蘭西水庫壩址區(qū)工程地質(zhì)條件分析與壩型比選

代佳雨，李 東

（1.貴州省水利水電工程咨詢有限責(zé)任公司，貴陽 550001；2.四川大學(xué) 水利水電學(xué)院，四川 成都 610065）

蘭西水庫位于貴州省黔南布依苗族自治州羅甸縣逢亭鎮(zhèn)上隆村，工程任務(wù)為城鎮(zhèn)和灌溉供水。壩址距逢亭鎮(zhèn)約8.0 km，距羅甸縣城約46.3 km，有縣級公路通過壩址區(qū)，交通條件較好。水庫校核洪水位663.34 m，總庫容134 萬m3；正常蓄水位661.00 m，相應(yīng)庫容118 萬m3；死水位630.00 m，相應(yīng)庫容5.23 萬m3，興利庫容112.8 萬m3。針對蘭西水庫壩址區(qū)河道不順直、順河谷走發(fā)育卸荷裂隙等不利條件，結(jié)合地質(zhì)勘察資料，對壩線合理性和壩型適應(yīng)性等進行詳細論證分析，提出較優(yōu)壩址和壩型，確保工程高效優(yōu)質(zhì)施工建設(shè)［1］。

1 水庫區(qū)域構(gòu)造形跡

測區(qū)地處貴州高原向廣西丘陵過渡的斜坡地帶。自喜山運動以來，區(qū)內(nèi)地殼大面積抬升，之后受紅水河及其支流強烈侵蝕作用，形成群峰聳立、坡陡谷深的地貌形態(tài)。測區(qū)總體地勢從北向南傾斜，最高點在東南部大亭鄉(xiāng)老山大坪，海拔1401 m，最低點在大亭鄉(xiāng)紅水河與曹渡河匯合口處，海拔242 m，平均海拔746 m，地勢上劃分為低山。局部巖溶發(fā)育強烈，表現(xiàn)為溶蝕地貌，由于碎屑巖分布廣泛，測區(qū)總體為侵蝕山地地貌。

測區(qū)位于貴定南北向構(gòu)造變形區(qū)南端近東西向的弧形構(gòu)造變形區(qū)，發(fā)育有由上古生界組成的沫陽背斜和三疊系組成的砂廠背斜，兩背斜之間為三疊系組成的蛋當(dāng)向斜，這些褶皺構(gòu)造均同步彎曲向北凸起呈弧形，其中蛋當(dāng)向斜西段向南呈圓弧形彎曲，這個褶皺組合習(xí)稱沫陽弧形構(gòu)造，為旋扭構(gòu)造作用的產(chǎn)物。在該弧形構(gòu)造的南西側(cè)，發(fā)育有床井穹隆構(gòu)造，被沫陽構(gòu)造半弧狀包圍，是東西向與南北向構(gòu)造復(fù)合作用的結(jié)果。水庫位于董當(dāng)向斜西部弧形段的東翼、床井穹隆構(gòu)造的西側(cè)，主要構(gòu)造形跡，如圖1。

圖1 水庫區(qū)域構(gòu)造形跡分布

2 壩址工程地質(zhì)條件對比分析

根據(jù)地形條件結(jié)合水工建筑物布置，選擇上、下兩個壩址開展工程地質(zhì)勘察工作，上壩址位于1#溪溝上游103 m 處，下壩址位于1#溪溝下游60 m 處，兩壩址相距約163 m。

2.1 地形地貌

上壩址河谷呈不對稱的“V”型，兩岸地形坡度40°～55°，山體較為雄厚。河水位618.5 m，對應(yīng)谷寬約13 m，正常蓄水位高程661 m 對應(yīng)谷寬92 m，寬高比為2.14∶1；下壩址谷呈不對稱的“V”型，左岸地形坡度30°～40°，山體雄厚；右岸地形坡度40°～55°，山體較為單薄，在正常蓄水位661 m，右岸寬90 m。河水位613.0 m，平均水深約0.3 m，對應(yīng)谷寬約15 m，正常蓄水位高程661 m 對應(yīng)谷寬95 m，寬高比為2.91∶1。根據(jù)地形地貌條件比較，上壩址總體較平順，地形完整，上壩址較優(yōu)。

