一座水库坝基地质特征及大坝坝型比选分析

高 峰

（山西省水利水电勘测设计研究院 山西太原 030024）

1 工程概况

某水库拟建大坝枢纽位于某河流上游，设计最大坝高52.0 m，坝顶相对高程为52.0 m，最大库容1 890×104m3。属Ⅲ等中型水库工程。主要用于解决城镇的供水。

2 大坝地质特征

坝址位于某河流河谷，地貌单元为高原河流侵蚀堆积地貌，地形上为山间河谷，河谷断面呈“V”字形。河床相对高程为-6.5～-5.5 m，宽近90 m，主河床位于河谷右侧，宽约17 m，左岸坡度约21°，右岸岸坡由下部的约38°渐变为中上部的17°。两岸坡及河谷底均被松散层覆盖。

坝址区覆盖层有分布于两坝肩的第四系上更新统坡洪积堆积物与河谷中的第四系全新统洪冲积堆积物。其地层特征如下:

1）第四系上更新统坡洪积堆积物为褐红、棕红色高液限粉（黏）土，下部含有较多钙质结核与少量砾石。土层的含水率为37.7%～59.2%，平均值45.3%；干密度为 0.80～1.18 g/cm3，平均 1.00 g/cm3；塑性指数为19.7%～82.1%，平均值43.7%；液性指数为-0.38～0.39，多呈坚硬-硬塑，黏粒含量31.7%～66.8%，平均值50.1%；土层不具膨胀性。层厚左坝肩为11.0～19.4 m，右坝肩为18.2～27.8 m。

2）第四系全新统洪冲积堆积物为褐红、浅红、褐色高液限粉土，松散-稍密，具中等压缩性，含腐植质，工程性质差。层厚4.6～7.9 m。

坝址区涉及的基岩地层均为第三系火成岩（TV）。

坝址区基岩以厚层～巨厚层火山角砾岩与熔结凝灰岩为主，左岸分布有巨厚层角闪粗面岩透镜体。按岩性组合将坝址区的基岩划分为三个岩组（T-1～T-3），各岩组岩性及厚度见表 1。T-2（1）、T-2（2）为质软土体，属于第三系两次火山喷发间歇松散堆积物质，分布于左坝肩与坝基下部，右坝肩相对高程-28.5 m以上未发现该层。各钻孔中该层具体位置见表2。

表1 坝址区岩组岩性特征概要表

表2 坝址区T-2层特征概要表

坝址区第三系火成岩T-1岩组熔结凝灰岩饱和块体密度为 1.84～2.36 g/cm3，平均值为 2.11 g/cm3，饱和抗压强度 7.0～90.1 MPa，平均值 26.6 MPa，软化系数 0.49～0.96，平均值 0.75，饱和泊松比为 0.18～0.25，平均值0.21。

坝基T-2岩组组成物质较为不均，多由碎石、级配不良砂、级配良好砾、低液限粉（黏）土等组成。

坝址区第三系火成岩T-3（1）岩组熔结凝灰岩饱和块体密度为 2.03～2.32 g/cm3， 平均值为 2.11 g/cm3，饱和抗压强度3.62～29.4 MPa，平均值13.3 MPa，软化系数 0.36～0.94，平均值 0.72，饱和泊松比为 0.17～0.23，平均值 0.20。T-3（2）岩组火山角砾岩饱和块体密度为 1.82～2.37 g/cm3，平均值为 2.24 g/cm3，饱和抗压强度 4.86～44.0 MPa，平均值 22.43 MPa，软化系数0.15～0.98，平均值 0.58，饱和泊松比（μ50）为 0.18～0.23，平均值 0.20。T-3（3）岩组角闪粗面岩饱和块体密度为 1.63～2.30 g/cm3，平均值为 2.06 g/cm3，饱和抗压强度 4.34～77.8 MPa，平均值 58.01 MPa，软化系数0.53～0.94，平均值 0.79，饱和泊松比（μ50）为 0.22～0.23，平均值 0.23。

