(四川省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院勘察分院，成都，611731)

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武都水庫(kù)壩基地質(zhì)缺陷分析

趙啟龍，毛增產(chǎn)，楊會(huì)杰

(四川省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院勘察分院，成都，611731)

武都水庫(kù)大壩為碾壓混凝土重力高壩，壩址區(qū)地質(zhì)構(gòu)造和巖溶系統(tǒng)強(qiáng)烈發(fā)育，工程地質(zhì)條件十分復(fù)雜。經(jīng)多年地質(zhì)勘察，分析、論證，查明了壩基地質(zhì)缺陷。壩基地質(zhì)構(gòu)造缺陷主要為斷層破碎帶、層間錯(cuò)動(dòng)帶、緩傾角裂隙等；壩基巖溶地質(zhì)缺陷主要為地表溶洞、落水洞、溶蝕帶以及隱伏巖溶洞穴與隱伏溶蝕帶等。為壩基抗滑穩(wěn)定驗(yàn)算、防滲邊界提供了可靠地質(zhì)依據(jù)。

地質(zhì)構(gòu)造缺陷 巖溶地質(zhì)缺陷 抗滑穩(wěn)定 防滲邊界

1 概述

武都水庫(kù)是武都引水工程的水源工程，是以防洪、灌溉為主，結(jié)合發(fā)電，兼顧城鄉(xiāng)工業(yè)生活及環(huán)境用水等綜合利用的大型骨干水利工程。水庫(kù)總庫(kù)容5.72×108m3，樞紐大壩為碾壓混凝土重力壩。

水庫(kù)工程區(qū)位于龍門(mén)山褶斷帶前山構(gòu)造帶的北段，庫(kù)尾附近、庫(kù)首段分別有龍門(mén)山主中央斷裂和前山斷裂通過(guò)，壩址區(qū)為泥盆系中統(tǒng)白石鋪群觀霧山組可溶巖地層，壩基巖溶洞穴、次級(jí)斷層破碎帶和層間錯(cuò)動(dòng)帶等軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)育，因此，壩區(qū)工程地質(zhì)條件十分復(fù)雜[1]。

壩基巖體中存在的地質(zhì)構(gòu)造缺陷和巖溶地質(zhì)缺陷，是影響壩基抗滑穩(wěn)定、造成壩基滲透與繞壩滲漏、使壩基巖體變形的主要工程地質(zhì)問(wèn)題。

2 主要勘察工作開(kāi)展

地質(zhì)勘察工作于1972～1978年開(kāi)展選壩、1991～1994年完成可研、1998～2003年完成初設(shè)、2004～2009年開(kāi)展技施，各階段進(jìn)行了大量勘探、試驗(yàn)和專(zhuān)題研究工作。特別是技施階段，改進(jìn)、完善了鉆探工藝，確保了鉆孔中的地質(zhì)現(xiàn)象不漏判、誤判；通過(guò)豎井查明斷層破碎帶分布、性狀；現(xiàn)場(chǎng)大剪試驗(yàn)，查明斷層破碎帶、裂隙結(jié)構(gòu)面等力學(xué)特性；開(kāi)展物探：孔內(nèi)聲波測(cè)試、孔間CT穿透、鉆孔電視全景錄象、探地雷達(dá)、孔內(nèi)巖體變形試驗(yàn)等；對(duì)斷層破碎帶進(jìn)行取樣試驗(yàn)工作。

3 壩基地質(zhì)缺陷

通過(guò)對(duì)前期探明、開(kāi)挖揭示的壩基地質(zhì)缺陷進(jìn)行系統(tǒng)勘察、綜合分析、研究，查明水庫(kù)壩基地質(zhì)缺陷主要為巖溶地質(zhì)缺陷、地質(zhì)構(gòu)造缺陷。

巖溶地質(zhì)缺陷主要表現(xiàn)為地表溶洞、落水洞、溶蝕帶以及隱伏巖溶洞穴與隱伏溶蝕帶等類(lèi)型；地質(zhì)構(gòu)造缺陷主要為斷層破碎帶、層間錯(cuò)動(dòng)帶、緩傾角裂隙等。

3.1 巖溶地質(zhì)缺陷

3.1.1 分布特征

壩址區(qū)D2gn可溶巖地層，受巖性、構(gòu)造因素控制和地下水溶蝕以及侵蝕作用影響，巖溶發(fā)育密度高，分布規(guī)律性強(qiáng)。壩區(qū)地層內(nèi)發(fā)育兩大巖溶系統(tǒng)，即左岸為K108巖溶系統(tǒng)，右岸為K7巖溶系統(tǒng)。巖溶形態(tài)主要為溶蝕洼地、溶蝕沖溝、落水洞、水平溶洞、溶蝕帶(包括隱伏溶蝕帶)、溶隙(穴)、溶蝕孔洞等類(lèi)型(見(jiàn)圖1和表1)。

