新疆奇臺(tái)縣某水庫(kù)工程地質(zhì)條件與分析

秦學(xué)林

(新疆昌吉方匯水電設(shè)計(jì)有限公司，新疆 昌吉 831100)

1 概 述

奇臺(tái)某水庫(kù)位于某流域出山口上游約3 km處，距奇臺(tái)縣城55 km，有簡(jiǎn)易公路與水庫(kù)相通，交通條件較好。水庫(kù)工程由攔河壩、右岸放水隧洞(兼導(dǎo)流、沖砂、灌溉放水)、左岸溢洪道等組成。水庫(kù)具有灌溉、防洪、生態(tài)等綜合用途[1-2]。建設(shè)階段規(guī)劃上下兩個(gè)壩址。上壩址位于現(xiàn)有渠首以北約150 m處，攔河大壩為黏土心墻(或澆筑式瀝青砼心墻)砂殼壩，設(shè)計(jì)壩頂高程1 446.70 m，防浪墻頂高程1 447.70 m。最大壩高41.82 m，壩頂長(zhǎng)571 m，壩頂寬8.0 m。下壩址位于現(xiàn)渠首以北約800 m處，攔河大壩為黏土心墻(或澆筑式瀝青砼心墻)砂殼壩，設(shè)計(jì)壩頂高程1 432.20 m，防浪墻頂高程1 433.20 m。最大壩高41.20 m，壩頂長(zhǎng)509.5 m，壩頂寬8.0 m。

2 庫(kù)區(qū)工程地質(zhì)條件

2.1 水庫(kù)地質(zhì)概況

水庫(kù)庫(kù)區(qū)地貌形態(tài)為構(gòu)造剝蝕地形，高程1 392.5～1 550 m，河谷下切深度近160 m，河谷形態(tài)為U型谷，庫(kù)區(qū)內(nèi)谷底寬度最大300 m，最小150 m，庫(kù)岸邊坡在二級(jí)階地以下陡立，坡度60°左右，局部地帶成直立狀；二級(jí)階地以上30°～35°，庫(kù)區(qū)地形成喇叭狀，有兩處可作為壩址比選。庫(kù)區(qū)沖溝較發(fā)育，最大沖溝為左岸的大西溝，沖溝走向大多與河流走向垂直，一般沿泥巖及泥質(zhì)砂巖走向發(fā)育[3]。

庫(kù)區(qū)出露地層主要為第三系上新統(tǒng)昌吉河組(N2ch)，出露于達(dá)坂河兩岸出山口的山麓地帶，巖性為磚紅色、黃紅色、灰色礫巖、砂礫巖、夾紅色泥巖、含礫泥巖，有時(shí)為礫巖和泥巖互層，成塊狀構(gòu)造，具斜層理，傾向北東(下游)。礫巖的礫石成分復(fù)雜，主要是來(lái)自山區(qū)的各種火山巖礫石，次棱角和棱角狀，分選較差，礫徑一般為10 cm以下，鈣質(zhì)泥質(zhì)膠結(jié)。泥巖含砂或小礫石，富含鈣質(zhì)結(jié)核[4]。

第四系上更新統(tǒng)主要分布于庫(kù)區(qū)兩岸Ⅱ、Ⅲ級(jí)階地上，巖性為冰漬泥礫，上覆風(fēng)積黃土，堆積厚度8～26 m。全新統(tǒng)地層分布于現(xiàn)代河床及邊岸坡腳處，主要巖性為卵礫石及坡積碎石土。

2.2 水庫(kù)區(qū)主要工程地質(zhì)問(wèn)題

2.2.1 水庫(kù)滲漏

根據(jù)實(shí)地調(diào)查，水庫(kù)兩岸無(wú)鄰谷發(fā)育，山體雄厚，兩岸第三系地層為泥巖、礫巖互層，透水性弱，出露高度大于壩頂高程，庫(kù)區(qū)內(nèi)無(wú)大的斷層發(fā)育，不利于水庫(kù)的鄰谷滲漏，因此水庫(kù)產(chǎn)生鄰谷滲漏的可能性不大[5]。

