角木塘水电站工程复杂地质条件下坝址选址研究

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(贵州省水利水电勘测设计研究院，贵阳，550002)

1 工程概况

角木塘水电站工程位于贵州省道真县忠信镇联江村放牛坪，为芙蓉江水电梯级开发中的第10级，上衔官庄电站，下接浩口电站。推荐坝址为上上坝址。

角木塘水电站工程水库校核洪水位387.034m，总库容3259万m3，正常蓄水位383m，相应库容为2332万m3，工程规模为中型，工程等别为Ⅲ等。电站装机容量70MW。

2 坝址河段基本地质条件

2.1 地形地貌

坝址区选择河段位于角木塘大桥下游翻岭～肖家1.5km长河段上，河段多为深切的“V”型狭窄河谷，河流总体呈N35°～55°E展布。Ⅰ级阶地分布于下下坝址左岸缓坡平台，Ⅱ级阶地分布于左岸放牛坪缓坡台地，坝址河段属低中～低山丘陵溶蚀～侵蚀地貌区。

2.2 地层岩性

坝址河段主要出露以下地层，地层倒转，岩性分述如下：

(2)志留系(S)

中统韩家店组(S2h)：黄色、黄绿色、灰绿色页岩夹薄层粉砂岩，偶见灰岩透镜体，厚390m～682m，出露于左岸。

(3)二叠系(P)

二叠系下统梁山组(P1l)：为铝土质页岩及粘土岩，假整合于志留系中统韩家店组之下，厚2m。

二叠系中统栖霞组(P2q)：灰色厚层块状有机质生物碎屑灰岩，夹少量有机质灰岩、泥灰岩，厚106.0m，主要分布于左岸。

二叠系中统茅口组(P2m)：灰色中～厚层灰岩、生物碎屑灰岩，夹薄层泥灰岩及沥青质，含燧石团块，厚约75.0m，主要分布于右岸。

二叠系上统吴家坪组(P3w)：上部为灰色灰岩，下部为灰色灰岩与泥岩不等厚互层，含少量粉砂岩，底部为粘土岩，厚约125.0m，主要分布于右岸。

长兴组(P3c)：灰色、深灰色中至厚层灰岩含少许燧石团块，厚52m～67m，分布于右岸。

(4)第四系(Q)

冲洪积层(Qal+pl)：砂、卵石、砾石夹漂石，厚一般9.0m～27.0m，分布于河床。

崩塌堆积体(Qcol)：块石、残坡积粘土夹碎石、块石夹少量粘土，厚约0～70.4m。

2.3 地质构造

坝址河段主要发育三会冲断层(F1)和顺河向F2断层，F1断层走向N15°～20°E，倾向NW，倾角35°～50°，断层破碎带宽度15m～40m，断层上盘为寒武系地层，下盘为志留系、二叠系地层组成。

F2断层走向N15°～50°E，倾向NW，倾角70°～75°，平面走向呈“～”型展布，延伸长约3km。

左岸岩层产状270°～315°∠23°～49°，右岸岩层产状100°～130°∠30°～72°。

2.4 溶蚀风化状况

强风化带为结构面溶蚀风化强烈，风化裂隙发育，完整性较差，力学强度低；弱风化(裂隙性溶蚀风化)上带为沿结构面溶蚀风化现象较普遍，岩体完整性受溶蚀风化影响明显，强度略有下降；下带为沿部分结构面有溶蚀风化现象，溶蚀充泥或夹泥膜现象少见，岩体完整性受结构面溶蚀风化影响轻微，岩体强度降低不明显[1]。河段P2m地层软弱夹层较发育，岩体破碎，溶蚀风化深，P3w地层为互层岩体，泥岩、粘土岩分布广泛，风化深。

2.5 岩溶水文地质条件

左岸分布有S2h相对隔水层，右岸亦分布有P3w下部互层岩体相对隔水层，受隔水层控制，坝址河段岩溶主要发育于P2q、P2m地层中，通过地质测绘、钻孔、物探及平硐等勘察手段未发现有较大规模地表及隐伏溶洞发育，岩溶现象主要为岩体表层的溶蚀风化。

