百島湖水庫(kù)壩軸線與壩型比選研究

鄧靖川　關(guān)鵬　魏賽拉加

摘 要：壩軸線和壩型的選擇是建設(shè)水庫(kù)工程的重要一環(huán)，往往決定著水庫(kù)工程的投資、建設(shè)、維護(hù)和運(yùn)營(yíng)成本。本文以百島湖水庫(kù)壩軸線和壩型為研究對(duì)象，從地形條件、覆蓋層、基巖、地質(zhì)構(gòu)造、巖體風(fēng)化、巖體卸荷和滲透性7方面對(duì)壩軸線進(jìn)行了比選，從大壩持力層、防滲體持力層、抗滑穩(wěn)定、壩基滲漏及防滲、邊坡穩(wěn)定、天然建材料源6方面對(duì)壩型進(jìn)行了比選。最終選取了壩軸線1和瀝青砼心墻石渣壩作為本水庫(kù)的壩軸線和壩型。本研究可為類似工程的壩軸線和壩型選取提供借鑒。

關(guān)鍵詞：百島湖水庫(kù);水利工程;壩軸線;壩型

中圖分類號(hào)：TV64 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號(hào)：1003-5168（2022）4-0112-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.04.025

Engineering Geological Analysis and Evaluation of the Water Transmission Tunnel of Baiquan Lake Reservoir

DENG Jingchuan GUAN Peng WEI Sailajia

（1.Chongqing Surveying and Design Institute of Water Resources，Electric Power and Architecture Co.，Ltd.，? Chongqing 401120，China; 2. Shandong Jincheng Inspection and Testing Co.， Ltd.， Qingdao 266000，China;

3. China Geological Environmental Monitoring Central Station of Qinghai， Xining 800001，China）

Abstract：The choice of dam axis and dam type is important in the construction of water conservancy projects， which often determines the investment， construction， maintenance and operation of water conservancy projects. This paper studies the dam axis and dam type of Baicheng Island Lake Reservoir， the dam axis was compared from the aspects of topographic conditions， overlay， bedrock， geological structure， rock weathering， rock discharge and permeability， the dam type was compared from the aspects of dam holding layer， anti-seepage holding layer， skid resistance and stability， dam foundation leakage and seepage prevention， slope stability， and natural construction material source. Finally， dam axis 1 and asphalt concrete wall are selected as the dam axis and type of the reservoir. The study in this paper can provide reference for the dam axis and dam type selection of similar engineering.

Keywords：Baidao Lake Reservoir;water conservancy project;dam axis; dam type

0 引言

從古至今，人類文明的發(fā)展離不開(kāi)水利工程的建設(shè)。我國(guó)是一個(gè)貧水的國(guó)家，但也是一個(gè)水資源相當(dāng)豐富的國(guó)家?！秶?guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006—2020）》指出：“水資源優(yōu)化配置與綜合開(kāi)發(fā)利用是水和礦產(chǎn)資源重點(diǎn)領(lǐng)域中的優(yōu)先主題”[1]。隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國(guó)迎來(lái)水利工程建設(shè)的高峰期。在西南地區(qū)，由于地形復(fù)雜，河道遍布，在崇山峻嶺中建設(shè)水庫(kù)成為了水利事業(yè)重要的一環(huán)[2]。

建設(shè)水庫(kù)最重要的就是水壩壩軸線和壩型的確定。一旦壩軸線和壩型確定，就決定了后期的工程投資、施工方案、工期建設(shè)等，甚至建成后的維護(hù)和運(yùn)營(yíng)都會(huì)受到影響和限制[3-6]。

本研究以百島湖水庫(kù)壩軸線與壩型比選為研究對(duì)象，從地形條件、覆蓋層、基巖、地質(zhì)構(gòu)造、巖體風(fēng)化、巖體卸荷和滲透性七方面對(duì)壩軸線進(jìn)行了比選，從大壩持力層、防滲體持力層、抗滑穩(wěn)定、壩基滲漏及防滲、邊坡穩(wěn)定、天然建材料源六方面對(duì)壩型進(jìn)行了比選。給出了最佳壩軸線和壩型的建議，可為類似工程提供指導(dǎo)。

