新疆某水庫壩址區(qū)工程地質(zhì)條件分析及壩址優(yōu)選

令軍帥

（新疆水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，新疆 烏魯木齊 830091）

1 工程概況

擬建水庫位于烏日可下亦山南麓的布爾闊臺河中下游河段，河流自西北流向東南，河源海拔高程為2 562.00 m，河道坡降為5.20%，出山口水文站控制斷面以上集水面積為158.00 km2，河長31.70 km，多年平均年徑流量為0.44×108m3，出山口后約8.00 km徑流全部滲入山前沖洪積扇前緣的山間洼地。水庫的工程任務(wù)以工業(yè)和農(nóng)業(yè)灌溉供水為主，兼顧發(fā)電。水庫正常蓄水位為1 093.00 m，總庫容為974.00×108m3。根據(jù)地形地質(zhì)條件，擬選上、下兩壩址進(jìn)行比選，上、下壩址相距約3.00 km，其中，上壩址壩高75.30 m，正常蓄水位為1 224.00 m，回水長約1.50 km；下壩址壩高69.40 m，正常蓄水位為1 093.00 m，回水長約1.50 km[1]。

2 壩址區(qū)地質(zhì)條件

2.1 基本地質(zhì)條件

2.1.1 地形地貌

水庫壩址區(qū)河流近南北走向，河谷為“U”形谷，河谷底寬100.00～200.00 m，河床高程為1 030.00～1 159.00 m，河床縱坡比在3.00%左右，水面寬5.00～8.00 m，水深0.30～0.50 m，河谷內(nèi)河漫灘、Ⅰ級階地植被及灌木較發(fā)育，上壩址為正常蓄水位高程時(shí)，河谷寬336.40 m 左右；下壩址為正常蓄水位高程時(shí)，河谷寬304.10 m。

2.1.2 地層巖性

壩址區(qū)出露的地層主要有泥盆系及第四系地層，由老至新分述如下。

1）泥盆系（D）

下泥盆統(tǒng)（D1mbb）孟布拉克組中亞組：巖性為凝灰?guī)r、青灰色，呈中～厚層狀，受構(gòu)造影響，左岸巖層產(chǎn)狀為15°NW∠70°，右岸為295°NE∠70°，大面積分布于壩址區(qū)，為壩址區(qū)主要地層。

2）第四系

全新統(tǒng)沖積物（Q4al）：分布于現(xiàn)代河床及Ⅰ，Ⅱ級階地，巖性為含漂石的砂卵礫石層，結(jié)構(gòu)松散～中密，粒徑以3.0～5.0 cm 為主，個(gè)別為1.00～2.00 m；全新統(tǒng)洪積物（Q4pl）：主要分布于溝口，巖性以碎石土為主，結(jié)構(gòu)松散，碎石粒徑以3.0～5.0 cm 為主；崩坡積物（Q4cold）：分布在河谷兩岸坡腳及半坡，成分主要為塊石、碎石，結(jié)構(gòu)松散，具有架空結(jié)構(gòu)。

2.1.3 地質(zhì)構(gòu)造

上、下壩址區(qū)均無區(qū)域性活動(dòng)斷裂通過，據(jù)地表地質(zhì)測繪，上壩址區(qū)主要發(fā)育的F2 斷裂位于壩前約400.00 m 處，斷裂走向與庫岸斜交，產(chǎn)狀為300°NE∠80°，破碎帶寬2.00～3.00 m，由碎裂巖組成，延伸長約10.00 km，斷裂沿線地貌上為一系列的沖溝及啞口。下壩址區(qū)左岸啞口發(fā)育1 條規(guī)模較大的斷裂F3，受該斷裂影響，右岸巖體相對破碎，左、右岸各發(fā)育2 條Ⅲ，Ⅳ類結(jié)構(gòu)面，左、右壩肩以Ⅴ類結(jié)構(gòu)面為主，F(xiàn)3 斷裂斜穿庫區(qū)，長約5.00 km，產(chǎn)狀為300°NE∠75°，破碎帶寬8.00～10.00 m，均為碎裂巖，沿線地貌上為一系列的沖溝及啞口，斷裂通過處在下壩址左岸形成一啞口，啞口頂寬約200.00 m，深約50.00 m，據(jù)區(qū)域資料及現(xiàn)場構(gòu)造調(diào)查未發(fā)現(xiàn)有活動(dòng)跡象；據(jù)鉆孔資料，F(xiàn)3 斷裂帶內(nèi)均為碎裂巖，啞口兩側(cè)受斷裂影響，巖體破碎，鉆孔孔深在60.00 m 范圍內(nèi)，巖芯以碎塊狀及少量短柱狀為主。

