水庫壩址地質(zhì)條件分析及工程問題評價

摘 要：為切實掌握水庫壩址區(qū)的地質(zhì)條件及工程地質(zhì)問題，本文以現(xiàn)場調(diào)查成果為基礎(chǔ)，先對壩址區(qū)地質(zhì)條件進(jìn)行分析，并進(jìn)一步評價其工程問題，以期為后續(xù)設(shè)計奠定基礎(chǔ)。分析結(jié)果表明：壩址區(qū)地形總體較為平緩，具有相對較厚的覆蓋層，其下覆基巖主要為砂巖和輝綠巖，同時，壩區(qū)兩側(cè)斜坡相對較高，地表具有起伏特征，較少發(fā)育不良地質(zhì)作用，僅發(fā)育有2處危巖體和1處堆積體，因此，壩區(qū)兩側(cè)斜坡的穩(wěn)定性整體較好，僅局部存在失穩(wěn)風(fēng)險。壩區(qū)存在一定的水庫水平滲漏問題，建議采用全庫盆防滲，且?guī)靺^(qū)不存在水庫浸（淹）沒問題，固體徑流問題不突出，但沖溝發(fā)育，物源豐富，建議采取必要的排導(dǎo)防護(hù)措施。

關(guān)鍵詞：壩址；天然面波物探；地質(zhì)條件分析

中圖分類號：TV 221" " " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

隨著水利工程的發(fā)展，抽水蓄能電站的數(shù)量也逐漸增加。壩址區(qū)地質(zhì)條件及其工程問題會影響工程投資，因此，對該方面問題進(jìn)行研究具有重要意義[1-2]。目前，已有不少學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究，王漢斌等[3]討論了抽水蓄能電站在不同地質(zhì)條件下的勘察要點(diǎn)；白崇宇[4]利用Midas軟件分析了抽水蓄能電站的岸坡穩(wěn)定性；任有鋒等[5]對抽水蓄能電站建設(shè)過程中的不良地質(zhì)防治進(jìn)行了研究；張學(xué)清等[6]通過強(qiáng)度折減法評價了抽水蓄能電站建設(shè)過程中的邊坡穩(wěn)定性。上述研究表明，對抽水蓄能電站的壩址地質(zhì)條件分析及工程問題進(jìn)行評價是十分必要的，但受壩址區(qū)地質(zhì)條件限制，仍有必要結(jié)合具體項目進(jìn)行針對性研究。

本文以現(xiàn)場調(diào)查成果為基礎(chǔ)，先對壩址區(qū)地質(zhì)條件進(jìn)行分析，并進(jìn)一步評價其工程問題，以期為其后續(xù)設(shè)計奠定基礎(chǔ)。

1 工程概況

新疆達(dá)坂城抽水蓄能電站位于烏魯木齊市達(dá)坂城區(qū)境內(nèi)，它是純抽水蓄能電站。結(jié)合設(shè)計成果，本工程樞紐由上水庫、下水庫、輸水系統(tǒng)、地下廠房、地面開關(guān)站及下庫攔沙壩等組成，其中，上、下水庫的工程重要性極為重要，兩者均為新建水庫，上水庫瀝青混凝土面板堆石壩最大壩高82m，總庫容670萬m3。下水庫瀝青混凝土心墻壩最大壩高52m，總庫容660萬m3，攔沙壩壩高42m。本工程上、下庫輸水線路總長度約為3096.85m，發(fā)電額定水頭為525.0m，距高比為5.12，裝機(jī)容量為1200MW。

在交通條件方面，高崖子牧場有碎石路至下水庫，長度約10km，再往上游走13km即為上水庫，但道路較為簡單，僅為簡易牧道，因此，至庫區(qū)的交通條件一般。

2 水庫壩址地質(zhì)條件分析

2.1 地形地貌條件

壩址位于較狹窄處，呈不甚對稱的“U”形，左岸低右岸高，溝底高程為2600m～2900m，左岸山頂高程為3100m，右岸山頂高程為3150m，坡高500m～200m，坡向NE約70°。正常蓄水位為2697m，高程谷寬約250m，溝底寬70m～150m。左岸2765m高程以下受沖溝切割，呈一山梁地形，順溝長約400m，寬約200m，2762m高程為一小平臺，長寬均為30m～40m，正常蓄水位2697m高程壩肩巖體厚度約150m，以上岸坡高陡雄厚，岸坡坡度30°～40°，局部較陡。右岸為主溝與高崖子河所夾，呈近北東南西向山梁，岸坡坡度約40°，局部近直立。