1 工程概況及基本地質(zhì)條件

1.1 工程概況

百島湖水庫(kù)位于重慶市奉節(jié)縣梅溪河一級(jí)支流車家壩河中下游河段，可行性研究階段在香樹(shù)坪至白馬沱長(zhǎng)約為2.6 km河段內(nèi)選擇三個(gè)壩址進(jìn)行了綜合比較，推薦壩址位于車家壩河龍子溝口至龍咀河段。百島湖水庫(kù)工程位置如圖1所示。

1.2 地形地貌

龍子溝口至龍咀段河道長(zhǎng)約為0.9 km，河道蜿蜒曲折;其中廖家咀上游段長(zhǎng)約為500 m，河道較順直，流向S5°—10°W，河床高程為568～560 m;廖家咀下游段河流向左岸呈近90°急彎，流向漸變至N80°—90°E，河床高程為560～550 m，本段河床發(fā)育一高差5～6 m的砂巖跌坎;過(guò)龍咀后流向漸變?yōu)镾30°—40°W流出壩區(qū)。壩樞段河道在平面上呈“L”型展布，斷面為狹窄“V”型河谷，總體屬構(gòu)造—侵蝕臺(tái)狀低山—峽谷地貌。

左岸臨河山頂高程為830 m，高程700～730 m及高程780～830 m段為泥巖緩坡臺(tái)地，坡度10°～20°;緩坡臺(tái)地處零星有居民及耕地分布。其余高程段地形陡峻，坡度45°～65°，局部厚層砂巖處形成陡崖及倒崖。坡腳570～575 m、坡頂780～800 m高程建有公路。左岸下游側(cè)發(fā)育曾家灣溝切割較深，谷底堆積塊碎石層。

右岸臨河山頂高程為872 m，右岸700 m以上為緩坡臺(tái)地;620 m以下地形陡峻;620～700 m高程段地面坡度35°～45°，局部厚層砂巖處形成陡崖及倒崖。右岸B4剖面上游50 m處發(fā)育一切割較深沖溝;B1剖面上游側(cè)、B2剖面上下游側(cè)各發(fā)育一條淺切沖溝。

1.3 地層巖性

壩區(qū)基巖主要分布侏羅系上統(tǒng)蓬萊鎮(zhèn)組遂寧組地層，岸坡中下部及谷底分布第四系覆蓋層;由新至老依次為：第四系地層（Q）、侏羅系地層（J）。

第四系地層（Q）主要是以灰-黃灰色漂卵礫石層為主的沖洪積層（Q4alp）;以砂巖、泥巖崩落堆積形成的塊碎石土層為主的崩坡積層（Q4col+dl）和以含砂質(zhì)粉土為主的殘坡積層（Q4eld）。

侏羅系地層（J）主要是以灰白色厚層長(zhǎng)石石英砂巖與中-厚層砂質(zhì)泥巖不等厚互層為主的蓬萊鎮(zhèn)組一段（J3p1）;以磚紅-紫紅色砂質(zhì)泥巖與灰白色長(zhǎng)石石英砂巖、淺紅色泥質(zhì)粉砂巖不等厚互層為主的遂寧組上段（J）。

1.4 地質(zhì)構(gòu)造

本壩址位于渠馬河向斜南翼，為單斜向地層。巖層面產(chǎn)狀N40°—60°E/NW∠6°～12°，緩傾向上游略偏右岸。壩址區(qū)斷裂及次級(jí)褶皺均不發(fā)育。壩區(qū)巖層面部分卸荷張開(kāi)發(fā)育形成緩傾角裂隙;陡傾角裂隙以近南北向的橫張裂隙為主（主要為兩組共軛裂隙L1和L2）;近東西向的縱張裂隙次之（主要為兩組共軛裂隙L3和L4）。

