土溪口水库大坝工程地质勘察实例分析

李 珑

(四川省水利水电勘测设计研究院勘察分院，四川成都 611731)

1 工程概况

土溪口水库位于四川省宣汉县渡口乡境内，是在渠江左源—州河左岸支流—前河上游河段兴建的一座以防洪为主，兼发电的大型水利工程。大坝位于渡口乡上游0.9 km处，距宣汉县城100 km。有省道S201于库坝区通过，交通方便，见图1。水库区及左、右岸低邻谷—东河、中河广泛分布二叠系与三叠系下统碳酸盐岩，仅局部库段出露志留系及三叠系上统须家河组砂页岩，可溶岩库段约占90%以上，溶蚀洼地、漏斗、落水洞和溶洞等岩溶地貌较发育，库、坝区岩溶水文地质条件较复杂。水库正常蓄水位562m，总库容1.60亿m3，大坝采用碾压混凝土双曲拱坝，最大坝高132 m。

图1 工程区交通位置图

2 土溪口水库拟定坝线概况

坝址区位于百里峡景区峡谷口鲢鱼泉附近河段，属侵蚀溶蚀高中山地貌，见图2。上坝线位于渡口乡上游1 km处，下坝线位于渡口乡三道河与前河汇口上游370 m处。上坝线以上河段河谷范围出露基岩为盐溶角砾岩，且1号背斜于该河段横穿而过，建坝工程地质条件较差;下坝线以下河段河流转向，距渡口乡场口不足180 m，水工建筑物布置困难、涉及部分场镇搬迁，且左岸分布有厚层盐溶角砾岩。因而在鲢鱼泉上游200 m至三道河与前河汇口处，长约0.9 km河段拟定上、下坝线进行比选。

图2 坝址区实景图

初设阶段重点布置了以下工作:对坝址区分布的盐溶角砾岩进行地质测绘，除布置物探、钻探外，还布置平硐对其进行追踪勘察;同时在钻孔、平硐内进行孔内电视、声波测试以及原位大剪、变形试验。查明坝址区各层盐溶角砾岩的空间分布和性状特征;据岩体溶蚀风化蚀变特征、裂隙发育程度及其充填夹泥情况，结合声波测试、钻孔电视及现场试验成果，将裂隙性溶蚀风化带划分为上、下亚带;并布置了岩体现场变形试验、直剪试验，进一步复核坝基(肩)不同风化程度、类型岩体及岩体结构面的力学特性;对坝址区地表出露及平硐、钻孔揭示的长大结构面和基体裂隙进行了测绘、统计，分析确定坝基、拱坝抗力体、拱肩槽与坝肩边坡及厂房后边坡稳定分析的边界条件，并进行了稳定分析、计算和评价。分部位和高程对拱坝抗力体中局部潜在的确定性和不确定性块体组合模式进行了分析和评价，对拱肩槽上、下游侧及正面边坡中潜在不稳定块体进行了稳定性分析;防渗原则平面上左岸接稳定地下水位，右岸以巴东组非可溶岩地层为依托，接稳定地下水位或巴东组非可溶岩地层。垂直防渗下限以截断地下岩溶管道系统，穿过深部岩溶发育下限高程及长观稳定地下水位，同时进入透水率小于3 Lu相对隔水岩体中。

据土溪口水库上、下坝线工程地质条件，上、下坝线在河床覆盖层厚度及基岩岩性等方面大致相当，上坝线在河谷宽高比、两岸山体宽厚等地形条件及构造条件等方面优于下坝线;下坝线右岸抗力体中发育有f7断层，坝基岩体受三号倒转向斜及f4，f5断层影响，岩体完整性差，构造条件较上坝线差。上坝线下游16 m左岸边沿上ZK2号孔顺河向分布有强溶蚀风化(强风化)深槽，右岸分布的鲢鱼泉地下岩溶管道系统发育有多条管道，右岸防渗线斜穿鲢鱼泉地下岩溶管道系统1号及2号管道，流量较大，水头较高，地下岩溶形态较复杂，处理及施工难度较大;下坝线右岸及河床坝基段岩体风化带厚度略大于上坝线，左岸岩溶发育下限高程低于上坝线，右岸坝肩发育的下石垭子溶蚀槽谷为一单薄河间地块，岩溶地质条件较复杂，右岸防渗线长度较上坝线长170 m。因此，仅从工程地质条件来看，上、下坝线均具有建坝的地质条件，上坝线工程地质条件略优于下坝线。设计经技术经济等方面综合比较后，选择上坝线作为推荐坝线。

