水利工程大坝选址的地质勘察分析研究

2017-09-15刘殊慧

黑龙江水利科技 2017年8期

关键词：坝址坝基风化

刘殊慧

(齐齐哈尔市水利勘测设计研究院，黑龙江齐齐哈尔 161006)

水利工程大坝选址的地质勘察分析研究

刘殊慧

(齐齐哈尔市水利勘测设计研究院，黑龙江齐齐哈尔 161006)

我国水利事业发展迅速,而水利工程的建设,会在较大程度上影响到经济发展,因此,需要严格控制水利工程施工质量。坝址选择是水利工程中非常重要的一个环节,通过科学选址,可以促使水利工程质量得到提升，而基础工作则是深入勘察水利工程所在区域的周边地质环境,选择科学的勘察技术,结合勘察资料,更加科学地选址。

水利工程；大坝选址；地质勘察；地质构造

1 绪论

地质勘查在水利水利工程的大坝坝址选择中具有重要作用，与其他建筑工程相比，水利工程对于地质的要求更高，所以在进行水利工程大坝建设之前，一定要了解大坝建设区域的地质情况和水文条件，避免大坝选址失误，引起渗漏等大坝问题。在进行大坝建设之前，设计人员一定要对于水利工程进行严格的考察，确定其地质勘探结果，确保坝址选择正确，不会对大坝正常使用造成影响。

坝址选择的地质勘察主要任务：①区域的稳定性是基础，对工程的后期有重要的影响。坝址设计中，对需要开发的河段进行检测工作，认真分析区域的稳定性。对于地震对坝址和工程建设造成的影响要重点分析，分析地震的安全性等级和产生的危险性。②地形地貌特征对水利工程坝型的选择很重要，制约着工程施工条件和设计方案。在地质勘察中，需要熟悉地形对坝型的施工条件，因地形要求在一定的范围内，狭小、分明的基岩“V”型谷能够适合设计坝址。不同的地形地貌都有不同结构、特点，针对这些限制条件充分分析，对每个河谷地段的结构土层进行研究，合理判断在施工中将会遇到的问题并做出有效的解决措施[1]。③ 岩土的性质。完整的岩体结构、抗水性能、坚硬度都是坝址选择的有利条件。在进行选取时，对岩石周围不同时期的接触边缘进行研究，考虑风化夹层和风化壳的分布位置，在坝址选取时要注意避开不利因素。喷出岩的类型研究上，其抗水性能强、强度较高，通常也是坝基选取的首要考虑。很大程度上对工程地基的抗滑稳定性上产生关系重大的影响。一般工程选址在较高的强度、透水性能差和抗水性能强的区域。

2 地质构造对于坝址选择影响

2.1 水文地质对于选址的影响

水文地质对于坝址的选择有重要的影响，岩溶区的存在、河床区渗漏问题都是影响坝址选择的因素。其对于坝址选择的影响主要有以下几点：

在进行坝址建设前，要充分对于水利工程建设区域的岩溶区进行考量，确保选址区域拥有隔水层的横谷，更好的对于水流进行阻隔，也要保证区域的岩石分布大部分在上游段，尽可能的在水流经过大坝前起到缓冲作用。对于大坝经常出现的水库渗漏现象，要提早做好预测和保护措施，避免渗漏问题出现。在进行坝址选择的时候，要尽可能选择拥有隔水区域的岩层，以减少水流对于大坝的压力；并且选择两岸的分水岭较高的区域，可以更好的实现对于水流的集中，以保证大坝的使用安全。如果水利工程建设区域没有可以利用的自然隔水层，在坝址的选择上，要尽可能的选择弱岩溶化区域，以保证坝基的稳定，确保大坝正常使用。

