兰西水库坝址区工程地质条件分析与坝型比选

代佳雨，李 东

（1.贵州省水利水电工程咨询有限责任公司，贵阳 550001；2.四川大学 水利水电学院，四川 成都 610065）

兰西水库位于贵州省黔南布依苗族自治州罗甸县逢亭镇上隆村，工程任务为城镇和灌溉供水。坝址距逢亭镇约8.0 km，距罗甸县城约46.3 km，有县级公路通过坝址区，交通条件较好。水库校核洪水位663.34 m，总库容134 万m3；正常蓄水位661.00 m，相应库容118 万m3；死水位630.00 m，相应库容5.23 万m3，兴利库容112.8 万m3。针对兰西水库坝址区河道不顺直、顺河谷走发育卸荷裂隙等不利条件，结合地质勘察资料，对坝线合理性和坝型适应性等进行详细论证分析，提出较优坝址和坝型，确保工程高效优质施工建设［1］。

1 水库区域构造形迹

测区地处贵州高原向广西丘陵过渡的斜坡地带。自喜山运动以来，区内地壳大面积抬升，之后受红水河及其支流强烈侵蚀作用，形成群峰耸立、坡陡谷深的地貌形态。测区总体地势从北向南倾斜，最高点在东南部大亭乡老山大坪，海拔1401 m，最低点在大亭乡红水河与曹渡河汇合口处，海拔242 m，平均海拔746 m，地势上划分为低山。局部岩溶发育强烈，表现为溶蚀地貌，由于碎屑岩分布广泛，测区总体为侵蚀山地地貌。

测区位于贵定南北向构造变形区南端近东西向的弧形构造变形区，发育有由上古生界组成的沫阳背斜和三叠系组成的砂厂背斜，两背斜之间为三叠系组成的蛋当向斜，这些褶皱构造均同步弯曲向北凸起呈弧形，其中蛋当向斜西段向南呈圆弧形弯曲，这个褶皱组合习称沫阳弧形构造，为旋扭构造作用的产物。在该弧形构造的南西侧，发育有床井穹隆构造，被沫阳构造半弧状包围，是东西向与南北向构造复合作用的结果。水库位于董当向斜西部弧形段的东翼、床井穹隆构造的西侧，主要构造形迹，如图1。

图1 水库区域构造形迹分布

2 坝址工程地质条件对比分析

根据地形条件结合水工建筑物布置，选择上、下两个坝址开展工程地质勘察工作，上坝址位于1#溪沟上游103 m 处，下坝址位于1#溪沟下游60 m 处，两坝址相距约163 m。

2.1 地形地貌

上坝址河谷呈不对称的“V”型，两岸地形坡度40°～55°，山体较为雄厚。河水位618.5 m，对应谷宽约13 m，正常蓄水位高程661 m 对应谷宽92 m，宽高比为2.14∶1；下坝址谷呈不对称的“V”型，左岸地形坡度30°～40°，山体雄厚；右岸地形坡度40°～55°，山体较为单薄，在正常蓄水位661 m，右岸宽90 m。河水位613.0 m，平均水深约0.3 m，对应谷宽约15 m，正常蓄水位高程661 m 对应谷宽95 m，宽高比为2.91∶1。根据地形地貌条件比较，上坝址总体较平顺，地形完整，上坝址较优。

2.2 地层岩性

上、下坝址处两岸基岩大部分裸露，岩性为C3mp 薄至中厚层燧石灰岩，偶夹泥灰岩、炭质泥灰岩；在右岸坡脚处分布残坡积及崩塌积物，成分为黏土夹碎石及崩塌积碎石块，厚度3～6 m（上坝址）/2～6 m（下坝址）；河床分布冲、洪积砂、卵、砾石，厚度3～5 m（上坝址）/4～6 m（下坝址）。下坝址地层岩性与上坝址地层岩性基本相同，但下坝址覆盖层比上坝址后，上坝址略优。

2.3 地质构造

坝址区无断层通过，岩层总体为单斜产出，倾下游。其中：上坝址产状为295°∠19°～21°，河谷为横向谷；下坝址产状为295°∠20°～23°，河谷为斜向谷。上、下坝址地质构造基本相似，上坝址略优。

