磨河供水工程樞紐壩址工程地質(zhì)條件分析及壩型比選

高 峰

（山西省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 山西太原 030024）

1 工程概況

陵川縣磨河供水改擴(kuò)建樞紐工程是在原供水工程的基礎(chǔ)上進(jìn)行樞紐大壩及其配套設(shè)施的擴(kuò)建改造，是關(guān)系到陵川縣及崇文鎮(zhèn)等六個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)的工業(yè)用水和人畜飲水的重要水源工程。擬選壩型為漿砌石重力壩或拱壩，設(shè)計(jì)壩高45.0 m，以河床高程為相對(duì)高程零點(diǎn)（下同）計(jì)，壩頂相對(duì)高程為33 m，總庫容400×104m3。

2 工程地質(zhì)概述

壩址位于馬圪當(dāng)鄉(xiāng)磨河村舊址下游2.5 km的磨河峽谷，地貌單元為中山、河流侵蝕堆積地貌，地形上為高山峽谷，河谷斷面呈狹窄“U”字形。壩址處河谷狹窄，河谷寬約50 m，河床相對(duì)高程為0 m左右，河床覆蓋層厚度6.0～10.6 m，壩基基巖面相對(duì)高程-6.3～-3.9 m。兩壩肩邊坡陡立。兩壩肩邊坡高度均高達(dá)320 m。

2.1 壩基工程地質(zhì)

壩基松散覆蓋層主要為混合土漂（卵）石，結(jié)構(gòu)松散，透水性大，厚度0～10.6 m。壩基覆蓋層混合土卵石層厚度6.0～10.6 m，存在滲漏問題、管涌滲透變形破壞問題及不均勻變形問題。

壩基基巖在相對(duì)高程-32.2～-26.4 m以上巖性為張夏組第三巖組（∈2z-3）灰色、灰黑色鮞狀灰?guī)r夾泥質(zhì)條帶灰?guī)r及薄層黃綠色泥巖；相對(duì)高程-30.2～-27.9 m與相對(duì)高程-32.2～26.4 m間地層巖性為張夏組第二巖組（∈2z-2）鮞狀灰?guī)r夾泥質(zhì)條帶灰?guī)r與竹葉狀灰?guī)r互層；相對(duì)高程-32.2～26.4 m以下為張夏組第一巖組（∈2z-1）淺灰色薄層狀泥質(zhì)條帶灰?guī)r夾多層薄層黃綠色泥巖。相對(duì)高程-11.9～-8.6 m間存在薄層泥巖，泥巖厚度一般在2～12 mm之間，巖性較軟，容易風(fēng)化，為潛在軟弱結(jié)構(gòu)面。巖層產(chǎn)狀N60OE/NW∠7O，呈平緩單斜構(gòu)造。壩基巖體強(qiáng)風(fēng)化層厚度為2.6～3.2 m。

壩基建基面主要巖性為寒武系中統(tǒng)張夏組第三巖組（∈2z-3）灰色、灰黑色鮞狀灰?guī)r局部夾薄層泥巖。薄層泥巖埋藏較淺，分布于相對(duì)高程-11.9～-8.6 m范圍內(nèi)；傾向壩址上游，傾角為7°。這些軟弱夾層結(jié)構(gòu)面在泡水后可能產(chǎn)生泥化、軟化等現(xiàn)象，從而喪失原有地質(zhì)結(jié)構(gòu)，形成不穩(wěn)定的地質(zhì)結(jié)構(gòu)面，對(duì)壩基抗滑穩(wěn)定產(chǎn)生不利的影響。壩基下部還存在寒武系中統(tǒng)張夏組第二巖組（∈2z-2）灰色、灰黑色泥質(zhì)條帶灰?guī)r夾竹葉狀灰?guī)r及薄層泥巖，地層破碎。這些軟弱夾層結(jié)構(gòu)面同樣易形成不穩(wěn)定的地質(zhì)結(jié)構(gòu)面，對(duì)壩基抗滑穩(wěn)定有一定程度的不利影響。從地層巖性、巖層產(chǎn)狀、節(jié)理裂隙發(fā)育情況等，結(jié)合工程特征分析，壩基存在抗滑穩(wěn)定問題。

2.2 壩肩工程地質(zhì)

