兑头湾水电站地质探析

吴越

（广东河海工程咨询有限公司，广东 广州 510610）

兑头湾水电站位于高山峡谷深处，地质状况复杂，对电站建设和机组发电运营影响较大。为了确保电站安全建设，需对电站地质情况进行分析。

1 概况

清油河发源于蟒岭主脊，全长58 km，水力资源理论蕴藏量0.9万kW，可开发量0.25万kW。规划在过风楼镇安沟村安沟小学上游100 m处建坝，通过989 m引水渠道（其中倒虹20 m、隧洞676 m）引水至过风楼镇徐家店村兑头湾水电站[1]。水电站装机容量250+500 kW，工程总造价451.08万元，总用工23324个工日，工程量为开挖土方11301 m3、开挖石方19581 m3、浆砌石4535 m3和混凝土浇筑3116 m3。设备年利用时数2835 h，多年平均发电量310.03万kW·h。

清油河流域形态呈羽状，为土石山区。本水电站属清油河下游段（龙头漫至河口）。该段河道长约12.5 km，总落差75 m，水力资源理论蕴藏量约0.2万kW，可开发利用量约0.15万kW，主要集中在龙头漫以下的9.5 km峡谷段。本次开发河段为龙头漫电站站址下游1 km至清油河口上游2 km，长约3.5 km，总落差23 m左右。兑头湾水电站坝址以上流域面积359.79 km2，主河道长48 km，落差820 m，河床平均比降6‰，流域平均海拔600 m，平均坡度40°～50°。

2 勘察方法及完成情况

勘察采用工程地质调绘、钻探、原位测试及边坡编录、照相、室内岩土试验等手段进行[2]。钻探选用XY-100型工程钻机1台，采用全球定位系统GPS进行钻孔定位及测量高程。①勘察孔定位。勘察孔根据控制点用全球定位系统GPS实地放样。勘察孔施工结束后，复测孔位和标高。②钻探。本次钻探采用XY-100型工程钻机，以单层合金钻具、泥浆护壁钻进，按回次编录，钻进中按有关规定进行取样和原位测试。钻孔结束前，由现场技术人员验收合格后方可终孔。③地质调查测绘。主要收集、调查场地区域的地形地貌、地层岩性、地质构造、水文地质、工程地质及不良地质现象等[3]，重点是对边坡剖面进行实地编录，量测地层和结构面的产状、厚度、分布特征并进行照相。④取样。黏性土、砂采用上提活阀式取土器，以连续压入法取样。土样取出后，及时进行密封，在运输到实验室过程中采取防晒、防震措施。⑤室内试验。对外业采集的土样、岩样严格按规范、规程要求进行试验。⑥资料整理。资料整理按相关规程、规范和技术要求进行，能满足设计阶段的要求，可作为设计工作的地质依据。

本次勘察共布置勘探点26个，前缀为“BK”。同时，整编利用了可研阶段的钻孔，前缀为“ZK”。勘探点布设及勘探深度满足设计阶段的要求，完成工作量详见表1。

表1 勘察工作量汇总

3 区域地质分析

该流域内群山起伏，沟壑纵横，山体浑圆，河道蜿蜒曲折，河谷川塬交替出现，峡谷段河道多急滩、跌坎、深潭。流域内植被良好，荒芜人烟的森林所占比例达42%。表层岩石较为破碎，主要分布着石灰岩、板岩、千枚岩、页岩，也掺杂有少量的石英等其他变质岩类，特别是龙头漫至河口段的河水全部出露，常流量较大，最枯流量达0.7 m3/s，易于开发。

3.1 枢纽区地质分析

工程枢纽区为中低山地貌，地层主要由板岩、千枚岩和石灰岩等组成。河床有第四系冲积、洪积层分布，岸坡坡脚有少量崩坡积层分布，下伏基岩为寒武系上统（∈3）地层[4]。由老至新分述如下。

