安塞縣破瓦溝淤地壩工程地質(zhì)探析

趙世寶

(安塞縣水務(wù)局，陜西 延安 717400)

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安塞縣破瓦溝淤地壩工程地質(zhì)探析

趙世寶

(安塞縣水務(wù)局，陜西 延安 717400)

破瓦溝中型淤地壩工程位于安塞縣坪橋鎮(zhèn)清澗河一支溝內(nèi)，是一座重要的攔沙壩，其建設(shè)對(duì)黃河流域攔泥攔沙至關(guān)重要，而其復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境更決定著破瓦溝淤地壩建設(shè)的成敗。文章重點(diǎn)對(duì)破瓦溝淤地壩庫區(qū)基本地質(zhì)條件、壩址區(qū)基本地質(zhì)條件及天然建筑材料進(jìn)行勘察，對(duì)主要工程地質(zhì)問題進(jìn)行評(píng)價(jià)。通過分析庫區(qū)、壩址區(qū)地質(zhì)條件及工程地質(zhì)問題，對(duì)壩址區(qū)巖土物理力性、壩基承載力、工程施工材料等進(jìn)行詳細(xì)探討，從而得出該處地質(zhì)條件是否適宜建設(shè)壩體，可供情況相近地區(qū)參考。

破瓦溝；淤地壩；工程地質(zhì)；評(píng)價(jià)；建設(shè)

1 概況

破瓦溝中型壩壩址位于安塞縣坪橋鎮(zhèn)東溝行政村，壩控面積1.70 km2。該流域?qū)儆诘湫偷狞S土丘陵溝壑區(qū)第一副區(qū)，在長期的水蝕作用和重力侵蝕下，流域呈現(xiàn)出地形破碎、梁峁起伏、溝壑縱橫的黃土丘陵溝壑景觀[1]。流域主溝道長1.51 km，溝道平均比降2.0%，多年平均土壤侵蝕模數(shù)為16 000 t/km2·a，溝道兩岸結(jié)構(gòu)完整，壩址處無軟弱帶和裂隙發(fā)育，左右岸巖石處露高約5 m，溝道為巖石。右岸適宜布設(shè)放水工程，壩基開挖結(jié)合槽，不會(huì)引起壩基滲漏[2]。破瓦溝中型壩屬于安塞縣坪橋鎮(zhèn)東溝行政村東溝村民小組，其所在村民小組有人口220人，人均耕地0.13 hm2，其上下游均不存在淹沒情況。破瓦溝中型壩主要由壩體和放水工程、溢洪道三大件組成，淤積年限取10 a，工程建成后可新增攔截泥沙20.15萬m3。

2 區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造與地震地質(zhì)

破瓦溝淤地壩在大地構(gòu)造上屬中朝準(zhǔn)地臺(tái)上的鄂爾多斯臺(tái)拗，為中國大陸最穩(wěn)定的塊體之一，新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)十分微弱。沉積了古生代石炭系、二疊系，中生代三疊系到白堊系以及第三系的陸相碎屑巖層，巖性以砂巖和泥頁巖互層為主，大部分區(qū)域夾有煤層。區(qū)域構(gòu)造簡單，基本上表現(xiàn)為向西或西北緩傾的單斜構(gòu)造，地層傾角1°～2°，局部可達(dá)5°，斷層不發(fā)育。鄂爾多斯塊體現(xiàn)地震活動(dòng)集中于周緣斷陷帶及西南緣弧形斷裂帶，塊體內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造簡單，極少有出露地表的活動(dòng)斷裂，歷史上亦無重大破壞性地震發(fā)生。

根據(jù)《中國地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》(GB18306—2001)，工程區(qū)50 a超越概率10%，一般場地條件下地震動(dòng)峰值加速度為<0.05 g，相應(yīng)的地震基本烈度為VI度，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.35 s。

3 地質(zhì)調(diào)查方案及方法

地質(zhì)調(diào)查方案采用地質(zhì)調(diào)查、野外勘測、工程地質(zhì)測繪、鉆探及原位測試、坑探、室內(nèi)土工試驗(yàn)等綜合方法完成。主要方法是通過勘察取樣試驗(yàn)，分析探討庫區(qū)地質(zhì)條件與主要工程地質(zhì)問題、壩址區(qū)地質(zhì)條件與主要工程地質(zhì)問題和天然建筑材料，以確定東溝村是否適宜建設(shè)破瓦溝淤地壩。在調(diào)查中完成的主要工作量如表1。

