一座水庫壩基地質(zhì)特征及大壩壩型比選分析

高 峰

（山西省水利水電勘測設(shè)計研究院 山西太原 030024）

1 工程概況

某水庫擬建大壩樞紐位于某河流上游，設(shè)計最大壩高52.0 m，壩頂相對高程為52.0 m，最大庫容1 890×104m3。屬Ⅲ等中型水庫工程。主要用于解決城鎮(zhèn)的供水。

2 大壩地質(zhì)特征

壩址位于某河流河谷，地貌單元為高原河流侵蝕堆積地貌，地形上為山間河谷，河谷斷面呈“V”字形。河床相對高程為-6.5～-5.5 m，寬近90 m，主河床位于河谷右側(cè)，寬約17 m，左岸坡度約21°，右岸岸坡由下部的約38°漸變?yōu)橹猩喜康?7°。兩岸坡及河谷底均被松散層覆蓋。

壩址區(qū)覆蓋層有分布于兩壩肩的第四系上更新統(tǒng)坡洪積堆積物與河谷中的第四系全新統(tǒng)洪沖積堆積物。其地層特征如下:

1）第四系上更新統(tǒng)坡洪積堆積物為褐紅、棕紅色高液限粉（黏）土，下部含有較多鈣質(zhì)結(jié)核與少量礫石。土層的含水率為37.7%～59.2%，平均值45.3%；干密度為 0.80～1.18 g/cm3，平均 1.00 g/cm3；塑性指數(shù)為19.7%～82.1%，平均值43.7%；液性指數(shù)為-0.38～0.39，多呈堅(jiān)硬-硬塑，黏粒含量31.7%～66.8%，平均值50.1%；土層不具膨脹性。層厚左壩肩為11.0～19.4 m，右壩肩為18.2～27.8 m。

2）第四系全新統(tǒng)洪沖積堆積物為褐紅、淺紅、褐色高液限粉土，松散-稍密，具中等壓縮性，含腐植質(zhì)，工程性質(zhì)差。層厚4.6～7.9 m。

壩址區(qū)涉及的基巖地層均為第三系火成巖（TV）。

壩址區(qū)基巖以厚層～巨厚層火山角礫巖與熔結(jié)凝灰?guī)r為主，左岸分布有巨厚層角閃粗面巖透鏡體。按巖性組合將壩址區(qū)的基巖劃分為三個巖組（T-1～T-3），各巖組巖性及厚度見表 1。T-2（1）、T-2（2）為質(zhì)軟土體，屬于第三系兩次火山噴發(fā)間歇松散堆積物質(zhì)，分布于左壩肩與壩基下部，右壩肩相對高程-28.5 m以上未發(fā)現(xiàn)該層。各鉆孔中該層具體位置見表2。

表1 壩址區(qū)巖組巖性特征概要表

表2 壩址區(qū)T-2層特征概要表

壩址區(qū)第三系火成巖T-1巖組熔結(jié)凝灰?guī)r飽和塊體密度為 1.84～2.36 g/cm3，平均值為 2.11 g/cm3，飽和抗壓強(qiáng)度 7.0～90.1 MPa，平均值 26.6 MPa，軟化系數(shù) 0.49～0.96，平均值 0.75，飽和泊松比為 0.18～0.25，平均值0.21。

壩基T-2巖組組成物質(zhì)較為不均，多由碎石、級配不良砂、級配良好礫、低液限粉（黏）土等組成。

壩址區(qū)第三系火成巖T-3（1）巖組熔結(jié)凝灰?guī)r飽和塊體密度為 2.03～2.32 g/cm3， 平均值為 2.11 g/cm3，飽和抗壓強(qiáng)度3.62～29.4 MPa，平均值13.3 MPa，軟化系數(shù) 0.36～0.94，平均值 0.72，飽和泊松比為 0.17～0.23，平均值 0.20。T-3（2）巖組火山角礫巖飽和塊體密度為 1.82～2.37 g/cm3，平均值為 2.24 g/cm3，飽和抗壓強(qiáng)度 4.86～44.0 MPa，平均值 22.43 MPa，軟化系數(shù)0.15～0.98，平均值 0.58，飽和泊松比（μ50）為 0.18～0.23，平均值 0.20。T-3（3）巖組角閃粗面巖飽和塊體密度為 1.63～2.30 g/cm3，平均值為 2.06 g/cm3，飽和抗壓強(qiáng)度 4.34～77.8 MPa，平均值 58.01 MPa，軟化系數(shù)0.53～0.94，平均值 0.79，飽和泊松比（μ50）為 0.22～0.23，平均值 0.23。

壩址區(qū)巖體出露較少，只在壩軸線上、下游各300～440 m處裸露基巖，巖層無明顯層理，節(jié)理裂隙較發(fā)育，未發(fā)現(xiàn)有斷層存在。