2.2.2 水庫(kù)坍岸

水庫(kù)岸坡右岸的Ⅱ、Ⅲ級(jí)階地上覆蓋有冰漬卵礫石和風(fēng)積黃土，厚度8～15 m，這些松散堆積物，在水庫(kù)蓄水后，會(huì)產(chǎn)生一定的塌岸，塌岸區(qū)主要分布于簡(jiǎn)易公路一線，寬度約10～15 m；左岸基巖裸露，階地已被剝蝕掉，不存在大面積塌岸問(wèn)題，僅在河灣的突出部位。由于巖體中的卸荷裂隙較發(fā)育，在水流沖刷浪擊作用下產(chǎn)生一定崩塌[6]。

2.2.3 水庫(kù)浸沒(méi)及淹沒(méi)

水庫(kù)浸沒(méi)區(qū)主要位于水庫(kù)上游部位，浸沒(méi)區(qū)地表出露的巖性為風(fēng)積黃土和砂卵礫石，風(fēng)積黃土毛細(xì)管水上升高度為1.5 m。砂卵礫石天然干密度為2.09 g/cm3，比重為2.27，含水率平均為5.32%。據(jù)勘探，地下水埋深4.0～7.5 m，砂礫石地層毛細(xì)管水上升高度為0.7～1.0 m。水庫(kù)建成后，本設(shè)計(jì)階段某水庫(kù)淹沒(méi)處理按正常蓄水位(1 441.7 m)初定淹沒(méi)范圍，淹沒(méi)草場(chǎng)40 hm2、各種林帶53.33 hm2以上、居民30戶[7]。

2.2.4 水庫(kù)誘發(fā)地震

某水庫(kù)庫(kù)區(qū)屬低山區(qū)，回水長(zhǎng)度約2.5 km，正常蓄水位1 727.28 m時(shí)，河谷寬230 m。出露的巖性為第三系上新通昌吉河組(N2ch)，巖性為磚紅色、黃紅色、灰色礫巖、砂礫巖、夾紅色泥巖、含礫泥巖，有時(shí)為礫巖和泥巖互層，成塊狀構(gòu)造，具斜層理，傾向南(上游)。庫(kù)區(qū)不存在大規(guī)模的滑坡體，庫(kù)岸穩(wěn)定情況較好。

庫(kù)區(qū)南部的開墾河斷層、水根臺(tái)斷層和南部的拜什達(dá)拉斷層是區(qū)域內(nèi)釋放和積累地應(yīng)力的區(qū)域斷裂，這幾條斷層離庫(kù)壩區(qū)較遠(yuǎn)，開墾河斷裂離壩址區(qū)11.4 km，下游山前斷裂位于庫(kù)壩區(qū)下游3 km，山前活動(dòng)斷裂全新世未活動(dòng)，發(fā)生誘發(fā)地震的可能性不大，場(chǎng)地地震烈度Ⅷ度，地震峰值加速度為0.2 g，庫(kù)區(qū)處于北天山弧形構(gòu)造拐點(diǎn)附近，避開了山前活斷層的直接影響，壩址區(qū)地層較完整，構(gòu)造變形不大，內(nèi)部無(wú)大斷層，壩址區(qū)構(gòu)造穩(wěn)定性較好[8]。綜上所述，根據(jù)庫(kù)壩區(qū)的巖性、斷裂構(gòu)造、地震活動(dòng)、構(gòu)造應(yīng)力、水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)面與庫(kù)水連通情況等綜合分析得出，某水庫(kù)蓄水后誘發(fā)水庫(kù)地震的可能性不大。

3 壩址區(qū)工程地質(zhì)條件

根據(jù)河道地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造及其它工程地質(zhì)條件，本階段擬選上下兩個(gè)壩址，上下壩址放水洞(導(dǎo)流洞)均位于壩下，溢洪道均位于左岸，上下壩址相距500.0 m左右，兩個(gè)壩址位于同一段河道上，壩址區(qū)地貌形態(tài)相似、地質(zhì)單元基本相同。

