蔣家窯則水庫(kù)工程地質(zhì)分析及壩址比選

張 航

(浙江水利水電學(xué)院，浙江 杭州 310018)

陜西省榆林市靖邊縣蔣家窯則水庫(kù)工程是國(guó)家水利改革發(fā)展“十三五”規(guī)劃確定實(shí)施的大型骨干攔沙水庫(kù)工程，水庫(kù)壩址位于靖邊縣中山澗鎮(zhèn)五道溝村紅柳河的干流上，上游涉及定邊縣的楊伏井和營(yíng)盤山兩座水庫(kù)。該水庫(kù)的主要任務(wù)是攔截區(qū)間流域泥沙，減輕下游水庫(kù)的泥沙壓力，保障紅柳河庫(kù)壩群安全，進(jìn)一步減少入黃泥沙，改善下游河道生態(tài)環(huán)境。

為了對(duì)蔣家窯則水庫(kù)的地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行準(zhǔn)確把握，本文基于蔣家窯則水庫(kù)的實(shí)地調(diào)查資料，對(duì)庫(kù)區(qū)工程的基本地質(zhì)問(wèn)題進(jìn)行了討論，并對(duì)壩址工程進(jìn)行了對(duì)比分析，對(duì)水庫(kù)的建設(shè)提供了一些參考建議。

1 蔣家窯則水庫(kù)工程概況

蔣家窯則水庫(kù)為工程等級(jí)Ⅱ等的大型水利工程，工程位置距離靖邊縣城約52km，距離梁鎮(zhèn)約14km。工程的主要建筑物包括大壩、溢洪道和放水洞等,均為2級(jí)建筑物，其他次要建筑物為3級(jí)，壩頂?shù)母叱虨?408～1410m，設(shè)定的防洪標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇設(shè)計(jì)、2000年一遇校核。

工程區(qū)地處黃土高原北部，跨入毛烏素沙漠邊緣，地勢(shì)西南高、東北低，高程為1123～1823m，高差為300～500m，整體地貌較為復(fù)雜，大致可分為北部的風(fēng)沙灘地區(qū)、中部的梁峁?jié)镜貐^(qū)和南部的丘陵溝壑區(qū)。

地質(zhì)上，工程區(qū)內(nèi)地層以第四系地層為主，第四系前地層僅在紅柳河上游溝底處有零星出露。在工程區(qū)內(nèi)沒(méi)有歷史地震活動(dòng)的記錄，綜合構(gòu)造特征以及地震動(dòng)參數(shù)分析，認(rèn)為工程區(qū)的區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性較好[1]。

2 水庫(kù)區(qū)工程及主要地質(zhì)問(wèn)題

水庫(kù)區(qū)工程所在地的上游溝谷發(fā)育，地形較為破碎，而中、下游的地形簡(jiǎn)單，河谷較為平直。紅柳河在水庫(kù)區(qū)的走向?yàn)榻媳毕颍捎诩t柳河的形成時(shí)間較晚，所以河流的堆積地貌較為不發(fā)育，形成的深切河谷深度約30～50m。水庫(kù)區(qū)存在的不良地質(zhì)問(wèn)題主要為崩塌和滑坡。除此之外，地表沖溝、落水洞及岸邊裂縫也較為多見(jiàn)，本節(jié)選取了水庫(kù)的常見(jiàn)地質(zhì)問(wèn)題對(duì)蔣家窯則庫(kù)區(qū)進(jìn)行分析。

2.1 水庫(kù)滲漏

水庫(kù)滲漏是指水庫(kù)蓄水后，水庫(kù)中的蓄水沿巖石的孔隙、裂隙斷層、溶洞等向庫(kù)岸分水嶺外的溝谷低地滲漏的現(xiàn)象[2]。

經(jīng)勘查發(fā)現(xiàn)，蔣家窯則水庫(kù)區(qū)的地形封閉，河谷兩岸山體雄厚，庫(kù)盆周邊地形較為完整，庫(kù)區(qū)上游段的地下水位高于河水的水位，而庫(kù)區(qū)下游段的河水低于地下水，庫(kù)區(qū)在蓄水初期可能存在一定的滲漏，但隨著土體的逐漸飽和，滲漏現(xiàn)象也會(huì)逐漸消失，因此可以認(rèn)為庫(kù)區(qū)不存在永久滲漏，加之水庫(kù)以攔沙為主，因此可以不考慮水庫(kù)的滲漏問(wèn)題。

