兌頭灣水電站地質(zhì)探析

吳越

（廣東河海工程咨詢有限公司，廣東 廣州 510610）

兌頭灣水電站位于高山峽谷深處，地質(zhì)狀況復(fù)雜，對電站建設(shè)和機(jī)組發(fā)電運(yùn)營影響較大。為了確保電站安全建設(shè)，需對電站地質(zhì)情況進(jìn)行分析。

1 概況

清油河發(fā)源于蟒嶺主脊，全長58 km，水力資源理論蘊(yùn)藏量0.9萬kW，可開發(fā)量0.25萬kW。規(guī)劃在過風(fēng)樓鎮(zhèn)安溝村安溝小學(xué)上游100 m處建壩，通過989 m引水渠道（其中倒虹20 m、隧洞676 m）引水至過風(fēng)樓鎮(zhèn)徐家店村兌頭灣水電站[1]。水電站裝機(jī)容量250+500 kW，工程總造價451.08萬元，總用工23324個工日，工程量為開挖土方11301 m3、開挖石方19581 m3、漿砌石4535 m3和混凝土澆筑3116 m3。設(shè)備年利用時數(shù)2835 h，多年平均發(fā)電量310.03萬kW·h。

清油河流域形態(tài)呈羽狀，為土石山區(qū)。本水電站屬清油河下游段（龍頭漫至河口）。該段河道長約12.5 km，總落差75 m，水力資源理論蘊(yùn)藏量約0.2萬kW，可開發(fā)利用量約0.15萬kW，主要集中在龍頭漫以下的9.5 km峽谷段。本次開發(fā)河段為龍頭漫電站站址下游1 km至清油河口上游2 km，長約3.5 km，總落差23 m左右。兌頭灣水電站壩址以上流域面積359.79 km2，主河道長48 km，落差820 m，河床平均比降6‰，流域平均海拔600 m，平均坡度40°～50°。

2 勘察方法及完成情況

勘察采用工程地質(zhì)調(diào)繪、鉆探、原位測試及邊坡編錄、照相、室內(nèi)巖土試驗(yàn)等手段進(jìn)行[2]。鉆探選用XY-100型工程鉆機(jī)1臺，采用全球定位系統(tǒng)GPS進(jìn)行鉆孔定位及測量高程。①勘察孔定位?？辈炜赘鶕?jù)控制點(diǎn)用全球定位系統(tǒng)GPS實(shí)地放樣。勘察孔施工結(jié)束后，復(fù)測孔位和標(biāo)高。②鉆探。本次鉆探采用XY-100型工程鉆機(jī)，以單層合金鉆具、泥漿護(hù)壁鉆進(jìn)，按回次編錄，鉆進(jìn)中按有關(guān)規(guī)定進(jìn)行取樣和原位測試。鉆孔結(jié)束前，由現(xiàn)場技術(shù)人員驗(yàn)收合格后方可終孔。③地質(zhì)調(diào)查測繪。主要收集、調(diào)查場地區(qū)域的地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)、工程地質(zhì)及不良地質(zhì)現(xiàn)象等[3]，重點(diǎn)是對邊坡剖面進(jìn)行實(shí)地編錄，量測地層和結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀、厚度、分布特征并進(jìn)行照相。④取樣。黏性土、砂采用上提活閥式取土器，以連續(xù)壓入法取樣。土樣取出后，及時進(jìn)行密封，在運(yùn)輸?shù)綄?shí)驗(yàn)室過程中采取防曬、防震措施。⑤室內(nèi)試驗(yàn)。對外業(yè)采集的土樣、巖樣嚴(yán)格按規(guī)范、規(guī)程要求進(jìn)行試驗(yàn)。⑥資料整理。資料整理按相關(guān)規(guī)程、規(guī)范和技術(shù)要求進(jìn)行，能滿足設(shè)計(jì)階段的要求，可作為設(shè)計(jì)工作的地質(zhì)依據(jù)。

本次勘察共布置勘探點(diǎn)26個，前綴為“BK”。同時，整編利用了可研階段的鉆孔，前綴為“ZK”。勘探點(diǎn)布設(shè)及勘探深度滿足設(shè)計(jì)階段的要求，完成工作量詳見表1。

