新疆某水库坝址区工程地质条件分析及坝址优选

令军帅

（新疆水利水电勘测设计研究院有限责任公司，新疆 乌鲁木齐 830091）

1 工程概况

拟建水库位于乌日可下亦山南麓的布尔阔台河中下游河段，河流自西北流向东南，河源海拔高程为2 562.00 m，河道坡降为5.20%，出山口水文站控制断面以上集水面积为158.00 km2，河长31.70 km，多年平均年径流量为0.44×108m3，出山口后约8.00 km径流全部渗入山前冲洪积扇前缘的山间洼地。水库的工程任务以工业和农业灌溉供水为主，兼顾发电。水库正常蓄水位为1 093.00 m，总库容为974.00×108m3。根据地形地质条件，拟选上、下两坝址进行比选，上、下坝址相距约3.00 km，其中，上坝址坝高75.30 m，正常蓄水位为1 224.00 m，回水长约1.50 km；下坝址坝高69.40 m，正常蓄水位为1 093.00 m，回水长约1.50 km[1]。

2 坝址区地质条件

2.1 基本地质条件

2.1.1 地形地貌

水库坝址区河流近南北走向，河谷为“U”形谷，河谷底宽100.00～200.00 m，河床高程为1 030.00～1 159.00 m，河床纵坡比在3.00%左右，水面宽5.00～8.00 m，水深0.30～0.50 m，河谷内河漫滩、Ⅰ级阶地植被及灌木较发育，上坝址为正常蓄水位高程时，河谷宽336.40 m 左右；下坝址为正常蓄水位高程时，河谷宽304.10 m。

2.1.2 地层岩性

坝址区出露的地层主要有泥盆系及第四系地层，由老至新分述如下。

1）泥盆系（D）

下泥盆统（D1mbb）孟布拉克组中亚组：岩性为凝灰岩、青灰色，呈中～厚层状，受构造影响，左岸岩层产状为15°NW∠70°，右岸为295°NE∠70°，大面积分布于坝址区，为坝址区主要地层。

2）第四系

全新统冲积物（Q4al）：分布于现代河床及Ⅰ，Ⅱ级阶地，岩性为含漂石的砂卵砾石层，结构松散～中密，粒径以3.0～5.0 cm 为主，个别为1.00～2.00 m；全新统洪积物（Q4pl）：主要分布于沟口，岩性以碎石土为主，结构松散，碎石粒径以3.0～5.0 cm 为主；崩坡积物（Q4cold）：分布在河谷两岸坡脚及半坡，成分主要为块石、碎石，结构松散，具有架空结构。

2.1.3 地质构造

上、下坝址区均无区域性活动断裂通过，据地表地质测绘，上坝址区主要发育的F2 断裂位于坝前约400.00 m 处，断裂走向与库岸斜交，产状为300°NE∠80°，破碎带宽2.00～3.00 m，由碎裂岩组成，延伸长约10.00 km，断裂沿线地貌上为一系列的冲沟及哑口。下坝址区左岸哑口发育1 条规模较大的断裂F3，受该断裂影响，右岸岩体相对破碎，左、右岸各发育2 条Ⅲ，Ⅳ类结构面，左、右坝肩以Ⅴ类结构面为主，F3 断裂斜穿库区，长约5.00 km，产状为300°NE∠75°，破碎带宽8.00～10.00 m，均为碎裂岩，沿线地貌上为一系列的冲沟及哑口，断裂通过处在下坝址左岸形成一哑口，哑口顶宽约200.00 m，深约50.00 m，据区域资料及现场构造调查未发现有活动迹象；据钻孔资料，F3 断裂带内均为碎裂岩，哑口两侧受断裂影响，岩体破碎，钻孔孔深在60.00 m 范围内，岩芯以碎块状及少量短柱状为主。

坝址区主要发育3组节理：60～65°SE∠35～40°，面平直，微张，延伸长20.00～50.00 m；50～80°NW∠40～55°，面平直，微张，延伸长15.00～30.00 m；295°SW∠55°，面平直，微张，延伸长15.00～40.00 m。