2.2 庫(kù)岸穩(wěn)定

水庫(kù)在達(dá)到正常蓄水位1403m時(shí)，所形成的庫(kù)周長(zhǎng)度約為144km，庫(kù)岸兩側(cè)均為第四系松散堆積層，兩岸斜坡自然坡角35°～45°，主要巖性為粉質(zhì)壤土，因此在水庫(kù)正常蓄水時(shí)，庫(kù)岸受到?jīng)_刷易發(fā)生塌岸及滑坡[3]。

在對(duì)庫(kù)岸穩(wěn)定性進(jìn)行分析時(shí)，首先明確蔣家窯則水庫(kù)的主要功能為攔沙，當(dāng)洪水來(lái)臨時(shí)，攔截洪水，待泥沙沉淀后，將清水放空，因此水庫(kù)常年保持低水位運(yùn)行。圖1為預(yù)測(cè)的水庫(kù)水位和淤泥面隨時(shí)間的變化曲線。

圖1 水庫(kù)水位和淤泥面變化曲線

水庫(kù)的水深可由水庫(kù)水位和淤泥面計(jì)算得出：

H=H1-H2

(1)

式中H——水庫(kù)水深,m；

H1——水庫(kù)水位,m；

H2——淤泥面,m。

圖2為由圖1計(jì)算出的水深隨時(shí)間的變化情況。由圖2可知，水庫(kù)的蓄水位隨著時(shí)間逐漸抬高，淤泥面每年也隨之抬高。由于水位上升速度較緩，水深較淺，所以塌岸呈逐年坍塌，塌岸量較小。

圖2 水庫(kù)水深變化曲線

2.3 塌岸寬度預(yù)測(cè)

塌岸寬度根據(jù)類比圖解法進(jìn)行預(yù)測(cè)，蔣家窯則水庫(kù)部分庫(kù)區(qū)前身為新橋水庫(kù)庫(kù)區(qū)，兩岸較為穩(wěn)定[4]。通過(guò)調(diào)查新橋水庫(kù)庫(kù)區(qū)兩岸水上和水下的天然休止角后，選用水下天然休止角19°、水上天然休止角50°進(jìn)行圖解分析。

將庫(kù)區(qū)斷面位置進(jìn)行劃分，為了表達(dá)清晰，此處采用簡(jiǎn)易編號(hào)，各斷面編號(hào)及代表長(zhǎng)度見(jiàn)表1，預(yù)測(cè)的各斷面坍塌寬度繪制于圖3中。

表1 庫(kù)區(qū)斷面編號(hào)及代表長(zhǎng)度

續(xù)表

圖3 庫(kù)岸坍塌寬度

水庫(kù)蓄水至1405.6m高程時(shí)，主河道紅柳河距上壩址24.1km范圍內(nèi)，左岸塌岸寬度為5～70m，右岸塌岸寬度為6～65m。支溝邊墻渠溝口以上12.5km，左岸塌岸寬度范圍為27～75m，右岸塌岸寬度范圍為13.0～65.0m。支溝周灣溝口以上12km，左岸塌岸寬度范圍為40～66m，右岸塌岸寬度范圍為8.0～70.0m。老莊溝溝口以上2.0km，左岸塌岸寬度范圍為12.4m，右岸塌岸寬度范圍為13.3m。楊伏井、高溝畔、王河嘴溝不存在塌岸。

預(yù)測(cè)時(shí)采用坡度變化較小且具有代表性的剖面，用其蓄水位上升中期塌岸方量作為平均塌岸量，乘以水庫(kù)運(yùn)行年限30年，確定最終塌岸方量。根據(jù)計(jì)算，水庫(kù)蓄水至興利水位1405.6m時(shí)，上壩址預(yù)估塌岸方量2688萬(wàn)m3，下壩址預(yù)估塌岸方量2856萬(wàn)m3。

該水庫(kù)塌岸方量較大，塌岸寬度局部較寬，且塌岸主要集中在近壩區(qū)的兩岸陡坡段，但考慮到水庫(kù)每年的蓄水時(shí)間僅1個(gè)月左右，水深僅2.3～5.8m，平均每年的塌岸量不大，不會(huì)產(chǎn)生大體積的速滑。

2.4 庫(kù)區(qū)滑坡穩(wěn)定性分析

根據(jù)實(shí)地調(diào)查資料，在水庫(kù)區(qū)發(fā)育滑坡中選取了三處滑坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析，其他滑坡分析方法相同，三處滑坡的參數(shù)和穩(wěn)定性初判見(jiàn)表2。

