水利工程大壩選址的地質勘察分析研究

劉殊慧

(齊齊哈爾市水利勘測設計研究院，黑龍江 齊齊哈爾 161006)

水利工程大壩選址的地質勘察分析研究

劉殊慧

(齊齊哈爾市水利勘測設計研究院，黑龍江 齊齊哈爾 161006)

我國水利事業(yè)發(fā)展迅速,而水利工程的建設,會在較大程度上影響到經(jīng)濟發(fā)展,因此,需要嚴格控制水利工程施工質量。壩址選擇是水利工程中非常重要的一個環(huán)節(jié),通過科學選址,可以促使水利工程質量得到提升，而基礎工作則是深入勘察水利工程所在區(qū)域的周邊地質環(huán)境,選擇科學的勘察技術,結合勘察資料,更加科學地選址。

水利工程；大壩選址；地質勘察；地質構造

1 緒 論

地質勘查在水利水利工程的大壩壩址選擇中具有重要作用，與其他建筑工程相比，水利工程對于地質的要求更高，所以在進行水利工程大壩建設之前，一定要了解大壩建設區(qū)域的地質情況和水文條件，避免大壩選址失誤，引起滲漏等大壩問題。在進行大壩建設之前，設計人員一定要對于水利工程進行嚴格的考察，確定其地質勘探結果，確保壩址選擇正確，不會對大壩正常使用造成影響。

壩址選擇的地質勘察主要任務：①區(qū)域的穩(wěn)定性是基礎，對工程的后期有重要的影響。壩址設計中，對需要開發(fā)的河段進行檢測工作，認真分析區(qū)域的穩(wěn)定性。對于地震對壩址和工程建設造成的影響要重點分析，分析地震的安全性等級和產(chǎn)生的危險性。②地形地貌特征對水利工程壩型的選擇很重要，制約著工程施工條件和設計方案。在地質勘察中，需要熟悉地形對壩型的施工條件，因地形要求在一定的范圍內，狹小、分明的基巖“V”型谷能夠適合設計壩址。不同的地形地貌都有不同結構、特點，針對這些限制條件充分分析，對每個河谷地段的結構土層進行研究，合理判斷在施工中將會遇到的問題并做出有效的解決措施[1]。③ 巖土的性質。完整的巖體結構、抗水性能、堅硬度都是壩址選擇的有利條件。在進行選取時，對巖石周圍不同時期的接觸邊緣進行研究，考慮風化夾層和風化殼的分布位置，在壩址選取時要注意避開不利因素。噴出巖的類型研究上，其抗水性能強、強度較高，通常也是壩基選取的首要考慮。很大程度上對工程地基的抗滑穩(wěn)定性上產(chǎn)生關系重大的影響。一般工程選址在較高的強度、透水性能差和抗水性能強的區(qū)域。

2 地質構造對于壩址選擇影響

2.1 水文地質對于選址的影響

水文地質對于壩址的選擇有重要的影響，巖溶區(qū)的存在、河床區(qū)滲漏問題都是影響壩址選擇的因素。其對于壩址選擇的影響主要有以下幾點：

在進行壩址建設前，要充分對于水利工程建設區(qū)域的巖溶區(qū)進行考量，確保選址區(qū)域擁有隔水層的橫谷，更好的對于水流進行阻隔，也要保證區(qū)域的巖石分布大部分在上游段，盡可能的在水流經(jīng)過大壩前起到緩沖作用。對于大壩經(jīng)常出現(xiàn)的水庫滲漏現(xiàn)象，要提早做好預測和保護措施，避免滲漏問題出現(xiàn)。在進行壩址選擇的時候，要盡可能選擇擁有隔水區(qū)域的巖層，以減少水流對于大壩的壓力；并且選擇兩岸的分水嶺較高的區(qū)域，可以更好的實現(xiàn)對于水流的集中，以保證大壩的使用安全。如果水利工程建設區(qū)域沒有可以利用的自然隔水層，在壩址的選擇上，要盡可能的選擇弱巖溶化區(qū)域，以保證壩基的穩(wěn)定，確保大壩正常使用。