2.2 物质地理对于选址的影响

物质地理对于坝址的选择影响较多，岩石的分化会影响坝基选址；泥石流出现的几率会影响地址的选择；崩塌和滑坡现状对于坝址选择也有很大影响，其具体影响如下：①滑坡。在实际的水利工程坝址选择中，滑坡对于大坝的影响重大，如果在大坝的建设和使用中，建设区域出现滑坡，不仅会影响工程进度，也会对于施工人员造成人身伤害。所以对于工程建设区域滑坡情况进行严格的考察分析。②在进行坝址的选择时，往往会选择狭窄的峡谷区域，因为峡谷可以更好的对于河流进行控制调节，更加有利于方案的设计和工程的实施。但是由于峡谷的坡度较大，所以在建设中，要注意确保工程稳定性，保证施工人员安全和大坝使用安全性。③天然材料对于坝址选择的积极作用，在水利工程的坝址选取上，天然建筑材料也可以作为一个重要的因素进行考虑。施工中工材料的采购运输问题也是必须重视的问题，坝址的选择上可以看看周围是否存在能够满足工程施工材料的要求。在施工中，一些砂石、黏土是在坝址的选择上就应当考虑的，同时天然建筑材料的选择上，其数量、质量、种类和开采条件，这些因素对工程建设具有很大的影响。

3 工程实例

3.1 水库区工程地质

水库区位于西南省份南部的中低山区，为“V”字型峡谷地貌，植被丰茂。河流两岸山势陡峻，冲沟发育，总体趋势为北高南低。文章在上坝址区内选择了上、中、下三条坝线进行比选，其中上坝线距中坝线约85m，下坝线距中坝线约72m。三条坝线的布置见图1。

图1 不同坝线位置图

3.1.1 水库渗漏

库区地形封闭,周边山体雄厚，无单薄分水岭存在，亦无与外界连通的沟谷凹地，库盆主要由弱-微风化基岩构成,透水性能弱,溶岩没有与下游邻谷沟通，且岩溶发育轻微，连通性差；地下水出露高程高于正常蓄水位，以下降泉形式补给河水；周边水系中距库坝区最近的河段距库坝区直线距离约3.96km及6.5km，邻谷沿线泉水出露高程高于水库正常蓄水位，中部有地下水分水岭；通过库区的Fi5-1、Fi5-2断层，在库外出露高程及断层带上的泉水出露高程均高于水库正常蓄水位，其它断层带上的泉水出露高程亦高于水库正常蓄水位高程。故认为水库的地形地质条件不渗漏，不存在永久性渗漏问题。

3.1.2 库岸稳定性及评价

水库区回水岸坡总长度155.24km,基岩岸坡约占岸坡总长度的80%,第四系地层库岸约占总长度的19%，基岩岸坡稳定性较好，塌岸主要位于第四系岸坡。根据图解法预测水库可能产生塌岸的库段有15处，建议进行工程处理。

库岸边坡分布有3个滑坡，其中1#、2#号滑坡天然状态下基本稳定，2#号滑坡围堰截流及水库蓄水条件下不稳定，建议削坡减载处理，并结合围堰施工可作为填筑用料。3#号滑坡天然及蓄水条件下均稳定，由于各滑坡距坝址较远，滑坡方量较小，对水库大坝的安全运行基本无影响。

3.1.3 库区浸没

正常蓄水位附近无平缓台地及村庄，库区不存在浸没问题。

3.1.4 诱发地震

3.2 坝址区工程地质

1)坝型适应性评价：本阶段所选的三条拱坝线均位于200m范围内的基岩峡谷区，间隔距离≤80m，二者地质条件相当。该段河谷为“V” 形，谷底宽度约40-65m，正常蓄水位对应的河谷宽高比为2.7-3.2，两岸山体雄厚，自然岸坡稳定。坝基岩体主要为结晶灰岩及变质砂岩，二者的力学性质及变形模量相近，岩体坚硬、较完整，具有较高的抗压强度及抗剪强度；弱风化岩体坝基工程地质分类为AⅢ2-AⅢ1类；两岸微风化岩体水平埋深在40-70m，为AⅡ类坝基工程岩体，属较好的高混凝土坝建基岩体。两类坝型坝线附近的小型断层、裂隙均比较发育，主要断层走向与河流均呈大角度相交，发育的缓倾角断层量少且规模较小，坝基及两坝肩整体抗滑稳定性较好，局部存在抗滑稳定不利结构面，对大坝的抗滑稳定有一定影响，但经过必要的工程处理后是可以建坝的。

2)拱坝坝线选择：本阶段选择了上、中、下三条拱坝坝线进行比选，其中上坝轴线距中坝线约85m，下坝轴线距中坝线约72m。分别从地形条件、河床覆盖层厚度、基岩岩性、风化卸荷特征、地质构造及组合抗滑稳定性、坝基及坝肩的变形特征、岩体渗透条件等方面，对三条坝线的主要工程地质条件及地质问题进行了分析比较。

