水利枢纽工程坝址区工程地质分析

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摘要：针对尤溪县汶潭水利枢纽工程地质问题，开展坝址区的工程地质勘察。基于坝址区的地勘资料，对主要的工程地质问题进行了分析，给出相应的解决措施，为工程设计与施工提供参考。

关键词：水利枢纽；坝址地质；地质分析

水利水电工程地质分析与评价是一项综合性的勘察工作，枢纽的工程地质勘察更是水利水电工程地质勘察中的重要一环。大坝作为枢纽工程的主要建筑物，坝址的工程地质条件分析是枢纽工程地质勘察的主要内容[1]。本文根据尤溪县汶潭水利枢纽工程初步设计阶段工程地质勘察有关情况，讨论了枢纽工程坝址区工程地质条件对工程建设和坝址区选择的影响，并给出了相应的对策。

1工程概况

汶潭水利枢纽工程位于尤溪县梅仙镇上游约4.6km，坝址距尤溪城关9.6km。尤溪汶潭水利枢纽工程是一项以灌溉、供水为主，兼顾发电和改善区域生态环境作用的综合水利枢纽工程，坝址处流域面积4525km2。该工程属于河床式枢纽工程，水电站厂房与坝相衔接，兼具发电及挡水作用。通过对河床式枢纽工程的地质调查，为坝址的选择提供依据。

2坝址区工程地质条件

2.1地形、地貌及物理地质现象

坝址处河流流向由南东至北西，河谷呈宽“U”字型，河床高程89.00～91.50m，两岸坡度35°～40°，河床宽度170m。坝线下游左岸80m、200m、右岸55m处各有冲沟发育，坝址下游左岸河床旁有较宽阔的漫滩，两岸高程103m、108m平台分别为Ⅰ、Ⅱ级堆积阶地阶面。整体河床较为开阔，地形较为平坦，适合河床式枢纽工程的开发与建设。坝址区物理地质现象以岩体的风化、卸荷裂隙发育为主，不存在滑坡、崩塌体等不良地质现象。岩体的风化、卸荷相辅相承，对坝区浅层、表层岩体的破坏有着较大影响。坝区岩体风化以表层面状均匀风化为主，风化程度随高程增加而加剧。河床大多直接出露弱风化基岩，仅局部小范围呈强风化。两岸均分布有全、强、弱、微风化等较完全的风化分带。坝址区岩体的卸荷作用，主要表现为早期构造断裂扩展形成的岸坡卸荷裂隙，而河床处的卸荷裂隙主要表现为一系列的缓倾角裂隙。岸坡的卸荷裂隙使岩体松弛张开，延伸长度达10～20m，张开0.2～1.5cm，充填有次生泥、碎屑等。河床处的卸荷裂隙主要集中在河床靠近岸边附近，缓倾角卸荷裂隙均受到不同程度铁锰质浸染。部分卸荷裂隙在此基础上，受风化作用的进一步影响，形成风化夹层。缓倾角卸荷裂隙及软弱夹层控制了风化带的发育深度[2]，缓倾角卸荷裂隙数目越多，弱风化带下限埋深越大。

2.2区域地层

坝区地层岩性较复杂，其出露的地层包括前震旦系、侏罗系和第四系。前震旦系建瓯群下亚群上段地层岩石主要包含大理岩、石英岩、碎裂岩化板岩。其中大理岩、石英岩为接触变质岩，碎裂岩化板岩为区域变质岩[3]。变质岩片理及岩层产状变化较大。侏罗系上统南园组第二段地层岩石主要为复成分火山角砾岩，岩石为火山碎屑物和胶结物两部分组成。火山碎屑物成分复杂，总体含量大于60％，其中晶屑和岩屑含量基本相等，玻屑很少，长石多见蚀变，与下覆的前震旦系建瓯群下亚群上段为不整合接触。第四系残坡积堆积、冲洪积堆积及人工堆积地层主要包含砂卵石、碎石土及粉质黏土等，厚度0.5~13.0m，主要分布于河流两岸的大部分岸坡、阶地及右岸公路沿线上。选取本区域地层中最典型的几种岩石进行室内岩石力学试验，得到岩石物理力学性质试验成果如表1所示（A代表复成分火山角砾岩、B代表碎裂岩化板岩、C代表石英岩、D代表大理岩）。由表1可知，本区域地层中石英岩抗压强度最高，碎裂岩化板岩抗压强度次之，大理岩抗压强度最低，复成分火山角砾岩抗压强度介于碎裂岩化板岩与大理岩之间。本区域地层广泛分布复成分火山角砾岩，岩石坚硬且致密，岩石胶结面具有一定的胶结强度，岩面具有较强的抗冲刷能力。且河床面上基岩大面积裸露，岩体呈弱风化，因此本河床式工程坝址选取复成分火山角砾岩作为基岩进行工程建设。

