综合地质法在清溪水库成库论证中的应用

姚纪华，宋文杰，何香建，贺文双，吕慧珠，宋 雯

(1.湖南省水利水电科学研究院，湖南 长沙 410007；2.湖南九一工程设计有限公司，湖南 长沙 424100)

1 概述

水库新建是一项重大、复杂的水利工程，且每一座水库因地形地貌、地层岩性、地质构造、地下水情况等的不同，皆具有其独特性和唯一性。这种差异性就要求对水库新建时的每一个步骤、每一个细节进行精雕细刻。而成库地质论证是水库新建选取坝址重要且关键的第一步，初定坝址的好坏直接影响水库工程规模、坝型选择、效益发挥、工程造价等。探究如何对水库成库可能性和可行性进行地质论证，就显得十分重要和迫切。

由于新建水库的复杂性和重要性，国内许多学者对水库成库论证方法和手段进行很多研究。杨秀华等[1]通过钻探、钻孔压水试验、地表出露泉点调查等结合水文地质与工程地质综合分析，对竹林脚水库的成库条件进行论证。吴锦华[2]利用高密度电阻率法和水文地质条件对库区岩溶进行调查与分析，论证水库的邻谷渗漏问题，为刘家河水库成立与否提供依据。肖胶等[3]将利用岩溶泉点、地层岩性、钻孔资料等手段对左岸区域性断裂渗漏问题进行探究，分段分析论证水库的成库条件。刘茂等[4]结合现场踏勘和地质钻探成果，对库区洼地岩溶发育情况、裂隙节理发育情况、岩溶渗漏问题进行分析，并对成库条件进行论证。

这些研究多为岩溶水库的成库论证，对其他类型水库成库论证的研究目前报导较少。由于成库论证复杂性及独特性，并考虑软质岩或软弱夹层在水岩作用下易劣化特性，研究含软质岩或软弱夹层非岩溶水库成库论证是十分必要的。

本文综合利用地质测绘、地质调查、坑探、室内土工试验等地质手段，并结合理论分析方法，研究含有软质岩和软弱夹层的清溪水库地质构造、地层岩性、地质问题、地表出露泉点和地质灾害等发育特性，借以为其成库论证提供依据。拟为含软质岩或软弱夹层非岩溶水库的成库论证提供类似经验。

2 试验方法

2.1 地质测绘

地质测绘是为进行地质调查及其成果图件的编制所涉及的全部测绘工作的总称。主要包括地质点、地质剖面、勘探网布测、岩层产状和地表变形滑移等测绘。

2.2 地质调查

地质调查以地质现象(岩石、地层、构造、矿产、水文地质、地貌等)为对象，以地质学及其相关科学为指导，以观察研究为基础的调查工作。包括区域地质调查、水文地质调查、环境地质调查、工程地质调查等。

2.3 坑探

坑探工程与一般的钻探工程相比较，能直接观察到地质结构，准确可靠，可不受限制地从中采取原状岩土样和用作大型原位测试。尤其对研究断层破碎带、软弱泥化夹层和滑动面(带)等的空间分布特点及其工程性质等，具有不可替代的优势。

2.4 室内土工试验

采用室内土工试验测定工程区岩土体的基本物理力学性能。特别是软弱夹层和滑带土，现场获取原状I级岩样，用石蜡密封，并严格控制在运输过程中对岩样的扰动。

3 工程应用

3.1 工程概况

清溪水库位于江口县德旺乡堰溪村流沙小河。水库集雨面积约8.7km2，多年平均来水量700万m3，正常库容约213.77万m3，是一座以供水和灌溉为主的小(1)型水库。

水库为峡谷型水库，走向近南北，两岸山体宽厚高大，左岸缓、右岸陡峻。左岸为顺向坡，地形总体较缓，局部陡峻，滑坡体极其发育；右岸为反向坡，地形陡峻，岸坡稳定，无滑坡体，如图1所示。