表2 庫(kù)區(qū)部分滑坡參數(shù)

在對(duì)滑坡進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算時(shí)，采用了剩余推力法，將滑坡體劃分為若干土條塊，然后建立作用在土條上的力或力矩的平衡方程，進(jìn)而確定穩(wěn)定性系數(shù)[5]，理論計(jì)算公式為

(2)

式中ψj——第i塊段的剩余下滑力傳遞至第i+1塊段時(shí)的傳遞系數(shù)(j=i)；

Wi——第i條塊的重量，kN/m；

Ci——第i條塊黏聚力,kPa；

φi——第i條塊內(nèi)摩擦角,(°)；

Li——第i條塊滑面長(zhǎng)度,m；

αi——第i條塊水平面與滑面的夾角,(°)；

A——地震加速度(重力加速度g)；

K——穩(wěn)定系數(shù)。

圖4～圖6為三個(gè)滑坡的分條剖面圖[6]，計(jì)算得出的穩(wěn)定性系數(shù)K<1時(shí)，認(rèn)為滑坡為不穩(wěn)定，當(dāng)1≤K<1.05時(shí)，認(rèn)為滑坡欠穩(wěn)定，當(dāng)1.05≤K

表3 庫(kù)區(qū)部分滑坡穩(wěn)定性計(jì)算

圖4 滑坡1穩(wěn)定性計(jì)算分條剖面

圖5 滑坡2穩(wěn)定性計(jì)算分條剖面

圖6 滑坡3穩(wěn)定性計(jì)算分條剖面

根據(jù)分析，庫(kù)區(qū)滑坡天然狀態(tài)基本穩(wěn)定。水庫(kù)的正常蓄水位以逐年遞增的方式抬高，上升速度較緩，庫(kù)水位隨淤積面抬升而升高，滑坡體下滑空間相對(duì)變小，滑坡2和滑坡3復(fù)活可能性不大。水庫(kù)建成蓄水后，滑坡1方為一中型滑坡，距上壩址1.8km，土體飽和會(huì)使滑坡1的穩(wěn)定性受到影響，滑坡失穩(wěn)后對(duì)大壩安全有一定的影響，但由于水庫(kù)蓄水位是逐年漸進(jìn)式抬高，加之水位較淺，滑坡破壞形式以逐年小規(guī)模坍塌為主，不會(huì)產(chǎn)生大的涌浪，因此不會(huì)對(duì)樞紐安全有太大影響。

2.5 水庫(kù)淹沒(méi)及浸沒(méi)

水庫(kù)區(qū)位于溝谷內(nèi)，兩岸地形較為封閉，在正常蓄水位1405.6m時(shí)，不會(huì)超越兩岸的耕地，因此兩岸的耕地不存在淹沒(méi)現(xiàn)象。但上游河道內(nèi)的耕地在水庫(kù)蓄水后將會(huì)出現(xiàn)淹沒(méi)現(xiàn)象。而在庫(kù)尾河道處存在浸沒(méi)現(xiàn)象，河床粉土的毛管水上升高度Hk為1.5m，安全超高值ΔH為0.5m，因此浸沒(méi)地下水埋深臨界值Hcr為2.0m。正常蓄水位為1405.6m，所以庫(kù)水位在1407.6m時(shí)不會(huì)發(fā)生浸沒(méi)，以此預(yù)測(cè)的水庫(kù)區(qū)浸沒(méi)面積見(jiàn)表4。

表4 水庫(kù)區(qū)浸沒(méi)預(yù)測(cè)

3 壩址工程

3.1 壩址區(qū)基本地質(zhì)條件

上、下壩址位于蔣家窯則村紅柳河河段，壩區(qū)地勢(shì)南高北低，地形高差約120m。河谷呈“U”形，深度約45m，寬度約160～210m，兩側(cè)岸坡自然坡度約35°～45°，灘面高程為1377.4～1377.8m。壩區(qū)無(wú)基巖出露，地下水以第四系松散堆積層孔隙潛水為主，類型較為簡(jiǎn)單。

在壩線下游約1.5km處，跨河段公路旁的粉質(zhì)黏土層上預(yù)先設(shè)置抽水試驗(yàn)井兩眼，深度都為35m，兩井的間距為8m，井徑為300mm。兩井分別進(jìn)行抽水試驗(yàn)，并互為觀測(cè)孔，單井抽水按3個(gè)降深控制。按《水文地質(zhì)手冊(cè)》中非完整井計(jì)算公式如下[7]：