2.3水文地质条件

坝址选择建设在河面较为宽阔，比降较小的中、下游河段上，水头较低，坝上游侧的水压力不大，将水电站厂房与坝相衔接，共同充当挡水建筑物。坝址区水文地质条件主要包括地下水埋藏条件、环境水腐蚀性评价及基岩透水性分析等。通过对坝址区水文地质条件的分析，佐证坝址选择的合理性。坝址区两岸分水岭分布高程为230～270m，地下水类型以基岩裂隙潜水为主，赋存在岩体裂隙网络中，其分布、运动规律与断裂发育呈显著的相关性。此外，在覆盖层、全强风化层中分布大量孔隙水。地下水受大气降水的补给，并向河谷、冲沟排泄。坝址区域地下水位埋深，左岸20.0～30.0m，右岸10.0～15.0m。按照《水利水电工程地质勘察规范》（GB50487-2008），对河水进行腐蚀性评价。经取样化验分析，水样HCO3-离子含量为0.46mmol/L，Cl-离子含量为4.6mg/L，pH值为6.7、Cl-+SO42-离子含量为23.27mg/L。以上结果表明，河水对混凝土具有重碳酸型中等腐蚀；在干湿交替作用下，对钢筋混凝土结构中的钢筋无腐蚀性；对钢结构具有弱腐蚀性。依据《水利水电工程钻孔压水试验规程》的规定，对钻孔内岩体进行压水试验。由压水试验得出结论：全风化基岩渗透系数为1.55×10-3～1.76×10-3cm/s，属中等透水层。河床部分岩体相对隔水层顶板埋藏相对较浅，一般为1.6～3.5m。而部分区域岩体受缓倾角裂隙、夹层等的影响，相对隔水层顶板埋藏较深。从岩体透水率情况看，岩体的透水性强弱明显受岩体风化、卸荷、断裂构造的影响，坝基岩体透水率一般为0.35～2.82Lu，平均值为1.33Lu，坝基岩体属于微～弱透水。

3坝址区主要工程地质问题分析

3.1岸坡稳定性

从勘察结果看，岸坡未揭露贯穿性好且存在较大缓倾角的裂隙，未揭露较大规模不利于边坡稳定的结构面组合体，且不存在严重的边坡稳定问题，自然边坡基本稳定。工程建设区域内存在高度大于5m的土质边坡，其边坡稳定性较差，易产生小规模的塌滑现象，岩体破碎，稳定性较差。两岸坝肩开挖后，将形成人工边坡，左岸坝肩边坡高22.3m，边坡上部为坡残积及全风化，下部为强～弱风化基岩，强～弱风化岩体节理裂隙较发育，但未发现有不利于边坡稳定的不利结构面组合，未见明显的卸荷及松动变动作用，左岸边坡基本稳定。在开挖过程中，为保障上部坡残积及全风化土体的稳定，建议采取支护措施，以保证边坡的稳定性。右岸坝肩边坡高19.3m，边坡为强～弱风化基岩，强～弱风化岩体节理裂隙较发育，未揭露有不利于边坡稳定的不利结构面组合，未见明显的卸荷及松动变动作用，右岸边坡基本稳定。