库区出露岩体为中元古界板溪群番召组紫、灰紫色厚层、块状变余细砂岩与中厚层状砂质板岩互层，并夹薄层绢云母板岩。库区褶皱较发育，致库区岩体风化强烈、岩体破碎。

3.2 分析论证方案

为了详尽获得地层岩性、地质构造、滑坡体、地表出露泉点和固体径流等发育特性，对整个水库做了以下细致的工作。

(1)地质测绘。整个水库地形地貌、地质构造、地层岩性、岩层产状、基岩和第四系分布情况、滑坡体性质数量和规模等。

(2)地质调查。调查库坝区节理裂隙、地表出露泉数量和渗出量、滑坡体近年发生位置和数量规模、固体松散堆积物分布等特征。

(3)坑探。探明库坝区褶皱构造、地层岩性、滑坡体物质组成和岩性，滑带土岩性和状态、固体松散堆积物物质组成等。

(4)室内土工试验。对库坝区选取典型地质单元，取岩样、土样，分析颗分组成、基本物理力学参数等。

(5)综合利用上述地质方法对库坝区每一个地质单元进行全方位资料收集整理，并利用理论分析方法对所有地质资料进行整理分析，论证水库成库的可能性。

3.3 地质成果及分析

3.3.1地质岩性、构造成果及分析

经对库坝区岩性地质勘察，整个库坝区岩性皆为余细砂岩与砂质板岩互层，并夹有薄层绢云母板岩，其中板岩在长期水岩作用下，劣化成软弱夹层，其上覆自重下滑力促使滑带形成，发育滑坡体。

库区岩层走向变化不大，但倾向变化较大，总体上倾向右岸，库区左岸为顺向坡，右岸为逆向坡，将库区所测多个岩层产状标示在地质图中，显示库区发育褶皱，导致岩体风化强烈，岩体破碎，且以左岸更为发育。为左岸滑坡体发生发展提供了基础条件。

图1 清溪水库库坝区地质平面图

3.3.2滑坡体成果及分析

库坝区右岸为逆向坡，岩体完整性相对较好，岸坡陡峻，皆为岩质岸坡，岸坡稳定性好，未见滑坡体、崩塌体发育；左岸为顺向坡，岩体风化强烈，节理裂隙极为发育，岩体破碎，覆盖层较厚，坡度总体较缓，局部较陡，边坡大部分表层覆盖有第四系残坡积堆积或滑坡体堆积，从下游至上游发育多个已发生或即将发生的浅层新近滑坡和大型深层古滑体，其规模大小不一，性质有异。

为了查明库坝区滑坡体的数量、性质、类型、规模，首先应在在外形外貌上做初步判断，看是否有明显的滑坡体地貌元素存在，如后缘、滑坡平台、前缘、马刀树等；查明初判滑坡体的滑坡带，并对工程区居民进行询问，最终确定真实滑坡体。滑坡体规模、性质统计见表1，地貌典型滑坡体现状如图2所示，滑坡体滑带如图3所示。

表1 库坝区主要滑坡体规模、性质统计表

图2 库区典型滑坡体现状图

图3 库区滑坡体的滑带

对新近滑坡体和古滑坡体的滑带土沿线多个坑探后进行细致观察，发现滑带土的土体和岩体挤压、剪切、搓揉、研磨痕迹十分明显。其中古滑坡体多发育软岩滑带土，含有的细小碎石已被滑动力搓揉呈圆状或椭圆状；新近滑坡体多发育粉质滑带土，已被搓揉粉末状。表明这些新近滑坡体和古滑坡体都在近期或曾经发生过滑动，可见库区左岸滑坡体活动相当活跃。向当地居民地调获知，每年至汛期连续强降雨时，都会发生新滑坡或大型崩塌。

3.3.3与水相关成果及分析

地质测绘和调查发现，库区右岸山体未见地表出露泉出露。左岸地下水储蓄能力较强，共发现大小约16处泉水出露点，以浅层出露泉为主，有约13处。10处发育在滑坡体松散土体中，水质较为浑浊，流量约0.05～0.3L/s；3处发育在新近浅层滑坡体的滑带中，流量约0.2～0.8L/s，并带细小土颗粒，说明滑带土中有连通的水土运移通道。其他3处出露于山间深冲沟小断裂露头或节理裂隙密集带中，流量约为0.6～0.8L/s。可见，库坝区水活动频繁、剧烈，尤其是库区左岸。

岩土体在不同水岩作用下其物理力学性质易发生劣化，表现为承载力、波速、抗压强度和抗剪强度等都随着水岩作用循环次数和时间的增加而呈现显著衰减[5- 10]。同时滑带土随着含水量增，其微裂纹扩张、增加，黏聚力、抗剪强度等显著降低[11- 13]。即滑坡体在水岩作用下，极易造成下滑力与阻滑力的平衡被打破，下滑力增加，阻滑力急剧降低，造成滑坡体蠕变和滑动失稳[14- 15]。清溪水库地下水活动剧烈，库区主要是左岸水岩作用强烈，导致库坝区岩土体特别是软质岩物理力学性能急剧劣化，在自重下滑力作用下发展成滑带土，引发了库坝区滑塌、滑坡、固体径流、泥石流等地质灾害。