3.1 上壩址區(qū)工程地質(zhì)條件

3.1.1 上壩址區(qū)地質(zhì)概況

壩址區(qū)河谷形態(tài)為U型谷，谷底寬約300 m，谷坡37°～75°，左右兩岸不對(duì)稱，左岸較右岸陡，左岸拔河高度50 m以下，邊坡為55°，55 m以上為78°。右岸拔河高度35 m以下35°，35m以上為II級(jí)階地，類型為基座式，頂部為風(fēng)積黃土，厚6～8 m左右，下伏為第四系冰積物，厚約15～20 m，其下為基巖。拔河高度45 m以上(階地以上)，邊坡為30°。右岸壩址上游約200 m、下游約100 m處各發(fā)育一條較大的沖溝，走向近東西向，與河流走向近垂直，上游均被走向南北的山體阻隔，沖溝一般寬30～50 m，沖溝深度40～60 m左右，溝長(zhǎng)約300.0 m，基本與壩平行。左岸壩址上約300 m、下游約200 m處各發(fā)育一條較大的沖溝，走向近東西向，與河流走向近垂直，上游均被走向南北的山體阻隔，沖溝一般寬20～30 m，沖溝深度20～30 m左右，溝長(zhǎng)約300.0 m，基本與壩平行兩岸沖溝互相交錯(cuò)，兩岸山體呈梳狀、樹枝狀地形。

3.1.2 上壩址巖體的工程地質(zhì)特性

上壩址區(qū)的地層主要為第三系上新統(tǒng)昌吉河組(N2ch)泥巖、礫巖地層及第四系地層等，其中第三系上新統(tǒng)昌吉河組(N2ch)泥巖、礫巖地層：昌吉河組(N2ch)泥巖單層厚一般為2.0～10.0 m，最厚可達(dá)20 m以上，為磚紅色、黃紅色、灰色礫巖、砂礫巖、夾紅色泥巖、含礫泥巖，有時(shí)為礫巖和泥巖互層，成塊狀構(gòu)造，具斜層理，傾向北(下游)。巖石為軟質(zhì)巖，遇水易崩解。根據(jù)鉆孔資料，巖芯完整多呈柱狀，巖芯采取率達(dá)80%以上，RQD平均值為65%。根據(jù)測(cè)井資料，選定的壩址區(qū)，巖體的強(qiáng)風(fēng)化層厚3～6 m，弱風(fēng)化層厚7.0 m左右。試驗(yàn)資料顯示，巖體的顆粒密度為2.73 g/cm3，塊體密度為2.00 g/cm3。上壩址巖石物理力學(xué)性質(zhì)建議值見(jiàn)表1。

表1 上壩址巖石物理力學(xué)性質(zhì)建議值Tab.1 Recommended value of physical and mechanical properties of rock at upper dam site

根據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(GB 50287-1999)及勘探取樣試驗(yàn)情況，壩址巖塊試驗(yàn)參數(shù)反映出壩址區(qū)巖體強(qiáng)弱風(fēng)化層為軟巖，新鮮基巖為較軟巖，壩址巖體風(fēng)化層劃分依據(jù)見(jiàn)表2。

表2 壩址巖體風(fēng)化層劃分依據(jù)Tab.2 Division basis of weathered layer of rock mass at dam site

第四系地層主要為全新統(tǒng)沖積、洪積、風(fēng)積物及坡積物等，分述如下：

表3 上壩址河床卵礫石物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)成果Tab.3 Physical and mechanical test results of gravel in upper dam bed

表4 上壩址河床砂礫石顆粒級(jí)配試驗(yàn)成果Tab.4 Grain grading test results of sand gravel in upper dam bed

表5 上壩址壩肩粉土主要物理力學(xué)性質(zhì)統(tǒng)計(jì)Tab.5 Statistics of main physical and mechanical properties of silt at dam abutment of upper dam site

