实例探析水库拱坝工程主要地质问题及评价

2014-04-02胡大彪

黑龙江水利科技 2014年4期

关键词：拱坝坝址白云岩

胡大彪

(贵州省水利水电勘测设计研究院，贵阳 550002)

0 引言

随着水利工程建设规模的不断扩大，地质勘察工作也变得越来越重要，只有对工程地质进行全面的了解、分析，才能够更好的做好工程建设基础工作，而在地质勘察工过程中，必须对存在的地质问题进行全面的了解和评价，才能更好的服务于工程建设。

1 工程概况

贵州省息烽县枧槽沟水库工程位于息烽县东北部，距县城约1 km。该工程是以县城供水为主，兼有农业灌溉的水利工程，主要枢纽建筑有大坝、供水水厂、泵站等。水库坝址以上集雨面积10.9 km2，正常高蓄水位1 066 m，推荐坝型为常态混凝土拱坝，坝高54.7 m，水库回水线长约1.2 km，总库容约140万 m3，属小(1)型水利工程。

2 工程地质条件

2.1 坝址区地形

坝址轴线位于川黔铁路枧槽沟大桥上游约157 m处，坝址处河流流向大致由东向西，岩层倾下游略偏左岸，为较对称的U型横向河谷，河床高程1 022～1 025 m，河床宽15～30 m，水深＜0.5 m，正常蓄水后河床宽约820 m，地形宽高比1.9两岸地形上陡下缓，地形坡脚约50°～70°。

2.2 地层岩性

坝址区砂卵石主要分布于河床，厚度2～5 m，残破积层主要分布于两岸缓坡靠近河床河床附件及坝肩上部台地内，厚0.5～2.5 m，少量崩塌堆积体分布在左岸狮子山组与松子坎组交界以下缓坡带厚度0.5～3.5 m。基岩为三叠系。厚度坝址新生界0～5 m。下游及坝肩三叠系狮子山组100 m，坝前16 m三叠系松子坎组100 m。

2.3 地质构造

坝址区主要构造以北东向居多，区内构造不发育，与库坝区有关的构造是南极定断层南部的分支断层(F1)，呈张扭性，断距＞200 m，距离坝址约600 m。坝址区未见大的断裂构造发育，仅右坝肩渠道高称处发育一小断层，受层面控制存在节理裂隙，建议设计预留适当灌浆对关健层灌浆处理[1]。

2.4 岩溶水文地质情况

2.4.1 地下水类型

坝址区地下水为孔隙性潜水和基岩裂隙性潜水两种类型。

2.4.2 岩体透水性

坝址区地下水位受地质构造影响较大，钻孔压水试验说明，地表岩层裂隙发育、张开、透水率大，深部岩层的透水率有逐渐减小的趋势。坝址区岩层以弱、微透水性为主，总体上岩体透水性相对较弱。局部如地表岸坡处或风化强烈地带或岩体挤压破碎处、结构面发育地带，岩体的透水性相对较强。由于岩溶不发育，地下水位总体与岸坡坡度的变化基本一致，地下水的自然坡降与地表分水岭体系呈正态分布，无陡降及异常现象。

3 坝线及坝型选择

3.1 坝线选择

可行性研究阶段批复下坝线为选定坝线，坝轴线距离息烽县川黔铁路枧槽沟大桥135～158 m，有县城通往库内枧槽沟组乡村公路，交通便利。受地形条件、水库规模以及川黔铁路的限制，若坝线往下游移，水工布置较为困难，且对川黔铁路影响较大，防渗工作量亦增大较多，若往上游移，地形变开阔，工程投资将增大，反而水库规模变小，因此，坝线选择具有唯一性。

3.2 坝型选择

在拟定比较坝型时，考虑到:①库区周围无合适料场，故不适合修建当地材料坝;②根据选定坝线附近的地形地质条件，若采用当地材料坝按照下游坝坡放坡后，坝脚距离铁路桥只有50m，且泄洪建筑物消力池末端，离铁路桥墩过近，难以解决校核洪水位下泄洪时对铁路桥产生冲刷的问题。综上，本阶段选择刚性材料坝进行比较，即重力坝和拱坝进行比较。

