水利工程壩址選擇工程地質勘察要點分析

公 瑾

(新疆水利水電勘測設計研究院有限責任公司，烏魯木齊 830091)

水利工程屬于復雜性工程項目，施工周期相對較長，且需投入大量建設資金，并且水利工程建成投入使用后可能會對工程周邊地質及水文環(huán)境產生影響。為此，水利工程建設之前需要嚴謹篩選壩址，應重點加強地質條件、水文情況的詳細勘察，結合實際勘察結果選擇最為適合的水利工程大壩建設位置，并依據(jù)工程建設地的實際情況科學合理開展水利工程施工，從而打造出高品質的水利工程，降低對工程周邊環(huán)境產生的不利影響，從而為我國經(jīng)濟發(fā)展產生有效驅動。

1 水利工程項目概況

1.1 基本情況

某水庫工程建設于城市中心區(qū)之外15km處，附近0.2km處有城鎮(zhèn)，工程建設區(qū)域建有直通公路，交通相對便利。此水庫為江河一級支流，整個水庫長約41.1km，全流域集水面積及壩址以上集水面積分別為265km與158km。本水庫屬于綜合性水庫，兼具灌溉、供水多項功能，建設任務中包含多個建筑物，除了攔河壩、壩頂溢洪道之外，還要修筑放空底孔、灌溉輸水管及供水管道。此水庫在本次建設前已修筑了10m高壩，本次施工需在原基礎上續(xù)建大壩，水庫設計壩高為26.3m，需在溢洪道處設置門道六扇弧形閘門，閘門孔口長7m、寬3.2m，還需完成大壩防滲帷幕灌漿工程、渠套工程等工程建設。

1.2 斷層分析

本水庫內河段與壩址上游之間存在一個井龍坡斷層，此段斷層與壩址上游之間的距離約為2.3～2.35km，斷層走向為南60°東～75°，傾向為東南方向，傾角介于2.7°～36°之間，斷層延伸長度高于12km，屬于壓性斷層，具有0.3～1.5m的破碎帶寬，影響帶寬約為5m。泥質及鈣質膠結性能極佳，上盤及下盤巖層的產狀分別為145°∠42°、140°∠28°，屬于壓性斷層類別，由于此斷層橫跨庫腰區(qū)域，并不會對工程產生較大影響。另有其他斷層但與庫壩區(qū)距離較遠，均不影響成庫與建壩施工。此區(qū)域為褶皺構造，庫壩區(qū)具有發(fā)育性節(jié)理與裂隙，巖層呈向下傾斜分布，巖層產狀為1250～160°∠28～42°，并向左岸偏斜，存在局部扭曲現(xiàn)象。

1.3 壩址選擇

本工程壩址選在某江河支流的中游區(qū)域，與中心城區(qū)及城鎮(zhèn)之間的距離分別為15～0.2km之間。本水利工程是在原有壩基上通過高度與厚度增加構建重力壩，在大壩高度增加后，要在大壩灌溉功能保持的基礎上提高城鎮(zhèn)供水規(guī)模，進而為中心城區(qū)供水提供保證。結合供水對象特征，綜合分析建設地的水資源條件，需要在大壩左壩段設置孔口長、寬均為1.2m的方形放空底孔，進口底板建設高度應為868.66m，應分別設置一扇事故平面與工作平面鋼閘門。

2 水利工程壩址選擇工程的地質勘察要點

2.1 地形地貌勘察

地形地貌特征是壩址選擇的關鍵因素，同時也會對水利工程大壩施工方案的設計產生制約。壩址選擇時對地形要求較高，通常選擇地形狹小且分明的基巖V型谷，也可在U型基巖河谷內建設混凝土重力壩或砌石壩，河谷土風化越明顯、沉積層越堅硬，對壩址設計越為有利。壩址選擇時，需要綜合分析各河谷地段的地質及土層結構，通過施工過程中各方面影響因素的全面總結與分析，合理設計具體的影響因素規(guī)避方案[1]。本水利工程壩段位于對稱型U型橫向谷中，河底寬度介于48m與64.8m之間，壩下游的水深最低處為0.3m，最高處為1.2m。而上游庫內水深則為10～15.57m之間。地形坡度方面，右岸比左岸更為陡峭，坡度最小區(qū)域為30°，坡度最大≤55°，且兩岸都屬于斜向坡，正常蓄水位達到893m左右時，河床寬度為129.45m，河谷寬高比為4.01。因而，本工程設想的重力壩建設方案具有可行性。