2.2 物質地理對于選址的影響

物質地理對于壩址的選擇影響較多，巖石的分化會影響壩基選址；泥石流出現(xiàn)的幾率會影響地址的選擇；崩塌和滑坡現(xiàn)狀對于壩址選擇也有很大影響，其具體影響如下：①滑坡。在實際的水利工程壩址選擇中，滑坡對于大壩的影響重大，如果在大壩的建設和使用中，建設區(qū)域出現(xiàn)滑坡，不僅會影響工程進度，也會對于施工人員造成人身傷害。所以對于工程建設區(qū)域滑坡情況進行嚴格的考察分析。②在進行壩址的選擇時，往往會選擇狹窄的峽谷區(qū)域，因為峽谷可以更好的對于河流進行控制調節(jié)，更加有利于方案的設計和工程的實施。但是由于峽谷的坡度較大，所以在建設中，要注意確保工程穩(wěn)定性，保證施工人員安全和大壩使用安全性。③天然材料對于壩址選擇的積極作用，在水利工程的壩址選取上，天然建筑材料也可以作為一個重要的因素進行考慮。施工中工材料的采購運輸問題也是必須重視的問題，壩址的選擇上可以看看周圍是否存在能夠滿足工程施工材料的要求。在施工中，一些砂石、黏土是在壩址的選擇上就應當考慮的，同時天然建筑材料的選擇上，其數(shù)量、質量、種類和開采條件，這些因素對工程建設具有很大的影響。

3 工程實例

3.1 水庫區(qū)工程地質

水庫區(qū)位于西南省份南部的中低山區(qū)，為“V”字型峽谷地貌，植被豐茂。河流兩岸山勢陡峻，沖溝發(fā)育，總體趨勢為北高南低。文章在上壩址區(qū)內選擇了上、中、下三條壩線進行比選，其中上壩線距中壩線約85m，下壩線距中壩線約72m。三條壩線的布置見圖1。

圖1 不同壩線位置圖

3.1.1 水庫滲漏

庫區(qū)地形封閉,周邊山體雄厚，無單薄分水嶺存在，亦無與外界連通的溝谷凹地，庫盆主要由弱-微風化基巖構成,透水性能弱,溶巖沒有與下游鄰谷溝通，且?guī)r溶發(fā)育輕微，連通性差；地下水出露高程高于正常蓄水位，以下降泉形式補給河水；周邊水系中距庫壩區(qū)最近的河段距庫壩區(qū)直線距離約3.96km及6.5km，鄰谷沿線泉水出露高程高于水庫正常蓄水位，中部有地下水分水嶺；通過庫區(qū)的Fi5-1、Fi5-2斷層，在庫外出露高程及斷層帶上的泉水出露高程均高于水庫正常蓄水位，其它斷層帶上的泉水出露高程亦高于水庫正常蓄水位高程。故認為水庫的地形地質條件不滲漏，不存在永久性滲漏問題。

3.1.2 庫岸穩(wěn)定性及評價

水庫區(qū)回水岸坡總長度155.24km,基巖岸坡約占岸坡總長度的80%,第四系地層庫岸約占總長度的19%，基巖岸坡穩(wěn)定性較好，塌岸主要位于第四系岸坡。根據(jù)圖解法預測水庫可能產(chǎn)生塌岸的庫段有15處，建議進行工程處理。

庫岸邊坡分布有3個滑坡，其中1#、2#號滑坡天然狀態(tài)下基本穩(wěn)定，2#號滑坡圍堰截流及水庫蓄水條件下不穩(wěn)定，建議削坡減載處理，并結合圍堰施工可作為填筑用料。3#號滑坡天然及蓄水條件下均穩(wěn)定，由于各滑坡距壩址較遠，滑坡方量較小，對水庫大壩的安全運行基本無影響。

