樓莊子水庫(kù)大壩地質(zhì)分析

張曉龍

（樓莊子水庫(kù)工程建設(shè)管理局，新疆 昌吉 831100）

規(guī)劃建設(shè)的樓莊子水庫(kù)位于頭屯河上游中低山區(qū)，海拔1200～1400 m，南部為高山區(qū)，北部為山前傾斜平原區(qū)。為了確保水庫(kù)大壩安全建設(shè)，需對(duì)其地質(zhì)情況進(jìn)行分析。

1 概況

樓莊子水庫(kù)是頭屯河上游山區(qū)控制性骨干工程，樞紐由攔河大壩、溢洪洞、引水隧洞、導(dǎo)流排砂隧洞等組成[1]。壩址位于頭屯河上游階梯狀中低山區(qū)，壩址區(qū)河床高程1324～1335 m，河谷略開(kāi)闊，呈不對(duì)稱“U”形，谷底寬120 m左右，其中現(xiàn)代河床寬50 m左右，靠近右岸。壩址區(qū)河谷走向約NE 57o，河道縱坡10‰。河道左岸發(fā)育有四級(jí)階地，其中Ⅳ級(jí)階地上多覆有崩塌的大塊石。河道右岸為基巖山體，山體坡度40o～60°。

2 壩址工程地質(zhì)條件

2.1 地層巖性

壩址出露的地層有侏羅系和第四系地層，從老至新分述如下。

2.1.1 侏羅系（J）

中侏羅統(tǒng)未分層組（J2（x+s））主要為黃灰色、灰綠色硬砂巖、砂巖、粉砂巖與灰色、灰黑色砂質(zhì)泥巖不均勻互層，廣泛出露于兩壩肩及河谷兩側(cè)山體。

2.1.2 第四系（Q）

2.2 物理地質(zhì)現(xiàn)象

壩址兩壩肩上部為土黃色砂巖、礫巖互層，受風(fēng)化影響節(jié)裂發(fā)育，崩塌形成陡峭邊坡，主要物理地質(zhì)現(xiàn)象表現(xiàn)為危巖體、崩塌。地表測(cè)繪資料表明，左右壩肩范圍巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，產(chǎn)狀基本以北西和北東為主，其特點(diǎn)是延伸較長(zhǎng)，裂面不光滑、張裂，多以卸荷裂隙為主，易產(chǎn)生崩塌，對(duì)大壩有一定影響，建議對(duì)左右壩肩卸荷裂隙及高陡邊坡進(jìn)行削坡處理[3]。但整個(gè)右壩肩工程地質(zhì)條件相對(duì)左壩肩較好。

2.3 水文地質(zhì)條件

壩址區(qū)受降水入滲影響存在基巖裂隙水向河谷內(nèi)排泄，河谷地下水受地形影響一般自南向北下泄，補(bǔ)給松散第四系地層內(nèi)的孔隙潛水，水位變化不大。壩址區(qū)河水礦化度0.13～0.18 g/L，為Ca2+·Mg2+·Na+型，總體與地下水相近。

2.4 壩基覆蓋層質(zhì)量評(píng)價(jià)

階地段為細(xì)粒土層，該層距離壩址較近，經(jīng)調(diào)查可作為防滲土料利用。卵石混合土層階地下部卵石混合土（Q3）為青灰色，厚度10.0～30.0 m，最大粒徑約35 cm，卵石磨圓度好，干燥、稍密。一般天然密度為2.04～2.10 g/cm3，含水率約0.5%～2.0%。壩基開(kāi)挖范圍內(nèi)該層儲(chǔ)量約39.5×104m3，經(jīng)取樣分析該層相對(duì)密度0.69～0.73。

壩基現(xiàn)代河槽段（0+562.0—0+670.0）卵石層厚度2.3～4.5 m，為青灰色，松散、厚度不大，不宜做基礎(chǔ)持力層，建議心墻部分壩基清除至強(qiáng)風(fēng)化基巖底面，壩殼部分清除表層1.0 m，基巖開(kāi)挖邊坡坡比強(qiáng)風(fēng)化層1∶0.5、弱風(fēng)化層1∶0.35，開(kāi)挖后應(yīng)及時(shí)采用水泥砂漿封閉建基面。

