綜合地質(zhì)法在清溪水庫(kù)成庫(kù)論證中的應(yīng)用

姚紀(jì)華，宋文杰，何香建，賀文雙，呂慧珠，宋 雯

(1.湖南省水利水電科學(xué)研究院，湖南 長(zhǎng)沙 410007；2.湖南九一工程設(shè)計(jì)有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 424100)

1 概述

水庫(kù)新建是一項(xiàng)重大、復(fù)雜的水利工程，且每一座水庫(kù)因地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、地下水情況等的不同，皆具有其獨(dú)特性和唯一性。這種差異性就要求對(duì)水庫(kù)新建時(shí)的每一個(gè)步驟、每一個(gè)細(xì)節(jié)進(jìn)行精雕細(xì)刻。而成庫(kù)地質(zhì)論證是水庫(kù)新建選取壩址重要且關(guān)鍵的第一步，初定壩址的好壞直接影響水庫(kù)工程規(guī)模、壩型選擇、效益發(fā)揮、工程造價(jià)等。探究如何對(duì)水庫(kù)成庫(kù)可能性和可行性進(jìn)行地質(zhì)論證，就顯得十分重要和迫切。

由于新建水庫(kù)的復(fù)雜性和重要性，國(guó)內(nèi)許多學(xué)者對(duì)水庫(kù)成庫(kù)論證方法和手段進(jìn)行很多研究。楊秀華等[1]通過鉆探、鉆孔壓水試驗(yàn)、地表出露泉點(diǎn)調(diào)查等結(jié)合水文地質(zhì)與工程地質(zhì)綜合分析，對(duì)竹林腳水庫(kù)的成庫(kù)條件進(jìn)行論證。吳錦華[2]利用高密度電阻率法和水文地質(zhì)條件對(duì)庫(kù)區(qū)巖溶進(jìn)行調(diào)查與分析，論證水庫(kù)的鄰谷滲漏問題，為劉家河水庫(kù)成立與否提供依據(jù)。肖膠等[3]將利用巖溶泉點(diǎn)、地層巖性、鉆孔資料等手段對(duì)左岸區(qū)域性斷裂滲漏問題進(jìn)行探究，分段分析論證水庫(kù)的成庫(kù)條件。劉茂等[4]結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)踏勘和地質(zhì)鉆探成果，對(duì)庫(kù)區(qū)洼地巖溶發(fā)育情況、裂隙節(jié)理發(fā)育情況、巖溶滲漏問題進(jìn)行分析，并對(duì)成庫(kù)條件進(jìn)行論證。

這些研究多為巖溶水庫(kù)的成庫(kù)論證，對(duì)其他類型水庫(kù)成庫(kù)論證的研究目前報(bào)導(dǎo)較少。由于成庫(kù)論證復(fù)雜性及獨(dú)特性，并考慮軟質(zhì)巖或軟弱夾層在水巖作用下易劣化特性，研究含軟質(zhì)巖或軟弱夾層非巖溶水庫(kù)成庫(kù)論證是十分必要的。

本文綜合利用地質(zhì)測(cè)繪、地質(zhì)調(diào)查、坑探、室內(nèi)土工試驗(yàn)等地質(zhì)手段，并結(jié)合理論分析方法，研究含有軟質(zhì)巖和軟弱夾層的清溪水庫(kù)地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性、地質(zhì)問題、地表出露泉點(diǎn)和地質(zhì)災(zāi)害等發(fā)育特性，借以為其成庫(kù)論證提供依據(jù)。擬為含軟質(zhì)巖或軟弱夾層非巖溶水庫(kù)的成庫(kù)論證提供類似經(jīng)驗(yàn)。

2 試驗(yàn)方法

2.1 地質(zhì)測(cè)繪

地質(zhì)測(cè)繪是為進(jìn)行地質(zhì)調(diào)查及其成果圖件的編制所涉及的全部測(cè)繪工作的總稱。主要包括地質(zhì)點(diǎn)、地質(zhì)剖面、勘探網(wǎng)布測(cè)、巖層產(chǎn)狀和地表變形滑移等測(cè)繪。