3.1.3 庫區(qū)浸沒

正常蓄水位附近無平緩臺地及村莊，庫區(qū)不存在浸沒問題。

3.1.4 誘發(fā)地震

3.2 壩址區(qū)工程地質

1)壩型適應性評價：本階段所選的三條拱壩線均位于200m范圍內的基巖峽谷區(qū)，間隔距離≤80m，二者地質條件相當。該段河谷為“V” 形，谷底寬度約40-65m，正常蓄水位對應的河谷寬高比為2.7-3.2，兩岸山體雄厚，自然岸坡穩(wěn)定。壩基巖體主要為結晶灰?guī)r及變質砂巖，二者的力學性質及變形模量相近，巖體堅硬、較完整，具有較高的抗壓強度及抗剪強度；弱風化巖體壩基工程地質分類為AⅢ2-AⅢ1類；兩岸微風化巖體水平埋深在40-70m，為AⅡ類壩基工程巖體，屬較好的高混凝土壩建基巖體。兩類壩型壩線附近的小型斷層、裂隙均比較發(fā)育，主要斷層走向與河流均呈大角度相交，發(fā)育的緩傾角斷層量少且規(guī)模較小，壩基及兩壩肩整體抗滑穩(wěn)定性較好，局部存在抗滑穩(wěn)定不利結構面，對大壩的抗滑穩(wěn)定有一定影響，但經(jīng)過必要的工程處理后是可以建壩的。

2)拱壩壩線選擇：本階段選擇了上、中、下三條拱壩壩線進行比選，其中上壩軸線距中壩線約85m，下壩軸線距中壩線約72m。分別從地形條件、河床覆蓋層厚度、基巖巖性、風化卸荷特征、地質構造及組合抗滑穩(wěn)定性、壩基及壩肩的變形特征、巖體滲透條件等方面，對三條壩線的主要工程地質條件及地質問題進行了分析比較。

三條壩線巖體主要以變質砂巖和結晶灰?guī)r為主，但上壩線分布有大面積大理巖，下壩線存在多條偉晶巖脈，巖相變化相對較大，且弱風化的大理巖與偉晶巖脈變形模量相對較低，而中壩線巖脈分布面積相對較小，巖性相對單一；下壩線受下游穹窿褶曲影響，風化卸荷深度相對較大，同時上壩線拱座及抗力體上發(fā)育f44斷層，為橫跨河谷斷層，規(guī)模較大，壩址選址影響較大。綜合對比，因中壩線地形、地質條件優(yōu)于上、下壩線。因此，推薦采用中壩線作為該大壩的壩軸線。

3.3 推薦拱壩壩線的工程地質條件及主要工程地質問題評價

3.3.1 工程地質條件

1)壩基：拱壩中壩線河床寬約75m，上覆砂卵石厚度5-8.5m。壩基巖體上部以變質砂巖為主，下部為結晶灰?guī)r?；鶐r面以下強風化巖體屬BⅣ2類壩基工程巖體；弱風化壩基巖體工程地質分類屬AⅢ2類，壩基巖體工程地質分類屬AⅢ1類；微風化巖體屬AⅡ類壩基工程巖體。河谷壩基巖體結構較完整，裂隙無發(fā)育現(xiàn)象。

2)左壩肩：左壩肩主要由變質砂巖及結晶灰?guī)r組成，局部夾透鏡體狀偉晶巖脈。卸荷帶水平寬度一般小于14m，強風化巖體屬BⅣ2類壩基工程巖體；部分巖體完整性較差，聲波波速變化大，且偏低，弱風化分帶不明顯，弱風化巖體下限屬AⅢ2類壩基工程巖體，且高弱風化上帶巖體完整性較差，屬AⅢ2類壩基工程巖體，弱風化下帶巖體較完整，屬AⅢ1類壩基工程巖體；微風化巖體較完整，屬AⅡ類壩基工程巖體。左壩肩未見地面出露較大斷層。