2.1.4 水文地质条件及岩土体透水性

1）水文地质条件

坝址区地下水主要有两类：一类为孔隙潜水，主要分布在河床冲积层的砂卵砾石层中，主要受河水补给，水位随河水位变化；另一类为基岩裂隙水，赋存于基岩裂隙内，主要受冰雪融水和大气降水的补给，沿裂隙网络运移，水量贫乏，无统一水位，总体向布尔阔台河排泄。坝址范围内未发现有泉眼出露。

分别对坝址区地下水、地表水取样，进行水质简分析，依据GB 50487—2008《水利水电工程地质勘察规范》对水质进行评价。

坝址区地下水：HCO3-含量最大值为1.79 mmol/L，pH值为7.92～8.09，无游离CO2，Mg2+含量为10.00～15.10 mg/L，SO42-含量为55.70～190.80 mg/L，Cl-含量为31.90～53.80 mg/L。坝址区地表水：HCO3-含量最小值为1.58 mmol/L，pH 值为8.21，无游离CO2，Mg2+含量为18.80～22.60 mg/L，SO42-含量为38.90～53.80 mg/L，Cl-含量为8.00 mg/L。根据GB 50487—2008附录L，HCO3-含量大于1.07 mmol/L时，对混凝土无腐蚀；pH 值大于6.50 时，无一般酸性型腐蚀；侵蚀性CO2含量小于15.00 mg/L时，无碳酸型腐蚀；Mg2+含量小于1 000.00 mg/L 时，不存在硫酸镁型腐蚀；SO42-含量小于250.00 mg/L 时，对普通水泥无腐蚀性。当环境水中同时存在氯化物和硫酸盐时，Cl-含量（mg/L）=Cl-+SO42-×0.25，Cl-含量小于100.00 mg/L 时，对钢筋混凝土结构中的钢筋无腐蚀性；pH 值介于3～11，同时，Cl-+SO42-小于500.00 mg/L 时，对钢结构具有弱腐蚀性。因此，经过对比和计算，坝址区地下水和地表水不存在HCO3-的腐蚀、无一般酸性型腐蚀、无碳酸型腐蚀、不存在硫酸镁型腐蚀、不存在对普通水泥的腐蚀性、对钢筋混凝土结构中的钢筋无腐蚀性、对钢结构具有弱腐蚀性。

2）岩土体透水性

坝址区基岩岩性为凝灰岩，据钻孔压水试验，上、下坝址左坝肩岩体透水率q≤10 Lu的界线埋深分别在基岩面以下约50.00 m和16.00～35.10 m，透水率q≤5 Lu 的界线埋深分别在基岩面以下约65.00 m 和56.00～68.60 m。上坝址河床段岩体透水率q不大于10 和5 Lu 的界线埋深均在基岩面以下约42.00 m。下坝址河床左侧Ⅱ级阶地岩体透水率q≤10 Lu 的界线埋深在基岩面以下约12.00 m，透水率q≤5 Lu 的界线埋深在基岩面以下约27.00 m；现代河床及Ⅰ级阶地岩体透水率q≤10 Lu 的界线埋深在基岩面以下约45.00 m，透水率q≤5 Lu 的界线埋深在基岩面以下约55.00 m。上、下坝址右坝肩岩体透水率q≤10 Lu 的界线埋深分别在基岩面以下约38.00 m 和19.00 m，q≤5 Lu 的界线埋深分别在基岩面以下约49.00 m和29.00 m。

根据钻孔及物探资料，坝址区河床覆盖层岩性为含漂石、孤石的砂卵砾石层，上坝址区河床覆盖层厚8.00～12.00 m，下坝址区河床覆盖层厚6.50～15.80 m。根据河床原位注水及室内渗透试验，上、下坝址区河床砂卵砾石层渗透系数分别为2.60×10-1～3.10×10-1cm/s 和7.90×10-2～8.30×10-2cm/s，均属强透水层。

