納慶水庫(kù)壩址區(qū)工程地質(zhì)條件分析論證

熊 偉，韓 敏,楊 蘭

(1.貴州海禹勝天工程咨詢(xún)有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550002；2.貴州中水建設(shè)管理股份有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550002；3.西安理工大學(xué)，陜西 西安 710048)

納慶水庫(kù)位于貴州省羅甸縣共新村附近，距羅甸縣城約58km。壩址集水面積22.8km2，正常蓄水位560.0m，最大壩高39.0m，相應(yīng)庫(kù)容137×104m3。工程主要任務(wù)是解決城鎮(zhèn)和農(nóng)村安全飲水及農(nóng)業(yè)灌溉。通過(guò)納慶水庫(kù)地質(zhì)勘察工作，對(duì)建基面選擇、邊坡穩(wěn)定性、壩基防滲等進(jìn)行了全面分析和反復(fù)論證，提出了較優(yōu)的壩址和壩型，確保設(shè)計(jì)方案與工程實(shí)際具有良好匹配性能[1- 2]。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

納慶水庫(kù)位于云貴高原南緣向桂西北山區(qū)與丘陵過(guò)渡的斜坡地帶，總體地勢(shì)北高南低、東西高中部低，呈階梯式下降。高程一般在400～1200m之間，最高點(diǎn)位于西北部山頭，山頂高程1249.0m，最低點(diǎn)為南部紅水河河床，海拔高程為270.0m，相對(duì)高差979.0m。地表切割深度多為100～300m，地質(zhì)構(gòu)造對(duì)地貌發(fā)育具有較強(qiáng)的控制作用，自然坡度一般為30°～45°。局部河谷、溝谷兩岸較陡，植被發(fā)育，沿?cái)嗔褞У乇砬懈钶^強(qiáng)烈，屬以侵蝕、溶蝕峰叢山地為主的中低山地貌。測(cè)區(qū)出露地層主要為泥盆系中上統(tǒng)(D2-3)、石炭系中上統(tǒng)(C2-3)、二疊系(P)、三疊系中下統(tǒng)(T1-2)等。地層巖性主要為灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r、泥巖、泥灰?guī)r、煤層、鈣質(zhì)泥巖、鈣質(zhì)砂巖等。水庫(kù)位于貴定南北向構(gòu)造變形區(qū)，其主要構(gòu)造行跡形成于燕山期，屬桑郎弧形構(gòu)造帶及床井穹窿構(gòu)造帶。主要構(gòu)造為一系列北西向平行排列的褶皺和逆沖斷層及部分EW向構(gòu)造。河流切割較深，總體呈SN向展布，水系呈樹(shù)枝狀分布。

2 水庫(kù)壩址區(qū)工程地質(zhì)條件分析論證

2.1 壩址選擇

建壩河段位于然繞河中游，總長(zhǎng)約1.0km。兩岸山頂海拔均高于700.0m，邊坡自然坡度20°～45°，兩岸沖溝發(fā)育，為深切型河谷地貌。河床高程522.0～535.0m，平均縱比降13.26‰，整體平順，無(wú)明顯陡坎或深潭發(fā)育。河流整體為S34°E，左岸發(fā)育4條沖溝，右岸發(fā)育3條沖溝，為基本對(duì)稱(chēng)“V”字型河谷地貌。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)勘察，初選兩個(gè)壩址進(jìn)行同精度勘察比較[3]，上壩址位于建壩河段起始端，下壩址位于建壩河段末端，如圖1所示。