3)右壩肩：右壩肩基巖裸露，主要由變質砂巖組成，局部為結晶灰?guī)r，夾透鏡狀偉晶巖脈及石英脈。卸荷帶水平寬度小于13m，強風化巖體屬BⅣ2類壩基工程巖體；弱風化上帶巖體巖體完整性較差，聲波波速變化很大，且偏低，屬AⅢ2類壩基工程巖體；弱風化下帶巖體巖體較完整，屬AⅢ1類壩基工程巖體；微風化巖體較完整屬AⅡ類壩基工程巖體。右壩肩斷層較發(fā)育，壩軸線附近共發(fā)育f13、f14、f57、f44、f46等五條地面斷層，另外平硐內有多條小規(guī)模斷層，發(fā)育4組裂隙。

在檢測出發(fā)生周跳的歷元后，利用Chebyshev多項式擬合算法對周跳進行修復。修復的具體過程為：先利用完好性監(jiān)測算法探測出發(fā)生周跳的歷元，然后利用Chebyshev多項式將附近沒有發(fā)生周跳的載波相位數(shù)據(jù)進行擬合，計算出周跳的值。

3.3.2 推薦壩線的主要工程地質問題

1)壩基(肩)抗滑穩(wěn)定問題：左壩肩抗滑穩(wěn)定不利塊體規(guī)模均較小，壩肩抗滑整體穩(wěn)定性較好，局部抗滑穩(wěn)定性差，尤其是拱座高程處區(qū)域的塊體L2、L3、L5、L6、L7側滑面及底滑面由平硐斷層及蝕變帶構成，該類斷層的空間分布特征較為復雜，又位于拱座區(qū)域，應采取專項抗滑處理措施；其余塊體做常規(guī)抗滑處理即可。

右壩肩存在貫穿壩線至下游河床的側滑面斷層f57、f14，尤其f57斷層構成側滑面的塊體R2、R3規(guī)模較大，且部分位于建基面以下，抗滑穩(wěn)定性較差。對拱座高程區(qū)域、建基面以下的斷層與斷層組合塊體R1、R2、R4、R5采取專項抗滑處理措施，其余塊體做常規(guī)抗滑處理。

壩基以變質砂巖為主，無軟弱夾層，巖體抗剪強度高；雖上游河床發(fā)育的斷層f44可構成后緣拉裂面，但河床未發(fā)現(xiàn)順河向斷層，裂隙不發(fā)育，河床壩基緩傾角裂隙亦不發(fā)育，下游無大的風化深槽構成臨空面。綜合分析認為河谷壩基不存在利于壩基抗滑穩(wěn)定的組合，壩基不存在抗滑穩(wěn)定問題。

2)壩基巖體變形問題：壩基巖體以變質砂巖為主，弱風化及微風化巖體均為堅硬巖，壩基無軟弱夾層及較大規(guī)模的斷層分布，在大壩荷載作用下，壩基不會出現(xiàn)較大壓縮變形及不均勻變形。

兩壩肩巖體由變質砂巖及結晶灰?guī)r組成，局部穿插偉晶巖脈，弱風化下帶及微風化巖體變型模量較高，且差別不大，在大壩荷載作用下，不會因巖性差異而產(chǎn)生較大壓縮變形及不均勻變形。但兩壩肩發(fā)育多條地面斷層及多條平硐斷層，斷層破碎帶及影響帶巖體力學強度和變形模量顯著降低，因此斷層破碎帶及影響帶可能產(chǎn)生壓縮變形，導致壩肩局部不均勻變形。采取固結灌漿加固處理措施，對規(guī)模較大的斷層破碎帶及影響帶應部分挖除破碎帶回填混凝土處理。

3)開挖邊坡穩(wěn)定性分析：兩壩肩發(fā)育有斷層及四-五組裂隙，斷層的組合大部分傾向與自然邊坡相反，對自然邊坡整體穩(wěn)定有利，但對結合槽開挖邊坡穩(wěn)定不利，施工中應加強處理。斷層與裂隙的組合易形成對自然邊坡及結合槽側向邊坡局部穩(wěn)定不利的塊體，開挖時采取臨時噴錨措施。