2.1.5 物理地质现象

1）岩体风化

坝址区基岩岩性为凝灰岩，由于岩体受地形、构造和卸荷影响，坝址各部位岩体风化程度略显不同。按GB 50487—2008 中岩体风化带划分规定，坝址岩体总体可划分为强风化、弱风化和微风化带。

受构造影响，坝址区凝灰岩岩层产状为295～305°NE∠70°，以中～厚层状为主，为坚硬岩，岩体抗风化能力较强，在斜坡及平缓处，强风化层厚3.00～4.00 m，陡坎处强风化层厚1.00～2.00 m 或无强风化层，钻孔岩芯以5.0～8.0 cm 的短柱状为主，个别在15.0～20.0 cm。

根据坝址区钻孔岩芯及波速测试成果，凝灰岩强风化层厚3.00～4.00 m，纵波速度Vp为2 500 m/s，风化系数为0.45，岩体呈次块状构造，节理裂隙发育，节理面均呈铁透色；弱风化层厚20.00～25.00 m，Vp为2 500～4 500 m/s，风化系数为0.76，岩体呈次块状～块状构造，节理裂隙较发育，节理面局部呈铁透色；微风化基岩，Vp为4 500～5 200 m/s，风化系数为0.90，节理裂隙不发育，岩体较完整。

2）岩体卸荷、崩塌

坝址区左、右岸上部多基岩裸露，下部均被崩坡积物覆盖，左、右岸岸坡整体稳定。受节理、裂隙及风化卸荷影响，上坝址区左、右坝肩共发育3组不稳定体，不稳定体体积为100～350 m3，目前均处于基本稳定状态；下坝址区左、右坝肩共发育5 处不稳定体，不稳定体体积为100～400 m3，目前均处于基本稳定状态，但在地震等外力作用下大部分不稳定体将失稳。

2.1.6 岩（土）体工程地质特征

1）岩石（体）工程地质特征

上、下坝址基岩岩性均为凝灰岩，以中～厚层状为主，岩芯多呈短柱状及碎块状。为研究坝址区岩体的物理力学特性，此次共完成室内岩块试验4 组，岩块试样均取自钻孔岩芯。

据试验成果，凝灰岩单轴饱和抗压强度为81.00～124.00 MPa，平均值为108.30 MPa，为坚硬岩，块体干密度为2.74～2.78 g/cm3，孔隙率为0.71%～0.72%。

2）坝址工程岩体质量分类及力学参数建议值

坝址区工程岩体质量主要取决于岩体的风化卸荷程度、岩石强度、岩体结构类型、岩体完整性和紧密程度等，根据坝址区岩体工程地质特性及物理力学性成果，并参照有关规程规范进行坝址区工程岩体质量分类，结果见表1。在工程岩体质量分类和相应试验成果的基础上，参照有关工程经验和相应的岩类指标，提出坝址区岩体力学参数建议值，结果见表2。

表1 坝基弱风化岩体结构与岩体工程地质分类表

表2 工程岩体物理力学参数建议值表

3）坝址第四系地层工程地质特征

上坝址河谷底宽125.00 m，据钻孔及物探资料，河床砂卵砾石层厚8.00～12.00 m，岩性为含漂石的砂卵砾石层，个别粒径为1.00～2.00 m，无深槽分布，河床左岸发育Ⅱ级阶地，右岸发育Ⅰ级阶地，阶地后缘均被崩坡积碎石土层覆盖，厚5.00～6.00 m。据探坑取样颗粒级配试验分析成果，河床砂卵砾石层不均匀系数Cu为254.00，曲率系数Cc为7.10，级配不良；河床砂卵砾石层湿密度ρ为2.14 g/cm3，干密度ρd为2.12 g/cm3，含水率ω为1.10%，最小干密度ρmin为1.82 g/cm3，最大干密度ρmax为2.24 g/cm3，相对密度Dr为0.70～0.75，结构密实；原位渗透系数为2.6×10-1～3.1×10-1cm/s，属强透水层。

