趙世寶
(安塞縣水務(wù)局,陜西 延安 717400)
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安塞縣破瓦溝淤地壩工程地質(zhì)探析
趙世寶
(安塞縣水務(wù)局,陜西 延安 717400)
破瓦溝中型淤地壩工程位于安塞縣坪橋鎮(zhèn)清澗河一支溝內(nèi),是一座重要的攔沙壩,其建設(shè)對(duì)黃河流域攔泥攔沙至關(guān)重要,而其復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境更決定著破瓦溝淤地壩建設(shè)的成敗。文章重點(diǎn)對(duì)破瓦溝淤地壩庫區(qū)基本地質(zhì)條件、壩址區(qū)基本地質(zhì)條件及天然建筑材料進(jìn)行勘察,對(duì)主要工程地質(zhì)問題進(jìn)行評(píng)價(jià)。通過分析庫區(qū)、壩址區(qū)地質(zhì)條件及工程地質(zhì)問題,對(duì)壩址區(qū)巖土物理力性、壩基承載力、工程施工材料等進(jìn)行詳細(xì)探討,從而得出該處地質(zhì)條件是否適宜建設(shè)壩體,可供情況相近地區(qū)參考。
破瓦溝;淤地壩;工程地質(zhì);評(píng)價(jià);建設(shè)
破瓦溝中型壩壩址位于安塞縣坪橋鎮(zhèn)東溝行政村,壩控面積1.70 km2。該流域?qū)儆诘湫偷狞S土丘陵溝壑區(qū)第一副區(qū),在長期的水蝕作用和重力侵蝕下,流域呈現(xiàn)出地形破碎、梁峁起伏、溝壑縱橫的黃土丘陵溝壑景觀[1]。流域主溝道長1.51 km,溝道平均比降2.0%,多年平均土壤侵蝕模數(shù)為16 000 t/km2·a,溝道兩岸結(jié)構(gòu)完整,壩址處無軟弱帶和裂隙發(fā)育,左右岸巖石處露高約5 m,溝道為巖石。右岸適宜布設(shè)放水工程,壩基開挖結(jié)合槽,不會(huì)引起壩基滲漏[2]。破瓦溝中型壩屬于安塞縣坪橋鎮(zhèn)東溝行政村東溝村民小組,其所在村民小組有人口220人,人均耕地0.13 hm2,其上下游均不存在淹沒情況。破瓦溝中型壩主要由壩體和放水工程、溢洪道三大件組成,淤積年限取10 a,工程建成后可新增攔截泥沙20.15萬m3。
破瓦溝淤地壩在大地構(gòu)造上屬中朝準(zhǔn)地臺(tái)上的鄂爾多斯臺(tái)拗,為中國大陸最穩(wěn)定的塊體之一,新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)十分微弱。沉積了古生代石炭系、二疊系,中生代三疊系到白堊系以及第三系的陸相碎屑巖層,巖性以砂巖和泥頁巖互層為主,大部分區(qū)域夾有煤層。區(qū)域構(gòu)造簡單,基本上表現(xiàn)為向西或西北緩傾的單斜構(gòu)造,地層傾角1°~2°,局部可達(dá)5°,斷層不發(fā)育。鄂爾多斯塊體現(xiàn)地震活動(dòng)集中于周緣斷陷帶及西南緣弧形斷裂帶,塊體內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造簡單,極少有出露地表的活動(dòng)斷裂,歷史上亦無重大破壞性地震發(fā)生。
根據(jù)《中國地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》(GB18306—2001),工程區(qū)50 a超越概率10%,一般場地條件下地震動(dòng)峰值加速度為<0.05 g,相應(yīng)的地震基本烈度為VI度,地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.35 s。