表1 地勘完成的主要工作量統(tǒng)計(jì)表

4 庫區(qū)地質(zhì)條件與主要工程地質(zhì)問題

4.1 庫區(qū)地質(zhì)條件

4.1.1 地形地貌

破瓦溝淤地壩庫區(qū)為侵蝕剝蝕型低山區(qū)地貌，地勢總體上呈東南高西北低。庫區(qū)流域分水嶺高程1240～1260 m，溝底高程1080～1100 m，相對(duì)高差160 m左右。該流域?qū)俚湫偷狞S土丘陵溝壑區(qū)，地貌由梁峁、溝坡、溝床3個(gè)單元組成，以坡為主，溝壑縱橫、梁峁林立、溝谷深切、地形破碎，溝底覆蓋較薄的砂礫石層，下為基巖，兩岸覆蓋黃土。主溝道斷面多呈“U”形，支溝溝道斷面多呈“V”字形，壩址處溝道成“U”字形。

4.1.2 地層巖性

庫壩區(qū)出露的地層從新到老依次為第四系全新統(tǒng)、第四系上更新統(tǒng)、中更新統(tǒng)及三疊系上統(tǒng)巖層。

4.1.3 地質(zhì)構(gòu)造

庫區(qū)為單斜巖層，傾向北西，傾角小于3°，庫區(qū)及周邊未發(fā)現(xiàn)斷層。巖層中節(jié)理不甚發(fā)育，且節(jié)理不切穿泥巖。

4.1.4 水文地質(zhì)條件

(1)地下水類型。根據(jù)含水介質(zhì)特征、地下水的賦存條件和水力性質(zhì)等，可將庫區(qū)地下水分為松散巖類孔隙水和基巖裂隙孔隙水。

(2)地下水補(bǔ)排條件。本區(qū)地下水徑流滲徑較短，補(bǔ)給區(qū)與排泄區(qū)基本一致。地下水的補(bǔ)給主要為大氣降水補(bǔ)給，同時(shí)也存在地下水在不同水文地質(zhì)單元之間滲透轉(zhuǎn)移產(chǎn)生的補(bǔ)給。

4.1.5 物理地質(zhì)現(xiàn)象

庫區(qū)氣候干旱，晝夜溫差大，物理風(fēng)化作用強(qiáng)烈。砂巖抗風(fēng)化能力稍強(qiáng)，泥巖抗風(fēng)化能力較弱，差異風(fēng)化使得部分陡坡處局部產(chǎn)生零星落石?？傮w上，庫區(qū)物理地質(zhì)現(xiàn)象不發(fā)育，兩岸自然邊坡穩(wěn)定。

4.1.6 季節(jié)凍土

工程區(qū)地處北緯39°中高緯度區(qū)，海拔在1200 m以上，為季節(jié)凍土區(qū)，一般凍結(jié)深度為1.2～1.4 m，受地形、巖性、植被和含水量影響，不同地方的凍結(jié)深度有一定差異。凍結(jié)時(shí)間一般為每年11月、12月到次年4月。

4.2 庫區(qū)主要工程地質(zhì)問題及評(píng)價(jià)

4.2.1 庫岸穩(wěn)定

庫區(qū)岸坡地層巖性主要為三疊系上統(tǒng)厚層、巨厚層狀砂巖、泥巖。由于差異風(fēng)化的影響，庫區(qū)內(nèi)有少量基巖崩塌、落石現(xiàn)象，未發(fā)現(xiàn)滑坡等其它不良物理地質(zhì)現(xiàn)象，自然庫岸邊坡穩(wěn)定。攔沙壩蓄水后，由于泥巖遇水軟化，可能造成泥巖上部砂巖發(fā)生局部崩塌，但不會(huì)影響攔沙壩運(yùn)行。

庫區(qū)上部黃土岸坡，分布高程較高，黃土岸坡穩(wěn)定性受庫區(qū)影響不大；但攔沙壩高水位運(yùn)行時(shí)，黃土岸坡還是有可能發(fā)生崩塌的，但規(guī)模較小，其考慮攔沙壩的運(yùn)行特征，不會(huì)對(duì)攔沙壩的正常運(yùn)行造成影響。

