土溪口水庫大壩工程地質(zhì)勘察實(shí)例分析

李 瓏

(四川省水利水電勘測設(shè)計研究院勘察分院，四川成都 611731)

1 工程概況

土溪口水庫位于四川省宣漢縣渡口鄉(xiāng)境內(nèi)，是在渠江左源—州河左岸支流—前河上游河段興建的一座以防洪為主，兼發(fā)電的大型水利工程。大壩位于渡口鄉(xiāng)上游0.9 km處，距宣漢縣城100 km。有省道S201于庫壩區(qū)通過，交通方便，見圖1。水庫區(qū)及左、右岸低鄰谷—東河、中河廣泛分布二疊系與三疊系下統(tǒng)碳酸鹽巖，僅局部庫段出露志留系及三疊系上統(tǒng)須家河組砂頁巖，可溶巖庫段約占90%以上，溶蝕洼地、漏斗、落水洞和溶洞等巖溶地貌較發(fā)育，庫、壩區(qū)巖溶水文地質(zhì)條件較復(fù)雜。水庫正常蓄水位562m，總庫容1.60億m3，大壩采用碾壓混凝土雙曲拱壩，最大壩高132 m。

圖1 工程區(qū)交通位置圖

2 土溪口水庫擬定壩線概況

壩址區(qū)位于百里峽景區(qū)峽谷口鰱魚泉附近河段，屬侵蝕溶蝕高中山地貌，見圖2。上壩線位于渡口鄉(xiāng)上游1 km處，下壩線位于渡口鄉(xiāng)三道河與前河匯口上游370 m處。上壩線以上河段河谷范圍出露基巖為鹽溶角礫巖，且1號背斜于該河段橫穿而過，建壩工程地質(zhì)條件較差;下壩線以下河段河流轉(zhuǎn)向，距渡口鄉(xiāng)場口不足180 m，水工建筑物布置困難、涉及部分場鎮(zhèn)搬遷，且左岸分布有厚層鹽溶角礫巖。因而在鰱魚泉上游200 m至三道河與前河匯口處，長約0.9 km河段擬定上、下壩線進(jìn)行比選。

圖2 壩址區(qū)實(shí)景圖

初設(shè)階段重點(diǎn)布置了以下工作:對壩址區(qū)分布的鹽溶角礫巖進(jìn)行地質(zhì)測繪，除布置物探、鉆探外，還布置平硐對其進(jìn)行追蹤勘察;同時在鉆孔、平硐內(nèi)進(jìn)行孔內(nèi)電視、聲波測試以及原位大剪、變形試驗(yàn)。查明壩址區(qū)各層鹽溶角礫巖的空間分布和性狀特征;據(jù)巖體溶蝕風(fēng)化蝕變特征、裂隙發(fā)育程度及其充填夾泥情況，結(jié)合聲波測試、鉆孔電視及現(xiàn)場試驗(yàn)成果，將裂隙性溶蝕風(fēng)化帶劃分為上、下亞帶;并布置了巖體現(xiàn)場變形試驗(yàn)、直剪試驗(yàn)，進(jìn)一步復(fù)核壩基(肩)不同風(fēng)化程度、類型巖體及巖體結(jié)構(gòu)面的力學(xué)特性;對壩址區(qū)地表出露及平硐、鉆孔揭示的長大結(jié)構(gòu)面和基體裂隙進(jìn)行了測繪、統(tǒng)計，分析確定壩基、拱壩抗力體、拱肩槽與壩肩邊坡及廠房后邊坡穩(wěn)定分析的邊界條件，并進(jìn)行了穩(wěn)定分析、計算和評價。分部位和高程對拱壩抗力體中局部潛在的確定性和不確定性塊體組合模式進(jìn)行了分析和評價，對拱肩槽上、下游側(cè)及正面邊坡中潛在不穩(wěn)定塊體進(jìn)行了穩(wěn)定性分析;防滲原則平面上左岸接穩(wěn)定地下水位，右岸以巴東組非可溶巖地層為依托，接穩(wěn)定地下水位或巴東組非可溶巖地層。垂直防滲下限以截斷地下巖溶管道系統(tǒng)，穿過深部巖溶發(fā)育下限高程及長觀穩(wěn)定地下水位，同時進(jìn)入透水率小于3 Lu相對隔水巖體中。