圖1 水庫(kù)上下壩址位置示意

納慶水庫(kù)上、下壩址相距約330m。地質(zhì)成果綜合對(duì)比分析表明：

(1)地形地貌。上壩址利于布置樞紐建筑物，優(yōu)于下壩址。

(2)地層巖性。上、下壩址相當(dāng)。

(3)地質(zhì)構(gòu)造。下壩址較上壩址復(fù)雜，上壩址優(yōu)。

(4)巖溶與防滲。下壩址右岸ZK6鉆孔揭露巖溶發(fā)育，地下水位低平，防滲帷幕總面積14387m2，其中f2斷層上盤(pán)(左岸)帷幕總面積6395m2，單排孔布置，孔間距2m，f2下盤(pán)(右岸)帷幕總面積7992m2，雙排孔布置，孔間距2m。由于巖溶發(fā)育的不確定性，導(dǎo)致防滲帷幕處理難度大、工程量大、帷幕效果差[4]。

(5)覆蓋層及風(fēng)化深度。上、下壩址相當(dāng)，右岸剛性壩壩肩開(kāi)挖將形成約50m高的土質(zhì)邊坡，自穩(wěn)能力差，支護(hù)難度極大。

總之，下壩址工程地質(zhì)條件復(fù)雜，防滲帷幕處理技術(shù)難度及工程量較大，建壩適宜性差。另外，剛性壩壩肩開(kāi)挖后，會(huì)形成較高的土質(zhì)邊坡。因此，設(shè)計(jì)選定上壩址瀝青心墻堆石壩方案。

2.2 選定壩址地質(zhì)條件分析

2.2.1 地形地貌

上壩址位于建壩河段起始端，上游距三岔河1.0km，下游距納共新村約1.3km，建壩河段長(zhǎng)300m。河流總體流向S28°E，往上游大轉(zhuǎn)彎，流向轉(zhuǎn)向近EW，下游轉(zhuǎn)至S6°E。左岸地形坡度30°～35°，右岸地形坡度25°～30°，河床高程528.4～531.6m，河床寬5.0～8.0m，河槽寬25.0～48.0m，兩岸臺(tái)地寬0.0～36.0m，臺(tái)地高于河床1.0～3.0m。

2.2.2 地層巖性條件

地表地質(zhì)測(cè)繪結(jié)合鉆探揭露，壩址河床覆蓋層厚3.0～5.0m，為砂卵礫石層。右岸坡腳河床邊基巖零星裸露，上部岸坡覆蓋層普遍分布，厚0.0～16.0m，表層為灰黑色粉質(zhì)粘土，厚0.5～1.0m，下部為紅黃色粉質(zhì)粘土夾碎石；左岸坡均為第四系殘坡積層覆蓋，厚5.0～21.0m，表層為灰黑色粉質(zhì)粘土，厚0.5～1.0m，下部為紅黃色粉質(zhì)粘土夾碎石。下伏地層巖性為三疊系中統(tǒng)版納組第一段(T2b1)薄層狀泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖夾薄層泥質(zhì)灰?guī)r。左岸下部為三疊系下統(tǒng)大冶組第二段(T1dy2)灰、深灰色薄至中厚層泥質(zhì)灰?guī)r夾薄層粉砂質(zhì)泥巖。出露地層巖性為泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖等碎屑巖夾泥質(zhì)灰?guī)r，地表未發(fā)現(xiàn)明顯溶洞、落水洞等，巖溶發(fā)育弱。

2.2.3 地質(zhì)構(gòu)造條件

壩址區(qū)位于新龍堡向斜北東翼，軸部距壩址河床440m。節(jié)理裂隙發(fā)育，主要發(fā)育4組，①N35～60°E/NW∠65°～70°，一般延伸長(zhǎng)大于3.0m，切深1.0～5.0m，裂隙寬0.5～3.0mm，間距0.3～0.5m。裂面平直光滑，強(qiáng)風(fēng)化帶內(nèi)裂隙充填泥質(zhì)及植物根系，進(jìn)入弱風(fēng)化巖體后逐漸閉合；②N20°～30°W/NE∠80°～85°，延伸長(zhǎng)度1.0～5.0m，切深1.0～3.0m，裂隙寬1.0～5.0mm，局部達(dá)1cm，間距0.5～1.0m，強(qiáng)風(fēng)化巖體內(nèi)裂隙充填泥質(zhì)、巖屑，進(jìn)入弱風(fēng)化巖體后逐漸閉合；③N70°～80°W/NE∠60°～70°，延伸長(zhǎng)度1.0～3.0m，切深0.5～2.0m，裂隙寬1.0～3.0mm，局部更寬，間距0.5～1.5m，強(qiáng)風(fēng)化巖體內(nèi)裂隙充填泥質(zhì)、植物根系，進(jìn)入弱風(fēng)化巖體后逐漸閉合；④EW/N∠60°～65°，延伸長(zhǎng)度1.0～3.0m，切深0.5～2.0m，裂隙寬1.0～3.0mm，間距1.0～2.0m，強(qiáng)風(fēng)化巖體內(nèi)裂隙充填泥質(zhì)、植物根系，進(jìn)入弱風(fēng)化巖體后逐漸閉合。上述4組裂隙中，以第①組最為發(fā)育，第②、③較發(fā)育，第④組次之。