壩址區(qū)主要發(fā)育3組節(jié)理：60～65°SE∠35～40°，面平直，微張，延伸長20.00～50.00 m；50～80°NW∠40～55°，面平直，微張，延伸長15.00～30.00 m；295°SW∠55°，面平直，微張，延伸長15.00～40.00 m。

2.1.4 水文地質(zhì)條件及巖土體透水性

1）水文地質(zhì)條件

壩址區(qū)地下水主要有兩類：一類為孔隙潛水，主要分布在河床沖積層的砂卵礫石層中，主要受河水補(bǔ)給，水位隨河水位變化；另一類為基巖裂隙水，賦存于基巖裂隙內(nèi)，主要受冰雪融水和大氣降水的補(bǔ)給，沿裂隙網(wǎng)絡(luò)運(yùn)移，水量貧乏，無統(tǒng)一水位，總體向布爾闊臺河排泄。壩址范圍內(nèi)未發(fā)現(xiàn)有泉眼出露。

分別對壩址區(qū)地下水、地表水取樣，進(jìn)行水質(zhì)簡分析，依據(jù)GB 50487—2008《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》對水質(zhì)進(jìn)行評價(jià)。

壩址區(qū)地下水：HCO3-含量最大值為1.79 mmol/L，pH值為7.92～8.09，無游離CO2，Mg2+含量為10.00～15.10 mg/L，SO42-含量為55.70～190.80 mg/L，Cl-含量為31.90～53.80 mg/L。壩址區(qū)地表水：HCO3-含量最小值為1.58 mmol/L，pH 值為8.21，無游離CO2，Mg2+含量為18.80～22.60 mg/L，SO42-含量為38.90～53.80 mg/L，Cl-含量為8.00 mg/L。根據(jù)GB 50487—2008附錄L，HCO3-含量大于1.07 mmol/L時(shí)，對混凝土無腐蝕；pH 值大于6.50 時(shí)，無一般酸性型腐蝕；侵蝕性CO2含量小于15.00 mg/L時(shí)，無碳酸型腐蝕；Mg2+含量小于1 000.00 mg/L 時(shí)，不存在硫酸鎂型腐蝕；SO42-含量小于250.00 mg/L 時(shí)，對普通水泥無腐蝕性。當(dāng)環(huán)境水中同時(shí)存在氯化物和硫酸鹽時(shí)，Cl-含量（mg/L）=Cl-+SO42-×0.25，Cl-含量小于100.00 mg/L 時(shí)，對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋無腐蝕性；pH 值介于3～11，同時(shí)，Cl-+SO42-小于500.00 mg/L 時(shí)，對鋼結(jié)構(gòu)具有弱腐蝕性。因此，經(jīng)過對比和計(jì)算，壩址區(qū)地下水和地表水不存在HCO3-的腐蝕、無一般酸性型腐蝕、無碳酸型腐蝕、不存在硫酸鎂型腐蝕、不存在對普通水泥的腐蝕性、對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋無腐蝕性、對鋼結(jié)構(gòu)具有弱腐蝕性。

2）巖土體透水性

壩址區(qū)基巖巖性為凝灰?guī)r，據(jù)鉆孔壓水試驗(yàn)，上、下壩址左壩肩巖體透水率q≤10 Lu的界線埋深分別在基巖面以下約50.00 m和16.00～35.10 m，透水率q≤5 Lu 的界線埋深分別在基巖面以下約65.00 m 和56.00～68.60 m。上壩址河床段巖體透水率q不大于10 和5 Lu 的界線埋深均在基巖面以下約42.00 m。下壩址河床左側(cè)Ⅱ級階地巖體透水率q≤10 Lu 的界線埋深在基巖面以下約12.00 m，透水率q≤5 Lu 的界線埋深在基巖面以下約27.00 m；現(xiàn)代河床及Ⅰ級階地巖體透水率q≤10 Lu 的界線埋深在基巖面以下約45.00 m，透水率q≤5 Lu 的界線埋深在基巖面以下約55.00 m。上、下壩址右壩肩巖體透水率q≤10 Lu 的界線埋深分別在基巖面以下約38.00 m 和19.00 m，q≤5 Lu 的界線埋深分別在基巖面以下約49.00 m和29.00 m。