拱坝方案枢纽由常态混凝土拱坝+坝顶开敞式溢洪道+坝身取水兼放空管组成。重力坝方案由碾压混凝土重力坝+坝顶溢洪道+坝身取水兼放空管组成。重力坝对基础要求较高，拱坝对坝肩岩体强度及完整性要求较高，结合坝线工程地质条件，坝基为软硬互层岩体，坝基前缘抗冲刷能力差，冲刷对重力坝基础稳定影响较大、坝肩硬质岩占多、且岩层倾下游，所以坝线处工程地质条件更适宜建拱坝，所以常态混凝土拱坝为推荐坝型。

4 建拱坝主要工程地质条件评价

4.1 建基面的选择

拱弧轴线河床高程为1 024.3 m，处于T2s2薄至中厚层白云岩、灰岩、泥质白云岩、钙质泥页岩不等厚互层岩体中。通过钻孔揭露，河床覆盖层4.8 m，强风化2.4 m，弱风化5m，建基面选择在弱风化下部，高程为1 013 m。通过坝基(肩)T2s2岩体真厚度统计证实并综合分析，建基面选择是合适的。

4.2 坝基(肩)边坡稳定问题

坝线河谷为横向谷，岩层倾下游，倾角28°～37°。基坑开挖上游面必然形成顺向坡，河床边坡达10～15 m，两岸拱座存在以层面或软弱夹层面为底滑面、陡倾角裂隙为侧滑面的滑移不利组合，岸坡边坡高达50～60 m，开挖岩体多为强风化至弱风化岩体边坡，受岩体卸荷的影响，坝肩局部存在结构面组合不利岩块，上游侧基坑开挖后，将形成临空岩体倾向坑内，受裂隙切割的影响，临空岩体稳定性差。因此，建议设计应充分考虑其处理措施[2]。

施工阶段，应根据坝基(肩)开挖及检测情况复核坝基(肩)抗滑稳定、抗压缩变形稳定、开挖边坡稳定条件。

4.3 坝基(肩)抗滑稳定问题

坝基(肩)由岩性坚硬、强度均匀性较好的T2sh1灰色中—厚层灰岩、白云质灰岩夹灰黄色白云岩和强度均匀性相对较差的T2s2薄至中厚层白云岩、泥质白云岩、钙质泥页岩不等厚互层两部分岩体组成。开挖深度应因地而异，T2sh1硬质岩区(两肩)宜挖除强风化和弱风化中上部溶蚀松动岩体;T2s2软硬相间岩体，坝体应置于弱风化中下部(或微风化)岩体上，同时施工开挖中应尽量减轻爆破振动等带来的不利影响[3]。现对坝基、两坝肩岩体抗滑稳定分析评价如下:

4.3.1 坝基抗滑稳定及建议

坝线处为横向谷，岩层倾向下游略偏左岸，倾角28～37°，无大的断层切割，库首河床平缓，坝线上、下游均无水下深槽存在，不存在地形临空面。分布地层为强度均一性相对较差的T2s2薄至中厚层白云岩、泥质白云岩、钙质泥页岩不等厚互层，据钻孔揭露，河床无泥化夹层分布，但岩体软硬相间分布，岩体风化较深，岩层倾向下游，纵、横向裂隙切割面存在，构成了剖面上分布的三角体，当坝基开挖到一定的深度形成临空面时(人工边坡)，坝基上游侧抗滑稳定的控制因素，为提高坝基岩体整体强度，建议在开挖同时进行上游壁边坡的固结加锚杆处理，全面作好坝基固结灌浆及防渗、排水处理措施，对坝体与岩体接触带设高标号钢筋混凝土垫层。由于河床覆盖层结构松散，且夹有少量块石，开挖施工难度大，开挖边坡稳定性差。

4.3.2 左、右岸坝肩抗滑稳定及建议

根据裂隙发育方向，左岸第②组N60～80°W/NE∠75～82°裂隙(主要为溶沟、溶槽及卸荷裂隙)倾向山外，与层面软弱夹层构成两滑面，底滑面为层面或软弱夹层，侧滑面为第二组陡倾角裂隙面。

