水库坝址地质条件分析及工程问题评价

摘 要：为切实掌握水库坝址区的地质条件及工程地质问题，本文以现场调查成果为基础，先对坝址区地质条件进行分析，并进一步评价其工程问题，以期为后续设计奠定基础。分析结果表明：坝址区地形总体较为平缓，具有相对较厚的覆盖层，其下覆基岩主要为砂岩和辉绿岩，同时，坝区两侧斜坡相对较高，地表具有起伏特征，较少发育不良地质作用，仅发育有2处危岩体和1处堆积体，因此，坝区两侧斜坡的稳定性整体较好，仅局部存在失稳风险。坝区存在一定的水库水平渗漏问题，建议采用全库盆防渗，且库区不存在水库浸（淹）没问题，固体径流问题不突出，但冲沟发育，物源丰富，建议采取必要的排导防护措施。

关键词：坝址；天然面波物探；地质条件分析

中图分类号：TV 221" " " " " " " " " 文献标志码：A

随着水利工程的发展，抽水蓄能电站的数量也逐渐增加。坝址区地质条件及其工程问题会影响工程投资，因此，对该方面问题进行研究具有重要意义[1-2]。目前，已有不少学者进行了相关研究，王汉斌等[3]讨论了抽水蓄能电站在不同地质条件下的勘察要点；白崇宇[4]利用Midas软件分析了抽水蓄能电站的岸坡稳定性；任有锋等[5]对抽水蓄能电站建设过程中的不良地质防治进行了研究；张学清等[6]通过强度折减法评价了抽水蓄能电站建设过程中的边坡稳定性。上述研究表明，对抽水蓄能电站的坝址地质条件分析及工程问题进行评价是十分必要的，但受坝址区地质条件限制，仍有必要结合具体项目进行针对性研究。

本文以现场调查成果为基础，先对坝址区地质条件进行分析，并进一步评价其工程问题，以期为其后续设计奠定基础。

1 工程概况

新疆达坂城抽水蓄能电站位于乌鲁木齐市达坂城区境内，它是纯抽水蓄能电站。结合设计成果，本工程枢纽由上水库、下水库、输水系统、地下厂房、地面开关站及下库拦沙坝等组成，其中，上、下水库的工程重要性极为重要，两者均为新建水库，上水库沥青混凝土面板堆石坝最大坝高82m，总库容670万m³。下水库沥青混凝土心墙坝最大坝高52m，总库容660万m³，拦沙坝坝高42m。本工程上、下库输水线路总长度约为3096.85m，发电额定水头为525.0m，距高比为5.12，装机容量为1200MW。

在交通条件方面，高崖子牧场有碎石路至下水库，长度约10km，再往上游走13km即为上水库，但道路较为简单，仅为简易牧道，因此，至库区的交通条件一般。

2 水库坝址地质条件分析

2.1 地形地貌条件

坝址位于较狭窄处，呈不甚对称的“U”形，左岸低右岸高，沟底高程为2600m～2900m，左岸山顶高程为3100m，右岸山顶高程为3150m，坡高500m～200m，坡向NE约70°。正常蓄水位为2697m，高程谷宽约250m，沟底宽70m～150m。左岸2765m高程以下受冲沟切割，呈一山梁地形，顺沟长约400m，宽约200m，2762m高程为一小平台，长宽均为30m～40m，正常蓄水位2697m高程坝肩岩体厚度约150m，以上岸坡高陡雄厚，岸坡坡度30°～40°，局部较陡。右岸为主沟与高崖子河所夹，呈近北东南西向山梁，岸坡坡度约40°，局部近直立。

2.2 地层岩性条件

根据调查成果，坝址区第四系土层主要为崩坡积层和洪积层，其中，崩坡积层岩性为碎石土，粒径差异较大，棱角状，结构松散，厚度为5m～15m；洪积层岩性为砂卵砾石，母岩成分多为砂岩、辉绿岩，直径约为0.5m～1.0m，厚度为10m～30m。

在基岩方面，岩性主要为砂岩、泥质粉砂岩和辉绿岩，灰白色、灰黑色，厚层～中厚层状，局部具薄层夹层，厚度较大。

在地层工程地质条件方面，基岩的工程性质较好，土层的工程地质条件较差，因此，须重点掌握土层厚度。由于坝址区交通条件较差，不适宜钻孔，因此提出采用天然面波物探手段探究土层分布厚度。通过统计，得到坝址区L3～L4测线的结果，如图1所示。由图1可知，L3测线的物探成果显示块碎石土层的剪切波速Vs为250m/s～500m/s，厚度为4.3m～17.2m。L4测线的物探成果显示块碎石土层的剪切波速Vs为250m/s～490m/s，厚度为16.7m～28.9m。综上所述，坝区土层较为均匀，厚度有一定差异，总体主沟道部位深于两侧，最大厚度约29m，与勘探结果基本一致，说明天然面波物探手段适用于本项目区的地层厚度分析。

