羅崇宏，梁承運(yùn)，李學(xué)政，胡大可

(中國電建集團(tuán)中南勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南 長沙 410014)

0 引 言

江坪河水電站壩址區(qū)位于溇水上游河段湖北省鶴峰縣走馬鎮(zhèn)，工程以發(fā)電為主，兼顧防洪。水庫正常蓄水位470 m，總庫容13.66億m3，具有多年調(diào)節(jié)性能，是溇水河上唯一的多年調(diào)節(jié)水庫。

江坪河水電站裝機(jī)450 MW，最低建基面高程257 m，最大壩高219 m。壩址處于長約600 m的峽谷河段，河谷呈“V”形，寬高比約1.8，水面寬30～50 m，除了兩岸沖溝中局部有覆蓋層以外，其他地段基巖裸露。高程350 m以下兩岸為峭壁，以上地形坡度30°～65°，具備修筑高拱壩的地形條件[1]。

1 工程地質(zhì)概況

1.1 區(qū)域地質(zhì)

區(qū)域內(nèi)大部分為中山和低山山地，大部分山峰海拔在1 000 m以上，最高峰鄧家山海拔1 913 m。地形總趨勢為西北高，東南低，多層狀地貌明顯。區(qū)域內(nèi)出露的地層除志留系上統(tǒng)、泥盆系下統(tǒng)和石炭系缺失外，從元古界青白口系板溪群至中生界三疊系均有出露，巖性以灰?guī)r為主，次為碎屑巖，無火成巖分布。工程區(qū)在大地構(gòu)造上位于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺上揚(yáng)子臺褶帶的鶴峰穹褶帶內(nèi)，早期形成的構(gòu)造以褶皺為主，斷裂活動不甚強(qiáng)烈，構(gòu)造走向以北東、北東東向?yàn)橹鳌^(qū)域新構(gòu)造運(yùn)動的特點(diǎn)以緩慢的間歇性隆起與掀斜為特征，區(qū)域內(nèi)除距壩址直線距離在100 km以外的建始—黃金洞斷裂西南段和太陽山西支斷裂為晚更新世活動斷裂外，其他斷裂均為早、中更新世和前第四紀(jì)。近場區(qū)范圍內(nèi)無區(qū)域性大斷裂，斷裂規(guī)模較小，以北東向斷裂為主，主要為前第四紀(jì)斷裂，少量早、中更新世斷裂，不存在晚更新世活動斷裂，無發(fā)生6級以上地震的構(gòu)造條件和潛在震源區(qū)。據(jù)GB 18306—2015《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》，工程場址區(qū)動峰值加速度在0.05g區(qū)，相應(yīng)的地震基本烈度為Ⅵ度，工程場地區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性好。

1.2 壩址區(qū)地質(zhì)條件

1.2.1地層巖性

壩址位于峽谷內(nèi)，溇水總體流向?yàn)镾86°E，河面寬30～50 m，河床覆蓋層厚19～32 m，河床基巖面高程258～270 m，兩岸基巖裸露，高程350 m以下兩岸為峭壁，以上地形坡度30°～65°，左、右岸均有不對稱沖溝發(fā)育，在壩址區(qū)1.5 km范圍內(nèi)共發(fā)育大小沖溝13條(左岸7條，右岸6條)，深度一般為20～50 m。壩址區(qū)由下游至上游出露地層分別為：

(1)寒武系。下統(tǒng)龍王廟組下段(∈1l1)泥灰?guī)r、鈣質(zhì)粉砂巖、板巖；上段第一層(∈1l2-1)中～厚層條帶狀灰?guī)r，第二層(∈1l2-2)薄～中厚層泥質(zhì)、白云質(zhì)灰?guī)r、白云巖。中統(tǒng)高臺組(∈2g)薄層泥灰?guī)r夾厚層泥質(zhì)灰?guī)r；孔王溪組下段第一層(∈2k1-1)中厚層灰?guī)r，第二層(∈2k1-2)薄～中厚層泥質(zhì)、白云質(zhì)灰?guī)r、砂質(zhì)灰?guī)r，第三層(∈2k1-3)中厚層以及第四層(∈2k1- 4)中～薄層泥質(zhì)、白云質(zhì)灰?guī)r，第五層(∈2k1-5)中～厚層灰?guī)r，第六層(∈2k1- 6)中～薄層泥質(zhì)、白云質(zhì)灰?guī)r、泥灰?guī)r；上段(∈2k2)中厚層～厚層灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、硅質(zhì)灰?guī)r。