2.2 地質(zhì)調(diào)查

地質(zhì)調(diào)查以地質(zhì)現(xiàn)象(巖石、地層、構(gòu)造、礦產(chǎn)、水文地質(zhì)、地貌等)為對(duì)象，以地質(zhì)學(xué)及其相關(guān)科學(xué)為指導(dǎo)，以觀察研究為基礎(chǔ)的調(diào)查工作。包括區(qū)域地質(zhì)調(diào)查、水文地質(zhì)調(diào)查、環(huán)境地質(zhì)調(diào)查、工程地質(zhì)調(diào)查等。

2.3 坑探

坑探工程與一般的鉆探工程相比較，能直接觀察到地質(zhì)結(jié)構(gòu)，準(zhǔn)確可靠，可不受限制地從中采取原狀巖土樣和用作大型原位測(cè)試。尤其對(duì)研究斷層破碎帶、軟弱泥化夾層和滑動(dòng)面(帶)等的空間分布特點(diǎn)及其工程性質(zhì)等，具有不可替代的優(yōu)勢(shì)。

2.4 室內(nèi)土工試驗(yàn)

采用室內(nèi)土工試驗(yàn)測(cè)定工程區(qū)巖土體的基本物理力學(xué)性能。特別是軟弱夾層和滑帶土，現(xiàn)場(chǎng)獲取原狀I(lǐng)級(jí)巖樣，用石蠟密封，并嚴(yán)格控制在運(yùn)輸過程中對(duì)巖樣的擾動(dòng)。

3 工程應(yīng)用

3.1 工程概況

清溪水庫(kù)位于江口縣德旺鄉(xiāng)堰溪村流沙小河。水庫(kù)集雨面積約8.7km2，多年平均來水量700萬(wàn)m3，正常庫(kù)容約213.77萬(wàn)m3，是一座以供水和灌溉為主的小(1)型水庫(kù)。

水庫(kù)為峽谷型水庫(kù)，走向近南北，兩岸山體寬厚高大，左岸緩、右岸陡峻。左岸為順向坡，地形總體較緩，局部陡峻，滑坡體極其發(fā)育；右岸為反向坡，地形陡峻，岸坡穩(wěn)定，無(wú)滑坡體，如圖1所示。

庫(kù)區(qū)出露巖體為中元古界板溪群番召組紫、灰紫色厚層、塊狀變余細(xì)砂巖與中厚層狀砂質(zhì)板巖互層，并夾薄層絹云母板巖。庫(kù)區(qū)褶皺較發(fā)育，致庫(kù)區(qū)巖體風(fēng)化強(qiáng)烈、巖體破碎。

3.2 分析論證方案

為了詳盡獲得地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、滑坡體、地表出露泉點(diǎn)和固體徑流等發(fā)育特性，對(duì)整個(gè)水庫(kù)做了以下細(xì)致的工作。

(1)地質(zhì)測(cè)繪。整個(gè)水庫(kù)地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性、巖層產(chǎn)狀、基巖和第四系分布情況、滑坡體性質(zhì)數(shù)量和規(guī)模等。

(2)地質(zhì)調(diào)查。調(diào)查庫(kù)壩區(qū)節(jié)理裂隙、地表出露泉數(shù)量和滲出量、滑坡體近年發(fā)生位置和數(shù)量規(guī)模、固體松散堆積物分布等特征。

(3)坑探。探明庫(kù)壩區(qū)褶皺構(gòu)造、地層巖性、滑坡體物質(zhì)組成和巖性，滑帶土巖性和狀態(tài)、固體松散堆積物物質(zhì)組成等。

(4)室內(nèi)土工試驗(yàn)。對(duì)庫(kù)壩區(qū)選取典型地質(zhì)單元，取巖樣、土樣，分析顆分組成、基本物理力學(xué)參數(shù)等。

(5)綜合利用上述地質(zhì)方法對(duì)庫(kù)壩區(qū)每一個(gè)地質(zhì)單元進(jìn)行全方位資料收集整理，并利用理論分析方法對(duì)所有地質(zhì)資料進(jìn)行整理分析，論證水庫(kù)成庫(kù)的可能性。

3.3 地質(zhì)成果及分析

3.3.1地質(zhì)巖性、構(gòu)造成果及分析

經(jīng)對(duì)庫(kù)壩區(qū)巖性地質(zhì)勘察，整個(gè)庫(kù)壩區(qū)巖性皆為余細(xì)砂巖與砂質(zhì)板巖互層，并夾有薄層絹云母板巖，其中板巖在長(zhǎng)期水巖作用下，劣化成軟弱夾層，其上覆自重下滑力促使滑帶形成，發(fā)育滑坡體。