4.2.2 庫區(qū)滲漏

庫區(qū)兩岸山體雄厚，不會(huì)發(fā)生相鄰谷的滲漏。由于攔沙壩位于溝口，為當(dāng)?shù)刈畹颓治g基準(zhǔn)面，庫水補(bǔ)給砂巖含水層，在壩下游沿砂巖、泥巖接觸帶發(fā)生滲漏，但由于庫區(qū)裂隙不發(fā)育，無集中滲漏通道，不會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的滲漏問題。

4.2.3 庫區(qū)淤積物來源

庫區(qū)控制流域面積2.15 km2，流域內(nèi)地層巖性為三疊系上統(tǒng)砂巖、泥巖及泥質(zhì)砂巖，覆蓋層為上、中更新統(tǒng)黃土。三疊系上統(tǒng)砂巖、泥巖易風(fēng)化且遇水軟化，且易產(chǎn)生局部崩塌。砂巖、泥巖風(fēng)化物及黃土是庫區(qū)的淤積物主要來源。

4.2.4 庫區(qū)淹沒、浸沒

庫區(qū)淤積高程淹沒范圍內(nèi)沒有遷移人口及淹沒耕地、樹木等。因此，不存在淹沒問題。僅局部寬緩的黃土岸坡會(huì)受到浸沒的影響，但危害不大。

5 壩址區(qū)地質(zhì)條件與主要地質(zhì)問題

5.1 壩址區(qū)地質(zhì)條件

5.1.1 地形地貌

壩址區(qū)高程1200～1240 m，屬低中山區(qū)。壩軸線附近河谷為“U”形谷，谷底寬約10 m左右，河床高程1080～1100 m。壩址區(qū)河谷流向西南。壩址左岸岸坡較緩，坡度50°～70°；右岸岸坡較陡，坡度約30°～40°。

5.1.2 地層巖性

壩壩區(qū)出露的地層從新到老依次為第四系全新統(tǒng)人工於積、上更新統(tǒng)、中更新統(tǒng)及三疊系上統(tǒng)巖。

5.1.3 地質(zhì)構(gòu)造

庫區(qū)為單斜巖層，傾向北西，傾角小于3°，庫區(qū)及周邊未發(fā)現(xiàn)斷層。巖層中節(jié)理不甚發(fā)育，且節(jié)理不切穿泥巖。

5.2 壩址區(qū)巖土體物理力學(xué)性質(zhì)

根據(jù)外業(yè)地質(zhì)調(diào)查并參考有關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，提出破瓦溝壩壩基巖體及上覆土層的物理力學(xué)指標(biāo)建議值，見表2、表3。

5.3 壩基承載力

河床覆蓋層厚約2～5 m，質(zhì)地疏松，應(yīng)予以挖除到新鮮基巖。壩基砂巖巖體的允許承載力為800～1000 kPa，泥巖巖體的允許承載力為400～600 kPa。

5.4 壩址區(qū)主要工程地質(zhì)問題及評(píng)價(jià)

5.4.1 岸坡穩(wěn)定問題

壩肩巖體主要為砂巖、泥巖及上覆中、上更新統(tǒng)黃土，未發(fā)現(xiàn)滑坡等其它不良物理地質(zhì)現(xiàn)象，兩岸自然邊坡穩(wěn)定，建議挖除表層松散層。壩址區(qū)屬于水平巖層，巖層傾角小于3°，遠(yuǎn)小于層面間的摩擦角，對(duì)于岸坡的穩(wěn)定較為有利。

表2 壩址土層主要物理力學(xué)指標(biāo)建議值表

表3 壩址土層主要物理力學(xué)指標(biāo)建議值表

5.4.2 滲漏問題

壩基、壩肩為三疊系T3的砂頁巖地層，屬相對(duì)隔水層，產(chǎn)生疏漏的可能性不大。

5.5 水工建筑物工程地質(zhì)條件及評(píng)價(jià)

破瓦溝中壩主要包含兩個(gè)泄水建筑物：溢洪道和放水工程。壩址兩岸均為基巖,根據(jù)工程地質(zhì)、地形條件，綜合各種因素，建議將溢洪道布置于左岸，放水工程布設(shè)在壩體右岸。

6 天然建筑材料

破瓦溝中型攔沙壩采用均質(zhì)土壩方案，工程須用大量筑壩土料，初估土料需求量約為9.79萬m3，溢洪道襯砌須用少量塊石、反濾料和混凝土骨料。

6.1 土料

根據(jù)就近就地取材的原則，在壩址右岸山頂推薦一個(gè)土料場，料場距壩址約200 m，料場高程1100～1200 m；料場巖性為上更新統(tǒng)風(fēng)積黃土，料場上部為0.5 m厚的耕植層，下部為有用層，厚度大于20 m，土層均勻，干燥，硬塑，未見地下水。