地質(zhì)調(diào)查方案采用地質(zhì)調(diào)查、野外勘測、工程地質(zhì)測繪、鉆探及原位測試、坑探、室內(nèi)土工試驗(yàn)等綜合方法完成。主要方法是通過勘察取樣試驗(yàn),分析探討庫區(qū)地質(zhì)條件與主要工程地質(zhì)問題、壩址區(qū)地質(zhì)條件與主要工程地質(zhì)問題和天然建筑材料,以確定東溝村是否適宜建設(shè)破瓦溝淤地壩。在調(diào)查中完成的主要工作量如表1。
表1 地勘完成的主要工作量統(tǒng)計(jì)表
4.1 庫區(qū)地質(zhì)條件
4.1.1 地形地貌
破瓦溝淤地壩庫區(qū)為侵蝕剝蝕型低山區(qū)地貌,地勢總體上呈東南高西北低。庫區(qū)流域分水嶺高程1240~1260 m,溝底高程1080~1100 m,相對(duì)高差160 m左右。該流域?qū)俚湫偷狞S土丘陵溝壑區(qū),地貌由梁峁、溝坡、溝床3個(gè)單元組成,以坡為主,溝壑縱橫、梁峁林立、溝谷深切、地形破碎,溝底覆蓋較薄的砂礫石層,下為基巖,兩岸覆蓋黃土。主溝道斷面多呈“U”形,支溝溝道斷面多呈“V”字形,壩址處溝道成“U”字形。
4.1.2 地層巖性
庫壩區(qū)出露的地層從新到老依次為第四系全新統(tǒng)、第四系上更新統(tǒng)、中更新統(tǒng)及三疊系上統(tǒng)巖層。
4.1.3 地質(zhì)構(gòu)造
庫區(qū)為單斜巖層,傾向北西,傾角小于3°,庫區(qū)及周邊未發(fā)現(xiàn)斷層。巖層中節(jié)理不甚發(fā)育,且節(jié)理不切穿泥巖。
4.1.4 水文地質(zhì)條件
(1)地下水類型。根據(jù)含水介質(zhì)特征、地下水的賦存條件和水力性質(zhì)等,可將庫區(qū)地下水分為松散巖類孔隙水和基巖裂隙孔隙水。
(2)地下水補(bǔ)排條件。本區(qū)地下水徑流滲徑較短,補(bǔ)給區(qū)與排泄區(qū)基本一致。地下水的補(bǔ)給主要為大氣降水補(bǔ)給,同時(shí)也存在地下水在不同水文地質(zhì)單元之間滲透轉(zhuǎn)移產(chǎn)生的補(bǔ)給。
4.1.5 物理地質(zhì)現(xiàn)象
庫區(qū)氣候干旱,晝夜溫差大,物理風(fēng)化作用強(qiáng)烈。砂巖抗風(fēng)化能力稍強(qiáng),泥巖抗風(fēng)化能力較弱,差異風(fēng)化使得部分陡坡處局部產(chǎn)生零星落石??傮w上,庫區(qū)物理地質(zhì)現(xiàn)象不發(fā)育,兩岸自然邊坡穩(wěn)定。
4.1.6 季節(jié)凍土
工程區(qū)地處北緯39°中高緯度區(qū),海拔在1200 m以上,為季節(jié)凍土區(qū),一般凍結(jié)深度為1.2~1.4 m,受地形、巖性、植被和含水量影響,不同地方的凍結(jié)深度有一定差異。凍結(jié)時(shí)間一般為每年11月、12月到次年4月。
4.2 庫區(qū)主要工程地質(zhì)問題及評(píng)價(jià)
4.2.1 庫岸穩(wěn)定
庫區(qū)岸坡地層巖性主要為三疊系上統(tǒng)厚層、巨厚層狀砂巖、泥巖。由于差異風(fēng)化的影響,庫區(qū)內(nèi)有少量基巖崩塌、落石現(xiàn)象,未發(fā)現(xiàn)滑坡等其它不良物理地質(zhì)現(xiàn)象,自然庫岸邊坡穩(wěn)定。攔沙壩蓄水后,由于泥巖遇水軟化,可能造成泥巖上部砂巖發(fā)生局部崩塌,但不會(huì)影響攔沙壩運(yùn)行。
庫區(qū)上部黃土岸坡,分布高程較高,黃土岸坡穩(wěn)定性受庫區(qū)影響不大;但攔沙壩高水位運(yùn)行時(shí),黃土岸坡還是有可能發(fā)生崩塌的,但規(guī)模較小,其考慮攔沙壩的運(yùn)行特征,不會(huì)對(duì)攔沙壩的正常運(yùn)行造成影響。