壩址區(qū)地下水類型有第四系孔隙水和基巖裂隙水兩種。前者分布于河床，埋深2.5～3.0 m，水位相對高程為-2.5～-1.0 m，水位隨季節(jié)性變化。基巖裂隙水分布于兩岸，水位高于河水位，均向河床排泄。

3 壩型比選

1）重力壩。主要依靠壩體自重產(chǎn)生的抗滑力來滿足穩(wěn)定要求，依靠壩體自重產(chǎn)生的壓應(yīng)力來抵消由于水壓力所引起的拉應(yīng)力來滿足強(qiáng)度要求。

壩基基巖層中夾有較為連續(xù)的第三系火山噴發(fā)間歇松散堆積物T-2土層，該層工程性質(zhì)較差，最淺埋深約40 m，清除覆蓋層后埋深約35 m，層厚22.3～27.3 m。雖然重力壩對地形、地質(zhì)條件適應(yīng)性強(qiáng)，壩體作用于地基面上的壓應(yīng)力不高，但由于T-2層軟層屬河流相土體，工程性質(zhì)較差，在上部重力壩壩體的荷載作用下，分析該層可能會成為潛在的變形滑移層，危及大壩安全。

2）土壩。對壩基工程地質(zhì)條件要求較低，可不考慮T-2層的影響，且大壩四周土料豐富。

水庫土料場土料天然含水率39.5%～65.4%，平均值48.2%，塑性指數(shù)31.8～49.7，平均值39.3，黏粒含量27.3%～67.3%，平均值46.7%，干密度為 0.85～1.12g/cm3，平均值為1.00 g/cm3。其最優(yōu)含水率為44.4%～55.1%，平均值為48.5%，最大干密度為1.04～1.20 g/cm3，平均值為1.13 g/cm3?；景凑?.96的壓實(shí)度配樣，對所配土樣進(jìn)行了滲透試驗(yàn)，得出其垂直滲透系數(shù)為1.50×10-7～6.01×10-6cm/s，平均值為 2.51×10-6cm/s，具極微滲透性。對所配土樣進(jìn)行了壓縮試驗(yàn)，得出土料在配樣壓實(shí)后作為均質(zhì)壩土料與防滲土料其滲透性均能滿足規(guī)范質(zhì)量要求。土料最優(yōu)含水率與天然含水率相近，擊實(shí)后滲透系數(shù)滿足填筑料與防滲料規(guī)范要求。土料黏粒含量偏高，塑性指數(shù)偏大，作為均質(zhì)壩土料及防滲土料均難以滿足規(guī)范質(zhì)量要求。因此需針對土料黏粒含量高進(jìn)行處理。

3）面板堆石壩。是以堆石體為支承結(jié)構(gòu)，在其上游表面澆筑混凝土面板作為防滲結(jié)構(gòu)的堆石壩。優(yōu)點(diǎn)是施工速度快，可充分利用當(dāng)?shù)靥烊徊牧?，能適應(yīng)不同的地質(zhì)條件，施工方法比較簡便，在地震區(qū)具有可靠的穩(wěn)定性，施工時受氣候條件的影響較小。

壩址附近及庫區(qū)土層下廣泛分布火山角礫巖、熔結(jié)凝灰?guī)r，局部裸露，該兩種巖石飽和抗壓強(qiáng)度多小于30MPa，可以滿足壩體堆石體的原巖質(zhì)量設(shè)計要求。

采用該壩型的缺點(diǎn)是開采巖石時可能要挖除上部較厚的覆蓋土層。

4 結(jié)語

該水庫大壩壩基地層巖性表層為松散覆蓋層，下伏火山角礫巖、凝結(jié)熔灰?guī)r，基巖體中夾有較厚層的兩次火山噴發(fā)間歇期沉積的松散堆積質(zhì)軟土體。根據(jù)大壩壩基地層結(jié)構(gòu)與大壩附近所具有的建壩材料，重點(diǎn)考慮大壩運(yùn)行安全，結(jié)合考慮經(jīng)濟(jì)建壩，對重力壩、土壩、面板堆石壩三種壩型從安全與經(jīng)濟(jì)角度進(jìn)行比選。由于壩基基巖體中夾有厚層的T-2層質(zhì)軟層，構(gòu)成潛在的變形滑移層，因此不建議選取重力壩型。水庫大壩及庫區(qū)附近土體黏粒含量較高，不適宜于直接筑壩，需要在進(jìn)行專門處理后才可筑壩，選取土壩經(jīng)濟(jì)上與時間上較為劣勢。大壩附近滿足設(shè)計要求的堆石料塊石較為豐富，選取面板堆石壩較為合適。