3.3.4固体松散堆积物成果及分析

库坝区固体松散堆积物极其发育，右岸山体局部山间冲沟和支流、右岸绝大部分冲沟和支流及主河道河床中都大量堆积分布，其成分为粘性土夹碎石、泥沙、块碎石和风化崩积体等。冲沟、河床固体堆积物如图5所示。可见，库坝区固体松散堆积物极其发育，且规模较大，附着堆积在冲沟表层，自稳定性极差，抗冲刷能力极差，一遇降雨，则发生大规模固体径流，堆积物涌入库内河床中，向当地居民地调获知，库区固体径流活动频繁、强烈，遇到连续强降雨，甚至发生泥石流。

图5 库区冲沟固体径流发育情况

3.3.5室内试验成果及分析

为了获得库坝区岩土体物理性质，现场取了滑坡体(含碎石粉质粘土)、滑带土(粉质粘土)和基岩(砂质板岩)三种岩土体的原状样，并分别进行了天然状态下和饱和状态下抗剪强度试验。其试验成果如图6—8所示。可见，三种岩土体饱和状态时，发生显著劣化，抗剪强度也显著折减，其中粘聚力折减46.4%～71.2%，摩擦角折减4.6%～9.2%。

图7 天然、饱和状态滑带土粘聚力对比图

图8 天然、饱和状态基岩粘聚力对比图

库区左岸岩土体含水能力较强，地下水动频繁、剧烈，使部分岩土体长时间处于饱和状态，发生劣化而抗剪强度急剧降低，同时上覆滑坡体饱水状态下自重增加，下滑力增加，滑动面搓动形成滑动带，加之左岸为顺向坡，导致库内左岸滑坡体极其发育。汛期或暴雨频发期，库内尤其左岸滑坡体多发、固体径流易发、汛期泥石流频发。

3.4 成库论证讨论

(1)库坝区发育褶皱，左岸更为强烈，造成库区左岸岩体节理裂隙更发育，风化程度更深，岩体更破碎，松散覆盖层更厚，同时左岸为顺向坡，岩层倾向坡脚，极不利于左岸岸坡稳定性。

(2)库坝区岩性为变余细砂岩与砂质板岩互层，其中板岩在长时间水岩作用下，极易劣化，抗剪强度急剧降低，下滑力作用下发育成软弱滑动带，引发库区左岸多种地质问题和灾害。

(3)库区地表水、雨水极易入渗至左岸岸坡上部岩土体中，导致其地下水活动频繁、剧烈，部分岩土体长时间处于饱水循环或干湿循环条件下，水岩作用强烈，发育成滑带，引发滑塌和滑坡。可见，水岩作用是库区尤其左岸地质问题和灾害发育、发展、发生的内在动力。

(4)库坝区尤其左岸，处于蠕变和潜在滑动的新近浅层滑坡体和古滑坡体近十余个，且规模皆较大。水库蓄水后，滑坡体中下部浸泡在库水中，导致滑坡体自重增加，滑坡体、滑带及基岩抗剪强度显著降低，且汛期强降雨频发，极易导致浅层滑坡体滑动、古滑坡体复活、新滑坡体产生。部分滑坡体滑入库内，引发涌浪冲击大坝建筑物，引发溃坝，同时造成库内淤积、库容萎缩，降低工程效益。

(5)库坝区冲沟、支流及河床中存在大量松散固体堆积体，且汛期强降雨多发而集中，山高坡陡，坡降大，极易发生固体径流，引发地质灾害，而水库蓄水后，这种情况可能会加剧，进一步造成库容萎缩。

(6)清溪水库库区右岸山体雄厚，成库地质条件较好，而左岸岩土体风化强烈、水岩作用强烈、易劣化软弱滑带多、滑坡体多发、汛期强降雨频发、固体径流易发、汛期泥石流频发，库岸稳定性较差，水库蓄水后地质灾害将进一步加剧，基本不具备新修水库的地质条件。

4 结论

(1)本文利用综合地质法研究清溪水库地质、水文条件发育特征，进行成库地质论证。

(2)研究表明：软弱夹层在长期水岩作用下，易劣化成软弱滑带，致使库区滑坡体发育、固体径流强烈、泥石流频发。

(3)软弱夹层为水库地质问题、灾害发育发展提供了基础，水岩作用是内在动力，强降雨是催化剂。

(4)饱和状态岩土体抗剪强度显著折减，粘聚力折减幅度大，最大近3/4；摩擦角折减小，最大约10°。

(5)清溪水库成库地质论证具有普遍性和独特性，可指导其他类似工程。但应以共性为基础，深入分析差异性，进一步加强软弱夹层类水库成库地质论证的理论和实践研究。