高陡峽谷對凹水河水庫大壩選擇分析

趙汝剛，蘇貴紅

（貴州省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司,貴州 貴陽 550002）

1 工程簡介

黔西縣凹水河水庫位于黔西縣紅林鄉(xiāng)與大方縣黃泥塘鎮(zhèn)之間的西溪河上,西溪河屬長江流域?yàn)踅档牧鶝_河左岸一級支流。凹水河水庫的主要任務(wù)是向黔西新規(guī)劃縣城供水,兼顧解決工程區(qū)附近的部分灌溉用水。大壩為碾壓混凝土雙曲拱壩,最大壩高153 m,水庫正常蓄水位1287 m,水庫總庫容4669 萬m3,年供水量4275 萬m3,工程等別Ⅲ等,工程規(guī)模為中型[1]。

2 壩址區(qū)基本工程地質(zhì)條件

凹水河水庫可研推薦壩址位于西溪河中游河段,壩址距成貴高鐵西溪河鐵路橋1.1 km, 距黔大高速西溪大橋約500 m。河谷呈基本對稱“V”型峽谷,岸坡高陡, 左岸河床1151 m～1270 m 高程地形坡度為65°～80°,1270 m 高程以上地形逐漸變緩,地形坡度為30°～50°；右岸河床1151 m～1280 m 高程地形坡度為80°～84°,1280m 高程以上地形逐漸變緩,地形坡度為30°～60°。該段河床高程1150 m～1152 m,河床寬6.0 m～8.0 m,正常蓄水位高程1287.0 m 時(shí)河谷寬85.0 m,寬高比為0.62。

壩址出露地層三疊系下統(tǒng)夜郎組第三段（T1y3）泥巖,分布于壩址上游河床河段；三疊系永寧鎮(zhèn)組第一段（T1yn1）灰?guī)r分布于壩址河床及兩岸；三疊系永寧鎮(zhèn)組第二段（T1yn2）分布于壩址兩岸岸坡；第四系覆蓋層分布于河床及兩岸斜坡地帶。

壩址位于新場向斜的東翼,由于新場向斜在工程區(qū)為寬緩短軸向斜,其在河床橫剖面上具有具箱狀特征,壩址巖體總體傾向右岸,無較大型斷層等構(gòu)造發(fā)育。壩址地層為單斜構(gòu)造,巖層總體傾下游偏右岸,主要發(fā)育①N40°～65°E/SE ∠78°～88°、 ②N15°～20°E/NW ∠75°～80°、③N35 °～45 °W/ SW ∠78 °～85 °、 ④N70 °～90 °E/SE ∠80°～83°四組裂隙。

根據(jù)壩址勘探簡易路揭露的巖體斷面、兩岸勘探平洞及壩肩孔對層間夾層的測繪統(tǒng)計(jì),壩址兩岸強(qiáng)風(fēng)化帶和卸荷帶裂隙面、層面間局部張開,夾泥及巖屑,其厚度為8 cm～20 cm,其向內(nèi)部規(guī)模逐步變小。在弱風(fēng)化帶沿層面普遍夾灰色巖屑,巖屑厚度弱風(fēng)化帶內(nèi)1 mm～5 mm,進(jìn)入微風(fēng)化帶巖體逐漸尖滅,在微風(fēng)化帶內(nèi)巖體內(nèi)軟弱夾層不發(fā)育。在左岸溶蝕風(fēng)化帶內(nèi)裂隙面及層面間局部為巖屑夾泥。

壩址兩岸地形陡峭,岸坡較高,左岸卸荷帶水平深度約5.0 m,右岸卸荷帶水平深度約3.5 m,兩岸卸荷裂隙向山體內(nèi)逐漸尖滅,裂隙寬一般0.5 cm～10 cm,多張開,部分卸荷裂隙與層面組合切割,在兩岸坡面、陡壁形成松散巖體,但規(guī)模一般不大。