庫(kù)區(qū)巖層走向變化不大，但傾向變化較大，總體上傾向右岸，庫(kù)區(qū)左岸為順向坡，右岸為逆向坡，將庫(kù)區(qū)所測(cè)多個(gè)巖層產(chǎn)狀標(biāo)示在地質(zhì)圖中，顯示庫(kù)區(qū)發(fā)育褶皺，導(dǎo)致巖體風(fēng)化強(qiáng)烈，巖體破碎，且以左岸更為發(fā)育。為左岸滑坡體發(fā)生發(fā)展提供了基礎(chǔ)條件。

圖1 清溪水庫(kù)庫(kù)壩區(qū)地質(zhì)平面圖

3.3.2滑坡體成果及分析

庫(kù)壩區(qū)右岸為逆向坡，巖體完整性相對(duì)較好，岸坡陡峻，皆為巖質(zhì)岸坡，岸坡穩(wěn)定性好，未見滑坡體、崩塌體發(fā)育；左岸為順向坡，巖體風(fēng)化強(qiáng)烈，節(jié)理裂隙極為發(fā)育，巖體破碎，覆蓋層較厚，坡度總體較緩，局部較陡，邊坡大部分表層覆蓋有第四系殘坡積堆積或滑坡體堆積，從下游至上游發(fā)育多個(gè)已發(fā)生或即將發(fā)生的淺層新近滑坡和大型深層古滑體，其規(guī)模大小不一，性質(zhì)有異。

為了查明庫(kù)壩區(qū)滑坡體的數(shù)量、性質(zhì)、類型、規(guī)模，首先應(yīng)在在外形外貌上做初步判斷，看是否有明顯的滑坡體地貌元素存在，如后緣、滑坡平臺(tái)、前緣、馬刀樹等；查明初判滑坡體的滑坡帶，并對(duì)工程區(qū)居民進(jìn)行詢問，最終確定真實(shí)滑坡體?；麦w規(guī)模、性質(zhì)統(tǒng)計(jì)見表1，地貌典型滑坡體現(xiàn)狀如圖2所示，滑坡體滑帶如圖3所示。

表1 庫(kù)壩區(qū)主要滑坡體規(guī)模、性質(zhì)統(tǒng)計(jì)表

圖2 庫(kù)區(qū)典型滑坡體現(xiàn)狀圖

圖3 庫(kù)區(qū)滑坡體的滑帶

對(duì)新近滑坡體和古滑坡體的滑帶土沿線多個(gè)坑探后進(jìn)行細(xì)致觀察，發(fā)現(xiàn)滑帶土的土體和巖體擠壓、剪切、搓揉、研磨痕跡十分明顯。其中古滑坡體多發(fā)育軟巖滑帶土，含有的細(xì)小碎石已被滑動(dòng)力搓揉呈圓狀或橢圓狀；新近滑坡體多發(fā)育粉質(zhì)滑帶土，已被搓揉粉末狀。表明這些新近滑坡體和古滑坡體都在近期或曾經(jīng)發(fā)生過滑動(dòng)，可見庫(kù)區(qū)左岸滑坡體活動(dòng)相當(dāng)活躍。向當(dāng)?shù)鼐用竦卣{(diào)獲知，每年至汛期連續(xù)強(qiáng)降雨時(shí)，都會(huì)發(fā)生新滑坡或大型崩塌。

3.3.3與水相關(guān)成果及分析

地質(zhì)測(cè)繪和調(diào)查發(fā)現(xiàn)，庫(kù)區(qū)右岸山體未見地表出露泉出露。左岸地下水儲(chǔ)蓄能力較強(qiáng)，共發(fā)現(xiàn)大小約16處泉水出露點(diǎn)，以淺層出露泉為主，有約13處。10處發(fā)育在滑坡體松散土體中，水質(zhì)較為渾濁，流量約0.05～0.3L/s；3處發(fā)育在新近淺層滑坡體的滑帶中，流量約0.2～0.8L/s，并帶細(xì)小土顆粒，說明滑帶土中有連通的水土運(yùn)移通道。其他3處出露于山間深沖溝小斷裂露頭或節(jié)理裂隙密集帶中，流量約為0.6～0.8L/s?？梢姡瑤?kù)壩區(qū)水活動(dòng)頻繁、劇烈，尤其是庫(kù)區(qū)左岸。