2.6 不良物理地质现象

坝址河段主要分布五处较大规模的崩塌堆积体，左岸分布有两处：ⅠBT、ⅡBT，右岸分布有三处：ⅢBT、ⅣBT、ⅤBT，各崩塌体分布位置见图1。

图1 坝址河段地质简图

3 坝址地质条件及主要地质问题

3.1 上坝址地质条件及主要地质问题

(1)地质条件

上坝址为原规划坝址，河谷呈不对称“V”型谷，河床高程342.4m～343.0m，天然河谷宽高比为3.6，左坝肩出露P2q生物碎屑灰岩，右坝肩出露P2m灰岩夹泥灰岩及沥青质，右坝肩发育F2断层，坝址未发现较大规模的岩溶现象，仅在左岸河床上游一带发育一岩溶泉KS2，高程347.81m，枯季流量为10L/s～20L/s，为地下水补给河水，左岸岩体强风化深度达45m，河床达35m，右岸达75m，河床覆盖层厚27m，左岸坝肩分布有Ⅱ号崩塌堆积体、右坝肩分布有Ⅴ号崩塌堆积体，左岸堆积体厚0～39.4m，主要成分为块石、残坡积粘土夹碎石，结构松散，右岸崩塌堆积体厚27m～70.4m，主要成分为大块石、块石及少量碎石夹粘土，厚度大，结构松散。

(2)主要地质问题

坝址处在崩塌堆积体上，堆积体深厚，基岩埋深大，结构松散，施工开挖量大，开挖形成的高边坡及坝肩的稳定性问题突出；水库蓄水后，库首Ⅰ号堆积体和Ⅳ号堆积体的稳定性对大坝主要建筑物的影响问题及工程处理投资费用巨大。

3.2 下坝址地质条件及主要地质问题

(1)地质条件

下坝址为原规划坝址，位于上坝址下游250m，呈不对称“V”型谷，河床高程342.0m，天然河谷宽高比为4.5，左坝肩出露S2h砂泥岩和P2q生物碎屑灰岩，右坝肩出露P2m灰岩夹泥灰岩及沥青质和P3w互层岩体，河床发育F2断层，坝址上游左右65m发育一溶洞，溶洞分布高程356m，可见延伸长大于30m，宽0.1m～2.6m，高0.5m～7.2m，主要沿平行河床的卸荷裂隙发育，左岸岩体强风化深度达15m，河床达20m，右岸达53m，河床覆盖层厚14.9m，右坝肩分布有Ⅴ号崩塌堆积体，堆积体厚14.9m～47.5m，主要成分为大块石、块石及少量碎石夹粘土，厚度大，结构松散。

(2)主要地质问题

右坝肩及河床处在崩塌堆积体上，堆积体深厚，基岩埋深大，结构松散，施工开挖量大，右坝肩开挖形成的高边坡及坝肩的稳定性问题突出；水库蓄水后，库首Ⅱ号堆积体和Ⅴ号堆积体的稳定性对大坝主要建筑物的影响问题及工程处理投资费用巨大。

3.3 下下坝址地质条件及主要地质问题

(1)地质条件

下下坝址为新选坝址，位于下坝址下游320m，呈不对称“V”型谷，左缓右陡，河床高程341.5m，天然河谷宽高比为5.8，左坝肩出露S2h砂泥岩和P2q生物碎屑灰岩，河床出露P2m灰岩夹泥灰岩及沥青质，右坝肩出露P3w互层岩体，河床发育F2断层，坝址未发现较大规模的岩溶现象，左岸岩体强风化深度达24m，河床达28m，右岸达35m，左岸覆盖层厚9m，河床24.2m，主要成分为砂、卵石、砾石夹漂石，厚度大，结构松散。

(2)主要地质问题

右岸为软硬相间岩体，平硐揭露岩体变形严重且破碎，岩体强风化深、强度低，右坝肩施工开挖工程量大及高边坡稳定问题突出，河床砂卵石层较厚，结构松散，施工开挖形成的基坑边坡稳定问题突出。

库首右岸Ⅴ号崩塌堆积体规模巨大，基岩面埋深较大，水库蓄水后，随着库水位的上升，临空的高边坡自下而上逐渐被库水淹没，岩土物理力学参数逐渐降低，库岸边坡产生突发性滑坡可能性大，且易形成堰塞湖，对大坝建筑物及上游城镇居民等造成重大危害。

3.4 上上坝址地质条件及主要地质问题

(1)地质条件

上上坝址为新选坝址，位于上坝址上游2km，距左岸I号崩塌堆积体边线约480m～500m，呈基本对称“V”型谷，河床高程350m，天然河谷宽高比为4.1，两岸基岩多裸露，左坝肩上部出露S2h砂泥岩，中下部出露P2q生物碎屑灰岩，岩体较完整，河床出露P2q生物碎屑灰岩和P2m灰岩夹泥灰岩及沥青质，右坝肩出露P2m灰岩夹泥灰岩及沥青质和P3w互层岩体，河床发育F2断层，受断层影响，P2m岩体破碎，岩体风化较深，两坝肩上部均分布相对隔水层，岩溶发育主要集中在P2q+m地层中，坝区主要发育溶沟、溶槽及溶蚀裂隙，未见大规模溶洞，左岸岩体强风化法向厚度3m～5m，河床厚3m～7m，右岸厚8m～15m，河床覆盖层厚10m～15m，主要成分为砂、卵石、砾石夹漂石，坝址下游右岸160m～430m处分布有Ⅲ号崩塌堆积体，堆积体厚0～11.0m，主要成分为残坡积碎石土夹块石，结构松散，埋深浅。