（1）∈3。角砾状灰岩（部分为竹叶状灰岩）、页片状灰岩，夹灰质泥灰岩、灰质板岩、石灰岩。

本地区在近一个世纪未有过大的地震活动。因受地质构造的控制，没有大型活动性火山存在，商南县属6度烈度区，地震设计基本烈度为7度。

3.2 水文地质分析

根据现场地质测绘、钻探勘查情况，按照当地地下水在介质中的赋存状态，将勘查区地下水划分为2种基本类型，分别为第四系松散层孔隙水和基岩裂隙水。

3.2.1 第四系松散层孔隙水

分布于第四系松散层中，坡体上土质疏松，存水条件极差，但降水极易入渗，主要为暂时性潜水。地下水主要由大气降水补给，一般具间歇性，在雨季大气降雨自斜坡上渗入，沿土体与基岩的接触面径流，在斜坡下部排泄，整个斜坡都是地下水运动的场所。

3.2.2 基岩裂隙水

基岩为下古生代板岩，节理裂隙一般较发育，地下水主要分布于风化破碎层及构造破碎带，径流较慢，以渗流形式向外排泄[5]。主要形成于雨季，以接受大气降水补给为主，属层状基岩裂隙含水岩类。

流域地下潜水的主要类型为孔隙水。潜水除受大气降水补给外，主要接受本流域和邻域发育的岩溶水水平径流补给。这种由大气降水和地面水体通过渗透作用形成的地下水，是该流域地下潜水的主要来源。本次勘查时，仅ZK1钻孔见地下水，稳定水位1.8 m，稳定水位高程431.56 m，其他勘探点均未见地下水。经分析认为，ZK1钻孔附近区域可能有泉出露，地下水属于基岩裂隙水。

4 枢纽地质条件分析

4.1 引水枢纽地质条件

引水枢纽坝址左右岸山岩均为弱风化硅质大理岩，表层有部分千枚岩和片岩，风化层厚度1～2 m。坝基有厚3～5 m河卵石覆盖，岩基为硅质大理岩。建议在施工中，根据山体表层岩石风化程度将坝址建在新鲜完整的基岩层面上，坝基要求开挖5 m至岩基，开挖后视实际地质情况由地质工程师决定是否需采用帷幕灌浆等防渗措施，保证工程正常、安全运行。

4.2 渠道地质条件

渠线地层渠首部多为厚2～5 m黄黏土和砂卵石覆盖，渠末端为千枚岩和片岩，风化层厚度2～3 m，渠道边坡多为岩质边坡，沟道地基表层有浅层的腐质堆积物。局部边坡可能产生滑塌、滑坡和风化碎石崩落，但都不会产生较大影响。建议在施工中，根据坡体岩石风化程度和边坡高度，采用缓坡、浆砌衬护防治措施，保证工程安全运行。

4.3 倒虹地质条件

根据渠道通过的地形特点，本水电站的渠线沿山脚展布。渠道通过的线路中需要跨马家当沟，沟道宽约10 m，沟道内为第四系的松散沉积层，透水性强，表层覆盖黏土2～3 m，底层砂砾层厚度3～5 m后可见新鲜岩层。施工可对基础直接开挖至岩层。

4.4 厂区地质条件

水电站站址布置于清油河一级阶地之上，此阶地下部均为浅变质的片岩，上部分布有厚2～5 m的坡积物，建议厂房和水下建筑物的地基均应下挖到基岩。前池地质条件较好，但需做好前池衬护，防止发生渗漏。由于泄水渠槽与河床有一定的落差，建议在接合部做抗冲刷特殊处理。

4.5 隧洞工程地质条件

隧洞沿线的围岩岩性依次为巨厚层大理岩、混合岩、花岗岩、云母岩、英片岩，出口处坡度45°～60°，进出口岩石表层弱风化，风化层厚度为1～2 m。

4.5.1 隧洞进口

隧洞进口位于河道左岸，岩面裸露，岩性为巨厚层硅质大理岩，表层风化，无断层构造发育，只需剥去表层弱风化部分1～2 m就可直接进洞，工程地质条件较好。

4.5.2 隧洞出口

隧洞出口位于兑头湾对门河床左岸，坡度45°～60°，为混合岩夹碎石层，施工时需开挖3～5 m，见完整岩层后进洞。

4.5.3 隧洞洞身

该洞身埋深大部分地段大于100 m，围岩地层岩性为硅质大理岩、混合岩、花岗岩、云母岩、英片岩等，岩石物理力学性能良好，无大的断裂构造穿过，有小部分断层，但其走向与洞轴线呈大角度相交，而且规模不大，其性质属压扭～压性，一般不会产生大规模不良地质现象，但施工过程中仍应充分重视，以确保施工安全。施工中按地质工程师编制的专门的隧洞地质报告进行施工。围岩参数参考值为：新鲜围岩的岩石强度指数f=5～6，弹性抗力系数k=45～55；破碎带、裂隙密集带f=1～2.5，k=5～15；强风化围岩f=3～4，k=30～35。