2.4 岩溶水文

岸坡及河床分布C3mp 中等可溶岩组，地表岩溶形态为溶沟、溶槽及溶蚀裂隙等，规模小；根据钻孔资料随深度增加溶裂发育程度及透水率逐渐减小。地下水赋存形式主要有岩溶裂隙水、基岩裂隙水及覆盖层孔隙水，其中覆盖层富水性较强，裂隙水含量较少，富水性较弱。上、下坝址岩溶水文相同。

2.5 物理地质现象

河床分布砂、卵、砾石，厚3～6 m，岸坡零星分布残坡积黏土夹碎石，厚2～4 m；岸坡基岩裸露在上坝址右坝肩有规模较小的卸荷危岩体，对枢纽建筑物存在一定影响。上、下坝址物理地质现象相同。

2.6 压缩变形及抗滑稳定

建基岩体为C3mp 薄至中厚层燧石灰岩，偶夹泥灰岩、炭质泥灰岩。对于面板堆石坝，弱风化岩体是趾板基础良好持力层，不存在压缩变形和抗滑稳定问题；对于重力坝，岩层产状295°∠21°，层间发育有泥灰岩、炭质泥灰岩夹层，对重力坝抗滑稳定不利，存在深层抗滑稳定问题。上、下坝址的压缩变形及抗滑稳定相同。

当解题出现困难时，需静心思考如何利用尺规构造图形，其构图的过程就是对条件充分分析的过程，思路自然成.如何构图？平时教学的过程中处处着眼于构图意识与能力的培养，基于构图分析问题，需要明晰“构什么、怎么构、构与解的关系是什么”这三个问题.

2.7 开挖边坡

上坝址两岸均为横向坡，无不利边坡稳定的结构面及结构面组合，整体稳定性较好，仅存在浅层溶蚀风化岩体局部失稳问题。坝基边坡上游侧为顺向坡，边坡稳定性差；下坝址左岸为斜顺向岩质边坡，岩层面是边坡失稳的主要结构面，边坡整体稳定性较差。右岸为逆向岩质边坡无不利边坡稳定的结构面及结构面组合，整体稳定性较好。边坡开挖稳定性，上坝址略优。

2.8 坝址比选结果

兰西水库上、下坝址工程地质条件对比论证可知：上、下坝址直线距离100 m 左右，主要工程地质问题相差不大。下坝址主要存在右岸山体较单薄，左岸为斜顺向坡，边坡问题突出；上坝址两岸山体雄厚，地形完整性好，边坡问题不突出，上坝址工程地质条件优于下坝址。结合建筑物布置及施工因素［2-3］，优选上坝址作为推荐坝址。

3 水库坝型优化比选

3.1 坝型适宜性分析

3.1.1 地形条件

在地形上，河谷呈不对称的“V”型，两岸地形坡度40°～55°，山体较为雄厚，河谷狭窄，两岸岩体均为C3mp 中硬岩，岩体质量相当；坝址区总体为单斜构造，河谷为横向谷。综合地形、岩性及构造条件等方面分析，上坝址具修建刚性坝的工程地质条件；坝址区下游侧河谷较为开阔，便于工程布置，在坝址区附近石灰岩料源丰富，运输距离短，建当地材料坝具备一定优势。初选拱坝、重力坝和面板堆石坝3 种坝型从地质条件等方面进行综合论证分析。

3.1.2 地质条件

3.1.2.1 拱坝

坝址区两岸山体基本对称，河道整体弯曲，短距离内较为顺直，具备建拱坝的基本条件；右岸下游侧发育有冲沟，存在临空面，右岸发育顺河谷走向的卸荷裂隙，岩层中夹有泥质岩软弱夹层，这些因素均不利于拱坝的坝肩稳定，建拱坝的适宜性差。

3.1.2.2 重力坝

坝址区河谷狭窄，坝址区出露基岩为C3mp 中硬岩，两岸岩体质量相当，坝基岩体承载力较强，总体为单斜构造，缓倾下游偏左岸，河谷为斜向谷，无断层通过，岩层连续性好，岩体强风化带厚度小，建重力坝的适宜性较好。在C3mp 岩层中夹有软质岩层，岩层缓倾，节理裂隙发育，存在深层抗滑稳定问题［4-5］。