2.2 地層巖性勘察

巖土性質是影響水利工程穩(wěn)定性的主要因素，因此壩址選擇方面要重點勘察地層的巖性。若在水流沖擊力較高的區(qū)域修建混凝土高壩，需選擇完整且堅硬、具有強抗水性及低透水性的巖石區(qū)域作為修筑點，從而增強水利工程運營的穩(wěn)定性與長效性。地層巖性勘察時，需要重點勘察巖石周邊各時接觸邊緣，并將風化夾層、風化殼的分布特征納入考量范圍，通過不利因素規(guī)避提高壩址設計的科學性。同時，壩基選址時，要加強噴土巖類型的分析，選擇高抗水性及高強度區(qū)域作為壩址[2]。本工程巖性壩址區(qū)域地層的巖性情況詳見表1。

表1 壩址區(qū)域地層巖性分析表

本工程大壩建基面河床段完成了部分挖掘，現(xiàn)已挖至T1Y3-1段，測區(qū)露出多種類型的地層，有第四系、二迭系、三迭系地層，還有寒武系、奧陶系、志留系地層，但是沒有泥盆系與石炭系地層。第四系以坡積、殘積層崩塌堆積層為主，還存在部分沖洪積層，主要成分是砂質或泥質黏土與礫石，主要在山間盆地、巖溶洼地、河流兩岸集中分布。通過地層巖性分析發(fā)現(xiàn)，本工程T1Y3-1段存在鈣質泥巖、鏡狀泥灰?guī)r以及灰?guī)r透鏡體，此部分區(qū)域的巖石強度較高，且具備較弱的透水性，并且抗水性能良好，因而此處較為適宜作為壩址。

2.3 地質構造勘察

地質構造是壩址選擇的另一重要因素，特別是高敏感性剛性壩建設時，需通過地質構造勘察防范大壩建成后出現(xiàn)變形問題。一般而言，壩址不建在劇烈活動的地震區(qū)，也不可在活動性斷裂發(fā)育區(qū)域修建水利工程大壩。應繞開活斷層，在穩(wěn)定性區(qū)域選址建壩。壩址選擇時需重點勘察地質構造，了解斷裂活動分布狀況、斷裂帶所屬類型以及斷裂的規(guī)模大小，還應分析斷裂活動的發(fā)生規(guī)律，且要對斷層錯動速度進行測定，從而對水庫工程出現(xiàn)地震的可能性或地震等級進行精準預測。本工程壩址選在無斷層發(fā)育地區(qū)，壩區(qū)屬于單斜構造，雖具有緩傾巖層，但巖層呈向下傾斜分布，微傾向于右?guī)r。不存在層間錯動帶，因而不會受到次生作用影響而逐漸向泥化夾層轉變，并且其他構造結構面也不存在切割現(xiàn)象，因而不會對壩基的抗滑性能，不會由此導致壩址出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象。同時，本壩址區(qū)域內也不存在陡傾或倒轉巖層，因而不會出現(xiàn)較為強烈的構造變形問題，不會因劇烈活動而導致巖石完整性遭到破壞。通過地表地質勘察發(fā)現(xiàn)，左岸與右岸均有裂隙發(fā)育現(xiàn)象，右岸裂隙中有一組裂隙會對拱端受力形象有一定影響，另有一組緩傾角裂隙。

2.4 巖溶水文地質條件勘察

巖溶區(qū)水利工程大壩建設時，需選擇有隔水層橫谷、陡傾巖層傾向上游河段作為壩址，以免出現(xiàn)滲漏問題。若滲漏問題較為嚴重，應在透水層較強區(qū)域的底部存在隔水巖層且兩巖有高地下分水嶺的縱谷中修建庫區(qū)。如果沒有可利用的隔水層，可在弱巖溶化地段修建大壩。通過勘察分析，本工程樞紐區(qū)為砂泥(頁)巖巖性，有裂隙發(fā)育，地下水屬為基巖裂隙水，兩岸地下水比河水位更高，會向河流排泄地下水。結合不同比例的區(qū)域及庫區(qū)水文地質圖分析發(fā)現(xiàn)，本工程所選壩址區(qū)域的溶巖水有三種類型，一是碳酸鹽巖為主含有少量碎屑巖巖溶水，二是碎屑巖為主夾少量碳酸鹽巖巖溶水，三是碳酸鹽巖巖溶水，這些巖溶水均沒有工業(yè)污染性，水質條件極佳，水樣分析結果是對建筑物無腐蝕性。對壩體、壩肩、河床等處鉆孔勘察發(fā)現(xiàn)，兩岸地下水位埋深不大，僅有河心處屬于強風化帶，其他區(qū)域壓水試驗所得呂榮值分別為1-2Lu與3-3.6Lu，這表示本工程壩址處淺層強風化帶的巖體透水性為上強下弱，屬于碎屑巖類，是相對隔水層，適合修建大壩。