2.2 地層巖性條件

根據(jù)調(diào)查成果，壩址區(qū)第四系土層主要為崩坡積層和洪積層，其中，崩坡積層巖性為碎石土，粒徑差異較大，棱角狀，結(jié)構(gòu)松散，厚度為5m～15m；洪積層巖性為砂卵礫石，母巖成分多為砂巖、輝綠巖，直徑約為0.5m～1.0m，厚度為10m～30m。

在基巖方面，巖性主要為砂巖、泥質(zhì)粉砂巖和輝綠巖，灰白色、灰黑色，厚層～中厚層狀，局部具薄層夾層，厚度較大。

在地層工程地質(zhì)條件方面，基巖的工程性質(zhì)較好，土層的工程地質(zhì)條件較差，因此，須重點(diǎn)掌握土層厚度。由于壩址區(qū)交通條件較差，不適宜鉆孔，因此提出采用天然面波物探手段探究土層分布厚度。通過統(tǒng)計，得到壩址區(qū)L3～L4測線的結(jié)果，如圖1所示。由圖1可知，L3測線的物探成果顯示塊碎石土層的剪切波速Vs為250m/s～500m/s，厚度為4.3m～17.2m。L4測線的物探成果顯示塊碎石土層的剪切波速Vs為250m/s～490m/s，厚度為16.7m～28.9m。綜上所述，壩區(qū)土層較為均勻，厚度有一定差異，總體主溝道部位深于兩側(cè)，最大厚度約29m，與勘探結(jié)果基本一致，說明天然面波物探手段適用于本項目區(qū)的地層厚度分析。

為進(jìn)一步評價壩址區(qū)基巖的完整性，現(xiàn)場對兩個鉆孔進(jìn)行波速試驗，其中，測試孔1的試驗段長度為362.8m，試驗段埋深為87.2m～450.0m。測試孔2的試驗段長度為46.0m，試驗段埋深為9.0m～55.0m。

經(jīng)統(tǒng)計，測試孔1的波速最大值為6580m/s，最小值為2360m/s，孔內(nèi)波速總體在 5000m/s～6000m/s，局部低于 5000m/s，

因此，其巖體完整～較完整，局部較破碎，總體質(zhì)量較好。測試孔2的波速最大值為6250m/s，最小值為1750m/s，孔內(nèi)波速總體在3000m/s～5000m/s，局部低于 3000m/s，巖體較破碎～破碎，局部較完整，總體質(zhì)量一般。

綜合兩個測試孔的波速測試結(jié)果，淺部巖體（強(qiáng)風(fēng)化、弱風(fēng)化）受風(fēng)化影響，巖體質(zhì)量偏差，深部（弱風(fēng)化-微新）巖體質(zhì)量總體較好，局部受構(gòu)造影響略差。

2.3 地質(zhì)構(gòu)造條件

上水庫（壩）址區(qū)巖層呈單斜構(gòu)造，其中，壩址區(qū)巖層產(chǎn)狀走向NE10°～35°，傾向SE，傾角35°～45°。庫址區(qū)巖層產(chǎn)狀為NW320°～330°，傾向NE，傾角為50°～60°。

在上水庫（壩）址區(qū)地質(zhì)測繪中未發(fā)現(xiàn)規(guī)模較大的斷層，主要構(gòu)造為層間小斷層和短小節(jié)理。層間小斷層在庫、壩址區(qū)的產(chǎn)狀變化較為明顯，庫址區(qū)走向NW320°～330°，傾向NE，傾角50°～60°。壩址區(qū)走向NE10°～35°，傾向SE，傾角為35°～45°，寬度通常為1cm～5cm。斷面平直光滑，多充填巖片、巖屑、巖粉，少量充填泥質(zhì)物。