巖土體在不同水巖作用下其物理力學(xué)性質(zhì)易發(fā)生劣化，表現(xiàn)為承載力、波速、抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度等都隨著水巖作用循環(huán)次數(shù)和時(shí)間的增加而呈現(xiàn)顯著衰減[5- 10]。同時(shí)滑帶土隨著含水量增，其微裂紋擴(kuò)張、增加，黏聚力、抗剪強(qiáng)度等顯著降低[11- 13]。即滑坡體在水巖作用下，極易造成下滑力與阻滑力的平衡被打破，下滑力增加，阻滑力急劇降低，造成滑坡體蠕變和滑動(dòng)失穩(wěn)[14- 15]。清溪水庫(kù)地下水活動(dòng)劇烈，庫(kù)區(qū)主要是左岸水巖作用強(qiáng)烈，導(dǎo)致庫(kù)壩區(qū)巖土體特別是軟質(zhì)巖物理力學(xué)性能急劇劣化，在自重下滑力作用下發(fā)展成滑帶土，引發(fā)了庫(kù)壩區(qū)滑塌、滑坡、固體徑流、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害。

3.3.4固體松散堆積物成果及分析

庫(kù)壩區(qū)固體松散堆積物極其發(fā)育，右岸山體局部山間沖溝和支流、右岸絕大部分沖溝和支流及主河道河床中都大量堆積分布，其成分為粘性土夾碎石、泥沙、塊碎石和風(fēng)化崩積體等。沖溝、河床固體堆積物如圖5所示?？梢姡瑤?kù)壩區(qū)固體松散堆積物極其發(fā)育，且規(guī)模較大，附著堆積在沖溝表層，自穩(wěn)定性極差，抗沖刷能力極差，一遇降雨，則發(fā)生大規(guī)模固體徑流，堆積物涌入庫(kù)內(nèi)河床中，向當(dāng)?shù)鼐用竦卣{(diào)獲知，庫(kù)區(qū)固體徑流活動(dòng)頻繁、強(qiáng)烈，遇到連續(xù)強(qiáng)降雨，甚至發(fā)生泥石流。

圖5 庫(kù)區(qū)沖溝固體徑流發(fā)育情況

3.3.5室內(nèi)試驗(yàn)成果及分析

為了獲得庫(kù)壩區(qū)巖土體物理性質(zhì)，現(xiàn)場(chǎng)取了滑坡體(含碎石粉質(zhì)粘土)、滑帶土(粉質(zhì)粘土)和基巖(砂質(zhì)板巖)三種巖土體的原狀樣，并分別進(jìn)行了天然狀態(tài)下和飽和狀態(tài)下抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)。其試驗(yàn)成果如圖6—8所示?？梢?，三種巖土體飽和狀態(tài)時(shí)，發(fā)生顯著劣化，抗剪強(qiáng)度也顯著折減，其中粘聚力折減46.4%～71.2%，摩擦角折減4.6%～9.2%。

圖7 天然、飽和狀態(tài)滑帶土粘聚力對(duì)比圖

圖8 天然、飽和狀態(tài)基巖粘聚力對(duì)比圖

庫(kù)區(qū)左岸巖土體含水能力較強(qiáng)，地下水動(dòng)頻繁、劇烈，使部分巖土體長(zhǎng)時(shí)間處于飽和狀態(tài)，發(fā)生劣化而抗剪強(qiáng)度急劇降低，同時(shí)上覆滑坡體飽水狀態(tài)下自重增加，下滑力增加，滑動(dòng)面搓動(dòng)形成滑動(dòng)帶，加之左岸為順向坡，導(dǎo)致庫(kù)內(nèi)左岸滑坡體極其發(fā)育。汛期或暴雨頻發(fā)期，庫(kù)內(nèi)尤其左岸滑坡體多發(fā)、固體徑流易發(fā)、汛期泥石流頻發(fā)。

3.4 成庫(kù)論證討論

(1)庫(kù)壩區(qū)發(fā)育褶皺，左岸更為強(qiáng)烈，造成庫(kù)區(qū)左岸巖體節(jié)理裂隙更發(fā)育，風(fēng)化程度更深，巖體更破碎，松散覆蓋層更厚，同時(shí)左岸為順向坡，巖層傾向坡腳，極不利于左岸岸坡穩(wěn)定性。