3.1.3 上壩址區(qū)水文地質(zhì)條件

上壩址區(qū)地下水主要為河床砂礫石層內(nèi)孔隙水，根據(jù)鉆孔揭露的地下水位高程，地下水位低于河水位，河水補(bǔ)給地下水。鉆孔內(nèi)地下水和河水的水質(zhì)分析見(jiàn)表6。由表6可以看出，河水對(duì)普通水泥無(wú)腐蝕性。

表6 水質(zhì)分析匯總表Tab.6 Summary of water quality analysis

3.2 下壩址區(qū)工程地質(zhì)條件

3.2.1 下壩址區(qū)地質(zhì)概況

下壩址河谷形態(tài)為U型谷，谷底寬325 m，壩址區(qū)河床縱坡為2.1%，左右兩岸不對(duì)稱，左岸較右岸陡，左岸拔河高度60 m以下，邊坡為45°，60 m以上為78°；右岸拔河高度45 m以下邊坡為35°，45 m以上為Ⅱ級(jí)階地，類型為基座式，頂部為風(fēng)積黃土，厚6～8 m左右，其下為Q3期冰積物，厚約15～20 m，其下為基巖。拔河高度45 m以上，邊坡為20°。右岸壩軸線址上下游約50 m處各發(fā)育一條較大的沖溝，走向近東西向，與河流走向近垂直，均被走向南北的山體阻隔，兩岸沖溝一般寬20～30 m，沖溝深度20～30 m左右，長(zhǎng)約100.0 m左右。沖溝互相交錯(cuò)，山體呈梳狀、樹枝狀地形。

壩區(qū)出露的地層為第三系上新統(tǒng)昌吉河組(N2ch)泥巖、礫巖互層等，其中昌吉河組(N2ch)泥巖、礫巖互層，巖石為軟巖。裂隙不發(fā)育，基巖左岸初露，表面全風(fēng)化，全風(fēng)化層厚度一般為2.0 m左右。根據(jù)物探顯示，強(qiáng)風(fēng)化層厚度為5.0 m左右，微風(fēng)化層厚度為4.0 m左右。第四系全新統(tǒng)沖積砂卵礫石，分布于現(xiàn)代河床中；第四系全新統(tǒng)坡積碎石土，分布于左右岸坡腳處及右岸基座式階地上，壩址區(qū)地下水主要河床砂礫石層內(nèi)為孔隙水。

3.2.2 下壩址巖體的工程地質(zhì)特性

下壩址區(qū)的地層主要為第三系昌吉河組(N2ch)泥巖、礫巖地層和第四系地層(Q4)，其出露于河流兩岸山體，巖石為軟巖，地層抗風(fēng)化能力弱。裂隙不發(fā)育，基巖左岸裸露，表面全風(fēng)化。全風(fēng)化層厚度一般為2.0 m左右。根據(jù)鉆孔資料，巖芯完整多呈柱狀，巖芯采取率達(dá)80%以上，RQD平均值為65%。根據(jù)物探確定，強(qiáng)風(fēng)化層厚度為5.0 m左右，微風(fēng)化層厚度為4.0 m左右。試驗(yàn)資料顯示，巖體的顆粒密度為2.73 g/cm3，塊體密度為2.00 g/cm3。下壩址巖石物理力學(xué)性質(zhì)建議值見(jiàn)表7。

表7 下壩址巖石物理力學(xué)性質(zhì)建議值Tab.7 Recommended value of physical and mechanical properties of rock at lower dam site

根據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(GB 50287-1999)及勘探取樣試驗(yàn)情況，壩址巖塊試驗(yàn)參數(shù)反映出壩址區(qū)巖體中強(qiáng)風(fēng)化層為極軟巖，弱風(fēng)化層、新鮮基巖為較軟巖。