2.5 不良地質現(xiàn)象勘察

壩址選擇時，滑坡、泥石流、巖石風化以及巖溶等物理地質現(xiàn)象均會對大壩建設質量產生影響。通常河谷地區(qū)大壩建設時會選在窄峽河谷區(qū)段，以降低工程量，減少建設成本，然而峽谷坡巖存在泥石流發(fā)生隱患，會導致大壩受到嚴重損傷。表面看似完整的巖體，若是其下方存在里晉斯頁巖，可能會因頁巖這一滑坡體物質的影響而導致河槽向另一側河岸推移，因此，存在里晉斯頁巖的區(qū)域不適宜作為壩址。并且部分花崗巖及其他地質條件下，下層為砂礫石層的巖石存在發(fā)生滑坡的可能，會對大壩產生不利影響。因而壩址選擇中也要展開不良地質現(xiàn)象勘察。經(jīng)過不良地質勘察發(fā)現(xiàn)，本壩區(qū)屬于峽谷地形，存在沖溝發(fā)育現(xiàn)象，裸露地層為砂頁巖類，屬于三疊系下統(tǒng)夜郎組第三段，走向或是相交于河床或是與大角度斜向交匯。壩址區(qū)域內植被長勢不旺，有水土流失現(xiàn)象。碎屑巖分布區(qū)域地表多被風化與侵蝕，有沖溝發(fā)育現(xiàn)象。第四系具有極厚的覆蓋層，然而并沒有滑坡隱患。受到地形地質影響，本壩區(qū)主要是風化形物理地質，但不存在里晉斯頁巖或花崗巖等不良地質，滑坡、泥石流等自然災害的發(fā)生風險較低，作為水利工程大壩修建區(qū)域較為安全。

2.6 天然建筑材料勘察

大壩壩體施工需要就地取料，因而要勘察壩址區(qū)域是否存在天然建筑材料。盡量不選擇山區(qū)或是河谷區(qū)域作為壩址，因此這類區(qū)域施工環(huán)境相對復雜，路況較差，施工材料運輸難度大，因而，地質勘察過程中，需要重點勘察壩址附近天然建筑材料的數(shù)量及質量，同時還要詳細考察與記錄該區(qū)域的開采條件是否良好。經(jīng)勘察，本壩區(qū)具有豐富的石料，但其中并不含天然砂，需要采取人工方式制砂。通過地質勘察發(fā)現(xiàn)，水利工程壩區(qū)下游可建造一處石料場，此石料場建設位置應選在0.28km與0.43km的右岸山頭附近，此處交通便利，距壩址處的運輸距離≤0.3km，且料場分布地層屬于三疊系下統(tǒng)茅草鋪組(Tm)，多為灰?guī)r，并且?guī)r層中含有白云質灰?guī)r，其中有少量白云巖摻雜?；鶐r呈裸露分布，部分地區(qū)存在厚度<1.0m的覆蓋層，強風化層并不深，僅有0.5～1.5m厚，多在867.8～910.0mm高程區(qū)域分布，石料場多為荒山，僅有少部分區(qū)域為耕地，具備良好的開采條件，經(jīng)計算石料儲量約為30×10m，可為本工程修建提供質量合乎要求且數(shù)量充足的石料。

結語：作為影響經(jīng)濟發(fā)展的重要工程，水利工程壩址選擇時需要將地質勘察工作作為重點，結合地質勘察結果選擇最佳的水利工程修建位置，打造出更加穩(wěn)固、安全、利用性強且成本節(jié)約的水工建筑物。壩址選擇時，需要針對地形地貌、地層巖性、地質構造、巖溶水文地質條件、不良地質現(xiàn)象、天然建筑材料六個方面展開勘察，勘察中需利用專業(yè)設備、由技術專業(yè)的勘察人員負責，以增強地質勘察結果的精準性，進而篩選出最為適合的壩址，以免因不良地質問題而影響到水利工程的安全性。