據(jù)土溪口水庫上、下壩線工程地質(zhì)條件，上、下壩線在河床覆蓋層厚度及基巖巖性等方面大致相當(dāng)，上壩線在河谷寬高比、兩岸山體寬厚等地形條件及構(gòu)造條件等方面優(yōu)于下壩線;下壩線右岸抗力體中發(fā)育有f7斷層，壩基巖體受三號倒轉(zhuǎn)向斜及f4，f5斷層影響，巖體完整性差，構(gòu)造條件較上壩線差。上壩線下游16 m左岸邊沿上ZK2號孔順河向分布有強(qiáng)溶蝕風(fēng)化(強(qiáng)風(fēng)化)深槽，右岸分布的鰱魚泉地下巖溶管道系統(tǒng)發(fā)育有多條管道，右岸防滲線斜穿鰱魚泉地下巖溶管道系統(tǒng)1號及2號管道，流量較大，水頭較高，地下巖溶形態(tài)較復(fù)雜，處理及施工難度較大;下壩線右岸及河床壩基段巖體風(fēng)化帶厚度略大于上壩線，左岸巖溶發(fā)育下限高程低于上壩線，右岸壩肩發(fā)育的下石埡子溶蝕槽谷為一單薄河間地塊，巖溶地質(zhì)條件較復(fù)雜，右岸防滲線長度較上壩線長170 m。因此，僅從工程地質(zhì)條件來看，上、下壩線均具有建壩的地質(zhì)條件，上壩線工程地質(zhì)條件略優(yōu)于下壩線。設(shè)計經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)等方面綜合比較后，選擇上壩線作為推薦壩線。

3 上壩線壩基工程地質(zhì)條件

3.1 左岸壩基工程地質(zhì)條件

據(jù)地表調(diào)查測繪，平硐和鉆探揭示，左岸巖溶發(fā)育程度較弱。部分鉆孔巖芯中見溶隙、溶孔和晶孔分布，巖溶發(fā)育下限高程為476 m。強(qiáng)卸荷及表層強(qiáng)溶蝕風(fēng)化帶內(nèi)巖體較破碎，除層面裂隙外，長大結(jié)構(gòu)面主要發(fā)育有擠壓錯動帶、長大構(gòu)造裂隙等。這些長大結(jié)構(gòu)面與層面裂隙組合后可能形成潛在滑移塊體，對壩肩邊坡、拱壩下游抗力體的穩(wěn)定性均有一定影響，拱肩槽邊坡開挖臨空后，對表層強(qiáng)溶蝕風(fēng)化巖體的穩(wěn)定性亦有一定影響。

據(jù)鉆孔水文資料，左岸防滲剖面末端布置的長觀孔孔深分別為554.22 m及463.89 m，孔底至河水位高程以下。左岸地下水位向山內(nèi)漸升高，推測地下水位與正常蓄水位交點(diǎn)至左壩肩水平距離約370 m，反映了地下水動力模式為地下水補(bǔ)給河水，地下水面形態(tài)特征屬直線型。

鉆孔水文試驗(yàn)成果表明，表層強(qiáng)溶蝕風(fēng)化及裂隙性溶蝕風(fēng)化上帶巖體均為弱～中等透水性;裂隙性溶蝕風(fēng)化下帶巖體主要為弱透水性;微新巖體透水率為微～弱透水性。正常蓄水位以下q＞3 Lu的透水巖體鉛直厚度為85 m～97 m，故存在壩基滲漏及繞壩滲漏問題。

3.2 河床壩基工程地質(zhì)條件

據(jù)鉆探揭示，河床壩基段巖溶發(fā)育程度總體較弱，未揭示有規(guī)模較大的地下巖溶洞穴。部分勘探孔巖芯中見溶隙、溶孔和晶孔分布。河床壩基段河谷中部深巖溶主要為晶洞、溶孔，其發(fā)育下限高程為334 m。

