高陡峡谷对凹水河水库大坝选择分析

赵汝刚，苏贵红

（贵州省水利水电勘测设计研究院有限公司,贵州 贵阳 550002）

1 工程简介

黔西县凹水河水库位于黔西县红林乡与大方县黄泥塘镇之间的西溪河上,西溪河属长江流域乌江水系的六冲河左岸一级支流。凹水河水库的主要任务是向黔西新规划县城供水,兼顾解决工程区附近的部分灌溉用水。大坝为碾压混凝土双曲拱坝,最大坝高153 m,水库正常蓄水位1287 m,水库总库容4669 万m3,年供水量4275 万m3,工程等别Ⅲ等,工程规模为中型[1]。

2 坝址区基本工程地质条件

凹水河水库可研推荐坝址位于西溪河中游河段,坝址距成贵高铁西溪河铁路桥1.1 km, 距黔大高速西溪大桥约500 m。河谷呈基本对称“V”型峡谷,岸坡高陡, 左岸河床1151 m～1270 m 高程地形坡度为65°～80°,1270 m 高程以上地形逐渐变缓,地形坡度为30°～50°；右岸河床1151 m～1280 m 高程地形坡度为80°～84°,1280m 高程以上地形逐渐变缓,地形坡度为30°～60°。该段河床高程1150 m～1152 m,河床宽6.0 m～8.0 m,正常蓄水位高程1287.0 m 时河谷宽85.0 m,宽高比为0.62。

坝址出露地层三叠系下统夜郎组第三段（T1y3）泥岩,分布于坝址上游河床河段；三叠系永宁镇组第一段（T1yn1）灰岩分布于坝址河床及两岸；三叠系永宁镇组第二段（T1yn2）分布于坝址两岸岸坡；第四系覆盖层分布于河床及两岸斜坡地带。

坝址位于新场向斜的东翼,由于新场向斜在工程区为宽缓短轴向斜,其在河床横剖面上具有具箱状特征,坝址岩体总体倾向右岸,无较大型断层等构造发育。坝址地层为单斜构造,岩层总体倾下游偏右岸,主要发育①N40°～65°E/SE ∠78°～88°、 ②N15°～20°E/NW ∠75°～80°、③N35 °～45 °W/ SW ∠78 °～85 °、 ④N70 °～90 °E/SE ∠80°～83°四组裂隙。

根据坝址勘探简易路揭露的岩体断面、两岸勘探平洞及坝肩孔对层间夹层的测绘统计,坝址两岸强风化带和卸荷带裂隙面、层面间局部张开,夹泥及岩屑,其厚度为8 cm～20 cm,其向内部规模逐步变小。在弱风化带沿层面普遍夹灰色岩屑,岩屑厚度弱风化带内1 mm～5 mm,进入微风化带岩体逐渐尖灭,在微风化带内岩体内软弱夹层不发育。在左岸溶蚀风化带内裂隙面及层面间局部为岩屑夹泥。

坝址两岸地形陡峭,岸坡较高,左岸卸荷带水平深度约5.0 m,右岸卸荷带水平深度约3.5 m,两岸卸荷裂隙向山体内逐渐尖灭,裂隙宽一般0.5 cm～10 cm,多张开,部分卸荷裂隙与层面组合切割,在两岸坡面、陡壁形成松散岩体,但规模一般不大。

坝址分布的地层岩性主要为T1y3泥岩,T1yn1灰岩,硬质岩岩质坚硬,抗风化剥蚀能力强,软质岩岩质相对较软,抗风化剥蚀能力弱。坝址两岸风化分带见坝址岩体风化统计（见表1）。

表1 坝址岩体风化统计表

坝址出露的岩性主要为T1yn1灰岩,岩溶形态主要为溶洞、溶隙等。坝址河段地表径流主要为西溪河干流及其支流天仙桥小河,坝址上、下游范围内发育浅切冲沟数条,西溪河为本区段最低排泄基准面,大气降水主要通过溪沟、冲沟等径流方式排泄于主河道内。部分大气降水经过溶洞、溶蚀裂隙、漏斗等进入地下循环,再以泉水的形式排泄于主河道内。地下水主要以岩溶裂隙水的形式存在,西溪河为补给型河流,两岸地下水补给河水。

3 工程地质条件评价

3.1 坝型的适宜性

从推荐坝址地形地质条件看,河谷狭窄,宽高比为0.62,两岸岸坡高陡,基岩裸露,坝基（肩）岩体以中硬岩为主,覆盖层及风化深度不大,适宜修建拱坝及重力坝,不适宜修建当地材料坝。