巖層面（裂隙）：基巖中部分層面，特別是砂泥巖層面受構(gòu)造影響發(fā)生層間剪切錯(cuò)動(dòng)現(xiàn)象較為普遍，基巖淺部受卸荷及風(fēng)化影響張開(kāi)，為巖屑夾泥或泥夾巖屑型充填，且一般連通率較高，延伸長(zhǎng);至基巖深部逐漸閉合;為本壩址主要緩傾結(jié)構(gòu)面。該組結(jié)構(gòu)面按風(fēng)化、延伸情況、填充物特征等可細(xì)分為層間軟弱（破碎）帶、層間軟化夾層。

L1走向N20°—30°W，傾向SW，傾角55°～75°，裂面起伏粗糙，延伸5～20 m，發(fā)育間距1～5 m;淺部張開(kāi)5～20 mm，泥夾巖屑型充填。ZL1組占比約30.3 %。

L2走向N10°—20°E，傾向SE，傾角65°～85°，裂面起伏粗糙，延伸5～20 m，發(fā)育間距1～5 m;淺部張開(kāi)5～20 mm，泥夾巖屑型充填。ZL2組占比約24.2 %。

L3走向N60°—70°W，傾向SW，傾角70°～90°，裂面起伏粗糙，巖屑夾泥充填，延伸大于5 m，發(fā)育間距大于5 m;淺部張開(kāi)5～10 mm，泥夾巖屑型充填。ZL3組占比約21.2 %。

L4走向N65°—75°E，傾向SE，傾角50°～70°，裂面起伏粗糙，延伸1～2 m，發(fā)育間距大于5 m;淺部張開(kāi)，泥夾巖屑型充填。L4組占比約24.3 %。

1.5 水文地質(zhì)

本壩址位于構(gòu)造—侵蝕低山—峽谷區(qū)，主要為碎屑巖地層，無(wú)可溶巖層分布，壩區(qū)地下水主要包括第四系孔隙水及基巖裂隙水兩類，其中：

①孔隙水主要分布于溝谷沖洪積漂卵礫石層及兩岸坡腳堆積覆蓋層中;本區(qū)覆蓋層多較薄，含水量較少。

②裂隙水主要分布于基巖淺部，受地表水和大氣降水的補(bǔ)給，順裂隙往下游排泄;本壩址區(qū)無(wú)泉水出露。壩址區(qū)環(huán)境水對(duì)混凝土及混凝土中鋼筋無(wú)腐蝕性，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)存在弱腐蝕性。壩址區(qū)不存在特殊巖土及化工污染情況，降雨豐富、地下水位淺，土體腐蝕性同環(huán)境水腐蝕性。

2 壩軸線比選

對(duì)車家壩河中下游河段的現(xiàn)場(chǎng)踏勘和地形地貌、地質(zhì)、水文的綜合分析，壩址初步定在龍子溝至龍咀段河道長(zhǎng)約900 m河段，見(jiàn)圖2。為了確定最終的壩軸線，布置了四條壩軸線勘探剖面進(jìn)行比較。主要從地形條件、覆蓋層、基巖、地質(zhì)構(gòu)造、巖體風(fēng)化、巖體卸荷和滲透性7方面進(jìn)行比選。

2.1 地形條件

2.1.1 壩軸線1。壩區(qū)河流呈“L”型折彎，壩軸線位于彎道下游順直段。左岸地面坡度55°～65°，臨河山頂高程為730 m;右岸地面坡度40°～60°，臨河山頂高程為780 m。壩軸線正常蓄水位628 m處谷寬165 m，河床基巖面高程為553 m，谷深為75 m，寬高比為2.2;為狹窄“V”型河谷。壩軸線下游約30 m，河床形成砂巖跌坎，落差3～7 m。跌坎下游鉆探揭露河床基巖面高程為546.83 m。