2.2 地層巖性

上、下壩址處兩岸基巖大部分裸露，巖性為C3mp 薄至中厚層燧石灰?guī)r，偶夾泥灰?guī)r、炭質(zhì)泥灰?guī)r；在右岸坡腳處分布殘坡積及崩塌積物，成分為黏土夾碎石及崩塌積碎石塊，厚度3～6 m（上壩址）/2～6 m（下壩址）；河床分布沖、洪積砂、卵、礫石，厚度3～5 m（上壩址）/4～6 m（下壩址）。下壩址地層巖性與上壩址地層巖性基本相同，但下壩址覆蓋層比上壩址后，上壩址略優(yōu)。

2.3 地質(zhì)構(gòu)造

壩址區(qū)無斷層通過，巖層總體為單斜產(chǎn)出，傾下游。其中：上壩址產(chǎn)狀為295°∠19°～21°，河谷為橫向谷；下壩址產(chǎn)狀為295°∠20°～23°，河谷為斜向谷。上、下壩址地質(zhì)構(gòu)造基本相似，上壩址略優(yōu)。

2.4 巖溶水文

岸坡及河床分布C3mp 中等可溶巖組，地表巖溶形態(tài)為溶溝、溶槽及溶蝕裂隙等，規(guī)模?。桓鶕?jù)鉆孔資料隨深度增加溶裂發(fā)育程度及透水率逐漸減小。地下水賦存形式主要有巖溶裂隙水、基巖裂隙水及覆蓋層孔隙水，其中覆蓋層富水性較強，裂隙水含量較少，富水性較弱。上、下壩址巖溶水文相同。

2.5 物理地質(zhì)現(xiàn)象

河床分布砂、卵、礫石，厚3～6 m，岸坡零星分布殘坡積黏土夾碎石，厚2～4 m；岸坡基巖裸露在上壩址右壩肩有規(guī)模較小的卸荷危巖體，對樞紐建筑物存在一定影響。上、下壩址物理地質(zhì)現(xiàn)象相同。

2.6 壓縮變形及抗滑穩(wěn)定

建基巖體為C3mp 薄至中厚層燧石灰?guī)r，偶夾泥灰?guī)r、炭質(zhì)泥灰?guī)r。對于面板堆石壩，弱風(fēng)化巖體是趾板基礎(chǔ)良好持力層，不存在壓縮變形和抗滑穩(wěn)定問題；對于重力壩，巖層產(chǎn)狀295°∠21°，層間發(fā)育有泥灰?guī)r、炭質(zhì)泥灰?guī)r夾層，對重力壩抗滑穩(wěn)定不利，存在深層抗滑穩(wěn)定問題。上、下壩址的壓縮變形及抗滑穩(wěn)定相同。

當(dāng)解題出現(xiàn)困難時，需靜心思考如何利用尺規(guī)構(gòu)造圖形，其構(gòu)圖的過程就是對條件充分分析的過程，思路自然成.如何構(gòu)圖？平時教學(xué)的過程中處處著眼于構(gòu)圖意識與能力的培養(yǎng)，基于構(gòu)圖分析問題，需要明晰“構(gòu)什么、怎么構(gòu)、構(gòu)與解的關(guān)系是什么”這三個問題.

2.7 開挖邊坡

上壩址兩岸均為橫向坡，無不利邊坡穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)面及結(jié)構(gòu)面組合，整體穩(wěn)定性較好，僅存在淺層溶蝕風(fēng)化巖體局部失穩(wěn)問題。壩基邊坡上游側(cè)為順向坡，邊坡穩(wěn)定性差；下壩址左岸為斜順向巖質(zhì)邊坡，巖層面是邊坡失穩(wěn)的主要結(jié)構(gòu)面，邊坡整體穩(wěn)定性較差。右岸為逆向巖質(zhì)邊坡無不利邊坡穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)面及結(jié)構(gòu)面組合，整體穩(wěn)定性較好。邊坡開挖穩(wěn)定性，上壩址略優(yōu)。