表1 勘察工作量匯總

3 區(qū)域地質(zhì)分析

該流域內(nèi)群山起伏，溝壑縱橫，山體渾圓，河道蜿蜒曲折，河谷川塬交替出現(xiàn)，峽谷段河道多急灘、跌坎、深潭。流域內(nèi)植被良好，荒蕪人煙的森林所占比例達(dá)42%。表層巖石較為破碎，主要分布著石灰?guī)r、板巖、千枚巖、頁巖，也摻雜有少量的石英等其他變質(zhì)巖類，特別是龍頭漫至河口段的河水全部出露，常流量較大，最枯流量達(dá)0.7 m3/s，易于開發(fā)。

3.1 樞紐區(qū)地質(zhì)分析

工程樞紐區(qū)為中低山地貌，地層主要由板巖、千枚巖和石灰?guī)r等組成。河床有第四系沖積、洪積層分布，岸坡坡腳有少量崩坡積層分布，下伏基巖為寒武系上統(tǒng)（∈3）地層[4]。由老至新分述如下。

（1）∈3。角礫狀灰?guī)r（部分為竹葉狀灰?guī)r）、頁片狀灰?guī)r，夾灰質(zhì)泥灰?guī)r、灰質(zhì)板巖、石灰?guī)r。

本地區(qū)在近一個世紀(jì)未有過大的地震活動。因受地質(zhì)構(gòu)造的控制，沒有大型活動性火山存在，商南縣屬6度烈度區(qū)，地震設(shè)計(jì)基本烈度為7度。

3.2 水文地質(zhì)分析

根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)測繪、鉆探勘查情況，按照當(dāng)?shù)氐叵滤诮橘|(zhì)中的賦存狀態(tài)，將勘查區(qū)地下水劃分為2種基本類型，分別為第四系松散層孔隙水和基巖裂隙水。

3.2.1 第四系松散層孔隙水

分布于第四系松散層中，坡體上土質(zhì)疏松，存水條件極差，但降水極易入滲，主要為暫時性潛水。地下水主要由大氣降水補(bǔ)給，一般具間歇性，在雨季大氣降雨自斜坡上滲入，沿土體與基巖的接觸面徑流，在斜坡下部排泄，整個斜坡都是地下水運(yùn)動的場所。

3.2.2 基巖裂隙水

基巖為下古生代板巖，節(jié)理裂隙一般較發(fā)育，地下水主要分布于風(fēng)化破碎層及構(gòu)造破碎帶，徑流較慢，以滲流形式向外排泄[5]。主要形成于雨季，以接受大氣降水補(bǔ)給為主，屬層狀基巖裂隙含水巖類。

流域地下潛水的主要類型為孔隙水。潛水除受大氣降水補(bǔ)給外，主要接受本流域和鄰域發(fā)育的巖溶水水平徑流補(bǔ)給。這種由大氣降水和地面水體通過滲透作用形成的地下水，是該流域地下潛水的主要來源。本次勘查時，僅ZK1鉆孔見地下水，穩(wěn)定水位1.8 m，穩(wěn)定水位高程431.56 m，其他勘探點(diǎn)均未見地下水。經(jīng)分析認(rèn)為，ZK1鉆孔附近區(qū)域可能有泉出露，地下水屬于基巖裂隙水。

4 樞紐地質(zhì)條件分析

4.1 引水樞紐地質(zhì)條件

引水樞紐壩址左右岸山巖均為弱風(fēng)化硅質(zhì)大理巖，表層有部分千枚巖和片巖，風(fēng)化層厚度1～2 m。壩基有厚3～5 m河卵石覆蓋，巖基為硅質(zhì)大理巖。建議在施工中，根據(jù)山體表層巖石風(fēng)化程度將壩址建在新鮮完整的基巖層面上，壩基要求開挖5 m至巖基，開挖后視實(shí)際地質(zhì)情況由地質(zhì)工程師決定是否需采用帷幕灌漿等防滲措施，保證工程正常、安全運(yùn)行。