2.1.2 壩軸線2。壩區(qū)河流呈“L”型折彎，壩軸線位于彎道中部。左岸地面坡度55°～65°，臨河山頂高程為730 m;右岸地面坡度40°～60°，臨河山頂高程為830 m。壩軸線正常蓄水位628 m處谷寬172 m，河床基巖面高程為553 m，谷深為75 m，寬高比為2.3;為狹窄“V”型河谷。壩軸線右岸下游側(cè)發(fā)育小沖溝，坡腳鉆孔揭露有堆積體掩埋倒崖。

2.1.3 壩軸線3。壩區(qū)河流呈“L”型折彎，壩軸線位于彎道上游側(cè)。左岸地面坡度55°～65°，臨河山頂高程為790 m;右岸地面坡度40°～55°，臨河山頂高程為680 m。壩軸線正常蓄水位628 m處谷寬174 m;河床基巖面高程為554 m，谷深為74 m，寬高比為2.4;為狹窄“V”型河谷。壩軸線右岸上游側(cè)發(fā)育淺切小沖溝，右壩肩偏上游側(cè)后坡發(fā)育倒崖。

2.1.4 壩軸線4。壩區(qū)河流呈“L”型折彎，壩軸線位于彎道上游順直段。左岸地面坡度55°～ 65°，臨河山頂高程為730 m;右岸地面坡度50°～ 65°，臨河山頂高程為730 m。壩軸線正常蓄水位628 m處谷寬147 m，河床基巖面高程為555 m，谷深為73 m，寬高比為2.0;為狹窄“V”型河谷。右岸壩軸線上游50 m發(fā)育切割較深沖溝，沿沖溝發(fā)育多級(jí)大型倒崖。

2.1.5 小結(jié)。壩軸線4較優(yōu)，河道順直，河谷較狹窄。壩軸線1次之，河道順直，河谷較狹窄，但附近倒崖發(fā)育。壩軸線3再次之，位于彎道，且河谷較寬。壩軸線2最差，位于彎道，且存在掩埋倒崖影響。

2.2 覆蓋層

四條壩軸線覆蓋層均為：①?zèng)_洪積層，主要分布于河床，為漂卵礫石層;②崩坡積層，主要分布于兩岸坡中下部及右壩肩后坡臺(tái)地區(qū)域，為塊碎石土。層厚各有不同，其中壩軸線1較優(yōu)，谷底覆蓋層最少;壩軸線4次之;壩軸線3再次之;壩軸線2較差。

2.3 基巖

四條壩軸線基巖均為：①壩肩附近為J層，以中厚層砂巖為主;②兩岸中下部為J層，以紫紅色砂質(zhì)泥巖為主;③河床段為J層，以中厚層砂巖為主;④下覆J層以紫紅色砂質(zhì)泥巖為主，未揭穿。

層厚各有不同，其中壩軸線3較優(yōu)，岸坡下部及谷底為砂巖。壩軸線2次之，岸坡中下部為砂巖，谷底砂巖較薄。壩軸線1再次之，岸坡中下部為砂巖，谷底主要為砂質(zhì)泥巖。壩軸線4較差，岸坡中下部及谷底以砂質(zhì)泥巖為主。

2.4 地質(zhì)構(gòu)造

四壩軸線基本相當(dāng)，壩區(qū)位于渠馬河向斜南翼，巖層產(chǎn)狀N40°—60°E/NW∠6°～ 12°，傾上游略偏右岸。斷裂及次級(jí)褶皺均不發(fā)育，層面為壩區(qū)主要緩傾結(jié)構(gòu)面，另發(fā)育有4組陡傾角裂隙。

壩基軟弱夾層對(duì)當(dāng)?shù)夭牧蠅涡蛪位够瑔?wèn)題不突出，但在心墻、趾板、擋墻等重要部位受軟弱結(jié)構(gòu)面影響可能產(chǎn)生局部抗滑穩(wěn)定問(wèn)題，須加強(qiáng)對(duì)基礎(chǔ)的加固處理。

2.5 巖體風(fēng)化

對(duì)四條壩軸線風(fēng)化層進(jìn)行對(duì)比，壩軸線3較優(yōu)，風(fēng)化層較薄;壩軸線1次之;壩軸線2再次之;壩軸線4較差。