下坝址河谷底宽140.00 m，据钻孔及物探资料，河床砂卵砾石层厚6.50～15.80 m，岩性为含漂石的砂卵砾石层，个别粒径为1.00～2.00 m，其中，Ⅰ级阶地及现代河床砂卵砾石层厚约6.50 m，左岸Ⅱ级阶地厚10.00～15.80 m，Ⅱ级阶地基岩顶面比Ⅰ级阶地基岩顶面低3.00～5.00 m。据探坑取样颗粒级配试验分析成果，河床砂卵砾石层Cu为133.10，Cc为2.00，级配良好；河床砂卵砾石层ρ为2.12 g/cm3，ρd为2.11 g/cm3，ω为0.60%，ρmin为1.85 g/cm3，ρmax为2.27 g/cm3，Dr为0.65～0.69，结构密实；原位渗透系数为7.9×10-2～8.3×10-2cm/s，属强透水层。

上坝址左、右岸及下坝址左岸分布大量崩坡积物，结构松散，局部呈架空结构，一般厚3.00～5.00 m，坡脚处厚5.00～8.00 m。据探坑取样颗粒级配试验分析成果，含土块碎石Cu为20.80，Cc为4.10，级配不良；含土块碎石层ρ为1.96 g/cm3，ρd为1.91 g/cm3，ω为0.40%，ρmin为1.75 g/cm3，ρmax为2.13 g/cm3，Dr为0.47，结构中密，局部呈架空结构。

2.2 坝址区主要工程地质问题及评价

上坝址覆盖层厚8.00～12.00 m，下坝址覆盖层厚6.50～15.80 m，上、下坝址坝基覆盖层均存在渗透稳定、震动液化、坝基抗滑稳定和不均匀沉降等主要工程地质问题[2]。

2.2.1 不均匀沉降问题

从现有勘察资料分析，坝基砂卵砾石层钻孔未发现淤泥质软土和厚度较大的砂层分布，覆盖层结构总体上较均一，基本上为单一型结构，根据钻孔动力触探、土工等试验成果及物探测试成果分析，坝基覆盖层结构具有中密～密实、承载力较高、压缩性低、透水性强的特点，地层总体较均匀，无连续砂层分布。

2.2.2 渗透及渗透稳定问题

1）河床坝基砂卵砾石层的渗透变形

据河床坝基砂卵砾石层颗分资料，坝基砂卵砾石层Cu为133.10，Cc为2.00，为级配良好的土。依据GB 50487—2008附录G，对坝基进行渗透变形判别[3]，级配连续的土，其粗、细颗粒的区分粒径公式：

式中：d为最小粒径作为粗、细颗粒的区分粒径，mm；d70，d10分别为小于该粒径的含量占总土重70.00%，10.00%的颗粒粒径，mm。

根据坝基砂卵砾石层颗分资料及式（1）计算出d=10.30 mm，对应P（粗、细颗粒的区分粒径对应的颗粒含量）为31.00%。对于不均匀系数大于5的土，当粗、细颗粒的区分粒径对应的颗粒含量在25.00%～35.00%时，其土的渗透变形类型为过渡型，因此，坝基砂卵砾石层渗透破坏形式为过渡型。

2）临界水力比降的确定

根据过渡型计算公式：

式中：Jcr为坝基砂卵砾石层的临界水力比降；Gs为坝基砂卵砾石层的颗粒密度与水的密度之比，取2.71；n为孔隙率，取0.21；d5，d20分别为小于该粒径的含量占总土重的5.00%，20.00%的土粒粒径，取d5=0.19 mm，d20=3.35 mm。由式（2）计算出Jcr= 0.133。