圖1 壩址區(qū)巖溶分布示意

表1 壩址區(qū)D2gn地層巖溶洞穴數(shù)量表

3.1.2 發(fā)育特征

(1)構(gòu)造控制巖溶發(fā)育的方向和規(guī)模

壩區(qū)地質(zhì)構(gòu)造對(duì)巖溶發(fā)育的控制十分明顯，兩岸部位表現(xiàn)在區(qū)內(nèi)地下水順巖層走向和構(gòu)造線(xiàn)方向運(yùn)動(dòng)，造就了地表中呈串珠狀分布的落水洞、以及NE向或SW向的水平溶洞。

垂直狀落水洞一般順層或沿陡傾角結(jié)構(gòu)面發(fā)育為窄縫型，在多組構(gòu)造線(xiàn)交匯部位發(fā)育為寬縫型，個(gè)別為溶蝕豎井狀，如K108-7。

水平溶洞順巖層走向發(fā)育一般為窄縫型洞穴，如K7、K1，而在北東向壓性結(jié)構(gòu)面和北西向縱張裂面組合地段常形成溶蝕大廳，如K108、96-K1、K111。

(2)垂直巖溶與水平巖溶的分帶

根據(jù)地下水垂直循環(huán)帶與水平循環(huán)帶內(nèi)的巖溶形態(tài)、分布高程、規(guī)模大小、洞穴充填物、洞穴間連通性等巖溶地質(zhì)條件，將本區(qū)巖溶洞穴劃分為四個(gè)巖溶發(fā)育程度等級(jí)帶：

①壩區(qū)巖溶洞穴主要發(fā)育于570m～692.34m高程，610m高程以上以落水洞豎直溶蝕管道為主，該高程內(nèi)為中等巖溶發(fā)育帶；

②610m～570m高程之間以水平巖溶管道的溶洞為主，伴有暗河通道發(fā)育，該高程內(nèi)為強(qiáng)巖溶發(fā)育帶；

③570m高程以下巖溶發(fā)育呈逐漸減弱趨勢(shì)，在570m～475m高程為弱巖溶發(fā)育帶；

④475m高程以下屬微巖溶發(fā)育帶，未見(jiàn)底。

(3)巖溶洞穴之間的連通性

根據(jù)調(diào)查和連通試驗(yàn)成果，兩岸巖溶洞穴間發(fā)育的連通性規(guī)律如下：

①左岸發(fā)育K108巖溶系統(tǒng)，平面展布長(zhǎng)450m、寬約200m，地下水運(yùn)動(dòng)路徑發(fā)育在該巖溶系統(tǒng)水平方向與垂直方向，沿巖層走向運(yùn)動(dòng)為主，通過(guò)豎直溶蝕管道與水平溶洞，排泄于涪江。因此，壩區(qū)610m高程以上發(fā)育的落水洞分別與下伏K108水平溶洞、K108-1～K7支洞或斜管式溶洞呈溶井、溶管、溶縫、溶穴(隙)相通，形成壩區(qū)巖溶管道系統(tǒng)滲漏通道；

②右岸發(fā)育K7巖溶系統(tǒng)，平面展布長(zhǎng)1350m(指K7至燈籠溝K501落水洞距離)，寬約370m，地下水運(yùn)動(dòng)路徑分為三條路徑，具體為K501～K96-K1～K7、K501～K109、K501～K99巖溶滲漏通道。

(4)巖溶洞穴堆積物與充填物

壩區(qū)洞穴內(nèi)可見(jiàn)巖溶洞穴堆積物與巖溶洞穴充填物兩種類(lèi)型：

①巖溶洞穴內(nèi)堆積物種類(lèi)為鐘乳石、石筍、鈣華、石幔、石冠等，堆積厚度為5mm～10cm不等，主要分布在水平溶洞內(nèi)。落水洞洞壁以鈣華堆積為主，個(gè)別落水洞洞內(nèi)，局部寬緩段偶見(jiàn)鐘乳石；

②巖溶洞穴充填物類(lèi)型為粘土、粘土夾塊碎石、粘土夾礫卵石、含泥砂卵礫石四種類(lèi)型。在610m高程以上的落水洞內(nèi)，洞穴充填物主要為粘土、粘土夾塊碎石、粘土夾礫卵石，610m高程以下洞穴充填物為粘土夾塊碎石、粘土夾礫卵石、含泥砂卵礫石，其中含泥砂卵礫石主要分布在水平溶洞或傾斜管道底部，厚度約1m～3m。

