泾河东庄水利枢纽工程高拱坝建设工程地质适宜性研究

2015-01-16王泉伟周益民戴其祥刘建磊杜朋召

资源环境与工程 2015年5期

王泉伟，周益民，戴其祥，刘建磊，杜朋召

(黄河勘测规划设计有限公司，河南郑州 450003)

东庄水利枢纽工程是渭河下游河防工程体系中不可缺少的重要骨干工程，开发任务是“以防洪减淤为主，兼顾供水、发电及改善生态环境”。工程位于泾河下游峡谷段，距峡谷出山口约29 km。东庄水利枢纽拟建坝型为混凝土双曲拱坝，最大坝高230 m，坝顶高程804 m，规划水库总库容32.9亿m3。

东庄水利枢纽坝址处河谷深窄(呈“V”形)，河谷岸坡对称，地形完整，山体浑厚(图1)。建坝地层为奥陶系厚层、巨厚层灰岩，岩层倾向下游偏左岸，中等倾角，岩石坚硬，岩体风化卸荷带较薄，岩体较完整，但沿部分层面、裂隙存在溶蚀现象。

众所周知，岩体工程地质条件和岩体的力学特性是拱坝设计的关键因素之一，这也正是拱坝勘察研究的重要内容［1］。为了查明坝址区岩体风化与卸荷特征，评价坝基岩体质量，分析坝肩抗力体及边坡稳定性，前期勘察在坝址区两岸不同高程布置勘探钻孔和平洞，并开展了岩体(石)物理力学试验，为评价坝址区工程地质条件对拱坝的适宜性及拱坝设计提供了重要依据。

1 基本地质条件

1.1 地貌特征

工程区地处渭北黄土丘陵区，泾河深切于黄土丘陵之下，形成高达500～600 m的峡谷。两岸750～780 m以上，河谷相对开阔，岸坡陡缓相间，总体坡度40°～65°;750～780 m高程以下，河谷狭窄，岸坡陡峻，坡度70°～85°。

坝址区河流流向南西245°，平直河段长约700 m。平水期河水面高程590 m，水面宽15～30 m，水深6～9 m，河谷底部高程581～584 m，正常蓄水位789 m时，河谷宽约200 m。从坝基基岩面算起，河谷宽高比约为 0.95。

1.2 地层岩性

坝址区右岸及左岸750 m高程以下基岩裸露，地层岩性较为单一，为奥陶系中统马家沟组(O2m)灰岩，厚层—巨厚层，浅灰色白色隐晶质灰岩，夹含生物及白色似鲕状隐晶质灰岩。

左岸坝肩753～785 m高程分布一层胶结、半胶结的古冲积层，主要有砂卵砾石组成。顺河向长160 m，宽125 m，空间形态为中间低、四周高的窝状。

1.3 地质构造

坝址区处于唐王陵向斜北翼，岩层走向NWW，产状190°～210°∠30°～55°，即倾向左岸偏下游方向，为斜横向谷。坝址区的构造行迹主要有断层、顺层大裂隙、节理裂隙等，如图1所示。

坝址区断层不发育且规模较小，对大坝有影响的主要为右岸坝肩的f5断层，走向NE40°～86°(与河流近平行)，倾向NW，倾角56°～85°，断层带宽一般10～40 cm，充填岩屑、角砾、方解石及少量断层泥，挤压较紧密，泥钙质胶结，轻微溶蚀，局部伴生方解石结晶。

两岸坝肩发育多条顺层大裂隙，局部溶蚀切层，连续性和延伸性较好，具有一定的规模，走向260°～335°，倾向 SW 为主，倾角 22°～60°，宽一般 0.5 ～30 cm，局部可达50～60 cm，充填泥夹岩屑或岩屑夹泥，局部以钙质硬性结构面形式存在，对岩体质量、坝肩稳定有一定影响。

图1 坝址区平面地质图Fig.1 Plan engineering geological map of dam area

坝址发育产状为 270°～290°∠15°～45°的 J1，315°～335°∠15°～35°的 J2，330°～350°∠25°～50°的J3，165°～195°∠30°～55°的J4，310°～350°∠65°～85°的 J5，260°～295°∠65°～80°的 J6等六组节理，节理面多平直，宽度一般＜5 mm，充填钙质，个别溶蚀后充填泥膜、岩屑。