根據(jù)鉆孔及物探資料，壩址區(qū)河床覆蓋層巖性為含漂石、孤石的砂卵礫石層，上壩址區(qū)河床覆蓋層厚8.00～12.00 m，下壩址區(qū)河床覆蓋層厚6.50～15.80 m。根據(jù)河床原位注水及室內(nèi)滲透試驗(yàn)，上、下壩址區(qū)河床砂卵礫石層滲透系數(shù)分別為2.60×10-1～3.10×10-1cm/s 和7.90×10-2～8.30×10-2cm/s，均屬強(qiáng)透水層。

2.1.5 物理地質(zhì)現(xiàn)象

1）巖體風(fēng)化

壩址區(qū)基巖巖性為凝灰?guī)r，由于巖體受地形、構(gòu)造和卸荷影響，壩址各部位巖體風(fēng)化程度略顯不同。按GB 50487—2008 中巖體風(fēng)化帶劃分規(guī)定，壩址巖體總體可劃分為強(qiáng)風(fēng)化、弱風(fēng)化和微風(fēng)化帶。

受構(gòu)造影響，壩址區(qū)凝灰?guī)r巖層產(chǎn)狀為295～305°NE∠70°，以中～厚層狀為主，為堅(jiān)硬巖，巖體抗風(fēng)化能力較強(qiáng)，在斜坡及平緩處，強(qiáng)風(fēng)化層厚3.00～4.00 m，陡坎處強(qiáng)風(fēng)化層厚1.00～2.00 m 或無強(qiáng)風(fēng)化層，鉆孔巖芯以5.0～8.0 cm 的短柱狀為主，個(gè)別在15.0～20.0 cm。

根據(jù)壩址區(qū)鉆孔巖芯及波速測試成果，凝灰?guī)r強(qiáng)風(fēng)化層厚3.00～4.00 m，縱波速度Vp為2 500 m/s，風(fēng)化系數(shù)為0.45，巖體呈次塊狀構(gòu)造，節(jié)理裂隙發(fā)育，節(jié)理面均呈鐵透色；弱風(fēng)化層厚20.00～25.00 m，Vp為2 500～4 500 m/s，風(fēng)化系數(shù)為0.76，巖體呈次塊狀～塊狀構(gòu)造，節(jié)理裂隙較發(fā)育，節(jié)理面局部呈鐵透色；微風(fēng)化基巖，Vp為4 500～5 200 m/s，風(fēng)化系數(shù)為0.90，節(jié)理裂隙不發(fā)育，巖體較完整。

2）巖體卸荷、崩塌

壩址區(qū)左、右岸上部多基巖裸露，下部均被崩坡積物覆蓋，左、右岸岸坡整體穩(wěn)定。受節(jié)理、裂隙及風(fēng)化卸荷影響，上壩址區(qū)左、右壩肩共發(fā)育3組不穩(wěn)定體，不穩(wěn)定體體積為100～350 m3，目前均處于基本穩(wěn)定狀態(tài)；下壩址區(qū)左、右壩肩共發(fā)育5 處不穩(wěn)定體，不穩(wěn)定體體積為100～400 m3，目前均處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，但在地震等外力作用下大部分不穩(wěn)定體將失穩(wěn)。

2.1.6 巖（土）體工程地質(zhì)特征

1）巖石（體）工程地質(zhì)特征

上、下壩址基巖巖性均為凝灰?guī)r，以中～厚層狀為主，巖芯多呈短柱狀及碎塊狀。為研究壩址區(qū)巖體的物理力學(xué)特性，此次共完成室內(nèi)巖塊試驗(yàn)4 組，巖塊試樣均取自鉆孔巖芯。