两坝肩均为硬质岩，地形基本对称，两岸基岩多裸露，岩体强度较高，两岸分布有相对隔水层，防渗条件较好，具备成库建坝地质条件。

(2)主要地质问题

右岸下游分布的Ⅲ号崩塌堆积体，分布范围小，厚度小，主要对厂房、发电尾水及大坝泄洪有影响，施工中在右岸河岸坡一带建议修挡土墙进行防护。

坝后电站开挖形成高边坡，岩体风化深，岩体破碎，边坡稳定问题突出。

4 崩塌堆积体对坝址影响评价

ⅠBT堆积体分布在上上坝址左岸下游，总体积约1380万m3，距离较近，上上坝址泄洪对ⅠBT堆积体稳定有影响，ⅠBT堆积体的稳定性对下游上坝址、下坝址、下下坝址水工建筑物影响较大。

ⅡBT堆积体位于上坝址左岸，总体积约97.33万m3，对上上坝址影响小，对上坝址、下坝址、下下坝址水工建筑的影响较大。

ⅢBT堆积体位于上上坝址下游右岸，总体积约47.6万m3，对下游上坝址、下坝址、下下坝址水工建筑的影响程度不太大，上上坝址泄洪对堆积体稳定有一定影响。

ⅣBT堆积体分布在ⅠBT的对岸，即上上坝址的下游，对上上坝址影响较小，其稳定性对下游原上坝址、下坝址、下下坝址水工建筑的影响较大。

ⅤBT堆积体分布在上、下坝址的右岸，总体积约2072万m3，右岸堆积体较厚，对上、下坝址、下下坝址影响大，若在特定的条件下大面积坍塌形成堰塞湖，将对上上坝址的厂房和大坝有影响[2]。

5 坝址比选

根据上上坝址、上坝址、下坝址、下下坝址工程地质条件，结合水工、施工布置等因素[3]，综合比较详见表1。

由表1可知，坝址均以重力坝方案为代表方案。经过充分技术、经济比较，坝址河段岩体风化深、岩体破碎、河床覆盖层深等问题均可通过工程措施处理，下下坝址虽然具备建坝地质条件，但库首左岸分布有ⅠBT、ⅡBT、右岸分布有ⅢBT、ⅣBT、ⅤBT崩塌堆积体，工程风险大；下坝址右坝肩处在ⅤBT崩塌堆积体中，上坝址左岸坝肩处在ⅡBT崩塌堆积体、右坝肩处在ⅤBT崩塌堆积体中，上、下两坝址库首左岸上游放牛坪一带分布有ⅠBT崩塌堆积体，水库蓄水后，原本处于临空状态的局部库区边坡，随着库水位的升降会产生逐渐或急剧变化，将产生库岸边坡崩塌、滑塌。由于自然条件的改变，使得水库边坡在蓄水后发生变形破坏，边坡的松散堆积体受到水的长期浸泡后，力学参数降低，边坡破坏从前缘段逐渐向内淘蚀、坍塌破坏，对大坝建筑物和人员造成重大危害。

根据崩塌堆积体稳定计算分析，拟选上上坝址时，除Ⅲ号崩塌堆积体在短暂状况下不稳定外，在其余运用情况下均处于稳定状态，其余4个崩塌堆积体在各种运用情况下均处于稳定状态；拟选其余3个坝址时，各崩塌体在偶然状况下基本处于不稳定状态，在短暂状况下大多处于不稳定或基本稳定状态，在正常运用情况下基本处于稳定状态或基本稳定状态。

上上坝址基本避开了崩塌堆积体复杂地质条件，工程地质条件明显优于上坝址、下坝址、下下坝址，上上坝址作为预可研设计阶段的代表坝址。

表1 坝址综合比较

6 结论

根据建坝河段地质条件，对上上、上、下、下下坝址地质条件及主要地质问题进行了比较，上上坝址基本避开了5个崩塌堆积体，从而降低了工程建设的风险及投资，上、下坝址均处于崩塌堆积体上，下坝址库首、库区均分布崩塌堆积体，综合分析比较，上上坝址为角木塘水电站最优坝址。

通过综合勘察总结出，芙蓉江下游河段多出露P2m地层，具有岩性复杂、夹层多、且软弱、岩体破碎、风化深、岸坡崩塌堆积体分布广泛的特点[4]，为类似河段坝址选址提供工程借鉴经验。