(2)庫(kù)壩區(qū)巖性為變余細(xì)砂巖與砂質(zhì)板巖互層，其中板巖在長(zhǎng)時(shí)間水巖作用下，極易劣化，抗剪強(qiáng)度急劇降低，下滑力作用下發(fā)育成軟弱滑動(dòng)帶，引發(fā)庫(kù)區(qū)左岸多種地質(zhì)問題和災(zāi)害。

(3)庫(kù)區(qū)地表水、雨水極易入滲至左岸岸坡上部巖土體中，導(dǎo)致其地下水活動(dòng)頻繁、劇烈，部分巖土體長(zhǎng)時(shí)間處于飽水循環(huán)或干濕循環(huán)條件下，水巖作用強(qiáng)烈，發(fā)育成滑帶，引發(fā)滑塌和滑坡?？梢?，水巖作用是庫(kù)區(qū)尤其左岸地質(zhì)問題和災(zāi)害發(fā)育、發(fā)展、發(fā)生的內(nèi)在動(dòng)力。

(4)庫(kù)壩區(qū)尤其左岸，處于蠕變和潛在滑動(dòng)的新近淺層滑坡體和古滑坡體近十余個(gè)，且規(guī)模皆較大。水庫(kù)蓄水后，滑坡體中下部浸泡在庫(kù)水中，導(dǎo)致滑坡體自重增加，滑坡體、滑帶及基巖抗剪強(qiáng)度顯著降低，且汛期強(qiáng)降雨頻發(fā)，極易導(dǎo)致淺層滑坡體滑動(dòng)、古滑坡體復(fù)活、新滑坡體產(chǎn)生。部分滑坡體滑入庫(kù)內(nèi)，引發(fā)涌浪沖擊大壩建筑物，引發(fā)潰壩，同時(shí)造成庫(kù)內(nèi)淤積、庫(kù)容萎縮，降低工程效益。

(5)庫(kù)壩區(qū)沖溝、支流及河床中存在大量松散固體堆積體，且汛期強(qiáng)降雨多發(fā)而集中，山高坡陡，坡降大，極易發(fā)生固體徑流，引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害，而水庫(kù)蓄水后，這種情況可能會(huì)加劇，進(jìn)一步造成庫(kù)容萎縮。

(6)清溪水庫(kù)庫(kù)區(qū)右岸山體雄厚，成庫(kù)地質(zhì)條件較好，而左岸巖土體風(fēng)化強(qiáng)烈、水巖作用強(qiáng)烈、易劣化軟弱滑帶多、滑坡體多發(fā)、汛期強(qiáng)降雨頻發(fā)、固體徑流易發(fā)、汛期泥石流頻發(fā)，庫(kù)岸穩(wěn)定性較差，水庫(kù)蓄水后地質(zhì)災(zāi)害將進(jìn)一步加劇，基本不具備新修水庫(kù)的地質(zhì)條件。

4 結(jié)論

(1)本文利用綜合地質(zhì)法研究清溪水庫(kù)地質(zhì)、水文條件發(fā)育特征，進(jìn)行成庫(kù)地質(zhì)論證。

(2)研究表明：軟弱夾層在長(zhǎng)期水巖作用下，易劣化成軟弱滑帶，致使庫(kù)區(qū)滑坡體發(fā)育、固體徑流強(qiáng)烈、泥石流頻發(fā)。

(3)軟弱夾層為水庫(kù)地質(zhì)問題、災(zāi)害發(fā)育發(fā)展提供了基礎(chǔ)，水巖作用是內(nèi)在動(dòng)力，強(qiáng)降雨是催化劑。

(4)飽和狀態(tài)巖土體抗剪強(qiáng)度顯著折減，粘聚力折減幅度大，最大近3/4；摩擦角折減小，最大約10°。

(5)清溪水庫(kù)成庫(kù)地質(zhì)論證具有普遍性和獨(dú)特性，可指導(dǎo)其他類似工程。但應(yīng)以共性為基礎(chǔ)，深入分析差異性，進(jìn)一步加強(qiáng)軟弱夾層類水庫(kù)成庫(kù)地質(zhì)論證的理論和實(shí)踐研究。