壩址區(qū)巖層呈單斜構(gòu)造，巖層產(chǎn)狀為N19°E/NW∠28°，傾向右岸略偏上游。

2.2.4 巖體風(fēng)化帶

在上壩址右岸及河床各布置1個(gè)鉆孔，左岸布置兩個(gè)鉆孔。根據(jù)地表地質(zhì)測(cè)繪結(jié)合壓水試驗(yàn)成果分析表明[5]：表層強(qiáng)風(fēng)化巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，多呈張性，巖體完整性差，一般大于10Lu，屬于中等透水性。弱風(fēng)化帶巖體節(jié)理裂隙較發(fā)育，透水率5～10Lu，屬于弱透水性上帶；微新巖體節(jié)理裂隙少量發(fā)育，一般小于3～5Lu，屬于弱透水性中帶。壩址兩岸正常蓄水位以下覆蓋層普遍分布，右岸坡腳基巖零星裸露。壩址區(qū)巖體風(fēng)化分帶見(jiàn)表1。

表1 壩址區(qū)巖體風(fēng)化分帶表

2.2.5 巖溶水文地質(zhì)條件

壩址以上地表集雨面積約22.8km2，碳酸鹽巖分布較廣。庫(kù)區(qū)主要為(T2b1)碎屑巖地層，左岸坡有三疊系下統(tǒng)大冶組第二段(T1d2)灰、深灰色薄至中厚層泥質(zhì)灰?guī)r、泥灰?guī)r夾薄層粉砂質(zhì)泥巖分布，有隱伏巖溶發(fā)育。溶蝕裂隙在岸坡亦有分布，總體發(fā)育較弱。庫(kù)區(qū)中部出露巖性為粉砂巖、泥巖等碎屑巖夾少量薄層泥質(zhì)灰?guī)r、泥灰?guī)r。地下水類(lèi)型以基巖裂隙水為主，少量巖溶水，主要以分散方式補(bǔ)給庫(kù)區(qū)河水。

2.3 建壩地質(zhì)條件論證

(1)建基面選擇

本工程最大壩高39.0m，屬中壩。壩基為T(mén)2b1泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖等。根據(jù)土石壩壩型特點(diǎn)，設(shè)計(jì)將心墻基礎(chǔ)置于弱風(fēng)化基巖上部，并作固結(jié)灌漿處理，兩壩肩需逐漸提升至強(qiáng)風(fēng)化中帶[6]。上、下游堆體部分需將覆蓋層全部清除，兩岸則清除表層覆蓋層和松散巖石塊體即可。

(2)壩基抗壓縮變形

壩基強(qiáng)風(fēng)化巖體厚度5.0～7.0m，弱風(fēng)化厚度9.0～11.0m。強(qiáng)風(fēng)化巖體承載力加權(quán)平均值為fak=0.35～0.40MPa，弱風(fēng)化巖體為fak=1.2～1.5MPa，能滿(mǎn)足堆石壩壩基承載力要求。