左壩肩為巖質(zhì)陡坡，高聳的岸坡近于垂直。坡腳處局部堆積（Q4dpl）漂（塊）石、混合土漂（塊）石、卵（礫）石混合土等，厚度0～10 m?；鶐r地層巖性為寒武系中統(tǒng)張夏組第三巖組（∈2z-3）及第四巖組（∈2z-4）：頂部為淺灰色中厚—巨厚層鮞狀灰?guī)r夾中厚層白云質(zhì)灰?guī)r，中、上部為灰、深灰色中厚—巨厚層白云質(zhì)鮞狀灰?guī)r，下部為灰、青灰色中厚層鮞狀灰?guī)r及泥質(zhì)條帶灰?guī)r。巖層產(chǎn)狀N60OE/NW∠7O，呈單斜構(gòu)造。節(jié)理裂隙發(fā)育主要有三組：①組 N70～80OW/NE∠80～87O，②組 N10°E/NW∠87°，③組N60OE/NW∠85O。①、②組節(jié)理裂隙多為高傾角裂隙，裂隙面平直，裂隙張開，寬度1～4 cm，局部達(dá)10～20 cm。無充填，少數(shù)有泥鈣質(zhì)、巖屑充填，節(jié)理面近于直立，切割深，延伸遠(yuǎn)。巖體強(qiáng)風(fēng)化層厚0.6～3 m。在左壩肩下游巖壁上溶蝕裂隙層及巖層層面處有泉水出露，巖體中滲漏現(xiàn)象較嚴(yán)重，說明左壩肩巖體中節(jié)理裂隙及巖溶層連通性好，具有較大的滲漏性，表明左壩肩巖體存在繞壩滲漏通道。大壩建成蓄水后，水壓力增高，左壩肩巖體的層面巖溶層滲漏量將會(huì)進(jìn)一步加劇。左壩肩基巖巖層傾向山體，基巖邊坡較穩(wěn)定。但是，由于節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體切割呈塊狀，在壩址左壩肩河岸邊陡壁處基巖中地應(yīng)力作用影響較大，在巖體陡壁處可見產(chǎn)生的卸荷裂隙，其順河流方向發(fā)育，卸荷裂隙發(fā)育間距5～55 cm，裂面粗糙彎曲，泥土充填，微傾向河谷，卸荷裂隙帶影響范圍5.5～10.5 m（含強(qiáng)風(fēng)化帶）。局部有掉塊或小崩塌現(xiàn)象。

右壩肩下部為巖質(zhì)陡坡，岸坡近直立，在相對(duì)高程32～72 m處坡度較緩，約45～60°。地層巖性為寒武系中統(tǒng)張夏組第三巖組（∈2z-3）及第四巖組（∈2z-4）：頂部為淺灰色中厚—巨厚層鮞狀灰?guī)r夾中厚層白云質(zhì)灰?guī)r，中、上部為灰、深灰色中厚—巨厚層白云質(zhì)鮞狀灰?guī)r，下部為灰、青灰色中厚層狀鮞狀灰?guī)r及泥質(zhì)條帶灰?guī)r。相對(duì)高程32～72 m間堆積（Q4dpl）漂（塊）石、混合土漂（塊）石、卵（礫）石混合土等，厚度0～3.5 m。基巖巖層產(chǎn)狀N60OE/NW∠7O，呈單斜構(gòu)造。節(jié)理裂隙發(fā)育主要有四組：①組N70～80OW/NE∠80～87O，②組N10OE/NW∠87O，③組N60OE/NW∠85O，④組N70OW/NE∠45O。①、②組節(jié)理裂隙多為高傾角裂隙，裂隙面平直，裂隙張開，寬度1～4 cm，局部達(dá)20 cm。無充填，少數(shù)有泥鈣質(zhì)、巖屑充填，節(jié)理面近于直立，切割深，延伸遠(yuǎn)。巖體強(qiáng)風(fēng)化層厚0.6～3 m。由于右壩肩基巖巖體受節(jié)理裂隙切割，以及巖溶層的發(fā)育，其巖層間巖溶層滲透性好。在豐水季節(jié)里，受上游河水滲流向下游逕流補(bǔ)給或大氣降水補(bǔ)給，在右壩肩下游溶蝕裂隙層及巖層層面處可見有泉水出露，巖體中存在滲漏現(xiàn)象?？梢?，右壩肩巖體中節(jié)理裂隙及巖溶層具連通性，具有滲漏的可能性。從整體來看，右壩肩巖石強(qiáng)度分級(jí)為中硬—硬質(zhì)巖，巖體中節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖層傾向與岸坡相同，灰?guī)r層為中厚層，巖體穩(wěn)定。由于岸坡陡立，裂隙相互切割作用，其中第②組裂隙走向與巖壁面平行，且在巖體陡壁處，受地應(yīng)力作用，發(fā)育卸荷裂隙，順河流方向展布，卸荷裂隙間距8～80 cm，裂面粗糙彎曲，微傾向河谷，卸荷裂隙帶影響范圍1.5～5.0 m。相對(duì)高程32 m上發(fā)育緩坡，并有厚度約1～3.5 m的坡積碎塊石混合土覆蓋，右壩肩施工時(shí)及水庫正常蓄水后，可能產(chǎn)生坍塌、掉塊、滑坡等地質(zhì)現(xiàn)象。