3.2 構(gòu)造地質(zhì)缺陷

3.2.1 構(gòu)造分級(jí)

壩址區(qū)位于龍門(mén)山褶斷帶前山構(gòu)造帶的北段，處于F5與F7斷層之間，區(qū)內(nèi)主要構(gòu)造線(xiàn)呈NE～SW向展布，巖層總體產(chǎn)狀N41°～68°E/NW∠66°～78°。壩區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造發(fā)育，褶皺發(fā)育次之。壩區(qū)地質(zhì)構(gòu)造結(jié)構(gòu)面按規(guī)?？煞譃槲寮?jí)：第一級(jí)構(gòu)造面為區(qū)域斷層，如F5；第二級(jí)構(gòu)造面為區(qū)域分支斷層，如F31斷層；第三級(jí)構(gòu)造面為構(gòu)造帶帶內(nèi)小斷層，如f114、f115等斷層；第四級(jí)構(gòu)造面為層間錯(cuò)動(dòng)帶，如JC21；第五級(jí)構(gòu)造面為陡、緩傾角的節(jié)理裂隙。

3.2.2 各級(jí)構(gòu)造特征

(1)第一級(jí)構(gòu)造結(jié)構(gòu)面

①F5斷層：呈NE～SW向分布于壩區(qū)上游(屬龍門(mén)山前山褶斷帶的主邊界斷裂之一，即江油～安縣斷裂)，左岸距壩軸線(xiàn)上游。斷層產(chǎn)狀為N55°～60°E/NW∠77°，破碎帶由角礫巖、糜棱巖、斷層泥、碎裂巖、片理化頁(yè)巖組成,寬95m～123m。斷層下盤(pán)為D2gn可溶巖，上盤(pán)為S2-3砂頁(yè)巖地層。

②F7斷層：分布于左岸壩軸線(xiàn)(屬龍門(mén)山前山褶斷帶內(nèi)的斷裂之一，有的資料命名為苦竹溝斷層)，產(chǎn)狀N52°～56°E/NW∠55°～77°。斷層破碎帶寬17m～20m，由角礫巖、糜棱巖、斷層泥，以及少量碎裂巖組成，擠壓緊密。斷層下盤(pán)由三迭系中統(tǒng)嘉陵江組+雷口坡組(T2j+L)結(jié)核白云質(zhì)灰?guī)r夾白云巖、鈣質(zhì)泥灰?guī)r等組成，上盤(pán)由泥盆系下統(tǒng)平驛鋪群(D1pn)石英巖狀砂巖、石英砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、薄層狀泥質(zhì)粉砂巖等組成。

(2)第二級(jí)構(gòu)造結(jié)構(gòu)面

①F31斷層：斷層的總體走向?yàn)楸睎|向，斷層面起伏，右岸612m高程以下，斷層產(chǎn)狀N44°～65°E/SE∠60°～85°，傾下游偏左岸；河床段斷層陡傾南東或直立；至左岸斜坡斷層面傾向北西，傾上游偏右岸。該斷層破碎帶主要由糜棱巖、斷層泥、角礫巖和碎裂巖組成，寬0.8m～4m，是壩區(qū)較長(zhǎng)、較大的斷層之一，在鄰谷燈籠溝附近與F5斷層斜接。

②F11斷層：分布于左岸，發(fā)育在D11與D12的接觸地帶，產(chǎn)狀N51°～57°E/NW∠72°～85°。破碎帶由斷層泥、角礫巖以及碎裂巖組成，擠壓較緊密，寬11.5m～23.6m。

(3)第三級(jí)構(gòu)造結(jié)構(gòu)面

該類(lèi)構(gòu)造結(jié)構(gòu)面指發(fā)育在壩基中的次一級(jí)斷層，其發(fā)育長(zhǎng)度、破碎帶厚度相對(duì)較小，如f101、f115、f20等20條斷層，是控制壩基抗滑穩(wěn)定的主要結(jié)構(gòu)面。技施階段根據(jù)大量勘探資料，對(duì)各斷層分布(等高線(xiàn)圖)、厚度、物質(zhì)組成等特性進(jìn)行詳細(xì)描述；現(xiàn)場(chǎng)及取樣試驗(yàn)查明其物理力學(xué)特性。