(2)第四系。河床覆蓋層厚19～32 m，可分為2層，下部為堰塞湖沉積相灰黑色粉細(xì)砂夾砂礫石、塊石、黑色腐殖質(zhì)砂質(zhì)粘土或淤泥質(zhì)粘土，厚14～20 m；上部為現(xiàn)代河流沖積物，由砂礫石及漂石組成，厚5～12 m。兩岸岸坡殘坡積、崩塌堆積以及鈣華膠結(jié)的崩坡積物各處厚度差異較大，厚0～45 m，其中壩軸線附近厚度0～10 m。

1.2.2地質(zhì)構(gòu)造

壩址區(qū)地處東山峰復(fù)式背斜傾伏端的西北翼，緊靠背斜核部，巖層為單斜構(gòu)造，總體產(chǎn)狀N30°～40°W，SW∠10°～18°，局部巖層產(chǎn)狀略有變化，并有小褶曲發(fā)育。區(qū)域性清官渡壓扭性斷裂和官屋場壓扭性斷裂分別從壩址區(qū)上游約2 km和下游約4 km處穿過。壩址區(qū)斷層絕大多數(shù)為陡傾角斷層和裂隙性斷層，依其走向大致可分為6組，第Ⅰ組最發(fā)育，其次為第Ⅴ組。

(1)第Ⅰ組為NW向組，產(chǎn)狀為N30°～60°W，SW或NE∠65°～85°，規(guī)模較大的斷層有F11、F41、F71、F111、F141、F311，其破碎帶寬0.3～1.0 m，影響帶寬1～3 m，傾SW者為正斷層，傾NE者為逆斷層，錯距5～10 m。其中，沿F71在左岸高程392～455 m范圍內(nèi)的∈1L2-1厚層灰?guī)r中發(fā)育巖溶管道，寬5～15 m；沿F11在左岸該層厚層灰?guī)r中發(fā)育溶縫，寬10～20 cm，局部充填次生黃泥和鈣質(zhì)膠結(jié)物，有地下水滲出。

(2)第Ⅴ組為NEE向組，產(chǎn)狀為N65°～85°E，NW或SE∠70°～85°，規(guī)模稍大的斷層有F35、F195、F235，破碎帶寬0.2～0.5 m，影響帶寬0.5～2 m，一般為壓扭性斷層。

(3)第Ⅲ組為NNE向組，產(chǎn)狀為N10°～30°E，NW或SE∠75°～85°，規(guī)模稍大的斷層有F53、F73、F83、F93、F243，破碎帶寬0.3～0.8 m，影響帶寬0.5～1.5 m。

(4)第Ⅳ組為NE向組，產(chǎn)狀為N40°～60°E，NW或SE∠75°～85°，規(guī)模稍大的斷層有F34、F54、F74、F94、F224、F244，破碎帶寬0.2～0.6 m，影響帶寬0.5～2.0 m。

(5)第Ⅱ組為NNW向組，產(chǎn)狀為N10°～20°W，NE或SW∠75°～85°，規(guī)模稍大的斷層有F22、F52、F102、F112，破碎帶寬0.21～0.8 m，影響帶寬1.0～2.0 m。

(6)第Ⅵ組為NWW向組，產(chǎn)狀為N75°～85°W，NE或SW∠70°～80°，破碎帶寬0.1～0.3 m，影響帶寬0.5～1.0 m。

此外，壩址區(qū)還發(fā)育15條層間錯動、8條泥化夾層等軟弱夾層。主要層間錯動多在以白云巖、泥質(zhì)、白云質(zhì)灰?guī)r為主的地層中，膠結(jié)較差，順層有溶蝕現(xiàn)象。壩址區(qū)節(jié)理裂隙除傾角平緩的層面外，還發(fā)育有3組陡傾角節(jié)理，產(chǎn)狀分別為N20°～40°W/NE或SW∠75°～77°，N25°～45°E/SE(少量NW)∠70°～85°，N65°～85°E/NW(少數(shù)SE)∠77°～88°。