據(jù)試驗(yàn)成果，凝灰?guī)r單軸飽和抗壓強(qiáng)度為81.00～124.00 MPa，平均值為108.30 MPa，為堅(jiān)硬巖，塊體干密度為2.74～2.78 g/cm3，孔隙率為0.71%～0.72%。

2）壩址工程巖體質(zhì)量分類及力學(xué)參數(shù)建議值

壩址區(qū)工程巖體質(zhì)量主要取決于巖體的風(fēng)化卸荷程度、巖石強(qiáng)度、巖體結(jié)構(gòu)類型、巖體完整性和緊密程度等，根據(jù)壩址區(qū)巖體工程地質(zhì)特性及物理力學(xué)性成果，并參照有關(guān)規(guī)程規(guī)范進(jìn)行壩址區(qū)工程巖體質(zhì)量分類，結(jié)果見表1。在工程巖體質(zhì)量分類和相應(yīng)試驗(yàn)成果的基礎(chǔ)上，參照有關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)和相應(yīng)的巖類指標(biāo)，提出壩址區(qū)巖體力學(xué)參數(shù)建議值，結(jié)果見表2。

表1 壩基弱風(fēng)化巖體結(jié)構(gòu)與巖體工程地質(zhì)分類表

表2 工程巖體物理力學(xué)參數(shù)建議值表

3）壩址第四系地層工程地質(zhì)特征

上壩址河谷底寬125.00 m，據(jù)鉆孔及物探資料，河床砂卵礫石層厚8.00～12.00 m，巖性為含漂石的砂卵礫石層，個(gè)別粒徑為1.00～2.00 m，無深槽分布，河床左岸發(fā)育Ⅱ級階地，右岸發(fā)育Ⅰ級階地，階地后緣均被崩坡積碎石土層覆蓋，厚5.00～6.00 m。據(jù)探坑取樣顆粒級配試驗(yàn)分析成果，河床砂卵礫石層不均勻系數(shù)Cu為254.00，曲率系數(shù)Cc為7.10，級配不良；河床砂卵礫石層濕密度ρ為2.14 g/cm3，干密度ρd為2.12 g/cm3，含水率ω為1.10%，最小干密度ρmin為1.82 g/cm3，最大干密度ρmax為2.24 g/cm3，相對密度Dr為0.70～0.75，結(jié)構(gòu)密實(shí)；原位滲透系數(shù)為2.6×10-1～3.1×10-1cm/s，屬強(qiáng)透水層。

下壩址河谷底寬140.00 m，據(jù)鉆孔及物探資料，河床砂卵礫石層厚6.50～15.80 m，巖性為含漂石的砂卵礫石層，個(gè)別粒徑為1.00～2.00 m，其中，Ⅰ級階地及現(xiàn)代河床砂卵礫石層厚約6.50 m，左岸Ⅱ級階地厚10.00～15.80 m，Ⅱ級階地基巖頂面比Ⅰ級階地基巖頂面低3.00～5.00 m。據(jù)探坑取樣顆粒級配試驗(yàn)分析成果，河床砂卵礫石層Cu為133.10，Cc為2.00，級配良好；河床砂卵礫石層ρ為2.12 g/cm3，ρd為2.11 g/cm3，ω為0.60%，ρmin為1.85 g/cm3，ρmax為2.27 g/cm3，Dr為0.65～0.69，結(jié)構(gòu)密實(shí)；原位滲透系數(shù)為7.9×10-2～8.3×10-2cm/s，屬強(qiáng)透水層。

上壩址左、右岸及下壩址左岸分布大量崩坡積物，結(jié)構(gòu)松散，局部呈架空結(jié)構(gòu)，一般厚3.00～5.00 m，坡腳處厚5.00～8.00 m。據(jù)探坑取樣顆粒級配試驗(yàn)分析成果，含土塊碎石Cu為20.80，Cc為4.10，級配不良；含土塊碎石層ρ為1.96 g/cm3，ρd為1.91 g/cm3，ω為0.40%，ρmin為1.75 g/cm3，ρmax為2.13 g/cm3，Dr為0.47，結(jié)構(gòu)中密，局部呈架空結(jié)構(gòu)。