4)滲透破壞分析及防滲措施：壩基巖體為變質砂巖及結晶灰?guī)r，結構較完整，產(chǎn)生滲透破壞的可能性小。但壩基及兩壩肩發(fā)育斷層f13、f14、f57、f60、f61，斜穿壩軸線，斷層破碎帶屬中等透水-強透水性；在正常蓄水位處，各斷層壩線上下游水力梯度均大于允許坡降，將產(chǎn)生滲透破壞，破壞形式為混合型，針對上述斷層加強防滲處理措施。

3.3.3 推薦壩線建基面選擇及評價

1)建基面的選擇標準：綜合壩基(肩)巖體的聲波縱波速度、完整性系數(shù)、變形模量及彈性模量等工程地質特性指標，并參照同類工程的建基標準，確定壩基建基面量化標準見表1。

表1 推薦壩線壩基(肩)巖體選擇標準

2)河床壩基巖體選擇：河床基巖以變質砂巖及結晶灰?guī)r為主，弱風化巖體為AⅢ2類巖體，不宜作為河谷段壩基巖體，應予以清除；微風化巖體為AⅡ類巖體，可直接作為建基面基礎。

3)兩壩肩建基面選擇：兩壩肩建基面主要置于微風化AⅡ類巖體(地震波≥4100)及弱風化下帶AⅢ1類巖體(地震波=3600-4100)中，并需對AⅢ1類巖體進行灌漿處理；2/3壩高以上，弱風化上帶AⅢ2巖體(地震波=3000-3600)下部加強固結灌漿后也可作為建基利用巖體；并應對貫穿壩線的斷層如f13、f14、f57進行專門處理。

就樞紐工程布置而言，壩址區(qū)地形、地質條件基本相同，因此三條壩線的樞紐工程布置相同，其主要建筑物均包括攔河壩、壩身泄洪表孔、電站廠房以及連接輸水隧洞，各建筑物工程規(guī)模一致。

三條壩線處河道兩岸均基本對稱，河谷寬度81-94m(中壩線82m)，正常蓄水位處河谷寬度344-372m(中壩線344m)，相對下壩線而言，上、中壩線下游無較大的溝谷發(fā)育。

三條壩線巖性主要以變質砂巖和結晶灰?guī)r為主，但上壩線分布有大面積大理巖，下壩線存在多條偉晶巖脈，大理巖與偉晶巖脈的變形模量偏低，存在因巖性差異而產(chǎn)生的壓縮變形及不均勻變形，而中壩線巖脈相對較少，巖性相對單一。

中壩線附近的主要斷層在左岸有f58、f60，在右岸有f57、f14，它們對壩肩穩(wěn)定有一定的影響；上壩線拱座及抗力體除受上述4條斷層影響外，還發(fā)育橫跨河谷規(guī)模較大的f44、f45斷層，對拱座變形影響較大；下壩線拱座及抗力體除受f58、f60、f57斷層影響外，其距離下游穹窿褶曲較近，受其影響小構造發(fā)育，風化卸荷深度較大。

綜合分析認為，中壩線地形、地質條件的分析是合理適宜的，故推薦采用中壩線。

4 結 論

選擇合適的壩址是確保水利工程建設安全的第一步，直接關系到大壩的安全穩(wěn)定性。地質勘探對于壩址的選定具有重要意義，是確保壩基建設安全的基礎，也是確保大壩穩(wěn)定的重要參數(shù)。所以在進行水利工程建設之前，一定要確保地質勘探的準確性，充分的對于地質環(huán)境進行考察，避免不利因素對于大壩使用造成影響。

[1]賈金生，袁玉蘭，鄭崔瑩，等.中國水庫大壩統(tǒng)計和技術進展及關注的問題簡論[J].水力發(fā)電，2010(01):6-10.

1007-7596(2017)08-0027-04

2017-07-28

劉殊慧(1965-)，女，山東肥城人，工程師，從事水利工程地質勘查工作。

TV221.2

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