壩址分布的地層巖性主要為T1y3泥巖,T1yn1灰?guī)r,硬質(zhì)巖巖質(zhì)堅(jiān)硬,抗風(fēng)化剝蝕能力強(qiáng),軟質(zhì)巖巖質(zhì)相對較軟,抗風(fēng)化剝蝕能力弱。壩址兩岸風(fēng)化分帶見壩址巖體風(fēng)化統(tǒng)計(jì)（見表1）。

表1 壩址巖體風(fēng)化統(tǒng)計(jì)表

壩址出露的巖性主要為T1yn1灰?guī)r,巖溶形態(tài)主要為溶洞、溶隙等。壩址河段地表徑流主要為西溪河干流及其支流天仙橋小河,壩址上、下游范圍內(nèi)發(fā)育淺切沖溝數(shù)條,西溪河為本區(qū)段最低排泄基準(zhǔn)面,大氣降水主要通過溪溝、沖溝等徑流方式排泄于主河道內(nèi)。部分大氣降水經(jīng)過溶洞、溶蝕裂隙、漏斗等進(jìn)入地下循環(huán),再以泉水的形式排泄于主河道內(nèi)。地下水主要以巖溶裂隙水的形式存在,西溪河為補(bǔ)給型河流,兩岸地下水補(bǔ)給河水。

3 工程地質(zhì)條件評價(jià)

3.1 壩型的適宜性

從推薦壩址地形地質(zhì)條件看,河谷狹窄,寬高比為0.62,兩岸岸坡高陡,基巖裸露,壩基（肩）巖體以中硬巖為主,覆蓋層及風(fēng)化深度不大,適宜修建拱壩及重力壩,不適宜修建當(dāng)?shù)夭牧蠅巍?/p>

拱壩方案壩址兩壩肩抗力巖體是控制壩體抗變形穩(wěn)定的主要因素,而巖體結(jié)構(gòu)面是控制壩體抗滑穩(wěn)定的主要因素,壩基（肩）巖性為薄至中厚層灰?guī)r,屬較堅(jiān)硬巖體,進(jìn)入弱風(fēng)化后結(jié)構(gòu)面基本閉合,下游無跌坎及深切沖刷坑。重力壩方案中河床壩基巖體結(jié)構(gòu)面是決定壩體抗滑穩(wěn)定的主要因素,壩基（肩）巖性為薄至中厚層灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r,屬較堅(jiān)硬巖體。經(jīng)綜合比較,推薦壩型為碾壓混凝土拱壩。

3.2 拱壩工程地質(zhì)條件評價(jià)

3.2.1壩基持力層的選擇

壩基巖體以中硬巖為主, 其飽和抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為40.54 MPa,強(qiáng)風(fēng)化灰?guī)r巖體屬BⅣ2類,弱風(fēng)化灰?guī)r巖體屬BⅢ2類上部巖體,微風(fēng)化灰?guī)r巖體屬BⅢ2類下部巖體[2],建議大壩壩基以微風(fēng)化巖體作為壩基持力層,對左岸強(qiáng)溶蝕風(fēng)化帶進(jìn)行工程處理,提高左岸壩肩巖體完整性。

3.2.2壩基（肩）抗滑穩(wěn)定評價(jià)

壩基抗滑主要是沿基巖面淺層滑動,深層滑動的組合模式為第①、③、④組裂隙及巖層走向與河流方向近于垂直或大角度相交,結(jié)構(gòu)面傾角較陡,主要構(gòu)成壩基（肩）巖體中橫向切割面。第②組裂隙走向與河流方向近于平行或呈小角度斜交,為壩基巖體的側(cè)向切割面。其可能的破壞模式為以層面為底滑面及剪出面,②裂隙為側(cè)滑面,①、③、④裂隙為后緣拉裂面。

左壩肩滑動的組合模式為左壩肩以巖層面作為底滑面,第①組、②組裂隙構(gòu)成側(cè)滑面,第③、④組構(gòu)成拉裂面。右壩肩滑動的組合模式為以巖層面作為底滑面,第③組裂隙構(gòu)成側(cè)滑面,第①、④組構(gòu)成拉裂面。拱壩壩肩抗滑抗滑穩(wěn)定分析示意圖,如圖1 所示。