2.4 水文地質(zhì)條件

壩址區(qū)地下水主要為孔隙潛水、裂隙水，其中，孔隙水賦存于溝底洪積層和兩岸坡腳崩坡積塊碎石層孔隙中，水量不豐。裂隙水賦存于基巖裂隙中，埋深大，接受降水和上游地下水補(bǔ)給，排泄于溝谷下游和高崖子河。

為進(jìn)一步掌握區(qū)內(nèi)土層的滲透特征，在現(xiàn)場進(jìn)行了滲透試驗，結(jié)果見表1。根據(jù)表1，得到土層的滲透系數(shù)為3.58×10-2cm/s～4.01×10-2cm/s。

在8個鉆孔進(jìn)行了98段壓水試驗，所得基巖呂榮值為0.36Lu～3.55Lu，無強(qiáng)透水和中等透水巖體，主要為弱透水巖體，局部微透水。分析認(rèn)為，壩址區(qū)淺部巖體基本屬弱透水巖體，局部地形突出部位表部強(qiáng)～弱風(fēng)化上部巖體或斷層影響帶可能存在強(qiáng)～中等透水巖體。

根據(jù)壓水試驗成果，壩址溝底弱透水帶（q=1Lu～10Lu）下限埋深50m～80m。兩岸中等透水帶下限埋深5m～10m，弱透水帶（q=1～10Lu）下限埋深80m～100m。

3 壩區(qū)問題評價結(jié)果

根據(jù)分析結(jié)果，進(jìn)一步對上水庫的壩區(qū)工程問題進(jìn)行評價，具體結(jié)果如下。

3.1 水庫滲漏問題

壩址區(qū)地形封閉條件總體良好，庫周岸坡高度超過500m，未發(fā)現(xiàn)低于正常蓄水位的埡口。左岸山體總體雄厚，距離深切鄰谷為7km，推測該鄰谷產(chǎn)生滲漏的可能性小，但靠近左壩肩外側(cè)部位發(fā)育一小沖溝，溝底高程低于正常蓄水位，分析認(rèn)為，可能存在繞壩滲漏問題。右岸發(fā)育深切鄰谷高崖子河，當(dāng)正常蓄水位時，鄰谷與下庫之間山梁水平厚度約為1500m，初步分析可能存在鄰谷滲漏的可能。

壩址區(qū)巖性主要為砂巖類和輝綠巖，鉆孔壓水試驗結(jié)果表明，庫盆巖體以弱透水性為主，微透水巖體埋深80m～100m，因此，分析認(rèn)為庫盆及兩岸巖體的透水性較弱。

勘探揭露上庫地下水較貧乏，水位埋深大，兩岸鉆孔未見地下水位，庫盆四周地下水位均低于正常蓄水水位。綜上所述，壩址區(qū)巖性為砂巖類和輝綠巖，未發(fā)現(xiàn)大的斷裂發(fā)育，右岸發(fā)育深切高崖子河，左岸壩肩部位存在單薄山梁，庫壩區(qū)地下水位埋深大，弱透水巖體埋深大，存在向左岸壩后繞滲和向右側(cè)深切高崖子河滲漏的可能。因此，水庫滲漏形式以水平滲漏為主，建議采用全庫盆防滲。

3.2 庫岸穩(wěn)定問題

庫區(qū)兩岸天然岸坡高約500m，總體呈上陡下緩狀，2800m高程以上岸坡相對較陡，局部近直立，但未見大的滑坡、變形體分布。調(diào)查發(fā)現(xiàn)有2處危巖體（W1、W2）和1處堆積體（DJ1），其中，W1僅臨庫盆，尤其西側(cè)，崩塌掉塊將對庫盆及環(huán)庫路有一定影響，建議進(jìn)行適當(dāng)清坡和防護(hù)。W2距離庫壩約600m，且與庫壩之間地形較緩，崩塌對庫壩區(qū)基本無影響。