(3)邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

壩址區(qū)自然邊坡25°～35°，左岸覆蓋層普遍分布，厚5.0～21.0m；右岸覆蓋層厚0.0～16.0m。河床邊有零星基巖裸露，地層巖性為T(mén)2b1泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖傾向右岸偏上游，自然邊坡穩(wěn)定[7]。

壩基開(kāi)挖后，壩頂高程以上將會(huì)形成最大約50.0m高的人工永久土質(zhì)邊坡，遇水易局部垮塌變形引發(fā)大規(guī)模垮塌，需按照合理坡比進(jìn)行分級(jí)開(kāi)挖，且進(jìn)行掛網(wǎng)噴錨支護(hù)及排水處理。覆蓋層設(shè)計(jì)開(kāi)挖邊坡比為1∶1.0～1∶1.25，強(qiáng)風(fēng)化基巖為1∶0.75～1∶1.0。

(4)壩基防滲處理

壩址區(qū)出露地層巖性為三疊系中統(tǒng)版納組第二段(T2b1)青灰，灰綠色薄層狀粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖，為相對(duì)隔水層。左岸地表以下40～60m為三疊系下統(tǒng)大冶組第二段(T1dy2)泥質(zhì)灰?guī)r夾泥巖，為中等透水巖體，擬采用懸掛帷幕方式防滲，河床及右岸接相對(duì)隔水層[8，9]，即：左岸防滲帷幕端點(diǎn)接水庫(kù)正常蓄水位與地下水位交點(diǎn)深入10.0m，帷幕下限以進(jìn)入地下水位10.0～15.0m為宜；河床段及右岸防滲下限以進(jìn)入巖體透水率小于3Lu以下10m，導(dǎo)流洞位置下限深入至隧洞底板以下10m。為方便施工，右岸防滲帷幕下限全部下移[10]。帷幕線總長(zhǎng)352.9m，帷幕總面積12956m2，單排孔，孔間距2m，地表造孔灌漿。

(5)抗沖刷評(píng)價(jià)

瀝青心墻堆石壩通過(guò)岸坡式溢洪道泄洪，溢洪道出口設(shè)有消能設(shè)施。由于下游基巖以碎屑巖為主，抗沖刷能力弱。強(qiáng)風(fēng)化巖體抗沖刷系數(shù)取K=1.6～1.8，為防止水庫(kù)泄洪對(duì)岸坡沖刷引發(fā)滑坡、垮塌等地質(zhì)災(zāi)害，需對(duì)岸坡進(jìn)行防防沖刷處理。

3 結(jié)論

(1)上、下壩址工程地質(zhì)條件基本一致，均具備建壩條件。同精度地質(zhì)勘察結(jié)果表明：下壩址地質(zhì)構(gòu)造及水文地質(zhì)條件較上壩址復(fù)雜。設(shè)計(jì)選擇地形地貌利于樞紐建筑物布置、地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單、防滲灌漿量小和邊坡自穩(wěn)能力強(qiáng)的上壩址方案。

(2)壩基(肩)巖體承載力低，且兩岸覆蓋層及強(qiáng)風(fēng)化層較厚，剛性壩開(kāi)挖后，左岸將形成約50.0m高的土質(zhì)邊坡；右岸將形成約30.0m高的永久土質(zhì)邊坡。土質(zhì)邊坡自穩(wěn)能力差，支護(hù)難度極大。因此，設(shè)計(jì)選擇地質(zhì)條件適應(yīng)性強(qiáng)的瀝青心墻堆石壩。

(3)庫(kù)區(qū)蓄水后不存在沿庫(kù)岸、庫(kù)尾集中向庫(kù)外集中滲漏的現(xiàn)象，僅在庫(kù)首存在小范圍裂隙型繞滲，可通過(guò)帷幕灌漿處理。庫(kù)岸邊坡總體穩(wěn)定，水庫(kù)修建淹沒(méi)損失大，庫(kù)區(qū)存在一定的淤積，水庫(kù)蓄水后無(wú)誘發(fā)地震的可能性，總體具備成庫(kù)條件。