1.4 岩体风化卸荷

坝址区基岩为致密坚硬的灰岩，均匀风化作用微弱，裂隙溶蚀风化主要表现为沿断层、层面、陡倾裂隙等形成溶隙、溶孔及小溶洞。

坝址区岸坡高陡，相对高差200多米，根据岸坡钻孔、平洞及波速测试，两岸岸坡卸荷带特征［2］见表1。

1.5 岩体(石)物理力学特性

东庄坝址基岩岩性单一，为厚层、巨厚层状灰岩，岩石主要物理力学指标见表2。

坝址区灰岩采用刚性承压板法原位变形试验，试验成果见表3。

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表1 坝址区卸荷带特征表Table 1 The features of unloading zone at dam area

表2 灰岩物理力学指标Table 2 The physical and mechanical indexes o f limestone

表3 岩体变形试验成果表Table 3 The test results of rock mass deformation

坝址区结构面分为两类:一类是软弱结构面，包括顺层大裂隙、溶蚀夹泥裂隙;另一类是硬性结构面，包括层面、构造节理。两类结构面的力学特征［3］见表4。

表4 主要结构面力学特性表Table 4 The mechanical characteristics of the main structure face

2 坝基岩体质量及工程特性

坝区地层较为简单，主要为奥陶系(O2m4－2)巨厚层灰岩，岩石致密、坚硬，抗风化和变形能力强，岩石单轴饱和抗压强度一般在80 MPa以上，基本物理力学性能好。岩体结构主要有巨厚层块状结构、巨厚层次块状结构、巨厚层镶嵌结构、碎裂结构和散体结构五种类型。

坝基岩体质量是由多种地质因素综合作用的结果，根据对影响坝基岩体质量的地层岩性、岩体结构、卸荷、溶蚀风化等基本地质因素，并结合室内试验和现场原位试验测试(如原位大型剪切试验、现场变形试验、声波测试、地应力等)成果，坝基岩体质量综合分类［4］见表 5。

两岸表层强溶蚀卸荷带一般厚2.0～8.0 m，岩体为Ⅳ类，弱卸荷带一般厚5.0～15.0 m，岩体质量为Ⅲ类;微—新鲜的岩体质量为Ⅱ类;f5断层影响带、节理密集带、溶隙溶孔密集带为Ⅳ类岩体;断层带、L12、L14等顺层大裂隙、夹泥裂隙等张开充填及溶蚀充填带为Ⅴ类岩体。

根据坝基岩体质量，结合拱坝受力状况，拱端中下部可置于Ⅱ类或Ⅲ类岩体中，上部拱端受力较小部位可考虑置于Ⅲ类岩体中，但需采取一定的工程处理措施。对坝基及抗力体内影响比较大的顺层大裂隙、夹泥裂隙张开充填带、节理密集带、溶隙溶孔密集带［5］等Ⅳ-Ⅴ类岩体，需进行专门的工程处理措施。

表5 坝基岩体质量分类及特征表Table 5 Quality classification and characteristics of the rock mass of dam foundation

3 坝肩抗力体的抗滑稳定

3.1 左岸坝肩抗滑稳定

在735 m 高程以上，底滑面 J2(315°～335°∠15°～35°)与侧裂面 J5(330°～350°∠70°～85°)的交棱线倾向河谷偏下游，对抗滑稳定不利，如图2所示。但J2为硬性结构面，与侧裂面形成的交棱线倾角较缓，发生滑动的可能性较小。

底滑面L12等顺层大裂隙为软弱结构面，倾向岸坡内，与J5的交棱线倾向河谷偏下游，对抗滑稳定不利，如图3所示。但交棱线倾角较缓，与河谷临空面小角度相交，同时J5为硬性结构面，在拱端力作用下，产生滑动的可能性较小。

图2 左坝肩抗滑稳定不利结构面组合一示意图Fig.2 The schematic diagram for the first combination of the anti-slide stability of unfavorable structural surfaces at the left abutment of the dam

图3 左坝肩抗滑稳定不利结构面组合二示意图Fig.3 The schematic diagram for the second combination of the anti-slide stability of unfavorable structural surfaces at the left abutment of the dam

3.2 右岸坝肩抗滑稳定

在780 m高程以上，侧裂面(f5、Rnj3、J5)与底滑面J1(270°～290°∠15°～45°)的交棱线与临空面的倾向基本一致，且倾角低于临空面，在拱端力的作用下存在向下游伙房沟滑动的可能，如图4所示。

图4 右坝肩抗滑稳定不利结构面组合一示意图Fig.4 The schematic diagram for the first combination of the anti-slide stability of unfavorable structural surfaces at the right abutment of the dam

