黃河大柳樹水利樞紐主要工程地質(zhì)的問題及評價論文

　　摘要：

　　本文對大柳樹地震地質(zhì)條件和工程地質(zhì)條件進行了論述。大柳樹壩址處于相對穩(wěn)定地塊，不存在工程抗斷問題。壩址區(qū)巖體雖然完整性相對較差，但不存在“大范圍的松動巖體”，具備安全修建高土石壩的地質(zhì)條件。

　　關鍵詞：活斷層工程；抗斷；松動；巖體；灌漿效果；成洞條件；邊坡；穩(wěn)定性；大柳樹；水利樞紐

　　大柳樹水利樞紐位于黃河上游黑山峽出口以上2km處，設計壩型為混凝土面板堆石壩，最大壩高約164m，庫容110億m3，裝機2000MW，是以優(yōu)化水資源配置、灌溉、供水、發(fā)電以及防洪、防凌、南水北調(diào)西線工程調(diào)水調(diào)節(jié)等綜合利用為目的的一座大型水利樞紐工程。

　　大柳樹勘察設計工作始于20世紀50年代，多年來原水電部北京勘測設計院、西北勘測設計院、水利部天津勘測設計院等先后做過勘察工作。國家地震局、中國科協(xié)、地礦部、蘭州大學等有關科研單位、大專院校對某些專門性地質(zhì)問題做過研究。對大柳樹水利樞紐主要地質(zhì)問題一直存在較大爭議，集中反映在建壩的地震地質(zhì)條件和工程地質(zhì)條件上，對是否存在工程抗斷問題和“大范圍松動巖體”認識不一致。

　　經(jīng)過多年勘察論證，關于大柳樹水利樞紐建壩的地質(zhì)條件已基本查明，現(xiàn)就有關地質(zhì)問題評價綜述于后。

　　1、區(qū)域構造穩(wěn)定性能。

　�。�1）區(qū)域構造發(fā)育特征。

　　本區(qū)地處青藏高原東北緣、祁連山地槽北側的走廊過渡帶東端。北部為比較穩(wěn)定的大陸地臺區(qū)，東部為鄂爾多斯西緣拗陷帶，其形成和發(fā)展受到青藏高原隆起的動力學機制的制約。本區(qū)經(jīng)歷了多次構造運動，構造形跡發(fā)育。根據(jù)其力學屬性、活動特征、成生聯(lián)系和復合關系等，可分為東西向、隴西系和河西系3個構造帶。

　　①東西向構造帶。

　　東西向構造帶，展布于北緯37°——38°之間，如衛(wèi)寧北山，黑山——紅山——紅石溝峁一帶，五佛川——大廟斷層等。主要由近東西向展布的壓性斷裂和褶皺組成，構造形跡多呈舒緩波狀展布。構造形跡形成于加里東期，一直活動到燕山運動早期。

　　②隴西系旋扭構造帶。

　　隴西系旋扭構造帶，對本區(qū)構造格局起著控制作用。該帶形成于燕山運動晚期，主要由向北東方向凸出的弧形隆起帶和拗陷帶組成。區(qū)內(nèi)主要發(fā)育有景泰－海原斷裂帶和中衛(wèi)－同心斷裂帶。

　　a、景泰一海原斷裂帶。

　　景泰——海原斷裂帶以米家山、西華山與南華山隆起及西側山前斷裂為主體，總長度達400余km，帶寬15——25km。斷裂規(guī)模大，且呈束狀展布。沿斷層走向可見到溝谷、水系、山脊等微地貌被左旋錯斷。該斷裂帶不僅有多次活動，且全新世以來還在強烈地活動。據(jù)國家地震局專題研究成果，該斷裂帶為殼內(nèi)斷裂。

　　b、中衛(wèi)——同心斷裂帶。

　　展布于同心西和中衛(wèi)南的天景山、香山北麓一線。全長約200km。以紅谷梁為界，斷裂帶西段走向北西西至近東西向，北側是以中新統(tǒng)為基底的山前臺地及第四紀中衛(wèi)盆地；南側是古生界為主體的寬大山體。斷裂帶東段走向由北西西向逐漸轉化為北北西向，東側為新生代清水河斷陷盆地，西側是新生代地層組成的低山丘陵。據(jù)重力梯度測試，該斷裂帶下切深度不大，屬基底斷裂。