為查明壩基深厚覆蓋層物理力學(xué)性質(zhì)，本階段特取樣5組進(jìn)行試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比提出該砂卵礫石層物理力學(xué)指標(biāo)建議值，詳見(jiàn)表1。

表1 壩基砂卵礫石層物理力學(xué)指標(biāo)建議值

2.5 壩基巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)

2.5.1 巖石（體）物理性

壩址區(qū)左右壩肩巖體裸露，左壩肩以灰綠色砂巖泥、巖互層為主，呈厚層狀；現(xiàn)代河床覆蓋層很薄，分布范圍小，階地段發(fā)育古河槽，覆蓋層深厚，下伏基巖為侏羅系灰黑色泥巖、砂巖互層；右壩肩以灰黃色砂巖和灰綠色泥巖為主，呈厚層狀。砂巖較硬，完整性較好；泥巖質(zhì)軟，完整性較差。巖石的致密程度和巖體的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造發(fā)育情況差異較大，一般泥巖物理力學(xué)指標(biāo)較差，砂巖則較好。

2.5.2 巖體滲透性

根據(jù)鉆孔壓水試驗(yàn)成果分析，壩址區(qū)巖體的透水性主要受巖體風(fēng)化程度和斷層及節(jié)理的發(fā)育程度控制即巖體透水性多受貫通性結(jié)構(gòu)面控制，個(gè)別試驗(yàn)段透水性較大。左壩肩（0+000—0+181.6）透水率q<5 Lu中等透水層界線埋深為基巖面下50～70 m；壩基段（0+181.6—0+562.0）q<5 Lu中等透水層界線埋深階地段（0+181.6—0+562.0）為基巖面下5～18 m，河床段（0+562.0—0+670.0）為基巖面下5～13 m；右壩肩（0+670—0+878.13）q<5 Lu中等透水層界線埋深為基巖面下13～36 m。

2.5.3 巖石（體）物理力學(xué)參數(shù)確定

通過(guò)對(duì)壩址區(qū)巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度與巖體的變形模量、彈性模量和抗剪強(qiáng)度等重要物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，依據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（GB50487-2008）的有關(guān)規(guī)定[4]，經(jīng)過(guò)分析巖體結(jié)構(gòu)、構(gòu)造發(fā)育程度、風(fēng)化情況等，綜合提出本工程壩址區(qū)巖石的物理力學(xué)指標(biāo)建議值，詳見(jiàn)表2。

表2 壩址區(qū)巖石物理力學(xué)指標(biāo)建議值

2.5.4 巖體工程地質(zhì)分類

壩址區(qū)基巖地層巖性為中侏羅統(tǒng)未分層組（J2（x+s））灰綠色砂巖、泥巖互層，呈厚層～巨厚層狀，層理明顯，巖體較完整。依據(jù)土壤及巖石（普氏）分類表和《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（GB50487-2008）附錄V中的要求，從巖體抗壓強(qiáng)度、縱波速度、完整性系數(shù)、RQD值等對(duì)壩基巖體進(jìn)行工程地質(zhì)普氏分類，結(jié)果詳見(jiàn)表3。

表3 壩基巖體工程地質(zhì)分類

3 壩址區(qū)主要工程地質(zhì)問(wèn)題

3.1 巖體分化

壩址區(qū)兩壩肩基巖出露。左壩肩以厚層狀泥巖為主，局部夾砂巖、礫巖，屬軟巖，抗風(fēng)化能力較差，強(qiáng)風(fēng)化層厚度一般2.6～7.0 m，縱波速度為785～1380 m/s，圍巖總評(píng)分為20分，屬于Ⅴ類圍巖；弱風(fēng)化層厚度一般6.0～18.5 m，縱波速度為1350～1900 m/s，圍巖總評(píng)分為35分，屬于Ⅳ類圍巖。右壩肩以厚層狀砂巖為主，局部夾泥巖、礫巖，屬軟巖，抗風(fēng)化能力較差，強(qiáng)風(fēng)化層厚度一般2.6～17.8 m，縱波速度為990～1020 m/s，圍巖總評(píng)分為24分，屬于Ⅴ類圍巖；弱風(fēng)化層厚度一般3.0～11.4 m，縱波速度為1720～2350 m/s，圍巖總評(píng)分為40分，屬于Ⅳ類圍巖。