2.6 巖體卸荷

對(duì)四條壩軸線強(qiáng)卸荷帶水平深度進(jìn)行對(duì)比，壩軸線3較優(yōu)，卸荷帶較少;壩軸線1次之;壩軸線2再次之;壩軸線4較差。

2.7 滲透性

對(duì)四條壩軸線相對(duì)不透水層進(jìn)行對(duì)比，壩軸線1較優(yōu)，相對(duì)不透水層埋深最淺;壩軸線3次之;壩軸線4再次之;壩軸線2較差。

2.8 最優(yōu)壩軸線

綜上所述，四條壩軸線處于同一地質(zhì)單元內(nèi)，工程地質(zhì)條件大體相當(dāng)，采取工程處理措施后均具備建壩條件。其中：壩軸線1工程地質(zhì)條件相對(duì)較均衡，地質(zhì)條件較其余三條壩軸線略優(yōu)。壩軸線3工程地質(zhì)條件次之。壩軸線2、壩軸線4受附近沖溝、倒崖或河床跌坎影響較大，工程地質(zhì)條件相對(duì)較差。

因此，百島湖水庫(kù)壩軸線選型為壩軸線1，壩軸線3作為備選方案。

3 壩型比選

根據(jù)壩區(qū)地質(zhì)條件、料場(chǎng)條件和施工條件，壩型在瀝青砼心墻石渣壩和砼面板堆石壩進(jìn)行壩型比選。主要從大壩持力層、防滲體持力層、抗滑穩(wěn)定、壩基滲漏及防滲、邊坡穩(wěn)定、天然建材料源六方面進(jìn)行比選。

3.1 大壩持力層

3.1.1 瀝青砼心墻石渣壩。壩址區(qū)岸坡坡腳分布?jí)K碎石土，厚為5.0 ～ 15.5 m。河床分布漂卵礫石層，厚為4.0 ～ 7.3 m。基巖為砂、泥巖不等厚互層，強(qiáng)風(fēng)化層厚為1.0 ～ 3.3 m。石渣壩體對(duì)持力層要求較低，建議清除表層松散-稍密狀覆蓋層、植物根系層、夾泥塊碎石土層及松動(dòng)巖塊層，以中密-密實(shí)漂卵礫石層或基巖作為持力層。

3.1.2 砼面板堆石壩。面板堆石壩型堆石區(qū)對(duì)持力層變形要求相對(duì)較高，建議清挖覆蓋層厚以基巖作為持力層。

3.1.3 小結(jié)。瀝青砼心墻石渣壩占優(yōu)。

3.2 防滲體持力層

3.2.1 瀝青砼心墻石渣壩。心墻基座沿壩軸線布置長(zhǎng)約為195 m，相對(duì)較短?；A(chǔ)對(duì)持力層要求相對(duì)較高，建議深挖、放置于基巖弱風(fēng)化層;對(duì)局部裂隙及軟弱結(jié)構(gòu)面須采取相應(yīng)地基加固措施。

3.2.2 砼面板堆石壩。趾板沿上游壩坡坡腳布置，長(zhǎng)約為340 m，相對(duì)較長(zhǎng)。趾板基礎(chǔ)對(duì)持力層要求相對(duì)較高，建議深挖、放置于基巖弱風(fēng)化層;對(duì)局部裂隙及軟弱結(jié)構(gòu)面須采取相應(yīng)地基加固措施。

3.2.3 小結(jié)。瀝青砼心墻石渣壩占優(yōu)。

3.3 抗滑穩(wěn)定

壩址區(qū)斷裂、褶皺及緩傾結(jié)構(gòu)面不發(fā)育。對(duì)瀝青砼心墻石渣壩型和砼面板堆石壩型，壩基抗滑問(wèn)題均不突出。心墻、擋墻基礎(chǔ)多放置于基巖弱風(fēng)化層，局部受結(jié)構(gòu)面影響，可能存在抗滑穩(wěn)定問(wèn)題，建議采取相應(yīng)措施。溢洪道閘基放置于泥巖微新巖體，巖體完整性好，但強(qiáng)度較低，建議進(jìn)行錨固處理。