　　③河西系構造帶。

　　河西系是本區(qū)新生代以來發(fā)展起來的構造形跡。其總體走向為NW320°～340°，略呈等距平行斷續(xù)帶狀展布。控制著新生代槽地和谷地的發(fā)育，地貌上常形成沖溝。區(qū)內(nèi)河西系構造帶主要分布于粉石溝及其以東地段和小觀音附近苦水溝及翠柳溝等地。

　　（2）新構造運動。

　　受青藏高原隆起影響，本區(qū)存在一系列向北東凸出的弧形斷裂帶，由南而北其彎曲弧度愈來愈大，下切深度逐漸減小。構造規(guī)模與活動速率，由南向北由強變?nèi)酢?/p>

　　大柳樹壩址位于景泰——海原活動斷裂帶和中衛(wèi)—同心、活動斷裂帶之間香山—天景山隆起的邊緣，是一個相對穩(wěn)定地區(qū)，盡管距中衛(wèi)—同心活動斷裂帶較近，但壩址并不位于活斷層上。

　　景泰——海原斷裂帶位于大柳樹壩址以南60km處。斷裂帶規(guī)模大，活動性強。在該斷裂帶上近代地震活動頻繁，1920年海原8.5級地震即發(fā)生在該帶上。這次地震對大柳樹壩址影響烈度為7度。

　　中衛(wèi)——同心斷裂帶規(guī)模相對較小，活動性較弱。該斷裂帶在不同部位活動強度也不盡相同�？傮w來看，弧頂部位所在的中間段落要強于兩端段落；以東大溝為界，東段活動強度要強于西段。

　　東段斷裂南側香山、天景山與北側第四紀衛(wèi)寧盆地高差達1100m，而西段斷裂帶兩側地形高差僅為700～800m。

　　從水系位移情況來看，東段經(jīng)過斷裂的沖溝普遍發(fā)生左旋位移，紅谷梁至堿溝，各類沖溝左旋位移十分明顯，且有許多斷頭溝和廢棄溝出現(xiàn)。西段水系左旋位移不明顯。

　　東段斷裂北側衛(wèi)寧盆地第四系堆積物揭露最大厚度達298m，而西段斷裂北側為騰格里沙漠南緣，第四系厚度很小，在溝谷內(nèi)多見基巖出露。

　　1709年和1852年發(fā)生的2次6級以上強震震中集中于斷裂東段，西段沒有6級以上強震。1970～1985年西段斷裂帶上僅有1次2.0——4.9級小震活動，而東段，2.0——4.9級小震卻有37次。1709年中衛(wèi)南7.5級地震，東段見有明顯的地震形變帶，而西段地震形變帶不明顯。此次地震對大柳樹壩址影響烈度為8度。

　　（3）大柳樹壩址不存在工程抗斷問題。

　　①壩區(qū)主要斷裂展布。

　　大柳樹壩址位于斷層F7與F3之間，北至F7斷層最近距離0.8km，南距F3斷層約0.7km，壩址南側約3.2km有F1斷層展布。F201斷層位干F7斷層以北0.7km處，距大柳樹壩址最近距離為1.5km。

　　a、F7斷層。

　　沿香山北麓分布，西起麻雀灣，東至粉石溝，長約23km。產(chǎn)狀NW70°——80°SE∠40°——70°，是一條壓性逆斷層。南盤為寒武系中統(tǒng)香山群第四亞群，局部地段為泥盆系，北盤為石炭系煤系地層。