(3)

式中Q——出水量,m3/d；

r1、r2——觀測(cè)孔1與觀測(cè)孔2之間的距離,m；

s1、s2——觀測(cè)孔1與觀測(cè)孔2的水位下降值,m；

ξ1、ξ2——觀測(cè)孔1與觀測(cè)孔2的滲透阻力系數(shù)；

H——抽水前潛水層的厚度,m。

水位恢復(fù)法計(jì)算公式如下[8]：

(4)

式中s′——剩余降深，m；

t——抽水累計(jì)時(shí)間，min；

t′——停止抽水后恢復(fù)水位時(shí)間，min。

抽水試驗(yàn)計(jì)算成果見(jiàn)表5[9]。由表5可知，河漫灘粉質(zhì)黏土和粉質(zhì)壤土的滲透系數(shù)K介于1.29×10-5～1.02×10-4cm/s之間，滲透系數(shù)K平均值為3.4×10-5cm/s。

表5 抽水試驗(yàn)滲透系數(shù)成果

3.2 上、下壩址比選

3.2.1 壩址工程地質(zhì)條件對(duì)比

上壩址壩軸線處河床高程1377.8m，河谷寬約166m，環(huán)境水對(duì)普通水泥具硫酸鹽型強(qiáng)腐蝕性，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋具中等腐蝕性，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)具中等腐蝕性。設(shè)計(jì)的壩頂長(zhǎng)度為310.95m，壩高為37.8m，壩頂?shù)母叱虨?413.8m，正常蓄水位為1405.6m。

下壩址位于上壩址下游900m處，設(shè)計(jì)壩頂長(zhǎng)度372.9m，壩高37.5m，壩頂高程1413.5m，正常蓄水位1405.2m。環(huán)境水對(duì)普通水泥具硫酸鹽型強(qiáng)腐蝕性，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋具中等腐蝕性，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)具中等腐蝕性。

上、下壩址的左壩肩均不存在邊坡穩(wěn)定和繞壩滲漏的問(wèn)題，都具非自重濕陷性，濕陷等級(jí)為Ⅱ級(jí)，上壩址左壩肩濕陷下限13.5m，下壩址為12.5m。

上壩址的右壩肩不存在邊坡穩(wěn)定、繞壩滲漏問(wèn)題，具非自重濕陷性，濕陷等級(jí)為Ⅱ級(jí)，濕陷下限12.5m。而下壩址的右壩濕陷等級(jí)為Ⅰ級(jí)，濕陷下限深度3.5m，存在繞壩滲漏，應(yīng)采取截滲墻等方式進(jìn)行防滲處理。

上、下壩址的壩基滲透破壞形式均為流土，不存在滲透破壞問(wèn)題及壩基滲漏。

3.2.2 壩址工程地質(zhì)問(wèn)題對(duì)比

a.岸坡穩(wěn)定。上、下壩址兩岸壩肩均為土質(zhì)邊坡，邊坡巖性主要為粉質(zhì)壤土，坡面基本平整，有少量植被。上壩址處邊坡現(xiàn)狀未發(fā)現(xiàn)崩塌、滑坡存在，整體穩(wěn)定性較好。下壩址左岸邊坡未發(fā)現(xiàn)崩塌、滑坡存在，而在右岸邊坡壩肩處存在一小型滑坡，但對(duì)整體穩(wěn)定性影響不大。

b.砂土液化。上、下壩址工程區(qū)的地震基本烈度均為Ⅵ度，因此可以不考慮砂土地震液化的影響。

c.壩基及繞壩滲漏。上壩址在水庫(kù)蓄水位高程以下不存在強(qiáng)透水的粗粒土層，除粉質(zhì)壤土外，兩岸岸坡從壩頂高程以下都屬弱透水層，結(jié)合壩肩開(kāi)挖清除粉質(zhì)壤土后，一般不存在壩基及繞壩滲漏問(wèn)題。

下壩址的左岸同上壩址處情況相同，不存在壩基滲漏及左壩肩繞壩滲漏問(wèn)題，而右岸岸坡存在中等透水層，應(yīng)進(jìn)行防滲處理。

d.滲透穩(wěn)定。我國(guó)規(guī)范《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 274—2020)中分別給出了流土與管涌的臨界水力坡降計(jì)算公式，可以有效地進(jìn)行滲透穩(wěn)定計(jì)算。流土型宜采用下式計(jì)算[10]：

Jcr=(Gs-1)(1-n)

(5)