(4)第四級(jí)構(gòu)造結(jié)構(gòu)面

該類(lèi)型結(jié)構(gòu)面為層間錯(cuò)動(dòng)帶，順層產(chǎn)出，錯(cuò)動(dòng)帶一般為白云質(zhì)角礫巖、瀝青質(zhì)碎片、鱗片狀泥、頁(yè)巖碎片、黑色巖屑等物質(zhì)，分布在風(fēng)化帶及出露地表部位，受風(fēng)化、溶蝕影響，局部夾有泥質(zhì)物。根據(jù)壩基開(kāi)挖編錄和鉆孔資料統(tǒng)計(jì)，在地基中層間錯(cuò)動(dòng)帶共計(jì)42條。根據(jù)層間錯(cuò)動(dòng)帶的結(jié)構(gòu)和物質(zhì)組成，劃分為巖塊巖屑型(A)、巖屑夾泥型(B)、泥夾巖屑型(C)三種類(lèi)型。

(5)第五級(jí)構(gòu)造結(jié)構(gòu)面

根據(jù)地表裂隙精細(xì)調(diào)查和鉆孔全景錄象解譯裂隙資料的統(tǒng)計(jì)分析；

①中～陡傾角裂隙：壩基巖體中發(fā)育五組中～陡傾角裂隙，①組：N25°～35°E/NW∠37°～57°；②組：N67°～87°E/SE∠36°～76°；③組：N30°～45°W/NE∠40°～70°；④組：N50°～80°W/SW∠36°～63°；⑤組：N45°～55°E/NW∠65°～76°，其中⑤組為層面裂隙。壩基巖體中以中等傾角的裂隙切割為主，而陡傾角裂隙相對(duì)不發(fā)育；裂隙延伸長(zhǎng)度以1m～10m為主；裂面多起伏，微張～閉合。

②緩傾角裂隙：壩基巖體中主要發(fā)育兩組緩傾角裂隙，產(chǎn)狀分別為：N45°～55°E/SE∠25°～29°和N20°～25°E/NW∠15°～20°；壩基裂隙的裂面特征總體以波狀粗糙為主，絕大部分裂隙呈閉合狀，少量微張充填鈣質(zhì)、巖屑等；露頭區(qū)裂隙出露長(zhǎng)度主要集中在2m～10m，占總裂隙條數(shù)的60%～80%；各壩段巖體裂隙間距以大于1.0m為主，次為0.5m～1.0m。

4 壩基主要工程地質(zhì)問(wèn)題

壩基地質(zhì)缺陷決定了其主要工程地質(zhì)問(wèn)題主要為抗滑穩(wěn)定、變形穩(wěn)定、壩基滲漏與繞壩滲漏。

4.1 抗滑穩(wěn)定

河床及兩岸高壩段壩基存在F31、F31-1、10f2等斷層、層間錯(cuò)動(dòng)帶以及層面等結(jié)構(gòu)面，組成了壩基上游的拉裂面或滑移面。少量的NNW與NNE向順河向陡、緩傾角裂隙，構(gòu)成壩基縱向切割面。而壩基內(nèi)的f101、f115、f114、f27及f116等斷層和傾向上、下游的緩傾角結(jié)構(gòu)面是壩基深層滑動(dòng)的主要控制結(jié)構(gòu)面。因此，壩基及抗力體中有斷層、緩傾角裂隙等不利組合，存在壩基深層抗滑穩(wěn)定問(wèn)題。

壩基第一控制性滑移面為傾向下游的構(gòu)造結(jié)構(gòu)面，即傾向下游緩傾角裂隙和傾向下游的10f2、F31、F31-1等斷層；第二控制性滑移面主要為傾向上游的緩傾角斷層，如f101、f115、f114、f27等，其余為傾向上游的緩傾角裂隙。

技施階段，根據(jù)地質(zhì)建議，對(duì)壩基分段進(jìn)行不同結(jié)構(gòu)面組合的深層抗滑穩(wěn)定性設(shè)計(jì)驗(yàn)算。

4.2 變形穩(wěn)定

壩基主要為微風(fēng)化和弱風(fēng)化下部巖體，屬堅(jiān)硬巖。巖體較完整～完整，次塊狀～中厚層狀結(jié)構(gòu)，巖體工程地質(zhì)質(zhì)量類(lèi)別主要為AⅢ1～AⅢ2類(lèi)，其堅(jiān)固性較好。但壩基內(nèi)分布有落水洞、溶洞、溶穴、溶蝕帶、斷層、層間錯(cuò)動(dòng)帶以及裂隙密集帶等，特別是兩岸壩基，落水洞、溶洞、溶蝕帶發(fā)育更甚。破壞了壩基巖體的完整性，降低了局部巖體的剛度與堅(jiān)固性。在壩基應(yīng)力影響范圍內(nèi)，不同地質(zhì)缺陷對(duì)巖體的破壞程度不一，導(dǎo)致壩基巖體的完整性、堅(jiān)固性差異較大，同時(shí)可能使局部壩基應(yīng)力集中。因此壩基存在不均一變形問(wèn)題。