2.8 壩址比選結(jié)果

蘭西水庫上、下壩址工程地質(zhì)條件對比論證可知：上、下壩址直線距離100 m 左右，主要工程地質(zhì)問題相差不大。下壩址主要存在右岸山體較單薄，左岸為斜順向坡，邊坡問題突出；上壩址兩岸山體雄厚，地形完整性好，邊坡問題不突出，上壩址工程地質(zhì)條件優(yōu)于下壩址。結(jié)合建筑物布置及施工因素［2-3］，優(yōu)選上壩址作為推薦壩址。

3 水庫壩型優(yōu)化比選

3.1 壩型適宜性分析

3.1.1 地形條件

在地形上，河谷呈不對稱的“V”型，兩岸地形坡度40°～55°，山體較為雄厚，河谷狹窄，兩岸巖體均為C3mp 中硬巖，巖體質(zhì)量相當(dāng)；壩址區(qū)總體為單斜構(gòu)造，河谷為橫向谷。綜合地形、巖性及構(gòu)造條件等方面分析，上壩址具修建剛性壩的工程地質(zhì)條件；壩址區(qū)下游側(cè)河谷較為開闊，便于工程布置，在壩址區(qū)附近石灰?guī)r料源豐富，運輸距離短，建當(dāng)?shù)夭牧蠅尉邆湟欢▋?yōu)勢。初選拱壩、重力壩和面板堆石壩3 種壩型從地質(zhì)條件等方面進行綜合論證分析。

3.1.2 地質(zhì)條件

3.1.2.1 拱壩

壩址區(qū)兩岸山體基本對稱，河道整體彎曲，短距離內(nèi)較為順直，具備建拱壩的基本條件；右岸下游側(cè)發(fā)育有沖溝，存在臨空面，右岸發(fā)育順河谷走向的卸荷裂隙，巖層中夾有泥質(zhì)巖軟弱夾層，這些因素均不利于拱壩的壩肩穩(wěn)定，建拱壩的適宜性差。

3.1.2.2 重力壩

壩址區(qū)河谷狹窄，壩址區(qū)出露基巖為C3mp 中硬巖，兩岸巖體質(zhì)量相當(dāng)，壩基巖體承載力較強，總體為單斜構(gòu)造，緩傾下游偏左岸，河谷為斜向谷，無斷層通過，巖層連續(xù)性好，巖體強風(fēng)化帶厚度小，建重力壩的適宜性較好。在C3mp 巖層中夾有軟質(zhì)巖層，巖層緩傾，節(jié)理裂隙發(fā)育，存在深層抗滑穩(wěn)定問題［4-5］。

3.1.2.3 面板堆石壩

壩址區(qū)下游河谷較為開闊，便于工程布置，壩址區(qū)灰?guī)r料料源豐富，運輸距離短，建當(dāng)?shù)夭牧蠅危姘宥咽瘔危┚哂幸欢▋?yōu)勢［6］。

地質(zhì)條件分析可知，重力壩和面板堆石壩較拱壩工程匹配性更優(yōu)，擬定重力壩和面板堆石壩兩種壩型進行對比分析。

3.2 壩型主要工程地質(zhì)問題評價

3.2.1 重力壩

（1）建基面確定。壩址河床及階地分布砂、卵、礫石層，厚3～4 m，右岸坡腳分布崩塌積碎石塊，厚4～6 m，結(jié)構(gòu)松散，不能作為重力壩基礎(chǔ)，需開挖清除；下伏基巖為C3mp 薄至中厚層燧石灰?guī)r，偶夾泥灰?guī)r、炭質(zhì)泥灰?guī)r，強風(fēng)化4～6 m，巖體節(jié)理裂隙較發(fā)育，完整性差，不宜作為重力壩壩基持力層，建議開挖清除；弱風(fēng)化巖體裂隙閉合性好，巖體較完整，是壩基良好的持力層。綜合考慮壩高、壩址區(qū)巖體質(zhì)量等因素，建議壩基基礎(chǔ)置于弱風(fēng)化巖體中、下部。

（2）壩基抗滑穩(wěn)定。由于巖層緩傾下游，建重力壩存在壩基深層抗滑穩(wěn)定問題。其失穩(wěn)破壞模式：以層面為底滑面（泥灰?guī)r、炭質(zhì)泥灰?guī)r夾層為最不利底滑面），以L2 組裂隙為側(cè)裂面，以L1 組裂隙為剪出面向下游河床滑出。需根據(jù)提供的地質(zhì)參數(shù)進行抗滑穩(wěn)定性驗算。