式中Jcr——土的臨界水力坡降；

Gs——土粒密度與水的密度之比；

n——土的孔隙率。

管涌型或過(guò)渡型宜采用下列計(jì)算：

(6)

式中d5、d20——占總土重5%和20%的土粒粒徑,mm。

上壩址處河谷粉質(zhì)黏土不均勻系數(shù)Cu為24.8，細(xì)粒含量大于35%，依據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(GB 50487—2008)的附錄G，判定滲透破壞形式為流土。因此采用式(5)進(jìn)行計(jì)算，得到的結(jié)果為0.884，安全系數(shù)取2.5，因此允許水力坡降J允=0.35。

上壩壩基的寬度為267m，河床高程為1377.5m，正常蓄水位為1405.6m，28.1m水頭時(shí)壩體上、下游實(shí)際水力坡降J實(shí)=0.105,根據(jù)土的顆分成果、物性成果，兩岸岸坡土及河道淤積土允許水力坡降J允=0.35，J允>J實(shí)，故不存在滲透破壞問(wèn)題。

下壩壩基寬265m，河床高程1377.5m，正常蓄水位1405.2m，27.7m水頭時(shí)壩體上、下游實(shí)際水力坡降為J實(shí)=0.105，根據(jù)土的顆分成果、物性成果，兩岸岸坡土及河道土允許水力坡降J允=0.35，J允>J實(shí)，故不存在滲透破壞問(wèn)題。

e.變形穩(wěn)定。上、下壩址處壩基的粉質(zhì)黏土呈軟塑—可塑狀，壓縮模量及承載力低，屬中壓縮性土，存在變形穩(wěn)定問(wèn)題，不能直接作為天然地基，建議對(duì)壩基進(jìn)行排水固結(jié)處理，可采用振沖碎石樁進(jìn)行處理，根據(jù)設(shè)計(jì)計(jì)算沉降深度和允許沉降深度，處理到適宜深度。

3.2.3 壩址比選

除主要壩體外，壩址處的建筑物還有放水洞和放水塔等，將這些建筑物的勘察結(jié)果對(duì)比與主要壩體勘查結(jié)果對(duì)比一并列于表6中。

表6 壩址工程地質(zhì)條件比較

兩壩址地貌單元相同，層位相近，均具備修建當(dāng)?shù)夭牧蠅蔚牡刭|(zhì)條件。從工程地質(zhì)問(wèn)題進(jìn)行分析，主要的地質(zhì)問(wèn)題來(lái)自于岸坡的穩(wěn)定性以及壩基的滲漏。上壩址庫(kù)區(qū)淹沒(méi)較少，壩頂長(zhǎng)度較短，且不存在繞壩滲漏問(wèn)題，地質(zhì)條件優(yōu)于下壩址，因此推薦上壩址為選定壩址。

4 結(jié) 論

a.蔣家窯則水庫(kù)的主要地質(zhì)問(wèn)題為岸坡的滑坡和崩塌，預(yù)測(cè)庫(kù)區(qū)塌岸總方量上壩址為2688萬(wàn)m3，下壩址為2856萬(wàn)m3。滑坡破壞形式以逐年小規(guī)模坍塌為主，對(duì)樞紐的安全性影響較小。處理類似工程問(wèn)題時(shí)，可以采用加強(qiáng)庫(kù)區(qū)岸坡綠化進(jìn)行防護(hù)。

b.水庫(kù)建成蓄水后隨著庫(kù)水位的不斷抬高，其穩(wěn)定性將發(fā)生變化。蓄水后，滑坡相比于天然狀態(tài)下更不穩(wěn)定，因此在分析滑坡時(shí)，應(yīng)對(duì)蓄水后的滑坡穩(wěn)定性多加考慮。

c.壩基的滲透穩(wěn)定性可以采用臨界水力坡降計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算分析。上、下壩址的壩基不存在滲透破壞問(wèn)題及壩基滲漏，但實(shí)際的工程壩基土層呈軟塑狀，土層欠固結(jié)，存在變形穩(wěn)定問(wèn)題，地下水位埋藏淺，排水固結(jié)慢，不能直接作為天然壩基。對(duì)于此類壩基應(yīng)進(jìn)行排水固結(jié)處理。

d.在進(jìn)行類似的壩址選擇時(shí)，若壩址的地貌單元相同，則應(yīng)從工程地質(zhì)條件進(jìn)行對(duì)比，其中主要的地質(zhì)問(wèn)題來(lái)自于岸坡的穩(wěn)定性以及壩基的滲漏。