三条坝线岩体主要以变质砂岩和结晶灰岩为主，但上坝线分布有大面积大理岩，下坝线存在多条伟晶岩脉，岩相变化相对较大，且弱风化的大理岩与伟晶岩脉变形模量相对较低，而中坝线岩脉分布面积相对较小，岩性相对单一；下坝线受下游穹窿褶曲影响，风化卸荷深度相对较大，同时上坝线拱座及抗力体上发育f44断层，为横跨河谷断层，规模较大，坝址选址影响较大。综合对比，因中坝线地形、地质条件优于上、下坝线。因此，推荐采用中坝线作为该大坝的坝轴线。

3.3 推荐拱坝坝线的工程地质条件及主要工程地质问题评价

3.3.1 工程地质条件

1)坝基：拱坝中坝线河床宽约75m，上覆砂卵石厚度5-8.5m。坝基岩体上部以变质砂岩为主，下部为结晶灰岩。基岩面以下强风化岩体属BⅣ2类坝基工程岩体；弱风化坝基岩体工程地质分类属AⅢ2类，坝基岩体工程地质分类属AⅢ1类；微风化岩体属AⅡ类坝基工程岩体。河谷坝基岩体结构较完整，裂隙无发育现象。

2)左坝肩：左坝肩主要由变质砂岩及结晶灰岩组成，局部夹透镜体状伟晶岩脉。卸荷带水平宽度一般小于14m，强风化岩体属BⅣ2类坝基工程岩体；部分岩体完整性较差，声波波速变化大，且偏低，弱风化分带不明显，弱风化岩体下限属AⅢ2类坝基工程岩体，且高弱风化上带岩体完整性较差，属AⅢ2类坝基工程岩体，弱风化下带岩体较完整，属AⅢ1类坝基工程岩体；微风化岩体较完整，属AⅡ类坝基工程岩体。左坝肩未见地面出露较大断层。

3)右坝肩：右坝肩基岩裸露，主要由变质砂岩组成，局部为结晶灰岩，夹透镜状伟晶岩脉及石英脉。卸荷带水平宽度小于13m，强风化岩体属BⅣ2类坝基工程岩体；弱风化上带岩体岩体完整性较差，声波波速变化很大，且偏低，属AⅢ2类坝基工程岩体；弱风化下带岩体岩体较完整，属AⅢ1类坝基工程岩体；微风化岩体较完整属AⅡ类坝基工程岩体。右坝肩断层较发育，坝轴线附近共发育f13、f14、f57、f44、f46等五条地面断层，另外平硐内有多条小规模断层，发育4组裂隙。

在检测出发生周跳的历元后，利用Chebyshev多项式拟合算法对周跳进行修复。修复的具体过程为：先利用完好性监测算法探测出发生周跳的历元，然后利用Chebyshev多项式将附近没有发生周跳的载波相位数据进行拟合，计算出周跳的值。

3.3.2 推荐坝线的主要工程地质问题

1)坝基(肩)抗滑稳定问题：左坝肩抗滑稳定不利块体规模均较小，坝肩抗滑整体稳定性较好，局部抗滑稳定性差，尤其是拱座高程处区域的块体L2、L3、L5、L6、L7侧滑面及底滑面由平硐断层及蚀变带构成，该类断层的空间分布特征较为复杂，又位于拱座区域，应采取专项抗滑处理措施；其余块体做常规抗滑处理即可。

右坝肩存在贯穿坝线至下游河床的侧滑面断层f57、f14，尤其f57断层构成侧滑面的块体R2、R3规模较大，且部分位于建基面以下，抗滑稳定性较差。对拱座高程区域、建基面以下的断层与断层组合块体R1、R2、R4、R5采取专项抗滑处理措施，其余块体做常规抗滑处理。

坝基以变质砂岩为主，无软弱夹层，岩体抗剪强度高；虽上游河床发育的断层f44可构成后缘拉裂面，但河床未发现顺河向断层，裂隙不发育，河床坝基缓倾角裂隙亦不发育，下游无大的风化深槽构成临空面。综合分析认为河谷坝基不存在利于坝基抗滑稳定的组合，坝基不存在抗滑稳定问题。