2.3 壩基應(yīng)力變形及壩肩裂隙變形破壞分析

壩基地層平緩，巖體由中硬的碳酸鹽巖組成，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖層多呈厚、巨厚層狀，但也夾有中薄層狀巖層。在壩基基坑開挖卸載過程中，在巖岸巖壁自重應(yīng)力側(cè)向擠壓力作用下，出現(xiàn)垂直方向的基坑底板的拉張應(yīng)力，在其大于巖層的自重時(shí)將產(chǎn)生層面脫裂、巖層結(jié)構(gòu)面加寬、局部張性裂隙形成、邊坡巖層層間小錯(cuò)動(dòng)等現(xiàn)象，即基坑出現(xiàn)回彈和變形破壞，導(dǎo)致壩基巖體完整性變差，對(duì)工程建筑物穩(wěn)定造成不利的影響。

壩址兩岸邊坡卸荷及其卸荷帶是一種動(dòng)力現(xiàn)象，由于卸荷帶破壞了巖體的完整性，降低了巖體質(zhì)量，同時(shí)也構(gòu)成風(fēng)化、地下水等外動(dòng)力作用的通道。因此，它對(duì)兩岸基巖邊坡的穩(wěn)定性有重要的影響。壩址區(qū)由于河谷狹窄，谷坡高陡，地應(yīng)力值較高，對(duì)河岸邊陡壁處基巖中地應(yīng)力作用影響也大，在巖體陡壁處可見產(chǎn)生的卸荷裂隙，其順河流方向發(fā)育，卸荷裂隙發(fā)育間距5～80 cm，裂面粗糙彎曲，泥土充填，微傾向河谷，卸荷裂隙帶影響范圍5.5～10.5 m（含強(qiáng)風(fēng)化帶）。卸荷裂隙造成巖體破碎，卸荷裂隙帶巖體的物理性質(zhì)變差，力學(xué)強(qiáng)度降低，且卸荷裂隙發(fā)育密集，順岸坡向產(chǎn)出，其新裂隙的產(chǎn)生以及舊裂隙的擴(kuò)展，對(duì)巖體的破壞性很大。因此，卸荷裂隙帶巖體的工程地質(zhì)條件較差，對(duì)工程有較大程度的不利影響。

3 壩型比較

重力壩是在水壓力及其他外荷載作用下，主要依靠壩體自重來維持穩(wěn)定，對(duì)不同的地形和地質(zhì)條件適應(yīng)性強(qiáng)，對(duì)地基條件要求相對(duì)地說不太高。拱壩是借助拱的作用將水壓力的全部或部分傳給河谷兩岸的基巖，主要是利用拱端基巖即兩岸基巖的反作用來支承，拱壩對(duì)兩岸巖體質(zhì)量要求比較高。

壩址區(qū)選用重力壩壩型時(shí)，壩基下部存在的寒武系中統(tǒng)張夏組第二巖組（∈2z-2）灰色、灰黑色泥質(zhì)條帶灰?guī)r夾竹葉狀灰?guī)r及薄層泥巖形成軟弱夾層，易形成不穩(wěn)定的地質(zhì)結(jié)構(gòu)面，對(duì)壩基抗滑穩(wěn)定有一定程度的不利影響。

選用拱壩壩型時(shí)，兩壩肩巖體巖層平緩，穩(wěn)定性好，但其巖體表層受卸荷裂隙及節(jié)理裂隙相互切割作用，巖體呈塊體狀，巖壁陡立，且為順向坡，在人類活動(dòng)及降水等不利因素影響下，易產(chǎn)生掉塊、崩塌現(xiàn)象。對(duì)于對(duì)兩岸巖體質(zhì)量要求比較高的拱壩來說，其穩(wěn)定性相對(duì)較差。

4 結(jié)語

對(duì)拱壩而言，由于壩肩穩(wěn)定性較差，巖體表層受卸荷裂隙及節(jié)理裂隙的相互切割作用，在人類活動(dòng)及降水等不利因素影響下易產(chǎn)生崩塌、掉塊等現(xiàn)象。對(duì)重力壩而言，壩址工程地質(zhì)條件尚好，受壩肩卸荷裂隙帶影響小。經(jīng)綜合分析，重力壩與拱壩壩址的工程地質(zhì)條件及存在的工程地質(zhì)問題基本相近，兩壩型均具有建壩的地質(zhì)條件，而重力壩壩型優(yōu)于拱壩，故推薦重力壩方案。