4.3 壩基滲漏與繞壩滲漏

壩基存在沿巖溶管道、斷層與裂隙的滲漏，但以巖溶管道滲漏為主。左岸壩基內(nèi)有K108觀涪洞巖溶管道系統(tǒng)；右岸壩基內(nèi)有K7摸銀洞巖溶管道系統(tǒng)。兩岸在垂直方向上，即570m高程以上為中、強(qiáng)巖溶發(fā)育帶，高程570m～475m為弱巖溶發(fā)育帶，高程475m以下屬微巖溶發(fā)育帶。河床弱巖溶發(fā)育帶下限為463m～441.93m，根據(jù)壓水試驗(yàn)資料，河床壩基相對(duì)不透水層(q<1Lu)分布高程442.2m～430m。因此存在壩基滲漏和繞壩滲漏問(wèn)題。

4.4 處理情況

根據(jù)設(shè)計(jì)驗(yàn)算結(jié)果，分別對(duì)斷層進(jìn)行了專(zhuān)項(xiàng)開(kāi)挖處理、錨索、混凝土回填等工程處理，消除了壩基深層抗滑穩(wěn)定問(wèn)題隱患。

對(duì)巖溶缺陷處理原則：變巖溶化巖層為裂隙型巖層，對(duì)壩基應(yīng)力范圍及帷幕防滲軸線(xiàn)上、下游一定范圍的巖溶洞穴進(jìn)行追蹤清挖，將洞穴型的壩基條件，改造成為巖體與混凝土組成的裂隙型復(fù)合地基，再通過(guò)回填灌漿、壩基固結(jié)灌漿和帷幕灌漿處理。經(jīng)處理后大壩地基完整性、堅(jiān)固性和抗?jié)B性能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，自2011年11月31日蓄水運(yùn)行至今5年多時(shí)間內(nèi)，大壩變形、滲流、測(cè)壓等監(jiān)測(cè)點(diǎn)無(wú)異常數(shù)據(jù)。

5 結(jié)語(yǔ)

在巖溶和構(gòu)造十分復(fù)雜地區(qū)修建重力壩，查明壩基工程地質(zhì)問(wèn)題尤為重要。

工程地質(zhì)專(zhuān)業(yè)有其自身的特殊性和復(fù)雜性。工程實(shí)踐證明，一些隱伏性的工程地質(zhì)問(wèn)題，受前期勘察工作的局限性，需要在施工階段根據(jù)實(shí)際揭露，并選擇適當(dāng)?shù)目辈焓侄魏头椒ㄓ枰詮浹a(bǔ)。武都水庫(kù)壩基的工程地質(zhì)條件十分復(fù)雜，其中緩傾角斷裂構(gòu)造的發(fā)育特征、空間分布規(guī)律等方面，存在著一定的特殊性、復(fù)雜性與多變性，尤其在風(fēng)化卸荷帶內(nèi)，受卸荷、溶蝕作用的改造，使結(jié)構(gòu)面的性狀發(fā)生改變。因此，當(dāng)它們隱伏于地下時(shí)，采用常規(guī)勘探手段來(lái)揭示這些地質(zhì)現(xiàn)象，存在一定難度[2]。隨著勘察工作的不斷深入，孔內(nèi)綜合測(cè)試和新技術(shù)的運(yùn)用，同時(shí)大壩基坑全面開(kāi)挖，地質(zhì)現(xiàn)象充分揭露，經(jīng)過(guò)大量地質(zhì)資料的綜合分析研究，對(duì)壩基地質(zhì)缺陷問(wèn)題的認(rèn)識(shí)得以逐步深化。

查明壩基巖溶地質(zhì)缺陷、構(gòu)造地質(zhì)缺陷，為壩基抗滑穩(wěn)定驗(yàn)算、防滲邊界確定、壩基處理提供了可靠的地質(zhì)依據(jù)。

〔1〕四川省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院.武都水庫(kù)初設(shè)研究報(bào)告[R].成都：四川省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，2006.

〔2〕汪易森，龐進(jìn)武，劉世煌.水利水電工程若干問(wèn)題的調(diào)研與探討[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2006.■

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