4.2 渠道地質(zhì)條件

渠線地層渠首部多為厚2～5 m黃黏土和砂卵石覆蓋，渠末端為千枚巖和片巖，風(fēng)化層厚度2～3 m，渠道邊坡多為巖質(zhì)邊坡，溝道地基表層有淺層的腐質(zhì)堆積物。局部邊坡可能產(chǎn)生滑塌、滑坡和風(fēng)化碎石崩落，但都不會產(chǎn)生較大影響。建議在施工中，根據(jù)坡體巖石風(fēng)化程度和邊坡高度，采用緩坡、漿砌襯護(hù)防治措施，保證工程安全運(yùn)行。

4.3 倒虹地質(zhì)條件

根據(jù)渠道通過的地形特點(diǎn)，本水電站的渠線沿山腳展布。渠道通過的線路中需要跨馬家當(dāng)溝，溝道寬約10 m，溝道內(nèi)為第四系的松散沉積層，透水性強(qiáng)，表層覆蓋黏土2～3 m，底層砂礫層厚度3～5 m后可見新鮮巖層。施工可對基礎(chǔ)直接開挖至巖層。

4.4 廠區(qū)地質(zhì)條件

水電站站址布置于清油河一級階地之上，此階地下部均為淺變質(zhì)的片巖，上部分布有厚2～5 m的坡積物，建議廠房和水下建筑物的地基均應(yīng)下挖到基巖。前池地質(zhì)條件較好，但需做好前池襯護(hù)，防止發(fā)生滲漏。由于泄水渠槽與河床有一定的落差，建議在接合部做抗沖刷特殊處理。

4.5 隧洞工程地質(zhì)條件

隧洞沿線的圍巖巖性依次為巨厚層大理巖、混合巖、花崗巖、云母巖、英片巖，出口處坡度45°～60°，進(jìn)出口巖石表層弱風(fēng)化，風(fēng)化層厚度為1～2 m。

4.5.1 隧洞進(jìn)口

隧洞進(jìn)口位于河道左岸，巖面裸露，巖性為巨厚層硅質(zhì)大理巖，表層風(fēng)化，無斷層構(gòu)造發(fā)育，只需剝?nèi)ケ韺尤躏L(fēng)化部分1～2 m就可直接進(jìn)洞，工程地質(zhì)條件較好。

4.5.2 隧洞出口

隧洞出口位于兌頭灣對門河床左岸，坡度45°～60°，為混合巖夾碎石層，施工時需開挖3～5 m，見完整巖層后進(jìn)洞。

4.5.3 隧洞洞身

該洞身埋深大部分地段大于100 m，圍巖地層巖性為硅質(zhì)大理巖、混合巖、花崗巖、云母巖、英片巖等，巖石物理力學(xué)性能良好，無大的斷裂構(gòu)造穿過，有小部分?jǐn)鄬?，但其走向與洞軸線呈大角度相交，而且規(guī)模不大，其性質(zhì)屬壓扭～壓性，一般不會產(chǎn)生大規(guī)模不良地質(zhì)現(xiàn)象，但施工過程中仍應(yīng)充分重視，以確保施工安全。施工中按地質(zhì)工程師編制的專門的隧洞地質(zhì)報告進(jìn)行施工。圍巖參數(shù)參考值為：新鮮圍巖的巖石強(qiáng)度指數(shù)f=5～6，彈性抗力系數(shù)k=45～55；破碎帶、裂隙密集帶f=1～2.5，k=5～15；強(qiáng)風(fēng)化圍巖f=3～4，k=30～35。

4.5.4 圍巖巖石開挖級別和襯砌建議

圍巖巖石開挖級別為10～12級（16級制）。在隧洞進(jìn)出口30 m進(jìn)行襯砌，同時基礎(chǔ)全部襯砌，具體襯砌意見應(yīng)在施工開挖完成后由地質(zhì)工程師勘測鑒定后確定。

5 天然建筑材料

工程樞紐區(qū)基巖裸露，有廣泛的石料資源，巖石飽和抗壓強(qiáng)度為160～500 kg/cm2，滿足設(shè)計(jì)要求，可就地取材。本水電站用砂可就近取清油河河道河砂，儲量豐富，顆粒級配良好，含泥量小，干容重約為1.6～1.75 t/m3，滿足工程要求。

6 電站型式和布設(shè)