在抗滑穩(wěn)定方面，兩壩型基本相當(dāng)。

3.4 壩基滲漏及防滲

總體隔水條件較好，局部存在裂隙性滲漏。防滲帷幕軸線沿壩軸線及延長(zhǎng)線方向或山脊延伸方向布置。在抗滑穩(wěn)定方面，兩壩型基本相當(dāng)。

3.5 邊坡穩(wěn)定

工程邊坡主要包括：壩肩邊坡、洞室進(jìn)出口邊坡、溢洪道邊坡等永久邊坡，及壩基、心墻基槽邊坡等臨時(shí)邊坡。壩址區(qū)山高坡陡，工程邊坡開(kāi)挖規(guī)模也較大。局部受巖體強(qiáng)度及結(jié)構(gòu)面影響存在局部邊坡穩(wěn)定問(wèn)題，須加強(qiáng)邊坡支護(hù)措施。

砼面板堆石壩沿趾板開(kāi)挖邊坡長(zhǎng)度較大，岸坡地形陡峻，分布多條帶狀危巖帶，支護(hù)難度及費(fèi)用遠(yuǎn)高于心墻壩型。因此，在邊坡穩(wěn)定方面，瀝青砼心墻石渣壩占優(yōu)。

3.6 天然建材料源

3.6.1 瀝青砼心墻石渣壩。石渣填筑料對(duì)質(zhì)量要求相對(duì)較低，除表層黏土、粉土層、植物根系層為無(wú)用層外，其余經(jīng)分選可作為石渣填筑料利用，棄渣量小。塊、碎石填筑料對(duì)原巖質(zhì)量要求較高，需求量相對(duì)較小。壩區(qū)弱風(fēng)化-微新砂巖挖方，可分選作為塊、碎石填筑料?；炷凉橇享毻赓?gòu)。

3.6.2 砼面板堆石壩。塊、碎石填筑料對(duì)原巖質(zhì)量要求較高，需求量大。壩區(qū)及料場(chǎng)地層巖性均為砂泥巖互層，挖方中泥巖約占一半，無(wú)法有效利用，棄渣量大?；炷凉橇享毻赓?gòu)。

3.6.3 小結(jié)。瀝青砼心墻石渣壩占優(yōu)。

3.7 最優(yōu)壩型

綜上所述，兩壩型所面臨的主要工程地質(zhì)問(wèn)題大致相似，在采取相應(yīng)措施后均具備建壩條件。但瀝青砼心墻石渣壩在壩基持力層適宜性、當(dāng)?shù)夭牧狭显催m宜性、邊坡處理及防滲處理工程量等指標(biāo)上占優(yōu)。其余指標(biāo)則與砼面板堆石壩基本相當(dāng)。

總體來(lái)看，本壩址區(qū)工程地質(zhì)條件更適宜修建瀝青砼心墻石渣壩。

4 結(jié)語(yǔ)

百島湖水庫(kù)壩軸線和壩型的選擇面臨地基承載力、壩基變形、抗滑穩(wěn)定性、滲漏、邊坡穩(wěn)定性、巖體風(fēng)化和沖刷等問(wèn)題。

從地形條件、覆蓋層、基巖、地質(zhì)構(gòu)造、巖體風(fēng)化、巖體卸荷和滲透性七方面對(duì)壩軸線進(jìn)行了比選。壩軸線選取了工程地質(zhì)條件相對(duì)較均衡的壩軸線1為主要方案，壩軸線3作為備選方案。

從大壩持力層、防滲體持力層、抗滑穩(wěn)定、壩基滲漏及防滲、邊坡穩(wěn)定、天然建材料源六方面對(duì)壩型進(jìn)行了比選。最終選取了瀝青砼心墻石渣壩作為本壩壩型。

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