坝址区岩体出露较少，只在坝轴线上、下游各300～440 m处裸露基岩，岩层无明显层理，节理裂隙较发育，未发现有断层存在。

坝址区地下水类型有第四系孔隙水和基岩裂隙水两种。前者分布于河床，埋深2.5～3.0 m，水位相对高程为-2.5～-1.0 m，水位随季节性变化。基岩裂隙水分布于两岸，水位高于河水位，均向河床排泄。

3 坝型比选

1）重力坝。主要依靠坝体自重产生的抗滑力来满足稳定要求，依靠坝体自重产生的压应力来抵消由于水压力所引起的拉应力来满足强度要求。

坝基基岩层中夹有较为连续的第三系火山喷发间歇松散堆积物T-2土层，该层工程性质较差，最浅埋深约40 m，清除覆盖层后埋深约35 m，层厚22.3～27.3 m。虽然重力坝对地形、地质条件适应性强，坝体作用于地基面上的压应力不高，但由于T-2层软层属河流相土体，工程性质较差，在上部重力坝坝体的荷载作用下，分析该层可能会成为潜在的变形滑移层，危及大坝安全。

2）土坝。对坝基工程地质条件要求较低，可不考虑T-2层的影响，且大坝四周土料丰富。

水库土料场土料天然含水率39.5%～65.4%，平均值48.2%，塑性指数31.8～49.7，平均值39.3，黏粒含量27.3%～67.3%，平均值46.7%，干密度为 0.85～1.12g/cm3，平均值为1.00 g/cm3。其最优含水率为44.4%～55.1%，平均值为48.5%，最大干密度为1.04～1.20 g/cm3，平均值为1.13 g/cm3。基本按照0.96的压实度配样，对所配土样进行了渗透试验，得出其垂直渗透系数为1.50×10-7～6.01×10-6cm/s，平均值为 2.51×10-6cm/s，具极微渗透性。对所配土样进行了压缩试验，得出土料在配样压实后作为均质坝土料与防渗土料其渗透性均能满足规范质量要求。土料最优含水率与天然含水率相近，击实后渗透系数满足填筑料与防渗料规范要求。土料黏粒含量偏高，塑性指数偏大，作为均质坝土料及防渗土料均难以满足规范质量要求。因此需针对土料黏粒含量高进行处理。

3）面板堆石坝。是以堆石体为支承结构，在其上游表面浇筑混凝土面板作为防渗结构的堆石坝。优点是施工速度快，可充分利用当地天然材料，能适应不同的地质条件，施工方法比较简便，在地震区具有可靠的稳定性，施工时受气候条件的影响较小。

坝址附近及库区土层下广泛分布火山角砾岩、熔结凝灰岩，局部裸露，该两种岩石饱和抗压强度多小于30MPa，可以满足坝体堆石体的原岩质量设计要求。

采用该坝型的缺点是开采岩石时可能要挖除上部较厚的覆盖土层。

4 结语

该水库大坝坝基地层岩性表层为松散覆盖层，下伏火山角砾岩、凝结熔灰岩，基岩体中夹有较厚层的两次火山喷发间歇期沉积的松散堆积质软土体。根据大坝坝基地层结构与大坝附近所具有的建坝材料，重点考虑大坝运行安全，结合考虑经济建坝，对重力坝、土坝、面板堆石坝三种坝型从安全与经济角度进行比选。由于坝基基岩体中夹有厚层的T-2层质软层，构成潜在的变形滑移层，因此不建议选取重力坝型。水库大坝及库区附近土体黏粒含量较高，不适宜于直接筑坝，需要在进行专门处理后才可筑坝，选取土坝经济上与时间上较为劣势。大坝附近满足设计要求的堆石料块石较为丰富，选取面板堆石坝较为合适。