2)坝基岩体变形问题：坝基岩体以变质砂岩为主，弱风化及微风化岩体均为坚硬岩，坝基无软弱夹层及较大规模的断层分布，在大坝荷载作用下，坝基不会出现较大压缩变形及不均匀变形。

两坝肩岩体由变质砂岩及结晶灰岩组成，局部穿插伟晶岩脉，弱风化下带及微风化岩体变型模量较高，且差别不大，在大坝荷载作用下，不会因岩性差异而产生较大压缩变形及不均匀变形。但两坝肩发育多条地面断层及多条平硐断层，断层破碎带及影响带岩体力学强度和变形模量显著降低，因此断层破碎带及影响带可能产生压缩变形，导致坝肩局部不均匀变形。采取固结灌浆加固处理措施，对规模较大的断层破碎带及影响带应部分挖除破碎带回填混凝土处理。

3)开挖边坡稳定性分析：两坝肩发育有断层及四-五组裂隙，断层的组合大部分倾向与自然边坡相反，对自然边坡整体稳定有利，但对结合槽开挖边坡稳定不利，施工中应加强处理。断层与裂隙的组合易形成对自然边坡及结合槽侧向边坡局部稳定不利的块体，开挖时采取临时喷锚措施。

4)渗透破坏分析及防渗措施：坝基岩体为变质砂岩及结晶灰岩，结构较完整，产生渗透破坏的可能性小。但坝基及两坝肩发育断层f13、f14、f57、f60、f61，斜穿坝轴线，断层破碎带属中等透水-强透水性；在正常蓄水位处，各断层坝线上下游水力梯度均大于允许坡降，将产生渗透破坏，破坏形式为混合型，针对上述断层加强防渗处理措施。

3.3.3 推荐坝线建基面选择及评价

1)建基面的选择标准：综合坝基(肩)岩体的声波纵波速度、完整性系数、变形模量及弹性模量等工程地质特性指标，并参照同类工程的建基标准，确定坝基建基面量化标准见表1。

表1 推荐坝线坝基(肩)岩体选择标准

2)河床坝基岩体选择：河床基岩以变质砂岩及结晶灰岩为主，弱风化岩体为AⅢ2类岩体，不宜作为河谷段坝基岩体，应予以清除；微风化岩体为AⅡ类岩体，可直接作为建基面基础。

3)两坝肩建基面选择：两坝肩建基面主要置于微风化AⅡ类岩体(地震波≥4100)及弱风化下带AⅢ1类岩体(地震波=3600-4100)中，并需对AⅢ1类岩体进行灌浆处理；2/3坝高以上，弱风化上带AⅢ2岩体(地震波=3000-3600)下部加强固结灌浆后也可作为建基利用岩体；并应对贯穿坝线的断层如f13、f14、f57进行专门处理。

就枢纽工程布置而言，坝址区地形、地质条件基本相同，因此三条坝线的枢纽工程布置相同，其主要建筑物均包括拦河坝、坝身泄洪表孔、电站厂房以及连接输水隧洞，各建筑物工程规模一致。

三条坝线处河道两岸均基本对称，河谷宽度81-94m(中坝线82m)，正常蓄水位处河谷宽度344-372m(中坝线344m)，相对下坝线而言，上、中坝线下游无较大的沟谷发育。

三条坝线岩性主要以变质砂岩和结晶灰岩为主，但上坝线分布有大面积大理岩，下坝线存在多条伟晶岩脉，大理岩与伟晶岩脉的变形模量偏低，存在因岩性差异而产生的压缩变形及不均匀变形，而中坝线岩脉相对较少，岩性相对单一。

中坝线附近的主要断层在左岸有f58、f60，在右岸有f57、f14，它们对坝肩稳定有一定的影响；上坝线拱座及抗力体除受上述4条断层影响外，还发育横跨河谷规模较大的f44、f45断层，对拱座变形影响较大；下坝线拱座及抗力体除受f58、f60、f57断层影响外，其距离下游穹窿褶曲较近，受其影响小构造发育，风化卸荷深度较大。

综合分析认为，中坝线地形、地质条件的分析是合理适宜的，故推荐采用中坝线。