4.5.4 围岩岩石开挖级别和衬砌建议

围岩岩石开挖级别为10～12级（16级制）。在隧洞进出口30 m进行衬砌，同时基础全部衬砌，具体衬砌意见应在施工开挖完成后由地质工程师勘测鉴定后确定。

5 天然建筑材料

工程枢纽区基岩裸露，有广泛的石料资源，岩石饱和抗压强度为160～500 kg/cm2，满足设计要求，可就地取材。本水电站用砂可就近取清油河河道河砂，储量丰富，颗粒级配良好，含泥量小，干容重约为1.6～1.75 t/m3，满足工程要求。

6 电站型式和布设

6.1 电站型式

根据清油河流域整体规划和开发情况，结合本水电站的地形地质条件，确定该水电站为引水径流式电站，无调节能力。规划利用浆砌石重力坝取水，从左坝肩引水，经989 m输水渠道（其中倒虹20 m、隧洞676 m）入前池，经前池整流后由压力管道进入机房，尾水退入清油河河道。水电站渠首正常水位为343.40 m，尾水位为320.55 m，引水渠道水头损失为1.309 m，压力管道水头损失和前池以上各局部损失之和为0.3 m，则水电站毛水头H毛=343.40-320.55=22.85（m），净水头H净=22.85-1.309-0.3=21.24（m）。

该水电站设计保证率为85%，相应流量为0.64 m3/（s·d），出力系数取7.5，则保证出力Nb=7.5×0.64×21.24=101.95（kW）。

根据水电站水能计算，采用丰、平、枯3种典型年法和计入汛期设计流量，计算得该水电站多年平均发电量为310.03万kW·h。该水电站建成后将并网运行，考虑到清油河流域处在暴雨中心带且具有汛期长、水量大的特点，结合清油河流域已有水电站的运行管理经验，为充分利用水能增加汛期发电量，确定兑头湾水电站总装机容量为250+500 kW。根据水电站设计流量及水头，确定机组为混流卧式机组，水轮机型号为HL275-WJ-50和HL275-WJ-66（或该型号代用产品），发电机型号为SFW250-8/740及SFW500-10/990。

6.2 工程总体布置

兑头湾水电站由引水枢纽、渠道、隧洞、压力前池、压力管道、厂区等部分组成，自龙头漫水电站尾水下游1 km处修建低坝取水，引水至毛河口上游2 km建站发电。水坝采用浆砌石重力低坝，在左坝肩布置进水闸、拉砂闸，引水渠道进口与坝轴线垂直。输水建筑物根据地形特点，修建渠道、倒虹、隧洞3个断面形式。渠道长293 m，比降为1∶2000，断面形式为矩形断面，断面尺寸为2.5 m×2.0 m。因引水渠道要过马家当沟，沟宽约10 m，故需修一倒虹，倒虹为钢筋混凝土结构，断面形式为矩形断面，断面尺寸为1.6 m×1.6 m，长20 m（水平投影长）。隧洞总长676 m，比降为1∶1000，断面形式为城门洞形，断面尺寸为2.8 m×2.0 m，上接1/3圆，仅对进出口段各30 m进行全断面衬护，隧洞全段衬砌底板。根据地形地质条件，前池溢流堰布置在渠道与前池过渡段的外侧墙上。余水经泄槽排至边沟。

压力管道采用单独供水方式，管道为钢筋混凝土管，以浆砌石连续管床敷设。布置钢筋混凝土管道长度32.5 m，在坡脚镇墩后变为钢管，钢管长8 m。厂区布置在兑头湾的左岸，根据地形条件，确定水电站厂房为正向进水方式，生活区与厂区布置在一起，在厂区外侧修建防洪堤，内侧有通村路可作为进厂公路。

7 结语

通过分析发现，清油河流域地质稳定，区域内无滑坡坍塌，适宜建设引水径流式电站，但是在引水渠道、隧洞施工中，应采用缓坡，并进行浆砌衬护防治措施，以保证工程安全运行，为水电站建设提供科学依据。