3 上坝线坝基工程地质条件

3.1 左岸坝基工程地质条件

据地表调查测绘，平硐和钻探揭示，左岸岩溶发育程度较弱。部分钻孔岩芯中见溶隙、溶孔和晶孔分布，岩溶发育下限高程为476 m。强卸荷及表层强溶蚀风化带内岩体较破碎，除层面裂隙外，长大结构面主要发育有挤压错动带、长大构造裂隙等。这些长大结构面与层面裂隙组合后可能形成潜在滑移块体，对坝肩边坡、拱坝下游抗力体的稳定性均有一定影响，拱肩槽边坡开挖临空后，对表层强溶蚀风化岩体的稳定性亦有一定影响。

据钻孔水文资料，左岸防渗剖面末端布置的长观孔孔深分别为554.22 m及463.89 m，孔底至河水位高程以下。左岸地下水位向山内渐升高，推测地下水位与正常蓄水位交点至左坝肩水平距离约370 m，反映了地下水动力模式为地下水补给河水，地下水面形态特征属直线型。

钻孔水文试验成果表明，表层强溶蚀风化及裂隙性溶蚀风化上带岩体均为弱～中等透水性;裂隙性溶蚀风化下带岩体主要为弱透水性;微新岩体透水率为微～弱透水性。正常蓄水位以下q＞3 Lu的透水岩体铅直厚度为85 m～97 m，故存在坝基渗漏及绕坝渗漏问题。

3.2 河床坝基工程地质条件

据钻探揭示，河床坝基段岩溶发育程度总体较弱，未揭示有规模较大的地下岩溶洞穴。部分勘探孔岩芯中见溶隙、溶孔和晶孔分布。河床坝基段河谷中部深岩溶主要为晶洞、溶孔，其发育下限高程为334 m。

表层强溶蚀风化带内岩体较破碎～完整性差，河床坝基范围建基面高程433.3 m以下岩体中除层面裂隙外，主要发育有长大构造裂隙及河床基体构造裂隙。构造裂隙与层面裂隙组合后可能形成潜在滑移块体，对坝基抗滑稳定有一定影响。大坝泄洪溢流时，水流将冲刷淘蚀河床及岸坡，亦存在大坝下游冲刷稳定问题。

据钻孔水文试验资料，表层强溶蚀风化岩体具中等～强透水性，裂隙性溶蚀风化上带岩体多具中等透水性;裂隙性溶蚀风化下带岩体属中等～弱透水性;微新岩体透水多具微～弱透水性。q≥3 Lu的透水岩体下限高程为330.4 m，透水岩体铅直厚度为78 m～127 m，存在坝基渗漏问题。

3.3 右岸坝基工程地质条件

据地表调查测绘，平硐和钻探揭示，岩溶发育相对较强，在坝线下游上石垭子和下石垭子一带地表可见溶沟、溶槽、石芽，其间漏斗和落水洞等岩溶地貌发育;坝线下游140 m右岸河边发育有地下岩溶管道系统，对坝址区工程影响较大。据勘探揭示坝址区右岸存在大小不等的溶洞(溶腔)共21个。部分钻孔岩芯中见溶隙、溶孔和晶洞分布，部分岩芯溶蚀呈蜂窝状，岩溶发育下限高程为425 m。

强卸荷及强溶蚀风化带内岩体较破碎，岩体中除层面裂隙外，主要发育有挤压错动带、长大构造裂隙等。这些长大结构面与层面裂隙组合后可能形成潜在滑移块体，对坝肩边坡、拱坝下游抗力体的稳定性均有一定影响，拱肩槽边坡开挖临空后，对表层强溶蚀风化岩体的稳定性亦有一定影响。

据长观孔水位观测资料，沿上石垭子溶蚀槽谷明显形成一个NW-SE向的地下水位凹槽。地下水水力坡降约1.5% ～3%，说明地下岩溶洞穴在该段也较平缓，顺层面沿岩层走向N68°W近水平延伸，高程为458.2 m～467.37 m。地下水位总体趋势向山内逐渐升高，反映了地下水动力模式为地下水补给河水。