1.2.3巖體風(fēng)化與卸荷

巖體風(fēng)化、卸荷深度主要受地形、巖石類型、層厚和構(gòu)造結(jié)構(gòu)面、巖溶發(fā)育程度的影響和控制。一般峽谷壩址河谷斜坡，表部至深部巖體的風(fēng)化均呈現(xiàn)漸近分帶特征。但江坪河水電站壩址勘探中揭露兩岸谷坡出現(xiàn)了與一般峽谷谷坡風(fēng)化分帶規(guī)律相反或不對應(yīng)的狀況，在進(jìn)入弱或微風(fēng)化帶后深部順層出現(xiàn)范圍較大的強(qiáng)風(fēng)化、強(qiáng)卸荷巖體，這些深部順層強(qiáng)風(fēng)化巖體的出現(xiàn)，構(gòu)成了完全不同于正常河谷岸坡的風(fēng)化分帶。壩址巖體風(fēng)化主要表現(xiàn)為面狀風(fēng)化、順層層狀風(fēng)化和沿?cái)鄬?、夾層的楔狀風(fēng)化。

(1)壩址兩岸龍王廟組上段第一層(∈1l2-1)、孔王溪下段第一層(∈2k1-1)、第三層(∈2k1-3)、第五層(∈2k1-5)等以灰?guī)r為主的巖體主要表現(xiàn)為正常面狀風(fēng)化，強(qiáng)風(fēng)化巖體下限埋深0～18 m，弱風(fēng)化巖體下限埋深50～70 m，微風(fēng)化與新鮮巖體的界線不十分明顯。其他以白云巖、泥質(zhì)白云質(zhì)灰?guī)r夾灰?guī)r為主的巖體抗風(fēng)化能力差，除表現(xiàn)為面狀風(fēng)化外，還表現(xiàn)為順層風(fēng)化。

(2)龍王廟組上段第二層 (∈1l2-2)、高臺組(∈2g)泥質(zhì)、白云質(zhì)灰?guī)r、白云巖、泥灰?guī)r巖體，除淺表部呈強(qiáng)風(fēng)化外，深部整層呈弱風(fēng)化，如鉆孔ZK12、ZK38、ZK40孔深159、168、126 m和平硐PD8、PD10、PD13洞深113、130、206 m時，大部分巖石呈弱風(fēng)化、少量呈強(qiáng)風(fēng)化狀。

(3)孔王溪組下段第二層(∈2k1-2)、第四層(∈2k1- 4)、第六層(∈2k1- 6)等薄～中厚層泥質(zhì)白云巖、泥質(zhì)白云質(zhì)灰?guī)r中順層風(fēng)化嚴(yán)重，大部分為強(qiáng)風(fēng)化巖體，如鉆孔ZK12、ZK38、ZK40孔深101、98、124 m和平硐PD14、PD12、PD16洞深153、164、130 m時，∈2k1-2、∈2k1- 4地層中大部分巖石仍呈強(qiáng)風(fēng)化狀。沿一些斷層、夾層呈現(xiàn)楔狀風(fēng)化特征。

1.2.4巖溶及水文地質(zhì)條件

壩址區(qū)內(nèi)可溶巖和非可溶巖相間分布，屬多層含水結(jié)構(gòu)類型。水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)及水動力與可溶巖地層的厚度、產(chǎn)狀、斷層發(fā)育程度關(guān)系密切。 ∈1l1-2層鈣質(zhì)粉砂巖、板巖碎屑巖裂隙含水層為隔水地層，以上各層為巖溶含水層，巖溶含水層的滲流形式主要有巖溶管道滲流和巖溶裂隙性滲流。地下水可歸為孔隙水、基巖裂隙水、巖溶地下水3類地下水系統(tǒng)。左岸施工期灌前巖體透水率q<3 Lu的約占66.62%，右岸約占86.09%。

