m，局部较厚，在左岸ZK12-13号钻孔揭露层厚度9.3 m；古弱风化层厚度15～18 m。在右岸坡下部及后坝坡脚存在泥化夹层，产状与安山岩喷发层面产状一致，厚度0.1～0.2 m，以泥夹碎屑型为主。后坝坡坝基石英砂岩层厚度0～40m，强风化层厚0～1m，弱风化层厚6～8m。其下砾岩呈凸镜状分布，呈弱风化状态。

总体来看，坝基安山岩岩体质量指标RQD值较低，分析在安山岩形成岩体过程中产生的冷缩原生节理很发育，致使产生大量不规则节理。在构造节理裂隙、原生节理和喷发间歇面及层流面共同作用下，破坏了岩体的完整性。从坝址钻孔岩芯来看，岩芯长度一般在10～30 cm，最长51 cm，表明坝址安山岩岩体中节理裂隙发育，岩体完整性差。

2.2 坝肩

左、右两坝肩岸坡较陡，岸坡中上部近直立。左坝肩坡顶高程570～585m，右坝肩坡顶高程在720m以上。出露地层岩性：两坝肩下部为马家河组第一岩组安山岩，其上为云梦山组第二岩组石英砂岩，石英砂岩层间存在大型斜层理，斜层理产状与其上部石英砂岩岩层产状一致，为 N20°～43°W/SE∠24°～37°，斜层理以下岩层产状为 N17°～67°W/SE∠17°～23°。左坝肩岩层倾向下游偏右岸，右坝肩岩层倾向下游偏山里。石英砂岩与其下安山岩不整合结构面倾向下游，岩层向河谷下游倾斜分布。不整合接触带处安山岩存在古风化壳，古强风化层厚度4.1～9.3 m，古弱风化带厚度18 m。

两坝肩岸坡处石英砂岩层风化卸荷作用强烈，存在风化卸荷裂隙带，探硐揭露卸荷带水平宽度19 m，顺河向裂隙延伸较长。在近顺河向及近垂直河向两组裂隙的相互切割作用下易产生崩塌掉块。另外，在不整合接触带处由于风化剥蚀作用，上部石英砂岩层陡坎下形成了沿接触带的宽大缝隙甚至为空洞，缝隙一般张开高度0.5～1.0 m，深度1.0～1.5 m。这一现象在坝址两岸普遍存在，说明不整合接触带处安山岩岩性相对软弱，抗风化能力较弱。

3 坝型比选

设计初拟选择拱坝、混凝土重力坝及面板堆石坝三种坝型进行比较。不同坝型对地基的要求及存在的主要工程地质问题有一定差异。

拱坝坝型对两坝肩地基要求较高，坝址区两岸上部为中厚层状石英砂岩，岩性坚硬，下部为安山岩，岩体碎裂。石英砂岩层间存在大型斜层理结构面，斜层理及岩层均倾向下游。另外，两岸存在卸荷裂隙带，主卸荷裂隙走向近平行河谷，倾角69°～78°，延伸较远。此外，两岸石英砂岩与安山岩不整合结构面倾向下游，接触带处安山岩存在古风化壳。以上结构面及安山岩古强风化层的存在对拱坝拱座稳定不利。河床覆盖层较薄，大部分基岩裸露。从地基条件看，适宜建当地材料坝。混凝土重力坝型对地基的要求较高，坝址区、覆盖层和基岩强风化层较薄，坝轴线处弱风化层下限埋深16 m，局部达23.8 m，坝基安山岩原生节理发育，呈碎裂块状构造，岩体质量差。在后坝坡脚处坝基存在不整合结构面，接触带处分布安山岩古风化壳。该工程设计大坝为高坝，按照规范要求应将坝基置于弱风化层中部至微风化层。混凝土重力坝后坝坡脚为应力相对集中段，需要开挖至深度36.2 m以下弱风化安山岩层。两岸石英砂岩岸坡存在风化卸荷带，需要清除风化卸荷带，坝基和两岸开挖工程量较大。面板堆石坝型对地基要求较低，坝基开挖工程量较小。

混凝土重力坝型在开挖后存在开挖边坡稳定问题。由于两岸需清除风化卸荷带，开挖后将形成高边坡，特别是右岸边坡，开挖边坡的稳定问题较为突出。而且坝基安山岩存在间歇面，其倾向下游偏右岸，间歇面上下岩性相对较软弱，部分存在软弱层或泥化夹层。且在坝轴线下游不整合接触带处存在古风化层，岩体破碎，将对坝基稳定产生不利影响。

面板堆石坝和混凝土重力坝型均存在基岩渗漏、绕坝渗漏、两岸接触带带渗透稳定问题。渗漏及渗漏稳定问题均可通帷幕灌浆防渗加以处理，但由于面板堆石坝型两岸开挖厚度较薄，其边坡稳定问题较重力坝型相对不突出。本段“S”型河谷也有利于面板坝型溢洪道和泄洪洞的布置。

从坝型所需天然建筑材料方面考虑，面板坝型堆石料可在坝址上游约0.6 km库区内开采。由于板涧河河谷砂卵石层较薄，缺乏天然混凝土细、粗骨料，骨料运距相对较远，细骨料运距约20 km。若采用混凝土碾压重力坝，本区没有较大的火电厂，粉煤灰料缺乏。从所需天然建材方面考虑，面板堆石坝坝型占优势。