为进一步评价坝址区基岩的完整性，现场对两个钻孔进行波速试验，其中，测试孔1的试验段长度为362.8m，试验段埋深为87.2m～450.0m。测试孔2的试验段长度为46.0m，试验段埋深为9.0m～55.0m。

经统计，测试孔1的波速最大值为6580m/s，最小值为2360m/s，孔内波速总体在 5000m/s～6000m/s，局部低于 5000m/s，

因此，其岩体完整～较完整，局部较破碎，总体质量较好。测试孔2的波速最大值为6250m/s，最小值为1750m/s，孔内波速总体在3000m/s～5000m/s，局部低于 3000m/s，岩体较破碎～破碎，局部较完整，总体质量一般。

综合两个测试孔的波速测试结果，浅部岩体（强风化、弱风化）受风化影响，岩体质量偏差，深部（弱风化-微新）岩体质量总体较好，局部受构造影响略差。

2.3 地质构造条件

上水库（坝）址区岩层呈单斜构造，其中，坝址区岩层产状走向NE10°～35°，倾向SE，倾角35°～45°。库址区岩层产状为NW320°～330°，倾向NE，倾角为50°～60°。

在上水库（坝）址区地质测绘中未发现规模较大的断层，主要构造为层间小断层和短小节理。层间小断层在库、坝址区的产状变化较为明显，库址区走向NW320°～330°，倾向NE，倾角50°～60°。坝址区走向NE10°～35°，倾向SE，倾角为35°～45°，宽度通常为1cm～5cm。断面平直光滑，多充填岩片、岩屑、岩粉，少量充填泥质物。

2.4 水文地质条件

坝址区地下水主要为孔隙潜水、裂隙水，其中，孔隙水赋存于沟底洪积层和两岸坡脚崩坡积块碎石层孔隙中，水量不丰。裂隙水赋存于基岩裂隙中，埋深大，接受降水和上游地下水补给，排泄于沟谷下游和高崖子河。

为进一步掌握区内土层的渗透特征，在现场进行了渗透试验，结果见表1。根据表1，得到土层的渗透系数为3.58×10-2cm/s～4.01×10-2cm/s。

在8个钻孔进行了98段压水试验，所得基岩吕荣值为0.36Lu～3.55Lu，无强透水和中等透水岩体，主要为弱透水岩体，局部微透水。分析认为，坝址区浅部岩体基本属弱透水岩体，局部地形突出部位表部强～弱风化上部岩体或断层影响带可能存在强～中等透水岩体。

根据压水试验成果，坝址沟底弱透水带（q=1Lu～10Lu）下限埋深50m～80m。两岸中等透水带下限埋深5m～10m，弱透水带（q=1～10Lu）下限埋深80m～100m。

3 坝区问题评价结果

根据分析结果，进一步对上水库的坝区工程问题进行评价，具体结果如下。

3.1 水库渗漏问题

坝址区地形封闭条件总体良好，库周岸坡高度超过500m，未发现低于正常蓄水位的垭口。左岸山体总体雄厚，距离深切邻谷为7km，推测该邻谷产生渗漏的可能性小，但靠近左坝肩外侧部位发育一小冲沟，沟底高程低于正常蓄水位，分析认为，可能存在绕坝渗漏问题。右岸发育深切邻谷高崖子河，当正常蓄水位时，邻谷与下库之间山梁水平厚度约为1500m，初步分析可能存在邻谷渗漏的可能。

坝址区岩性主要为砂岩类和辉绿岩，钻孔压水试验结果表明，库盆岩体以弱透水性为主，微透水岩体埋深80m～100m，因此，分析认为库盆及两岸岩体的透水性较弱。

勘探揭露上库地下水较贫乏，水位埋深大，两岸钻孔未见地下水位，库盆四周地下水位均低于正常蓄水水位。综上所述，坝址区岩性为砂岩类和辉绿岩，未发现大的断裂发育，右岸发育深切高崖子河，左岸坝肩部位存在单薄山梁，库坝区地下水位埋深大，弱透水岩体埋深大，存在向左岸坝后绕渗和向右侧深切高崖子河渗漏的可能。因此，水库渗漏形式以水平渗漏为主，建议采用全库盆防渗。

3.2 库岸稳定问题

库区两岸天然岸坡高约500m，总体呈上陡下缓状，2800m高程以上岸坡相对较陡，局部近直立，但未见大的滑坡、变形体分布。调查发现有2处危岩体（W1、W2）和1处堆积体（DJ1），其中，W1仅临库盆，尤其西侧，崩塌掉块将对库盆及环库路有一定影响，建议进行适当清坡和防护。W2距离库坝约600m，且与库坝之间地形较缓，崩塌对库坝区基本无影响。