3.2 不穩(wěn)定巖體地質(zhì)特性及評(píng)價(jià)

壩址區(qū)兩壩肩由于受裂隙影響，沿裂隙（斷層）面有3處不穩(wěn)定體，位于正常庫(kù)水位附近，其上、中部以裂隙和斷層面為滑動(dòng)結(jié)構(gòu)面，其下部被坡積碎石土覆蓋，未見(jiàn)明顯滑動(dòng)面，水庫(kù)蓄水后有塌滑的可能性，總方量約5259 m3。

3.2.1 W1危巖體

W1危巖體位于左壩肩上部，位置高程1436～1514 m，巖性為侏羅系灰黃色砂巖，產(chǎn)狀335°NE∠15°，自然邊坡59°SE∠69°，坡頂面56°SE∠60°。主要發(fā)育3組結(jié)構(gòu)面：①節(jié)理305°～320°SW∠52°～57°；②節(jié)理288°～300°SW∠37°；③節(jié)理54°～60°NW∠26°。經(jīng)初步估算，W1危巖體的體積為2239.0 m3。危巖體崩塌會(huì)對(duì)左壩肩施工或后期運(yùn)行造成影響，建議清除并進(jìn)行噴護(hù)處理。

3.2.2 W2危巖體

W2危巖體位于右壩肩山體，位置高程1358～1416 m，呈帶狀分布，巖性為侏羅系灰黃色砂巖，巖層產(chǎn)狀335°NE∠15.0°，自然邊坡330°SW∠55°，坡頂面335°SW∠60°。主要發(fā)育3組結(jié)構(gòu)面：①節(jié)理337～350°SW∠36°；②節(jié)理75～80° SE∠46～69°；③節(jié)理46～55°SE∠80°～85°延伸較長(zhǎng)，裂面不光滑、張裂，多以卸荷裂隙為主。經(jīng)初步估算，W2危巖體的體積為1904.0 m3。危巖體崩塌會(huì)對(duì)右壩肩施工或后期運(yùn)行造成影響，建議清除并進(jìn)行噴護(hù)處理。

3.2.3 W3危巖體

W3危巖體位于右壩肩上游隧洞進(jìn)口上側(cè)，位置高程1383～1416 m，巖性為侏羅系灰黃色砂巖夾礫巖，巖層產(chǎn)狀335°NE∠10.0°，自然邊坡330°SW∠68°，坡頂面350°SW∠50°。主要發(fā)育3組結(jié)構(gòu)面：①節(jié)理305°～320°NE∠80°～84°；②節(jié)理70～85°NW∠81～81°；③節(jié)理335-340°NE∠45°～50°。經(jīng)初步估算，W3危巖體的體積為1116 m3。危巖體崩塌會(huì)對(duì)隧洞進(jìn)口施工或后期運(yùn)行造成影響，建議清除并進(jìn)行噴護(hù)處理。

3.3 壩基水土腐蝕性評(píng)價(jià)

3.3.1 水的腐蝕性評(píng)價(jià)

壩址區(qū)地下水主要有2類：一類為河床沖積砂礫石層中的孔隙潛水，主要受河水補(bǔ)給，水量豐富；另一類為基巖裂隙水，在測(cè)繪范圍內(nèi)，兩岸未發(fā)現(xiàn)泉水露頭，根據(jù)壩址區(qū)ZK1（高程1322.68 m）、ZK2（高程1333.55 m）、ZK3（高程1328.16 m）、ZK5（高程1325.69 m）、ZK8（高程1324.3 m）鉆孔水位觀測(cè)，左岸階地地下水位比河水位（高程1321.9 m）高出約5.0～11.0 m，表明基巖裂隙水較為豐富，主要受大氣降水補(bǔ)給，貯存在強(qiáng)風(fēng)化～弱風(fēng)化巖體的裂隙中，并沿裂隙網(wǎng)絡(luò)運(yùn)移，沿侵蝕基準(zhǔn)面向頭屯河排泄。