為量化評價危巖體、堆積體的問題，須進(jìn)一步提出定量評價。

危巖體的穩(wěn)定性Fs1的計算過程如公式（1）所示。

（1）

式中：H為危巖體的懸臂高度，m；h為后緣裂隙深度，m；c為黏聚力，kPa；G為危巖體重度；Qv為豎向地震荷載。

通過計算，得到W1天然狀態(tài)下的穩(wěn)定系數(shù)為2.34，暴雨狀態(tài)下的穩(wěn)定系數(shù)為1.92，地震狀態(tài)下的穩(wěn)定系數(shù)為1.74，均屬穩(wěn)定狀態(tài)。W2天然狀態(tài)下的穩(wěn)定系數(shù)為2.20，暴雨狀態(tài)下的穩(wěn)定系數(shù)為1.65，地震狀態(tài)下的穩(wěn)定系數(shù)為1.29，除地震狀態(tài)下屬欠穩(wěn)定狀態(tài)，其余2個狀態(tài)均屬穩(wěn)定狀態(tài)。因此，局部危巖體在不利工況條件下存在失穩(wěn)可能。

結(jié)合以往經(jīng)驗，堆積體穩(wěn)定性Fs2的計算過程如公式（2）所示。

（2）

式中：n為條塊劃分?jǐn)?shù)；Ri為條塊對應(yīng)抗滑力，kN；ci為條塊對應(yīng)傳遞系數(shù)；Ti為條塊對應(yīng)下滑力，kN。

同時，條塊間的傳遞系數(shù)ci的計算過程如公式（3）所示。

ci=cos（θi-θi+1）-sin（θi-θi+1）tanψt+1 " " nbsp; " " " （3）

式中：θ為對應(yīng)條塊的傾角，°；ψ為對應(yīng)條塊的內(nèi)摩擦角，°。

在DJ1堆積體上布設(shè)了2個剖面，其中，1-1'剖面天狀態(tài)下的穩(wěn)定系數(shù)為2.46，暴雨狀態(tài)下的穩(wěn)定系數(shù)為1.97，地震狀態(tài)下的穩(wěn)定系數(shù)為2.03，均屬穩(wěn)定狀態(tài)。2-2'剖面天狀態(tài)下的穩(wěn)定系數(shù)為2.06，暴雨狀態(tài)下的穩(wěn)定系數(shù)為1.43，地震狀態(tài)下的穩(wěn)定系數(shù)為1.68，也均屬穩(wěn)定狀態(tài)。因此，DJ1堆積體的穩(wěn)定性較好。

綜上所述，正常蓄水位2697m附近岸坡總體較緩，未發(fā)現(xiàn)滑坡、變形體及危巖體發(fā)育，大部分岸坡為橫向坡和反向坡，僅右岸壩前部位為順向坡，由于天然坡度較緩，岸坡整體穩(wěn)定性較好，因此局部順向坡開挖后切腳易形成局部失穩(wěn)可能，須加強(qiáng)支護(hù)。

3.3 水庫浸（淹）沒問題

庫區(qū)為深山峽谷，無耕地、村舍和林地，不存在水庫浸沒問題。

3.4 固體徑流問題

泥石流評價結(jié)果表明，庫盆主溝和庫后1#溝、庫后2#溝這3條沖溝溝泥石流的易發(fā)程度為輕度易發(fā)。在1%暴雨頻率下，持續(xù)時間為1h的泥石流活動在3條沖溝所攜帶的固體物質(zhì)總量為1.94×104m3，水庫長期運(yùn)行將對水庫庫容有一定影響，建議采取相應(yīng)的排導(dǎo)防護(hù)措施。

4 結(jié)論

通過水庫壩址地質(zhì)條件分析及工程問題評價，得出以下結(jié)論。1）上水庫壩址位于高崖子溝左岸的哈克薩依溝上游，地形總體寬闊，庫壩區(qū)覆蓋層發(fā)育，厚度為10m～30m，基巖巖性主要為砂巖和輝綠巖，局部為砂巖與泥質(zhì)粉砂巖互層。2）庫區(qū)兩岸天然岸坡高約500m，總體呈上陡下緩狀，未見滑坡、變形體等，發(fā)育的2處危巖體和1處堆積體，對庫壩區(qū)總體沒有太大的影響，天然庫岸穩(wěn)定性較好，水庫蓄水后，岸坡整體穩(wěn)定性較好，局部掉塊不影響水庫正常運(yùn)行。3）壩址區(qū)右岸發(fā)育深切高崖子河，左岸壩肩部位存在單薄山梁，庫壩區(qū)地下水位埋深大，弱透水巖體埋深大，存在一定的水庫滲漏問題，且滲漏形式以水平滲漏為主，建議采用全庫盆防滲。

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