3.2坝基变形及抗滑稳定

根据坝基岩石强度，基岩具有较高的承载力，也具有较好的均一性。基岩自身压缩性小，不存在压缩变形的问题。断层破碎带是坝基压缩稳定的突出部位，坝址区断层破碎带分布规模较小，破碎带对坝基变形影响有限。坝基缓倾角软弱夹层和具有一定厚度层状分布的缓倾角卸荷裂隙耦合效应，会大大降低坝基压缩稳定性。第四系冲洪积层中分布的粉质黏土，压缩性高，土质较软，抵抗变形能力差，会产生压缩变形问题坝基表层第四系冲洪积堆积层岩层松散，具架空现象。根据现场原位测试及室内试验结果，冲洪积堆积土层抗剪强度较低，易构成软弱滑动面。该层在坝基基础中属于软弱地基，易发生整体剪切破坏，总体上基础抗滑移不稳定，不满足坝址基础要求，需采取工程措施[4]。坝基基岩主要结构面产状分别为N55°～75°E和N60°～85°W。两组结构面与河流方向斜交，延伸长度达10～20m，由于两组结构面多为高倾角且相交错，不会构成坝基抗滑稳定问题，即不具备坝基沿软弱结构面滑移的完整边界条件，坝基通常不存在深层或浅层的滑动问题。依据地勘资料，下游右岸已发现有12条缓倾的卸荷裂隙及软弱夹层，缓倾角结构面倾向下游偏右岸。按照缓倾角软弱结构面的平面分布、空间位置及程度规模，主要集中发育在左河岸的浅表层。针对软弱夹层延伸长度，初步调查发现上下游及左右延伸长度大于50m，软弱夹层厚度较大，已查明厚度为0.3m，可判定为坝基内规模最大的软弱结构面。软弱夹层结构面与上述高倾角结构面组合，在下游临空面形成的条件下，可影响该坝段处的坝基浅表层抗滑稳定。在工程建设过程中，对坝体抗滑移问题的处理应当高度重视。地勘钻探资料揭示，最深的缓倾角软弱结构面埋深高达18.30m，可构成切割面的贯穿性结构面不发育，且临空面形成条件不充分。因此，构成坝基深层滑动的可能性小。受地层岩性及断层构造特殊性的控制，坝基缓倾角结构面不发育，岩层的片理、层面仍为不利的结构面，基础通常不存在浅、深层的坝基抗滑稳定问题。

3.3渗流稳定

本枢纽工程坝址断层规模不大，主要断层走向基本上与河流方向斜交，顺河断裂不发育，坝址断裂构造特征主要为各组发育的节理裂隙，因此坝基渗透稳定问题不突出。由于河床式枢纽工程水流直接从厂房上游引入厂房，因此厂房上游岩层的渗流稳定问题更应予以重视。受缓倾角卸荷裂隙及软弱夹层的影响，坝址上游相对隔水层顶板规律不一：河床坝基相对隔水层顶板最深仅为3m，而其余区域相对隔水层顶板埋深最深可达16.3m。纵观整条坝线，选取渗流稳定最不利位置进行分析。坝址左岸受风化带影响，强风化带下限埋深28.33m，强风化带以上部分的岩土体透水率大于5Lu。因此，坝址左岸强风化以上岩体存在渗漏问题。断层由库内通过坝下游，可能产生的集中渗流通道。此外，河床部位第四系冲洪积层砂卵石组成松散，透水性强，渗透系数大，易发生管涌破坏现象；第四系粘性土渗透系数较小，不易产生渗流破坏现象，但应注意局部腐木夹于水库坝体内所带动的剪切破坏。

4解决措施

针对易产生塌滑的土质边坡，应注意清理坍塌区域，并采取注浆或锚杆加固措施；河床坝基存在缓倾角软弱夹层和卸荷裂隙，对坝基浅层的抗滑稳定影响较大。针对软弱夹层危害大的应进行开挖处理，对软弱夹层危害较小的应采取加固措施；易产生坝肩山体及断层渗流问题的区域，应采取专门的防渗处理措施。而对个别较大规模的断层应视具体的产状、性质、充填物、胶结程度等情况，可采取混凝土衬砌防渗处理或塑料薄膜防渗处理。

参考文献：

[1]马喜祥，白世录，袁学安，等.中国河流冰情[M].郑州:黄河水利出版社，2009.

[2]王瑞红，李建林，蒋昱州，等.含预制节理岩体卸荷条件下力学特性试验研究[C].全国岩石力学与工程试验及测试技术学术交流会，2012.

[3]工程地质手册编委会.工程地质手册（第4版）[M]．北京:中国建筑工业出版社，2007．

[4]尤鸿.陡滩口水电站坝址工程地质条件分析[J].小水电，2013（3）：89-93.

作者：魏瑞城 单位：福建省水利水电勘测设计研究院