2.2 壩址區(qū)主要工程地質(zhì)問題及評價(jià)

上壩址覆蓋層厚8.00～12.00 m，下壩址覆蓋層厚6.50～15.80 m，上、下壩址壩基覆蓋層均存在滲透穩(wěn)定、震動(dòng)液化、壩基抗滑穩(wěn)定和不均勻沉降等主要工程地質(zhì)問題[2]。

2.2.1 不均勻沉降問題

從現(xiàn)有勘察資料分析，壩基砂卵礫石層鉆孔未發(fā)現(xiàn)淤泥質(zhì)軟土和厚度較大的砂層分布，覆蓋層結(jié)構(gòu)總體上較均一，基本上為單一型結(jié)構(gòu)，根據(jù)鉆孔動(dòng)力觸探、土工等試驗(yàn)成果及物探測試成果分析，壩基覆蓋層結(jié)構(gòu)具有中密～密實(shí)、承載力較高、壓縮性低、透水性強(qiáng)的特點(diǎn)，地層總體較均勻，無連續(xù)砂層分布。

2.2.2 滲透及滲透穩(wěn)定問題

1）河床壩基砂卵礫石層的滲透變形

據(jù)河床壩基砂卵礫石層顆分資料，壩基砂卵礫石層Cu為133.10，Cc為2.00，為級配良好的土。依據(jù)GB 50487—2008附錄G，對壩基進(jìn)行滲透變形判別[3]，級配連續(xù)的土，其粗、細(xì)顆粒的區(qū)分粒徑公式：

式中：d為最小粒徑作為粗、細(xì)顆粒的區(qū)分粒徑，mm；d70，d10分別為小于該粒徑的含量占總土重70.00%，10.00%的顆粒粒徑，mm。

根據(jù)壩基砂卵礫石層顆分資料及式（1）計(jì)算出d=10.30 mm，對應(yīng)P（粗、細(xì)顆粒的區(qū)分粒徑對應(yīng)的顆粒含量）為31.00%。對于不均勻系數(shù)大于5的土，當(dāng)粗、細(xì)顆粒的區(qū)分粒徑對應(yīng)的顆粒含量在25.00%～35.00%時(shí)，其土的滲透變形類型為過渡型，因此，壩基砂卵礫石層滲透破壞形式為過渡型。

2）臨界水力比降的確定

根據(jù)過渡型計(jì)算公式：

式中：Jcr為壩基砂卵礫石層的臨界水力比降；Gs為壩基砂卵礫石層的顆粒密度與水的密度之比，取2.71；n為孔隙率，取0.21；d5，d20分別為小于該粒徑的含量占總土重的5.00%，20.00%的土粒粒徑，取d5=0.19 mm，d20=3.35 mm。由式（2）計(jì)算出Jcr= 0.133。

3）允許水力比降的確定

允許水力比降J允許為壩基砂卵礫石層的臨界水力比降Jcr除以安全系數(shù)，安全系數(shù)取值為1.5，則J允許= 0.09。

河床砂卵礫石層顆粒粗大、透水性強(qiáng)，屬強(qiáng)或極強(qiáng)透水層，其可能的滲透變形破壞形式主要為過渡型，抗?jié)B穩(wěn)定性差，其允許抗?jié)B比降僅為0.08左右，水庫蓄水后，在水頭差作用下，存在滲漏和滲透穩(wěn)定問題，故需采取防滲處理措施，以滿足防滲和滲透穩(wěn)定的要求。

2.2.3 壩基覆蓋層振動(dòng)液化評價(jià)

根據(jù)此次河床基礎(chǔ)砂礫石層的顆分資料，河床砂卵礫石粒徑小于5.00 mm 的顆粒含量占總質(zhì)量的百分比為22.20%。GB 50487—2008 規(guī)定：土的粒徑小于5.00 mm 顆粒含量的質(zhì)量占土的總質(zhì)量百分率小于或等于30.00%時(shí)，可判為不液化。因此，可以初判河床砂卵礫石層不會產(chǎn)生地震液化。另一方面，河床砂卵礫石層屬強(qiáng)透水層，地震作用下很難形成孔隙水壓力致使地下水位上升，因此，也不利于產(chǎn)生地震液化。