表層強(qiáng)溶蝕風(fēng)化帶內(nèi)巖體較破碎～完整性差，河床壩基范圍建基面高程433.3 m以下巖體中除層面裂隙外，主要發(fā)育有長大構(gòu)造裂隙及河床基體構(gòu)造裂隙。構(gòu)造裂隙與層面裂隙組合后可能形成潛在滑移塊體，對壩基抗滑穩(wěn)定有一定影響。大壩泄洪溢流時，水流將沖刷淘蝕河床及岸坡，亦存在大壩下游沖刷穩(wěn)定問題。

據(jù)鉆孔水文試驗(yàn)資料，表層強(qiáng)溶蝕風(fēng)化巖體具中等～強(qiáng)透水性，裂隙性溶蝕風(fēng)化上帶巖體多具中等透水性;裂隙性溶蝕風(fēng)化下帶巖體屬中等～弱透水性;微新巖體透水多具微～弱透水性。q≥3 Lu的透水巖體下限高程為330.4 m，透水巖體鉛直厚度為78 m～127 m，存在壩基滲漏問題。

3.3 右岸壩基工程地質(zhì)條件

據(jù)地表調(diào)查測繪，平硐和鉆探揭示，巖溶發(fā)育相對較強(qiáng)，在壩線下游上石埡子和下石埡子一帶地表可見溶溝、溶槽、石芽，其間漏斗和落水洞等巖溶地貌發(fā)育;壩線下游140 m右岸河邊發(fā)育有地下巖溶管道系統(tǒng)，對壩址區(qū)工程影響較大。據(jù)勘探揭示壩址區(qū)右岸存在大小不等的溶洞(溶腔)共21個。部分鉆孔巖芯中見溶隙、溶孔和晶洞分布，部分巖芯溶蝕呈蜂窩狀，巖溶發(fā)育下限高程為425 m。

強(qiáng)卸荷及強(qiáng)溶蝕風(fēng)化帶內(nèi)巖體較破碎，巖體中除層面裂隙外，主要發(fā)育有擠壓錯動帶、長大構(gòu)造裂隙等。這些長大結(jié)構(gòu)面與層面裂隙組合后可能形成潛在滑移塊體，對壩肩邊坡、拱壩下游抗力體的穩(wěn)定性均有一定影響，拱肩槽邊坡開挖臨空后，對表層強(qiáng)溶蝕風(fēng)化巖體的穩(wěn)定性亦有一定影響。

據(jù)長觀孔水位觀測資料，沿上石埡子溶蝕槽谷明顯形成一個NW-SE向的地下水位凹槽。地下水水力坡降約1.5% ～3%，說明地下巖溶洞穴在該段也較平緩，順層面沿巖層走向N68°W近水平延伸，高程為458.2 m～467.37 m。地下水位總體趨勢向山內(nèi)逐漸升高，反映了地下水動力模式為地下水補(bǔ)給河水。

鉆孔水文試驗(yàn)成果表明，表層強(qiáng)溶蝕風(fēng)化巖體具中等～強(qiáng)透水性;裂隙性溶蝕風(fēng)化上、下帶巖體多具弱～中等透水性;微新巖體多為微～弱透水性。正常蓄水位以下q＞3 Lu的透水帶巖體鉛直厚度為75.4 m～108.4 m。由于風(fēng)化巖體透水率大，因而存在壩基滲漏及繞壩滲漏問題。右岸存在地下巖溶管道系統(tǒng)，因此存在巖溶滲漏及地下巖溶洞穴的地質(zhì)缺陷處理問題。

4 上壩線壩基工程地質(zhì)評價

4.1 壩基持力層的選擇

推薦壩型為底寬35 m，頂寬8 m的碾壓混凝土雙曲拱壩，河床壩基段建基面高程為433.3 m，壩頂高程565.3 m，最大壩高132.0 m。河床壩基建基面及兩岸坡嵌入深度的選擇分述如下:

1)河床壩基建基面選擇。

據(jù)拱肩巖體結(jié)構(gòu)和質(zhì)量特征，河床壩基段設(shè)計建基面高程為433.3 m，清除砂卵礫石覆蓋層及表層強(qiáng)溶蝕風(fēng)化、裂隙性溶蝕風(fēng)化上帶巖體，以裂隙性溶蝕風(fēng)化下帶及微新巖體作為大壩建基面，對局部完整性較差巖體采取固結(jié)灌漿處理措施，提高建基面巖體完整性。左岸順河流方向表層強(qiáng)溶蝕風(fēng)化帶深槽位于上壩線壩趾下游12.0 m處水墊溏內(nèi)，應(yīng)復(fù)核其對拱壩壩基穩(wěn)定影響，并據(jù)復(fù)核結(jié)果采取相應(yīng)工程處理措施。

據(jù)河床壩基段鉆探揭示，混合膠結(jié)鹽溶角礫巖于河床壩基一帶斜穿而過，壩基巖體質(zhì)量分級為CⅣ類，不宜作為拱壩等剛性壩高混凝土壩地基持力層，建議采取專門的工程處理措施(如刻槽回填混凝土)后，方可作為壩基持力層。

2)大壩兩岸嵌入深度的選擇。

設(shè)計據(jù)拱壩受應(yīng)力大小及狀態(tài)以530 m高程為界將壩體分為二個部分，高程530 m以上的高拱圈為高高程，應(yīng)力較低，對壩基巖體的承載變形能力要求相對較低;高程530 m以下的中低拱圈為中低高程，應(yīng)力較高，對壩基巖體的承載變形能力要求較高。據(jù)壩基巖體結(jié)構(gòu)、質(zhì)量分級和物理力學(xué)特征，經(jīng)過反復(fù)分析研究，河床高壩段以微新巖體(AⅡ)作為壩基持力層，兩岸隨壩高逐漸減小，在加強(qiáng)地基處理和設(shè)計復(fù)核滿足大壩應(yīng)力條件的基礎(chǔ)上建基面可適當(dāng)提高。兩岸拱肩槽嵌入巖體深度，分部位和高程對拱肩槽嵌入深度進(jìn)行了深入分析研究，530 m以下中低高程建議嵌入微新巖體(AⅡ)或裂隙性溶蝕風(fēng)化下帶(AⅢ1)巖體中，530 m以上高高程壩段經(jīng)設(shè)計復(fù)核可局部嵌入裂隙性溶蝕風(fēng)化上帶(BⅢ2)中。

4.2 壩基抗滑穩(wěn)定評價

河床壩基范圍的勘探孔未揭示有擠壓錯動帶等Ⅳ級結(jié)構(gòu)面，僅鉆孔揭示建基面高程433.3 m以下巖體中發(fā)育有結(jié)構(gòu)面編號為J34及J104的長大構(gòu)造裂隙，詳見表1。

表1 河床壩基范圍建基面以下結(jié)構(gòu)面特征表

鑒于J104位于壩趾下游14 m河床中心，緩傾右岸偏下游，對拱壩抗滑穩(wěn)定無影響;J34位于河床壩基段建基面以下22.3 m～26.7 m，埋深較大且緩傾左岸偏下游，不構(gòu)成拱壩抗滑穩(wěn)定底滑面。J34長大構(gòu)造裂隙及層面裂隙等Ⅴ1級結(jié)構(gòu)面與河床發(fā)育的5組Ⅴ2級優(yōu)勢基體裂隙相互切割組合后僅構(gòu)成楔形塊體。

5 結(jié)語

通過前述地質(zhì)測繪、物探、鉆探及平硐等工程地質(zhì)勘察手段，重點(diǎn)查明了土溪口水庫上、下壩線工程地質(zhì)條件。并通過壩線比選，選擇上壩線作為推薦壩線，并選擇拱壩作為推薦壩型。對上壩線擬定的拱壩方案壩基持力層的選擇、壩基抗滑穩(wěn)定、壩肩邊坡穩(wěn)定、壩基巖溶滲漏、拱壩抗力體穩(wěn)定等工程地質(zhì)問題進(jìn)行工程地質(zhì)評價。