右岸坝轴线第①组 N60～70°E/SE∠62～68°裂隙与河床斜交，倾山体外，偏上游，第②组N30°W/NE∠57～62°裂隙近于垂直河床，倾向山内，同陡崖线卸荷带追踪发育，并且岸坡为夹软弱层互层状砌体结构岩体，构成上陡下缓不稳定岩体，裂隙面为侧滑面，底滑面为层面或层间软弱夹层，构成不稳定岩体。

T2sh1灰色中－厚层灰岩、白云质灰岩夹灰黄色白云岩为硬质岩，T2sh1地层软弱(泥化)夹层较发育，厚1～5cm，局部达25cm，连续性较好，分析对岩体的受力变形有一定影响，建议在施工中深挖(掏挖)回填处理，以增强岩体的整体强度。

T2s2薄至中厚层白云岩、泥质白云岩、钙质泥页岩不等厚互层为软硬相间岩体，天然岸坡表层有少量崩塌堆积层，在开挖之前先清除部分崩塌堆积层及覆盖层，介于风化较深特点，需采取一定的安全措施。

鉴于T2sh1/T2s2分界线接触带岩体软硬相间，分布不均，建议设计对此固结灌浆处里，以提高岩体承载力，满足拱端压应力允许值。

在左坝肩及平硐内发育较大岩溶洞穴(如K1、K2、K3)，分布高程均在1 066 m以下，洞宽 1～2.5 m，洞高0.8～2.0 m。开挖时，可结合防渗帷幕灌浆回填处理。

两坝肩有两个平勘探硐，在施工阶段，需对两平硐进行混凝土灌浆回填，以利于拱坝坝肩稳定。

4.4 坝线下游岩体抗冲刷问题

坝线下游河床宽10～25 m，覆盖层厚0～5 m，河床高程1 020～1 024 m。主要分布地层岩性为T2sh1灰色中－厚层灰岩、白云质灰岩夹灰黄色白云岩硬质岩和T2s2薄至中厚层白云岩、泥质白云岩、钙质泥页岩不等厚互层软硬相间岩体，属镶嵌碎裂结构岩体，岩层倾向下游略偏左岸，倾角28°～37°，T2sh1有软弱夹层，为解决好坝顶溢流使坝脚不被冲刷形成临空面，建议设置护坦。

4.5 岩溶及坝线防渗问题

由于T2sh1灰岩岩溶发育，左岸地表可见溶洞发育，钻探有遇掉钻现象，钻孔压水吕荣值普遍偏大，坝肩开挖及防渗工作中遇岩溶洞穴的可能性都较大，地基处理及灌浆耗浆量大，建议设计充分考虑其处理措施，预留适当的灌浆工作量。根据设计布置方案和坝区岩溶水文地质条件，通过钻孔揭露情况，并综合分析，确定其防渗边界及防渗漏。

1)防渗线选择:坝线区河谷为横向谷，地质结构单元清晰明朗，河床分布有T2s2弱岩溶含水层，坝肩出露T2sh1强岩溶含水层，两岸地下水位较低，防渗端点无法接较高地下水位，下游无隔水层与相对隔水层分布，防渗线只能由两坝肩拱端向上游反接T2s2弱岩溶含水层(岩体含泥成分较高)，为避免坝线防渗工作量过大，又要兼顾考虑避开岸坡卸荷带与岩体风化的影响，初拟左岸防渗线走向与坝轴线呈72.7°交角，右岸防渗线走向与坝轴线呈39.3°交角。

2)防渗原则:坝线防渗下限按＜3 Lu或深入T2s2基岩以下25～40 m控制，两端点接正常蓄水位与T2s2相对隔水层的交点向山体内延伸长15～20 m。两岸地下水位横向补给河谷，通过此防渗方案阻断了库水与外界水力联系，因此水库通过防渗处里后，具备较好的成库条件。

3)防渗工作量:考虑坝不高，建议采用单排孔，孔距3 m，防渗线总长292.3 m，有效总防渗面积为16 371.3 m2。

在施工阶段可通过先导孔压水试验进一步优化帷幕深度和边界。