圖1 拱壩壩肩抗滑穩(wěn)定分析示意圖

3.2.3開挖邊坡穩(wěn)定性評價(jià)

壩址巖體為層狀結(jié)構(gòu),橫向谷,巖層傾向下游,傾角6°～12°,壩基巖體中無大的斷裂構(gòu)造分布。壩基肩兩岸為橫向坡,兩側(cè)開挖邊坡的穩(wěn)定性較好,在卸荷、溶蝕風(fēng)化帶內(nèi)開挖邊坡局部穩(wěn)定性較差,需進(jìn)行工程處理措施?；由嫌蝹?cè)為順向坡,雖然巖層傾角較緩,受裂隙及溶蝕風(fēng)化影響,開挖過程中邊坡上的不利組合體可能產(chǎn)生順層面滑動,需對上游側(cè)邊坡進(jìn)行先支護(hù),后開挖,下游側(cè)為逆向坡,開挖邊坡總體穩(wěn)定性較好,但局部可能存在掉塊等現(xiàn)象。

3.2.4壩基滲透穩(wěn)定性評價(jià)

拱壩基礎(chǔ)置于微溶蝕風(fēng)化灰?guī)r上,巖體內(nèi)裂隙發(fā)育弱,壩基肩的滲透穩(wěn)定應(yīng)考慮層間夾層軟化的問題。層間夾層主要分布在強(qiáng)溶蝕風(fēng)化帶附近,對于強(qiáng)溶蝕風(fēng)化帶應(yīng)擴(kuò)挖清理干凈后回填,對水庫兩岸應(yīng)做好防滲帷幕,并做好固結(jié)灌漿,并在下游側(cè)做好排水措施,減輕層間泥化現(xiàn)象對大壩滲透穩(wěn)定的影響。

3.2.5下游抗沖刷評價(jià)

壩址下游河床寬約5.0 m～6.0 m,覆蓋層厚2.2 m～6.2 m,分布地層為T1yn1薄至中厚層灰?guī)r,巖層傾向下游略偏右岸,傾角6°,為橫向谷,以硬質(zhì)巖為主,抗沖刷能力較強(qiáng),建議抗沖系數(shù)k=1.2～1.4。在強(qiáng)風(fēng)化帶內(nèi)巖體節(jié)理裂隙發(fā)育,沖刷對強(qiáng)風(fēng)化帶巖體有一定的沖刷掏蝕作用,在壩后沖刷范圍內(nèi)采取相應(yīng)的抗沖處理措施。

3.2.6防滲處理

水庫兩岸出露的地層為巖溶層,無隔水層分布,水庫防滲帷幕垂直河流方向向兩岸接地下水位,帷幕底界為進(jìn)入地下水位15 m～30 m,西溪河為區(qū)內(nèi)地下水排泄基準(zhǔn)面,河床及近壩段壩基防滲底界以T1y3泥巖巖體作為防滲底界,并進(jìn)入T1y3泥巖微風(fēng)化巖體10 m。近庫岸段帷幕采用雙排梅花形布置,孔距3 m,排距2 m,遠(yuǎn)端采用單排孔布置,孔距2 m。

4 結(jié)語

黔西縣凹水河水庫屬于貴州省水利建設(shè)生態(tài)建設(shè)石漠化治理綜合規(guī)劃建設(shè)項(xiàng)目,建成后將對區(qū)域工程性缺水問題得到緩解。對于河谷落差約330 m,河谷高陡狹窄,工程地質(zhì)條件復(fù)雜,153 m 壩高的碾壓混凝土拱壩的選擇具有諸多因素影響,地質(zhì)條件作為基礎(chǔ)條件對大壩選擇更加重要,在對基本地形地質(zhì)條件、持力層選擇、抗滑穩(wěn)定分析、壩基滲透穩(wěn)定、開挖邊坡穩(wěn)定性評價(jià)及防滲帷幕等方面的論述后,為水工設(shè)計(jì)提供穩(wěn)靠的地質(zhì)條件,使得在高陡狹窄河谷中水工擋水建筑物的大壩選擇更科學(xué)可行,投資經(jīng)濟(jì)合理,施工及進(jìn)度安全可靠。