（3）開挖邊坡。河谷為橫向谷，巖體傾下游偏左岸，傾角21°左右，兩岸邊坡均為巖質(zhì)邊坡，巖性為C3mp 薄至中厚層燧石灰?guī)r，偶夾泥灰?guī)r、炭質(zhì)泥灰?guī)r。開挖將形成側(cè)向坡，邊坡問題不突出，不存在整體滑動的可能性，邊坡整體穩(wěn)定。由于淺層強風(fēng)化巖體結(jié)構(gòu)松散，裂隙較發(fā)育，開挖時存在強風(fēng)化或表層覆蓋層小規(guī)模垮塌、滑塌等，需采取放坡及噴錨等支護處理。建議強風(fēng)化巖體永久開挖坡比為1∶0.75～1，臨時坡比1∶0.5～0.75；弱風(fēng)化巖體永久開挖坡比為1∶0.5～0.75，臨時1∶0.3～0.5。

（4）筑壩料源。經(jīng)地質(zhì)調(diào)查，選擇料場為庫區(qū)右岸山體作為大壩填筑料，為馬平組燧石灰?guī)r，儲量豐富，巖體質(zhì)量能滿足要求，距壩址僅1 km 左右，運輸方便。

3.2.2 面板堆石壩

（1）建基面確定。河床覆蓋層厚3～5 m，強風(fēng)化溶蝕層厚4～6 m，淺層巖體節(jié)理裂隙較發(fā)育，須開挖清除；弱風(fēng)化巖體完全能滿足趾板基礎(chǔ)持力層要求，趾板基礎(chǔ)置于弱風(fēng)化巖體中上部即可。建面板堆石壩壩基地質(zhì)條件限制性因素較少。

（2）堆石體基礎(chǔ)。面板堆石壩為柔性壩，對壩基承載力要求相對較低，河床為沖、洪積砂、卵、礫石，結(jié)構(gòu)松散，需開挖清除，堆石區(qū)基礎(chǔ)置于強風(fēng)化巖體中下部即可［7］。

（3）溢洪道邊坡。溢洪道布置于左岸，軸線沿左岸山體順河道方向布置，開挖邊坡主要為上游側(cè)橫向坡與下游側(cè)順向坡，巖層傾角20°左右，開挖邊坡上游側(cè)整體穩(wěn)定性好；下游側(cè)穩(wěn)定性差，易發(fā)生順層滑動的可能性。

3.3 壩型比選

根據(jù)上述論證分析，對重力壩和面板堆石壩存在的主要工程地質(zhì)問題列表進行對比，比選結(jié)果如表1。

表1 壩型工程地質(zhì)條件比選結(jié)果

表1 對比論證分析可知：在建壩條件上，壩址具備修建重力壩和面板堆石壩的條件。壩址區(qū)兩岸對稱性好，地形完整，兩岸順直，建重力壩條件要略優(yōu)于面板壩。綜合水工布置、工程造價、運行管理等因素，設(shè)計優(yōu)選重力壩壩型。

4 結(jié)語

蘭西水庫壩址區(qū)工程地質(zhì)條件復(fù)雜，庫區(qū)碳酸鹽巖出露面積大，溶溝、溶槽、落水洞、巖溶洼地及盲谷等共存于庫區(qū)。為論證巖溶洼地成庫可行性并優(yōu)選與工程地質(zhì)條件相匹配的壩型，根據(jù)現(xiàn)場踏勘和鉆探揭露成果，從地形地貌、地質(zhì)巖層、巖溶水文等方面，對上壩址和下壩址成庫合理性進行詳細論證，并對壩型工程匹配性進行對比分析。優(yōu)選的上壩線重力壩壩型，具有較好地形地質(zhì)適應(yīng)性和工程匹配性。后期應(yīng)重點查明壩址區(qū)巖體風(fēng)化情況和覆蓋層分布厚度及成分，以便對水庫滲漏、庫岸穩(wěn)定、浸沒、固體徑流等關(guān)鍵問題做出準確評價。