2 巖體深層風(fēng)化對壩基的影響

2.1 對拱壩

混凝土重力拱壩軸線河床部位位于堆石壩軸線上游約90 m，左岸位于11、13號沖溝之間，右岸位于8、10號之間。河床覆蓋層厚19～32 m，不能利用河床覆蓋層作為壩基。壩基基巖為寒武系地層，河床下部∈1l1-2鈣質(zhì)粉砂巖、板巖微風(fēng)化巖體的單軸飽和抗壓強(qiáng)度RW=50～60 MPa，變形模量E0=8～10 GPa；壩基中下部∈1l2-1灰?guī)r微風(fēng)化巖體的RW=70～80 MPa，E0=10～12 GPa；壩基中部∈1l2-2、∈2g泥灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)rRW=30 MPa～40 MPa，E0=4～6 GPa；壩基中上部為∈2k1-1～∈2k1-5層，其中∈2k1-2、∈2k1- 4層為泥質(zhì)白云質(zhì)灰?guī)r，抗風(fēng)化能力差，物理力學(xué)性狀差，RW=5～15 MPa，屬軟巖，E0=0.5～1 Gpa，而∈2k1-1、∈2k1-3、∈2k1-5層微風(fēng)化巖體RW=50～60 MPa，E0=8～10 Gpa；河床深部及壩址下游∈1l1-2層粉砂巖、板巖為隔水低層。拱壩壩踵、壩基巖體變形模量分區(qū)見圖1。拱壩壩趾、壩基巖體變形模量分區(qū)見圖2。

圖1 拱壩壩踵、壩基巖體變形模量分區(qū)(單位：GPa)

圖2 拱壩壩趾、壩基巖體變形模量分區(qū)(單位：GPa)

由于高拱壩對壩基的地質(zhì)條件要求高，建基面要求置于弱風(fēng)化巖體下限至微風(fēng)化巖體上，但壩基范圍內(nèi)出露的地層∈1l2-2、∈2g、∈2k1-2、∈2k1- 4以泥質(zhì)白云質(zhì)灰?guī)r為主，具有強(qiáng)烈的深層風(fēng)化特征，∈2k1-2、∈2k1- 4層巖體整體呈強(qiáng)風(fēng)化，完整性差，強(qiáng)度低，且∈1l2-2層及以上巖體中有層間錯動、泥化夾層等軟弱夾層發(fā)育，右岸更為發(fā)育，且分布高程較低，在壩基范圍內(nèi)開挖深度大，無法予以全部挖除，只能采用其他工程處理措施解決。拱壩壩踵和壩趾2條剖面統(tǒng)計(jì)的拱壩兩岸壩基建基面以下深層風(fēng)化巖體及軟弱夾層分布情況見表1。深層風(fēng)化巖體及軟弱夾層占最低建基面以上巖體厚度的比例見表2。

表1 拱壩兩岸壩基建基面以下深層風(fēng)化巖體及軟弱夾層統(tǒng)計(jì) m

表2 深層風(fēng)化巖體及軟弱夾層占最低建基面以上巖體厚度的比例 %

從表2可知，右岸∈2k1-2、∈2k1- 4層強(qiáng)風(fēng)化巖體占最低建基面以上巖體厚度的百分比平均值為22.3%(左岸無)，弱風(fēng)化及以上巖體占最低建基面以上巖體厚度的百分比平均值為15.8%(左岸為24.2%)。右岸層間錯動和泥化夾層等軟弱夾層厚度占最低建基面以上巖體厚度的百分比平均值為5.2%(左岸為1.3%)。左右兩岸壩基建基面以下的巖體條件差異性很大，不均一性非常明顯。

2.2 對面板堆石壩

堆石壩軸線左岸位于11號沖溝中，右岸位于8、10號沖溝之間。混凝土趾板沿線跨過8、9號沖溝后，在6、7號沖溝出口下游30 m處伸入河床。河床覆蓋層厚19～32 m，不能利用河床覆蓋層作為壩基。壩基基巖與風(fēng)化、軟弱夾層分布與拱壩壩基大同小異，也為寒武系地層，各層巖體及其間的軟弱夾層分布位置略有差異。對于面板堆石壩，河床壩基在全部清除河床覆蓋層，兩岸壩基在清除壩軸線與面板之間少量強(qiáng)度較低的強(qiáng)風(fēng)化巖體和其他部位的覆蓋層或全風(fēng)化巖(土)體后，無大的地基穩(wěn)定和變形問題。