4.2.2 庫區(qū)滲漏
庫區(qū)兩岸山體雄厚,不會(huì)發(fā)生相鄰谷的滲漏。由于攔沙壩位于溝口,為當(dāng)?shù)刈畹颓治g基準(zhǔn)面,庫水補(bǔ)給砂巖含水層,在壩下游沿砂巖、泥巖接觸帶發(fā)生滲漏,但由于庫區(qū)裂隙不發(fā)育,無集中滲漏通道,不會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的滲漏問題。
4.2.3 庫區(qū)淤積物來源
庫區(qū)控制流域面積2.15 km2,流域內(nèi)地層巖性為三疊系上統(tǒng)砂巖、泥巖及泥質(zhì)砂巖,覆蓋層為上、中更新統(tǒng)黃土。三疊系上統(tǒng)砂巖、泥巖易風(fēng)化且遇水軟化,且易產(chǎn)生局部崩塌。砂巖、泥巖風(fēng)化物及黃土是庫區(qū)的淤積物主要來源。
4.2.4 庫區(qū)淹沒、浸沒
庫區(qū)淤積高程淹沒范圍內(nèi)沒有遷移人口及淹沒耕地、樹木等。因此,不存在淹沒問題。僅局部寬緩的黃土岸坡會(huì)受到浸沒的影響,但危害不大。
5.1 壩址區(qū)地質(zhì)條件
5.1.1 地形地貌
壩址區(qū)高程1200~1240 m,屬低中山區(qū)。壩軸線附近河谷為“U”形谷,谷底寬約10 m左右,河床高程1080~1100 m。壩址區(qū)河谷流向西南。壩址左岸岸坡較緩,坡度50°~70°;右岸岸坡較陡,坡度約30°~40°。
5.1.2 地層巖性
壩壩區(qū)出露的地層從新到老依次為第四系全新統(tǒng)人工於積、上更新統(tǒng)、中更新統(tǒng)及三疊系上統(tǒng)巖。
5.1.3 地質(zhì)構(gòu)造
庫區(qū)為單斜巖層,傾向北西,傾角小于3°,庫區(qū)及周邊未發(fā)現(xiàn)斷層。巖層中節(jié)理不甚發(fā)育,且節(jié)理不切穿泥巖。
5.2 壩址區(qū)巖土體物理力學(xué)性質(zhì)
根據(jù)外業(yè)地質(zhì)調(diào)查并參考有關(guān)工程經(jīng)驗(yàn),提出破瓦溝壩壩基巖體及上覆土層的物理力學(xué)指標(biāo)建議值,見表2、表3。
5.3 壩基承載力
河床覆蓋層厚約2~5 m,質(zhì)地疏松,應(yīng)予以挖除到新鮮基巖。壩基砂巖巖體的允許承載力為800~1000 kPa,泥巖巖體的允許承載力為400~600 kPa。
5.4 壩址區(qū)主要工程地質(zhì)問題及評(píng)價(jià)
5.4.1 岸坡穩(wěn)定問題
壩肩巖體主要為砂巖、泥巖及上覆中、上更新統(tǒng)黃土,未發(fā)現(xiàn)滑坡等其它不良物理地質(zhì)現(xiàn)象,兩岸自然邊坡穩(wěn)定,建議挖除表層松散層。壩址區(qū)屬于水平巖層,巖層傾角小于3°,遠(yuǎn)小于層面間的摩擦角,對(duì)于岸坡的穩(wěn)定較為有利。
表2 壩址土層主要物理力學(xué)指標(biāo)建議值表
表3 壩址土層主要物理力學(xué)指標(biāo)建議值表
5.4.2 滲漏問題
壩基、壩肩為三疊系T3的砂頁巖地層,屬相對(duì)隔水層,產(chǎn)生疏漏的可能性不大。
5.5 水工建筑物工程地質(zhì)條件及評(píng)價(jià)
破瓦溝中壩主要包含兩個(gè)泄水建筑物:溢洪道和放水工程。壩址兩岸均為基巖,根據(jù)工程地質(zhì)、地形條件,綜合各種因素,建議將溢洪道布置于左岸,放水工程布設(shè)在壩體右岸。
破瓦溝中型攔沙壩采用均質(zhì)土壩方案,工程須用大量筑壩土料,初估土料需求量約為9.79萬m3,溢洪道襯砌須用少量塊石、反濾料和混凝土骨料。
6.1 土料