3.1.2.3 面板堆石坝

坝址区下游河谷较为开阔，便于工程布置，坝址区灰岩料料源丰富，运输距离短，建当地材料坝（面板堆石坝）具有一定优势［6］。

地质条件分析可知，重力坝和面板堆石坝较拱坝工程匹配性更优，拟定重力坝和面板堆石坝两种坝型进行对比分析。

3.2 坝型主要工程地质问题评价

3.2.1 重力坝

（1）建基面确定。坝址河床及阶地分布砂、卵、砾石层，厚3～4 m，右岸坡脚分布崩塌积碎石块，厚4～6 m，结构松散，不能作为重力坝基础，需开挖清除；下伏基岩为C3mp 薄至中厚层燧石灰岩，偶夹泥灰岩、炭质泥灰岩，强风化4～6 m，岩体节理裂隙较发育，完整性差，不宜作为重力坝坝基持力层，建议开挖清除；弱风化岩体裂隙闭合性好，岩体较完整，是坝基良好的持力层。综合考虑坝高、坝址区岩体质量等因素，建议坝基基础置于弱风化岩体中、下部。

（2）坝基抗滑稳定。由于岩层缓倾下游，建重力坝存在坝基深层抗滑稳定问题。其失稳破坏模式：以层面为底滑面（泥灰岩、炭质泥灰岩夹层为最不利底滑面），以L2 组裂隙为侧裂面，以L1 组裂隙为剪出面向下游河床滑出。需根据提供的地质参数进行抗滑稳定性验算。

（3）开挖边坡。河谷为横向谷，岩体倾下游偏左岸，倾角21°左右，两岸边坡均为岩质边坡，岩性为C3mp 薄至中厚层燧石灰岩，偶夹泥灰岩、炭质泥灰岩。开挖将形成侧向坡，边坡问题不突出，不存在整体滑动的可能性，边坡整体稳定。由于浅层强风化岩体结构松散，裂隙较发育，开挖时存在强风化或表层覆盖层小规模垮塌、滑塌等，需采取放坡及喷锚等支护处理。建议强风化岩体永久开挖坡比为1∶0.75～1，临时坡比1∶0.5～0.75；弱风化岩体永久开挖坡比为1∶0.5～0.75，临时1∶0.3～0.5。

（4）筑坝料源。经地质调查，选择料场为库区右岸山体作为大坝填筑料，为马平组燧石灰岩，储量丰富，岩体质量能满足要求，距坝址仅1 km 左右，运输方便。

3.2.2 面板堆石坝

（1）建基面确定。河床覆盖层厚3～5 m，强风化溶蚀层厚4～6 m，浅层岩体节理裂隙较发育，须开挖清除；弱风化岩体完全能满足趾板基础持力层要求，趾板基础置于弱风化岩体中上部即可。建面板堆石坝坝基地质条件限制性因素较少。

（2）堆石体基础。面板堆石坝为柔性坝，对坝基承载力要求相对较低，河床为冲、洪积砂、卵、砾石，结构松散，需开挖清除，堆石区基础置于强风化岩体中下部即可［7］。

（3）溢洪道边坡。溢洪道布置于左岸，轴线沿左岸山体顺河道方向布置，开挖边坡主要为上游侧横向坡与下游侧顺向坡，岩层倾角20°左右，开挖边坡上游侧整体稳定性好；下游侧稳定性差，易发生顺层滑动的可能性。

3.3 坝型比选

根据上述论证分析，对重力坝和面板堆石坝存在的主要工程地质问题列表进行对比，比选结果如表1。

表1 坝型工程地质条件比选结果

表1 对比论证分析可知：在建坝条件上，坝址具备修建重力坝和面板堆石坝的条件。坝址区两岸对称性好，地形完整，两岸顺直，建重力坝条件要略优于面板坝。综合水工布置、工程造价、运行管理等因素，设计优选重力坝坝型。

4 结语

兰西水库坝址区工程地质条件复杂，库区碳酸盐岩出露面积大，溶沟、溶槽、落水洞、岩溶洼地及盲谷等共存于库区。为论证岩溶洼地成库可行性并优选与工程地质条件相匹配的坝型，根据现场踏勘和钻探揭露成果，从地形地貌、地质岩层、岩溶水文等方面，对上坝址和下坝址成库合理性进行详细论证，并对坝型工程匹配性进行对比分析。优选的上坝线重力坝坝型，具有较好地形地质适应性和工程匹配性。后期应重点查明坝址区岩体风化情况和覆盖层分布厚度及成分，以便对水库渗漏、库岸稳定、浸没、固体径流等关键问题做出准确评价。