3 構(gòu)造及巖溶對壩基、壩肩的影響

3.1 對拱壩

壩基第Ⅰ組(NW向)斷層最發(fā)育，主要有F11、F41、F71、F311，右岸第Ⅳ組斷層較發(fā)育，左岸第Ⅴ組斷層發(fā)育。兩岸巖層傾向上游偏右岸，層間軟弱夾層較為發(fā)育，左岸為斜交順向邊坡，右岸為斜交反向邊坡。對于左岸壩肩，走向與岸坡走向近于平行的第Ⅴ組斷層與拱壩軸線交角較小，對拱肩不利；NW向第Ⅰ組斷層與傾角比較平緩的層間軟弱夾層組合形成的塊體對拱壩壩肩穩(wěn)定不利。右岸NE向的第Ⅳ組與層間軟弱夾層組合形成的塊體對拱壩壩肩穩(wěn)定也不利。

壩基及兩岸為巖溶含水地層，巖溶發(fā)育，尤其是左岸∈1l2-1層中巖溶較右岸發(fā)育，如左岸揭露到了規(guī)模較大的沿?cái)鄬覨71發(fā)育的管道系統(tǒng)和沿?cái)鄬覨141發(fā)育的大型溶洞，巖溶水文地質(zhì)條件復(fù)雜，防滲處理也復(fù)雜。左壩肩沿NW向斷層巖溶較發(fā)育，垂直該組斷層方向會產(chǎn)生大的壓縮變形。對于對地基要求高的高拱壩壩基存在變形穩(wěn)定問題。

3.2 對面板堆石壩

左岸有NW、NEE向斷層切割，右岸有NW、NE向斷層切割，軟弱夾層發(fā)育，但面板堆石壩壩基開挖主要為趾板開挖，邊坡高度小于100 m，壩基、壩肩邊坡穩(wěn)定性較好，面板堆石壩的適宜性較好[2]，地質(zhì)構(gòu)造對壩基、壩肩穩(wěn)定影響較小。左岸高程410 m以上巖溶強(qiáng)發(fā)育，其他地段為中強(qiáng)發(fā)育；左右岸均可接下游∈1l1-2層防滲。

4 壩型選擇

混凝土重力拱壩雖然存在地形條件適合修建拱壩、施工期交通要求沒有堆石壩那么高、相對于堆石壩方案填筑工程量小等優(yōu)點(diǎn)，但由于壩址區(qū)近水平地層中巖性軟硬不均，右岸深層風(fēng)化巖體和軟弱夾層分布范圍大，高程更低，左右岸壩肩剛度不協(xié)調(diào)；左壩肩沿NW向斷層巖溶較發(fā)育，會產(chǎn)生大的壓縮變形等；兩岸壩肩都存在抗滑穩(wěn)定問題；較差的地質(zhì)條件對于邊坡高度達(dá)300 m以上的開挖高邊坡的穩(wěn)定很不利，同時邊坡開挖后，在狹窄河谷還會引起應(yīng)力重新調(diào)整，對開挖高邊坡的穩(wěn)定性也會產(chǎn)生不利影響。以上不利地質(zhì)條件，對于對地基要求高的高拱壩壩基存在強(qiáng)度和變形穩(wěn)定問題，雖然通過工程處理可部分改善以上不利地質(zhì)條件給高拱壩壩基帶來的不利影響，但其可實(shí)施性及實(shí)施效果有待論證。

面板堆石壩雖然存在河谷狹窄、施工條件較差、在兩岸布置泄洪建筑物增加了工程地質(zhì)問題等缺點(diǎn)，但面板堆石壩對地基條件要求低，對地質(zhì)地形條件適應(yīng)性較好[2]，深層風(fēng)化巖體和軟弱夾層處理工程量有限，難度較小，邊坡高度和范圍有限，開挖高邊坡穩(wěn)定性問題不突出。

綜上，壩址區(qū)存在深層風(fēng)化巖體和軟弱夾層左右岸差異性很大、不均一性非常明顯，兩岸壩肩都存在抗滑穩(wěn)定問題等難以避開的不利地質(zhì)條件，對修建碾壓混凝土重力拱壩的適宜性較差，最后選擇混凝土面板堆石壩，比拱壩方案節(jié)省投資約3億元。