2.3 壩址區(qū)工程地質(zhì)條件評價(jià)

按地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造及工程地質(zhì)條件，將壩址區(qū)分兩部分進(jìn)行評價(jià)。

1）左、右岸壩肩

根據(jù)壩址區(qū)的工程地質(zhì)條件，左、右岸壩肩作為心墻、趾板基礎(chǔ)時(shí)，清除上部覆蓋層、強(qiáng)風(fēng)化巖體，將基礎(chǔ)置于弱風(fēng)化巖體上；左、右岸壩肩作為壩殼基礎(chǔ)時(shí)，清除崩坡積碎石土層。建議基巖強(qiáng)風(fēng)化層開挖坡比為1∶0.5，基巖弱風(fēng)化層-新鮮層開挖坡比為1∶0.3～1∶0.5，并噴錨支護(hù)處理。

2）河床壩基

根據(jù)壩址區(qū)的工程地質(zhì)條件，河床壩基段覆蓋層結(jié)構(gòu)單一，未發(fā)現(xiàn)連續(xù)分布的軟弱夾層，無地震液化問題。河床壩基作為心墻、趾板基礎(chǔ)時(shí)，清除上部覆蓋層、強(qiáng)風(fēng)化巖體，將基礎(chǔ)置于弱風(fēng)化巖體上；河床壩基作為壩殼基礎(chǔ)時(shí)，清除表層腐植土及植物根系，表層1.00～2.00 m 需灑水碾壓。

3 壩址壩型比選

3.1 壩址工程地質(zhì)條件比選

擬選上、下壩址相距約3.00 km，兩壩址基巖巖性均為下泥盆統(tǒng)凝灰?guī)r，屬堅(jiān)硬巖；兩壩址庫壩區(qū)范圍內(nèi)均無區(qū)域性斷裂及規(guī)模較大的斷裂通過；除下壩址左岸啞口沿?cái)嗔汛嬖诶@壩滲漏外，上、下壩址其他地質(zhì)條件基本相近。因此，從工程地質(zhì)條件綜合比較，兩壩址均具備修建當(dāng)?shù)夭牧蠅蔚墓こ痰刭|(zhì)條件，經(jīng)設(shè)計(jì)綜合比較，此階段將下壩址作為推薦壩址[4-7]。

3.2 推薦壩址壩型工程地質(zhì)條件比選

推薦壩址具備修建瀝青心墻壩和面板壩的工程地質(zhì)條件，兩壩型壩軸線一致，推薦壩址左壩肩岸坡相對平緩，分布大量的崩坡積塊碎石；左壩肩上游約100.00 m 處節(jié)理裂隙較發(fā)育、巖體相對破碎，分布有少量的危巖及危石，對面板安全威脅相對較大。河床段谷底寬100.00～120.00 m，分布有Ⅰ，Ⅱ級階地，河床砂卵礫石層厚6.50～15.80 m，心墻壩與面板壩工程地質(zhì)條件基本相近。右壩肩邊坡高陡，基巖多裸露，分布有少量的危巖及危石，對面板安全威脅相對較大。綜上所述，從工程地質(zhì)方面分析，心墻壩工程地質(zhì)條件略優(yōu)于面板壩。

4 結(jié)語

壩址區(qū)工程地質(zhì)條件、主要工程地質(zhì)問題作為水庫壩址、壩型選擇的諸多關(guān)鍵因素之一，雖然不是唯一因素，但仍是一個(gè)復(fù)雜的、多因素影響的系統(tǒng)工程，需要全面綜合考慮壩址區(qū)的地質(zhì)利弊條件。本文從上、下壩址區(qū)地質(zhì)條件和存在的主要工程地質(zhì)問題等方面對水庫壩址選擇的地質(zhì)因素進(jìn)行了系統(tǒng)的比較，并推薦下壩址為該水庫的適宜壩址，且選擇工程地質(zhì)條件略優(yōu)的心墻壩。當(dāng)然，其他各專業(yè)也應(yīng)從工程效益的角度出發(fā)，作整體權(quán)衡，選出真正高效益的壩址。