拱坝方案坝址两坝肩抗力岩体是控制坝体抗变形稳定的主要因素,而岩体结构面是控制坝体抗滑稳定的主要因素,坝基（肩）岩性为薄至中厚层灰岩,属较坚硬岩体,进入弱风化后结构面基本闭合,下游无跌坎及深切冲刷坑。重力坝方案中河床坝基岩体结构面是决定坝体抗滑稳定的主要因素,坝基（肩）岩性为薄至中厚层灰岩、泥质灰岩,属较坚硬岩体。经综合比较,推荐坝型为碾压混凝土拱坝。

3.2 拱坝工程地质条件评价

3.2.1坝基持力层的选择

坝基岩体以中硬岩为主, 其饱和抗压强度标准值为40.54 MPa,强风化灰岩岩体属BⅣ2类,弱风化灰岩岩体属BⅢ2类上部岩体,微风化灰岩岩体属BⅢ2类下部岩体[2],建议大坝坝基以微风化岩体作为坝基持力层,对左岸强溶蚀风化带进行工程处理,提高左岸坝肩岩体完整性。

3.2.2坝基（肩）抗滑稳定评价

坝基抗滑主要是沿基岩面浅层滑动,深层滑动的组合模式为第①、③、④组裂隙及岩层走向与河流方向近于垂直或大角度相交,结构面倾角较陡,主要构成坝基（肩）岩体中横向切割面。第②组裂隙走向与河流方向近于平行或呈小角度斜交,为坝基岩体的侧向切割面。其可能的破坏模式为以层面为底滑面及剪出面,②裂隙为侧滑面,①、③、④裂隙为后缘拉裂面。

左坝肩滑动的组合模式为左坝肩以岩层面作为底滑面,第①组、②组裂隙构成侧滑面,第③、④组构成拉裂面。右坝肩滑动的组合模式为以岩层面作为底滑面,第③组裂隙构成侧滑面,第①、④组构成拉裂面。拱坝坝肩抗滑抗滑稳定分析示意图,如图1 所示。

图1 拱坝坝肩抗滑稳定分析示意图

3.2.3开挖边坡稳定性评价

坝址岩体为层状结构,横向谷,岩层倾向下游,倾角6°～12°,坝基岩体中无大的断裂构造分布。坝基肩两岸为横向坡,两侧开挖边坡的稳定性较好,在卸荷、溶蚀风化带内开挖边坡局部稳定性较差,需进行工程处理措施。基坑上游侧为顺向坡,虽然岩层倾角较缓,受裂隙及溶蚀风化影响,开挖过程中边坡上的不利组合体可能产生顺层面滑动,需对上游侧边坡进行先支护,后开挖,下游侧为逆向坡,开挖边坡总体稳定性较好,但局部可能存在掉块等现象。

3.2.4坝基渗透稳定性评价

拱坝基础置于微溶蚀风化灰岩上,岩体内裂隙发育弱,坝基肩的渗透稳定应考虑层间夹层软化的问题。层间夹层主要分布在强溶蚀风化带附近,对于强溶蚀风化带应扩挖清理干净后回填,对水库两岸应做好防渗帷幕,并做好固结灌浆,并在下游侧做好排水措施,减轻层间泥化现象对大坝渗透稳定的影响。

3.2.5下游抗冲刷评价

坝址下游河床宽约5.0 m～6.0 m,覆盖层厚2.2 m～6.2 m,分布地层为T1yn1薄至中厚层灰岩,岩层倾向下游略偏右岸,倾角6°,为横向谷,以硬质岩为主,抗冲刷能力较强,建议抗冲系数k=1.2～1.4。在强风化带内岩体节理裂隙发育,冲刷对强风化带岩体有一定的冲刷掏蚀作用,在坝后冲刷范围内采取相应的抗冲处理措施。

3.2.6防渗处理

水库两岸出露的地层为岩溶层,无隔水层分布,水库防渗帷幕垂直河流方向向两岸接地下水位,帷幕底界为进入地下水位15 m～30 m,西溪河为区内地下水排泄基准面,河床及近坝段坝基防渗底界以T1y3泥岩岩体作为防渗底界,并进入T1y3泥岩微风化岩体10 m。近库岸段帷幕采用双排梅花形布置,孔距3 m,排距2 m,远端采用单排孔布置,孔距2 m。

4 结语

黔西县凹水河水库属于贵州省水利建设生态建设石漠化治理综合规划建设项目,建成后将对区域工程性缺水问题得到缓解。对于河谷落差约330 m,河谷高陡狭窄,工程地质条件复杂,153 m 坝高的碾压混凝土拱坝的选择具有诸多因素影响,地质条件作为基础条件对大坝选择更加重要,在对基本地形地质条件、持力层选择、抗滑稳定分析、坝基渗透稳定、开挖边坡稳定性评价及防渗帷幕等方面的论述后,为水工设计提供稳靠的地质条件,使得在高陡狭窄河谷中水工挡水建筑物的大坝选择更科学可行,投资经济合理,施工及进度安全可靠。