6.1 電站型式

根據(jù)清油河流域整體規(guī)劃和開發(fā)情況，結(jié)合本水電站的地形地質(zhì)條件，確定該水電站為引水徑流式電站，無調(diào)節(jié)能力。規(guī)劃利用漿砌石重力壩取水，從左壩肩引水，經(jīng)989 m輸水渠道（其中倒虹20 m、隧洞676 m）入前池，經(jīng)前池整流后由壓力管道進(jìn)入機(jī)房，尾水退入清油河河道。水電站渠首正常水位為343.40 m，尾水位為320.55 m，引水渠道水頭損失為1.309 m，壓力管道水頭損失和前池以上各局部損失之和為0.3 m，則水電站毛水頭H毛=343.40-320.55=22.85（m），凈水頭H凈=22.85-1.309-0.3=21.24（m）。

該水電站設(shè)計(jì)保證率為85%，相應(yīng)流量為0.64 m3/（s·d），出力系數(shù)取7.5，則保證出力Nb=7.5×0.64×21.24=101.95（kW）。

根據(jù)水電站水能計(jì)算，采用豐、平、枯3種典型年法和計(jì)入汛期設(shè)計(jì)流量，計(jì)算得該水電站多年平均發(fā)電量為310.03萬kW·h。該水電站建成后將并網(wǎng)運(yùn)行，考慮到清油河流域處在暴雨中心帶且具有汛期長、水量大的特點(diǎn)，結(jié)合清油河流域已有水電站的運(yùn)行管理經(jīng)驗(yàn)，為充分利用水能增加汛期發(fā)電量，確定兌頭灣水電站總裝機(jī)容量為250+500 kW。根據(jù)水電站設(shè)計(jì)流量及水頭，確定機(jī)組為混流臥式機(jī)組，水輪機(jī)型號為HL275-WJ-50和HL275-WJ-66（或該型號代用產(chǎn)品），發(fā)電機(jī)型號為SFW250-8/740及SFW500-10/990。

6.2 工程總體布置

兌頭灣水電站由引水樞紐、渠道、隧洞、壓力前池、壓力管道、廠區(qū)等部分組成，自龍頭漫水電站尾水下游1 km處修建低壩取水，引水至毛河口上游2 km建站發(fā)電。水壩采用漿砌石重力低壩，在左壩肩布置進(jìn)水閘、拉砂閘，引水渠道進(jìn)口與壩軸線垂直。輸水建筑物根據(jù)地形特點(diǎn)，修建渠道、倒虹、隧洞3個斷面形式。渠道長293 m，比降為1∶2000，斷面形式為矩形斷面，斷面尺寸為2.5 m×2.0 m。因引水渠道要過馬家當(dāng)溝，溝寬約10 m，故需修一倒虹，倒虹為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，斷面形式為矩形斷面，斷面尺寸為1.6 m×1.6 m，長20 m（水平投影長）。隧洞總長676 m，比降為1∶1000，斷面形式為城門洞形，斷面尺寸為2.8 m×2.0 m，上接1/3圓，僅對進(jìn)出口段各30 m進(jìn)行全斷面襯護(hù)，隧洞全段襯砌底板。根據(jù)地形地質(zhì)條件，前池溢流堰布置在渠道與前池過渡段的外側(cè)墻上。余水經(jīng)泄槽排至邊溝。

壓力管道采用單獨(dú)供水方式，管道為鋼筋混凝土管，以漿砌石連續(xù)管床敷設(shè)。布置鋼筋混凝土管道長度32.5 m，在坡腳鎮(zhèn)墩后變?yōu)殇摴?，鋼管長8 m。廠區(qū)布置在兌頭灣的左岸，根據(jù)地形條件，確定水電站廠房為正向進(jìn)水方式，生活區(qū)與廠區(qū)布置在一起，在廠區(qū)外側(cè)修建防洪堤，內(nèi)側(cè)有通村路可作為進(jìn)廠公路。

7 結(jié)語

通過分析發(fā)現(xiàn)，清油河流域地質(zhì)穩(wěn)定，區(qū)域內(nèi)無滑坡坍塌，適宜建設(shè)引水徑流式電站，但是在引水渠道、隧洞施工中，應(yīng)采用緩坡，并進(jìn)行漿砌襯護(hù)防治措施，以保證工程安全運(yùn)行，為水電站建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。