根據(jù)野外地質(zhì)調(diào)查，參考有關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，給出土料物理力學(xué)建議值見表4。

表4 土料物理力學(xué)指標(biāo)建議值表

根據(jù)實(shí)地調(diào)查，料場儲(chǔ)量和質(zhì)量基本滿足有關(guān)規(guī)程要求，施工時(shí)可根據(jù)具體需求，調(diào)整開采面積與開挖厚度。

6.2 塊石料

壩址區(qū)附近出露地層為三疊系上統(tǒng)(T3)黃綠色砂巖與紫灰色砂質(zhì)泥巖互層，壩址右岸有厚層砂巖出露、考慮到攔沙壩塊石料需求量較小，可就近開采。

6.3 混凝土骨料

經(jīng)調(diào)查壩址附近高臺(tái)溝中有砂礫料，由于攔沙壩須用混凝土骨料較少，施工時(shí)可根據(jù)需求就近開采。

7 結(jié) 論

破瓦溝中型壩修建后，可新增攔截泥沙20.15萬m3，使壩控范圍內(nèi)的洪水泥沙基本攔蓄，效益顯著。本次地質(zhì)勘察分析主要通過收集分析相關(guān)區(qū)域地質(zhì)資料，采用地質(zhì)測繪、坑探和土工試驗(yàn)等勘察手段和方法，并充分利用天然地質(zhì)剖面，以便取得較為詳實(shí)的地質(zhì)資料。通過以上分析可得出以下結(jié)論：

(1)破瓦溝中型攔沙壩屬侵蝕剝蝕型低山區(qū)地貌，河谷基巖出露，基巖地層為三疊系上統(tǒng)泥巖與砂巖、粉砂巖互層，左、右壩肩為中、上更新統(tǒng)黃土，谷底有少量沖洪積含泥砂礫石。

(2)庫壩區(qū)地層為水平巖層，傾角小于3°；構(gòu)造不發(fā)育。庫區(qū)地震動(dòng)峰值加速度為<0.05 g，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.35 s。

(3)兩岸邊坡穩(wěn)定，砂巖、泥巖風(fēng)化物及黃土是庫區(qū)的淤積物主要來源。

(5)壩基覆蓋層厚度2～3 m，巖性為砂壤土含泥砂礫石和黃土夾碎石，砂壤土結(jié)構(gòu)疏松，存在不均勻沉陷問題，應(yīng)予以挖除?；鶐r強(qiáng)風(fēng)化帶厚度約為1～5 m。

(6)壩基、壩肩穩(wěn)定條件好。壩基覆蓋層下部存在砂礫石層，屬中等透水，存在壩基滲漏問題，應(yīng)對(duì)壩基泥夾砂礫石進(jìn)行清除。

(7)溢洪道布置于右岸、臥管布置于左岸，地形條件好。

(8)壩址區(qū)土料為砂壤土，儲(chǔ)量豐富，但含水率偏低，在使用時(shí)應(yīng)進(jìn)行灑水，以使其含水率接近最優(yōu)含水率。塊石料、砂礫料用量少，可就近采購。

破瓦溝中型壩選址區(qū)屬侵蝕剝蝕型低山區(qū)地貌，兩岸邊坡穩(wěn)定。在壩基處理中，應(yīng)對(duì)壩基的風(fēng)化帶和泥夾砂礫石進(jìn)行挖除，以確保壩基安全穩(wěn)定，無滲漏。壩址區(qū)砂壤土豐富，適宜用作建壩材料。經(jīng)過地質(zhì)勘測調(diào)查和綜合分析，該地區(qū)適宜布?jí)?，可以進(jìn)行大壩建設(shè)。

[1] 賈紹鳳. 根據(jù)植被估算黃土高原的自然侵蝕和加速侵蝕──以安塞縣為例[J]. 水土保持通報(bào),1995(4):25-32.

[2] 周光亮. 安塞縣淤地壩建設(shè)管理的現(xiàn)狀分析[J]. 陜西水利，2012(4):55-56.

趙世寶(1979-)，男，工程師，主要從事水土保持工作。

S157

A

2096-0506(2016)10-0073-04