第四系地層主要為全新統(tǒng)沖積、洪積、風(fēng)積物及坡積物等，其分布于現(xiàn)代河床，砂卵礫石粒徑一般為5～60 mm，天然狀態(tài)下平均濕密度為2.27 g/cm3，下壩址河床砂卵礫石顆粒級(jí)配試驗(yàn)成果和下壩址河床砂卵礫石物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)成果見(jiàn)表8和表9。

表8 下壩址河床砂卵礫石顆粒級(jí)配試驗(yàn)成果Tab.8 Grain grading test results of sand gravel in riverbed of lower dam site

表9 下壩址河床砂卵礫石物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)成果表Tab.9 Physical and mechanical test results of sand gravel in riverbed of lower dam site

表10 下壩址壩肩粉土主要物理力學(xué)性質(zhì)統(tǒng)計(jì)表Tab.10 Statistical table of main physical and mechanical properties of silt at dam abutment of lower dam site

3.2.3 下壩址區(qū)水文地質(zhì)條件

下壩址區(qū)地下水主要為河床砂礫石層內(nèi)孔隙水，根據(jù)鉆孔揭露的地下水位高程，地下水位低于河水位，河水補(bǔ)給地下水。鉆孔內(nèi)地下水和河水的水質(zhì)分析見(jiàn)表11。由表11可以看出，河水對(duì)普通水泥無(wú)腐蝕性。

表11 水質(zhì)分析匯總表Tab.11 Summary of water quality analysis

3.3 上下壩線工程地質(zhì)條件比較

從上下壩線地質(zhì)條件比較看，兩壩線均可修建砂殼黏土心墻或砂殼瀝青心墻壩。壩線比較，左岸：上下壩線地質(zhì)條件基本相當(dāng)。河床：上下壩線地質(zhì)條件基本相當(dāng)。右岸：覆蓋層清除總方量上壩線約為下壩線2倍；上下壩線處于同一河段，壩線相距500 m，為同一個(gè)區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境，地震基本烈度與區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性相同。兩壩線雖然均可建壩，但建壩的具體工程地質(zhì)條件尚有差別，上壩址河谷比下壩址窄25 m；料場(chǎng)運(yùn)距上壩址比下壩址長(zhǎng)1 km；因此施工工作量及費(fèi)用相對(duì)較上壩址少，雖然兩個(gè)壩址右壩肩都存在繞壩滲漏問(wèn)題，但下壩址繞壩滲漏的距離比上壩址短。而且淹沒(méi)損失下壩址明顯少于上壩址。上下壩址根據(jù)地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造、工程地質(zhì)條件綜合對(duì)比，下壩址明顯優(yōu)于上壩址。兩壩線工程地質(zhì)條件對(duì)比表見(jiàn)表12。

表12 上下壩線工程地質(zhì)條件比較Tab.12 Comparison of engineering geological conditions of upper and lower dam lines

綜上所述，下壩線優(yōu)于上壩線，故推薦下壩線。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)奇臺(tái)縣某水庫(kù)的工程地質(zhì)條件勘測(cè)，從地形地貌、地質(zhì)組成等方面對(duì)水庫(kù)進(jìn)行全面的分析與評(píng)價(jià)。通過(guò)對(duì)水庫(kù)滲漏、坍塌、浸沒(méi)及淹沒(méi)、誘發(fā)地震等水庫(kù)地質(zhì)問(wèn)題進(jìn)行分析，結(jié)論如下：水庫(kù)建成后不會(huì)誘發(fā)地震；水庫(kù)區(qū)兩岸，庫(kù)岸穩(wěn)定性較好，水庫(kù)兩岸無(wú)不穩(wěn)定體；裂隙、斷裂構(gòu)造不發(fā)育，存在滲漏問(wèn)題的可能性很小等。同時(shí)根據(jù)上下壩址的工程地質(zhì)條件比較，在地形地貌條件上，下壩址優(yōu)于上壩址；基巖透水率兩壩址相當(dāng)。上述結(jié)論為水庫(kù)的安全運(yùn)行提供數(shù)據(jù)支撐，為類似工程的地質(zhì)勘察提供數(shù)據(jù)支持。