根據(jù)就近就地取材的原則,在壩址右岸山頂推薦一個(gè)土料場,料場距壩址約200 m,料場高程1100~1200 m;料場巖性為上更新統(tǒng)風(fēng)積黃土,料場上部為0.5 m厚的耕植層,下部為有用層,厚度大于20 m,土層均勻,干燥,硬塑,未見地下水。
根據(jù)野外地質(zhì)調(diào)查,參考有關(guān)工程經(jīng)驗(yàn),給出土料物理力學(xué)建議值見表4。
表4 土料物理力學(xué)指標(biāo)建議值表
根據(jù)實(shí)地調(diào)查,料場儲(chǔ)量和質(zhì)量基本滿足有關(guān)規(guī)程要求,施工時(shí)可根據(jù)具體需求,調(diào)整開采面積與開挖厚度。
6.2 塊石料
壩址區(qū)附近出露地層為三疊系上統(tǒng)(T3)黃綠色砂巖與紫灰色砂質(zhì)泥巖互層,壩址右岸有厚層砂巖出露、考慮到攔沙壩塊石料需求量較小,可就近開采。
6.3 混凝土骨料
經(jīng)調(diào)查壩址附近高臺(tái)溝中有砂礫料,由于攔沙壩須用混凝土骨料較少,施工時(shí)可根據(jù)需求就近開采。
破瓦溝中型壩修建后,可新增攔截泥沙20.15萬m3,使壩控范圍內(nèi)的洪水泥沙基本攔蓄,效益顯著。本次地質(zhì)勘察分析主要通過收集分析相關(guān)區(qū)域地質(zhì)資料,采用地質(zhì)測繪、坑探和土工試驗(yàn)等勘察手段和方法,并充分利用天然地質(zhì)剖面,以便取得較為詳實(shí)的地質(zhì)資料。通過以上分析可得出以下結(jié)論:
(1)破瓦溝中型攔沙壩屬侵蝕剝蝕型低山區(qū)地貌,河谷基巖出露,基巖地層為三疊系上統(tǒng)泥巖與砂巖、粉砂巖互層,左、右壩肩為中、上更新統(tǒng)黃土,谷底有少量沖洪積含泥砂礫石。
(2)庫壩區(qū)地層為水平巖層,傾角小于3°;構(gòu)造不發(fā)育。庫區(qū)地震動(dòng)峰值加速度為<0.05 g,地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.35 s。
(3)兩岸邊坡穩(wěn)定,砂巖、泥巖風(fēng)化物及黃土是庫區(qū)的淤積物主要來源。
(5)壩基覆蓋層厚度2~3 m,巖性為砂壤土含泥砂礫石和黃土夾碎石,砂壤土結(jié)構(gòu)疏松,存在不均勻沉陷問題,應(yīng)予以挖除?;鶐r強(qiáng)風(fēng)化帶厚度約為1~5 m。
(6)壩基、壩肩穩(wěn)定條件好。壩基覆蓋層下部存在砂礫石層,屬中等透水,存在壩基滲漏問題,應(yīng)對(duì)壩基泥夾砂礫石進(jìn)行清除。
(7)溢洪道布置于右岸、臥管布置于左岸,地形條件好。
(8)壩址區(qū)土料為砂壤土,儲(chǔ)量豐富,但含水率偏低,在使用時(shí)應(yīng)進(jìn)行灑水,以使其含水率接近最優(yōu)含水率。塊石料、砂礫料用量少,可就近采購。
破瓦溝中型壩選址區(qū)屬侵蝕剝蝕型低山區(qū)地貌,兩岸邊坡穩(wěn)定。在壩基處理中,應(yīng)對(duì)壩基的風(fēng)化帶和泥夾砂礫石進(jìn)行挖除,以確保壩基安全穩(wěn)定,無滲漏。壩址區(qū)砂壤土豐富,適宜用作建壩材料。經(jīng)過地質(zhì)勘測調(diào)查和綜合分析,該地區(qū)適宜布?jí)?,可以進(jìn)行大壩建設(shè)。
[1] 賈紹鳳. 根據(jù)植被估算黃土高原的自然侵蝕和加速侵蝕──以安塞縣為例[J]. 水土保持通報(bào),1995(4):25-32.
[2] 周光亮. 安塞縣淤地壩建設(shè)管理的現(xiàn)狀分析[J]. 陜西水利,2012(4):55-56.
趙世寶(1979-),男,工程師,主要從事水土保持工作。
S157
A
2096-0506(2016)10-0073-04