本次勘察分別在頭屯河壩址區(qū)河段取河水樣，在探坑TK29、TK30中取地下水樣，并進(jìn)行了水質(zhì)分析，結(jié)果如下：壩址地下水SO2-平均含量138.6 mg/L，平均含量4.53～4.74 mmol/L，Mg2+含量20.7～28.0 mg/L，對(duì)混凝土無(wú)腐蝕性；Cl-含量56.2～45.0 mg/L，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋無(wú)腐蝕性；Cl-+SO2-含量74.5～94.4 mg/L，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)有弱腐蝕性。壩址地表水平均含量118～136.9 mg/L，平均含量1.89 mmol/L，Mg2+含量9.6 mg/L，對(duì)混凝土無(wú)腐蝕性；Cl-含量11.2 mg/L，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋無(wú)腐蝕性；Cl-+SO42-含量129.2～148.1 mg/L，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)有弱腐蝕性。

經(jīng)綜合評(píng)定，地下水對(duì)混凝土無(wú)腐蝕性，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋無(wú)腐蝕性，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)有弱腐蝕性；地表水對(duì)混凝土無(wú)腐蝕性，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋無(wú)腐蝕性，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)有弱腐蝕性。

3.3.2 壩基土腐蝕性評(píng)價(jià)

經(jīng)對(duì)壩基探坑TK27、TK33、TK34等土樣分析，壩基土平均易溶鹽含量為0.13%～0.28%，為非鹽漬土，Mg2+含量9～70 mg/kg。經(jīng)綜合評(píng)定，壩基土對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)有弱腐蝕性。

3.4 壩后古滑坡體評(píng)價(jià)

受區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造的影響，距推薦壩線下游300 m左岸坡發(fā)育一古滑坡體，滑坡體表面凹凸不平，巖體崩塌凌亂、塌方嚴(yán)重[5]。該滑塌體由四級(jí)滑弧構(gòu)成，側(cè)滑動(dòng)面近乎平行，滑坡體軸向SE156o，最大落距25 m左右，長(zhǎng)420 m，寬300～520 m，底滑面屬砂巖、泥巖互層軟弱面，為順層滑動(dòng)，目前滑塌體下游滑動(dòng)底面完整基巖出露，已無(wú)臨空滑動(dòng)面，滑動(dòng)趨勢(shì)基本穩(wěn)定。鉆孔ZK12、ZK13、ZK14、ZK24、ZK25、ZK26、ZK27資料表明，滑動(dòng)面以上為松散的崩塌物，由黏土、砂土、崩塌塊石等組成，密度約1.70～1.75 kg/cm3，滲透系數(shù)約（5.5～6.0）×10-2cm/s，屬?gòu)?qiáng)透水層，層間松散紊亂，有孤石存在，滑動(dòng)面巖層完全破碎，有水平節(jié)裂及錯(cuò)動(dòng)跡象，滑坡壁為砂巖、泥巖陡面，高約25 m，近70°～80°，整體方量約178.3萬(wàn)m3。SL01號(hào)滑坡體出露高程1325～1527 m，整體處于壩址后且目前處于穩(wěn)定狀態(tài)，對(duì)壩址各建筑物無(wú)影響。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)分析探討得出，壩址區(qū)處于相對(duì)穩(wěn)定地段，壩基主要以砂巖、泥巖互層為主，巖體較完整，透水性弱。地下水、地表水對(duì)混凝土無(wú)腐蝕性，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)有弱腐蝕性。壩址區(qū)兩壩肩上部基巖坡度較陡，多形成陡立面，易發(fā)生崩塌或滑塌，建議對(duì)左壩肩上、下游范圍內(nèi)的卸荷裂隙及高陡邊坡進(jìn)行削坡處理。根據(jù)壩址區(qū)地質(zhì)條件評(píng)價(jià)，建議選擇抗震性能強(qiáng)、邊坡開(kāi)挖量小、防滲處理效果好的黏土心墻壩為大壩建設(shè)方案，為工程建設(shè)提供了科學(xué)依據(jù)。