钻孔水文试验成果表明，表层强溶蚀风化岩体具中等～强透水性;裂隙性溶蚀风化上、下带岩体多具弱～中等透水性;微新岩体多为微～弱透水性。正常蓄水位以下q＞3 Lu的透水带岩体铅直厚度为75.4 m～108.4 m。由于风化岩体透水率大，因而存在坝基渗漏及绕坝渗漏问题。右岸存在地下岩溶管道系统，因此存在岩溶渗漏及地下岩溶洞穴的地质缺陷处理问题。

4 上坝线坝基工程地质评价

4.1 坝基持力层的选择

推荐坝型为底宽35 m，顶宽8 m的碾压混凝土双曲拱坝，河床坝基段建基面高程为433.3 m，坝顶高程565.3 m，最大坝高132.0 m。河床坝基建基面及两岸坡嵌入深度的选择分述如下:

1)河床坝基建基面选择。

据拱肩岩体结构和质量特征，河床坝基段设计建基面高程为433.3 m，清除砂卵砾石覆盖层及表层强溶蚀风化、裂隙性溶蚀风化上带岩体，以裂隙性溶蚀风化下带及微新岩体作为大坝建基面，对局部完整性较差岩体采取固结灌浆处理措施，提高建基面岩体完整性。左岸顺河流方向表层强溶蚀风化带深槽位于上坝线坝趾下游12.0 m处水垫溏内，应复核其对拱坝坝基稳定影响，并据复核结果采取相应工程处理措施。

据河床坝基段钻探揭示，混合胶结盐溶角砾岩于河床坝基一带斜穿而过，坝基岩体质量分级为CⅣ类，不宜作为拱坝等刚性坝高混凝土坝地基持力层，建议采取专门的工程处理措施(如刻槽回填混凝土)后，方可作为坝基持力层。

2)大坝两岸嵌入深度的选择。

设计据拱坝受应力大小及状态以530 m高程为界将坝体分为二个部分，高程530 m以上的高拱圈为高高程，应力较低，对坝基岩体的承载变形能力要求相对较低;高程530 m以下的中低拱圈为中低高程，应力较高，对坝基岩体的承载变形能力要求较高。据坝基岩体结构、质量分级和物理力学特征，经过反复分析研究，河床高坝段以微新岩体(AⅡ)作为坝基持力层，两岸随坝高逐渐减小，在加强地基处理和设计复核满足大坝应力条件的基础上建基面可适当提高。两岸拱肩槽嵌入岩体深度，分部位和高程对拱肩槽嵌入深度进行了深入分析研究，530 m以下中低高程建议嵌入微新岩体(AⅡ)或裂隙性溶蚀风化下带(AⅢ1)岩体中，530 m以上高高程坝段经设计复核可局部嵌入裂隙性溶蚀风化上带(BⅢ2)中。

4.2 坝基抗滑稳定评价

河床坝基范围的勘探孔未揭示有挤压错动带等Ⅳ级结构面，仅钻孔揭示建基面高程433.3 m以下岩体中发育有结构面编号为J34及J104的长大构造裂隙，详见表1。

表1 河床坝基范围建基面以下结构面特征表

鉴于J104位于坝趾下游14 m河床中心，缓倾右岸偏下游，对拱坝抗滑稳定无影响;J34位于河床坝基段建基面以下22.3 m～26.7 m，埋深较大且缓倾左岸偏下游，不构成拱坝抗滑稳定底滑面。J34长大构造裂隙及层面裂隙等Ⅴ1级结构面与河床发育的5组Ⅴ2级优势基体裂隙相互切割组合后仅构成楔形块体。

5 结语

通过前述地质测绘、物探、钻探及平硐等工程地质勘察手段，重点查明了土溪口水库上、下坝线工程地质条件。并通过坝线比选，选择上坝线作为推荐坝线，并选择拱坝作为推荐坝型。对上坝线拟定的拱坝方案坝基持力层的选择、坝基抗滑稳定、坝肩边坡稳定、坝基岩溶渗漏、拱坝抗力体稳定等工程地质问题进行工程地质评价。