为量化评价危岩体、堆积体的问题，须进一步提出定量评价。

危岩体的稳定性Fs1的计算过程如公式（1）所示。

（1）

式中：H为危岩体的悬臂高度，m；h为后缘裂隙深度，m；c为黏聚力，kPa；G为危岩体重度；Qv为竖向地震荷载。

通过计算，得到W1天然状态下的稳定系数为2.34，暴雨状态下的稳定系数为1.92，地震状态下的稳定系数为1.74，均属稳定状态。W2天然状态下的稳定系数为2.20，暴雨状态下的稳定系数为1.65，地震状态下的稳定系数为1.29，除地震状态下属欠稳定状态，其余2个状态均属稳定状态。因此，局部危岩体在不利工况条件下存在失稳可能。

结合以往经验，堆积体稳定性Fs2的计算过程如公式（2）所示。

（2）

式中：n为条块划分数；Ri为条块对应抗滑力，kN；ci为条块对应传递系数；Ti为条块对应下滑力，kN。

同时，条块间的传递系数ci的计算过程如公式（3）所示。

ci=cos（θi-θi+1）-sin（θi-θi+1）tanψt+1 " " nbsp; " " " （3）

式中：θ为对应条块的倾角，°；ψ为对应条块的内摩擦角，°。

在DJ1堆积体上布设了2个剖面，其中，1-1'剖面天状态下的稳定系数为2.46，暴雨状态下的稳定系数为1.97，地震状态下的稳定系数为2.03，均属稳定状态。2-2'剖面天状态下的稳定系数为2.06，暴雨状态下的稳定系数为1.43，地震状态下的稳定系数为1.68，也均属稳定状态。因此，DJ1堆积体的稳定性较好。

综上所述，正常蓄水位2697m附近岸坡总体较缓，未发现滑坡、变形体及危岩体发育，大部分岸坡为横向坡和反向坡，仅右岸坝前部位为顺向坡，由于天然坡度较缓，岸坡整体稳定性较好，因此局部顺向坡开挖后切脚易形成局部失稳可能，须加强支护。

3.3 水库浸（淹）没问题

库区为深山峡谷，无耕地、村舍和林地，不存在水库浸没问题。

3.4 固体径流问题

泥石流评价结果表明，库盆主沟和库后1#沟、库后2#沟这3条冲沟沟泥石流的易发程度为轻度易发。在1%暴雨频率下，持续时间为1h的泥石流活动在3条冲沟所携带的固体物质总量为1.94×104m³，水库长期运行将对水库库容有一定影响，建议采取相应的排导防护措施。

4 结论

通过水库坝址地质条件分析及工程问题评价，得出以下结论。1）上水库坝址位于高崖子沟左岸的哈克萨依沟上游，地形总体宽阔，库坝区覆盖层发育，厚度为10m～30m，基岩岩性主要为砂岩和辉绿岩，局部为砂岩与泥质粉砂岩互层。2）库区两岸天然岸坡高约500m，总体呈上陡下缓状，未见滑坡、变形体等，发育的2处危岩体和1处堆积体，对库坝区总体没有太大的影响，天然库岸稳定性较好，水库蓄水后，岸坡整体稳定性较好，局部掉块不影响水库正常运行。3）坝址区右岸发育深切高崖子河，左岸坝肩部位存在单薄山梁，库坝区地下水位埋深大，弱透水岩体埋深大，存在一定的水库渗漏问题，且渗漏形式以水平渗漏为主，建议采用全库盆防渗。

参考文献

[1]苏仁庚.贵州省贵阳抽水蓄能电站工程地质分析[J].水电站机电技术，2023，46（9）：132-136.

[2]钱程，刘普胜.阳江抽水蓄能电站上水库渗漏工程地质评价[J].河南水利与南水北调，2022，51（10）：66-68.

[3]王汉斌，王惠明，赵国斌.不同地质背景下抽水蓄能电站工程地质勘察讨论[J].水力发电，2023，49（10）：45-50.

[4]白崇宇.基于Midas的抽水蓄能电站水库边坡稳定性分析[J].水利技术监督，2022（8）：70-73，129.

[5]任有锋，马学奎，高徐军，等.某抽水蓄能电站对外交通公路不良地质条件治理方案[J].西北水电，2021（4）：40-42，47.

[6]张学清，潘福营，殷康，等.基于强度折减的洛宁抽水蓄能电站黄土边坡稳定性研究[J].水电与抽水蓄能，2021，7（1）：64-68，120.