3）允许水力比降的确定

允许水力比降J允许为坝基砂卵砾石层的临界水力比降Jcr除以安全系数，安全系数取值为1.5，则J允许= 0.09。

河床砂卵砾石层颗粒粗大、透水性强，属强或极强透水层，其可能的渗透变形破坏形式主要为过渡型，抗渗稳定性差，其允许抗渗比降仅为0.08左右，水库蓄水后，在水头差作用下，存在渗漏和渗透稳定问题，故需采取防渗处理措施，以满足防渗和渗透稳定的要求。

2.2.3 坝基覆盖层振动液化评价

根据此次河床基础砂砾石层的颗分资料，河床砂卵砾石粒径小于5.00 mm 的颗粒含量占总质量的百分比为22.20%。GB 50487—2008 规定：土的粒径小于5.00 mm 颗粒含量的质量占土的总质量百分率小于或等于30.00%时，可判为不液化。因此，可以初判河床砂卵砾石层不会产生地震液化。另一方面，河床砂卵砾石层属强透水层，地震作用下很难形成孔隙水压力致使地下水位上升，因此，也不利于产生地震液化。

2.3 坝址区工程地质条件评价

按地形地貌、地层岩性、地质构造及工程地质条件，将坝址区分两部分进行评价。

1）左、右岸坝肩

根据坝址区的工程地质条件，左、右岸坝肩作为心墙、趾板基础时，清除上部覆盖层、强风化岩体，将基础置于弱风化岩体上；左、右岸坝肩作为坝壳基础时，清除崩坡积碎石土层。建议基岩强风化层开挖坡比为1∶0.5，基岩弱风化层-新鲜层开挖坡比为1∶0.3～1∶0.5，并喷锚支护处理。

2）河床坝基

根据坝址区的工程地质条件，河床坝基段覆盖层结构单一，未发现连续分布的软弱夹层，无地震液化问题。河床坝基作为心墙、趾板基础时，清除上部覆盖层、强风化岩体，将基础置于弱风化岩体上；河床坝基作为坝壳基础时，清除表层腐植土及植物根系，表层1.00～2.00 m 需洒水碾压。

3 坝址坝型比选

3.1 坝址工程地质条件比选

拟选上、下坝址相距约3.00 km，两坝址基岩岩性均为下泥盆统凝灰岩，属坚硬岩；两坝址库坝区范围内均无区域性断裂及规模较大的断裂通过；除下坝址左岸哑口沿断裂存在绕坝渗漏外，上、下坝址其他地质条件基本相近。因此，从工程地质条件综合比较，两坝址均具备修建当地材料坝的工程地质条件，经设计综合比较，此阶段将下坝址作为推荐坝址[4-7]。

3.2 推荐坝址坝型工程地质条件比选

推荐坝址具备修建沥青心墙坝和面板坝的工程地质条件，两坝型坝轴线一致，推荐坝址左坝肩岸坡相对平缓，分布大量的崩坡积块碎石；左坝肩上游约100.00 m 处节理裂隙较发育、岩体相对破碎，分布有少量的危岩及危石，对面板安全威胁相对较大。河床段谷底宽100.00～120.00 m，分布有Ⅰ，Ⅱ级阶地，河床砂卵砾石层厚6.50～15.80 m，心墙坝与面板坝工程地质条件基本相近。右坝肩边坡高陡，基岩多裸露，分布有少量的危岩及危石，对面板安全威胁相对较大。综上所述，从工程地质方面分析，心墙坝工程地质条件略优于面板坝。

4 结语

坝址区工程地质条件、主要工程地质问题作为水库坝址、坝型选择的诸多关键因素之一，虽然不是唯一因素，但仍是一个复杂的、多因素影响的系统工程，需要全面综合考虑坝址区的地质利弊条件。本文从上、下坝址区地质条件和存在的主要工程地质问题等方面对水库坝址选择的地质因素进行了系统的比较，并推荐下坝址为该水库的适宜坝址，且选择工程地质条件略优的心墙坝。当然，其他各专业也应从工程效益的角度出发，作整体权衡，选出真正高效益的坝址。