在720～780 m高程，以J1为底滑面，以f5、Rnj3、J5为侧裂面，以河谷和下游L22为临空面，形成的切割块体在拱端力的作用下，对抗滑稳定不利，如图5所示。

图5 右坝肩抗滑稳定不利结构面组合二示意图Fig.5 The schematic diagram for the second combination of the anti-slide stability of unfavorable structural surfaces at the right abutment of the dam

在720 m 高程以下，以L12、L14 、L16、L18(350°～30°∠22°～45°)等顺层大裂隙为底滑面，以 J4、J5为侧裂面，形成切割块体的交棱线倾向坡外，偏向下游，对抗滑稳定不利，如图6所示。

图6 右坝肩抗滑稳定不利结构面组合三示意图Fig.6 The schematic diagram for the third combination of the anti-slide stability of unfavorable structural surfaces at the right abutment of the dam

4 坝肩变形稳定

左坝肩753 m高程以上古冲洪积层物理力学性能差，不宜作拱坝基础需清除，基岩坝基主要为微新的Ⅱ类岩体，变形模量E0达15 GPa以上，局部Ⅲ类岩体变形模量也在8 GPa以上，岩体抵抗变形能力强。勘探揭露的 L7、L8、L9、L10、L12、L13、L14、L16、L22 等顺层大裂隙及夹泥裂隙局部溶蚀宽可达数十厘米，充填物以岩屑夹泥为主，且距离拱端较近，大坝变形稳定有一定的不利影响［6］，但宽度较小，对坝肩的整体变形稳定影响不大。

右坝坝基岩体主要为微新的Ⅱ类岩体，局部为Ⅲ类岩体，岩体变形模量一般在10 GPa以上，抵抗变形能力较强。勘察揭露的f5断层陡倾，走向与拱端受力方向近正交，距拱端较近，对变形稳定不利。L22、L12、L14、L6、L8 等顺层大裂隙、Rnj1、Rnj2、Rnj3 等夹泥裂隙，对大坝变形稳定有一定的不利影响，但宽度较小，对右坝肩变形稳定影响不大。

5 边坡稳定性

800 m高程以下，两岸边坡陡峻，自然坡度60°～80°，岩性为厚层、巨厚层灰岩，致密坚硬，风化卸荷作用不甚强烈［7］，强卸荷水平厚度一般 1.0 ～8.0 m，弱卸荷水平厚度一般4～15 m，岸坡整体稳定性较好。

5.1 左岸边坡稳定

左岸自然边坡高450～500 m，其中坝肩工程部位边坡高200～250 m，由厚层高强度的灰岩组成，风化和表生卸荷作用不强烈，以裂隙式溶蚀风化为主，卸荷深度一般5～23 m，边坡中地下水不发育，以裂隙水为主，无统一地下水位，岩体宏观上呈块状—厚层、巨厚层状结构，岩体质量总体较好，边坡岩体以Ⅱ类岩体为主，其次为Ⅲ类，自然边坡坡型完整，未见大规模的变形体，左岸边坡整体处于稳定状态。

需要指出的是，根据岸坡工程特点和基体裂隙发育的优势方位，边坡岩体发育的硬性结构面之间或与顺层大裂隙切割，开挖边坡可能形成局部不稳定块体。主要表现为倾向坡外(NNW)的J2与近南北向的J5及顺层大裂隙组合，形成切割块体，在边坡应力重分布卸荷后产生不稳定块体，需加强支护。

5.2 右岸边坡稳定

右岸自然边坡高450～500 m，其中坝肩工程部位边坡高200～250 m，由致密坚硬的灰岩组成，风化以裂隙式溶蚀风化为主，岸坡风化卸荷深度一般4～15 m。岸坡出露的结构面有顺层大裂隙、夹泥裂隙及成组发育的硬性结构面。边坡中地下水不发育，岩体呈块状—厚层、巨厚层状结构，岩体质量总体较好，自然边坡整体处于稳定状态。

工程边坡发育控制性结构面［8］有f5断层与缓倾河谷偏下游的 L12、L14、L16、L18、L22 顺层大裂隙。根据边坡工程特点和结构面发育的优势方位，存在不利组合主要有:一是以L22顺层大裂隙为底滑面与f5、J4组合形成潜在不稳定块体;二是L12等顺层大裂隙与陡倾角J4、J5形成小规模潜在不稳定块体，应引起重视;三是J1与J5组合形成的切割块体，但交棱线倾向坡外，倾角较缓，且J1、J5是硬性结构面，对开挖边坡稳定影响不大。