　　b、F3斷層。

　　長約10km。斷層走向NE65°——80°，近直立。東段在煙筒梁附近與F7斷層歸并，西段在在賊溝一帶歸并于F1斷層，為F1和F7的分支斷裂。北盤為中寒武系香山群第四亞群或泥盆系，南盤為石炭系煤系地層。

　　c、F1斷層。

　　位于壩址南側，延伸長度31km。斷層產(chǎn)狀NE80°——NW300°SE（SW）∠51°——78°。斷層總體表現(xiàn)為中寒武系香山群第四亞群，向北逆沖到石炭系或三疊系之上。

　　d、F201斷層。

　　西起麻雀灣，向東延伸至長流水溝口，全長約8km。斷層走向NE75°——NW280°，傾向南東或南西，傾角50°——80°。不同出露位置，斷層影響地層也不盡相同。在西端麻雀灣一帶可見石炭系地層逆沖到第三系之上，東端長流水溝口石炭系地層則逆沖到第四系沖積砂礫石之上。

　　從斷層規(guī)模來看F201斷層明顯小于其南側的F7、F3、F1斷層，無論從平面還是剖面上，與上述斷層均無交切。

　�、趬沃穮^(qū)不存在活斷層。

　　壩址構造均受斷層F7與F3控制，因此，壩址斷層的活動性主要取決于斷層F7與F3的活動性。

　　A、F7斷層。

　　該斷層活動時期在中更新世及以前，晚更新世以來沒有活動跡象，主要依據(jù)有：

　　a、從地層學方面分析，F(xiàn)7斷層上覆厚度不等的第四系沖洪積或坡積層，現(xiàn)場勘察證明，都沒有被斷層擾動的現(xiàn)象。通過黃河六級和七級階地探槽剖面可見，階地基座仍保持了黃河沖刷形成的平整侵蝕面；基座上堆積的中更新統(tǒng)沖積礫石層呈水平狀，均保持了原始堆積形態(tài)；不存在斷層活動產(chǎn)生的變形現(xiàn)象。因此，從地層學方面分析，F(xiàn)7斷層至少在中更新世早期之后沒有活動跡象。

　　b、從微地貌特征分析，F(xiàn)7斷層一般出現(xiàn)于山坡半腰，跨斷層的地形面并無坡度突變現(xiàn)象�？鐢鄬拥暮榉e扇面、山坡面也沒有受到斷層活動的影響。在穿越F7斷層的114條沖溝中，直穿斷層而過的有94條，占83%，即沖溝穿越F7斷層處沒有明顯的規(guī)律性的扭錯現(xiàn)象。由此可見，F(xiàn)7斷層屬于老的構造線，未受到最新活動的影響。

　　c、地層年代方面，利用斷層泥中石英所作熱釋光年代測定，F(xiàn)7斷層最晚一次活動時期是在距今約110萬——115萬年。

　　B、F3斷層。

　　冰溝內(nèi)，在一級階地上被2m厚的沖洪積物覆蓋。斷層兩側階地面連續(xù)完整，沒有發(fā)現(xiàn)斷層活動跡象。根據(jù)斷層泥中石英熱釋光測定其最后活動距今為56萬年，說明F3斷層至少在中更新世以來沒有再活動的表現(xiàn)。

　　C、F1斷層。

　　斷層沿線沒有明顯的構造地貌，從冰溝內(nèi)和馬和井溝觀察，石炭系地層擠壓強烈，局部地段形成斷層泥帶，據(jù)斷層泥中石英顆粒顯微特征研究，該斷層主要活動時期在上新世至中更新世時期。

　　通過地層學、地貌特征及測年資料分析，壩址附近的F7、F3及其以南的F1斷層，其活動時期均在中更新世或以前，晚更新世以來無活動跡象。

　　③F201斷層活動不會引起大柳樹壩址斷層活動。

　　根據(jù)國家地震局研究成果，中衛(wèi)—同心斷裂帶中段活動性，具有明顯的時空轉換規(guī)律，即隨著時間的推移，斷裂帶活動由南向北遷移，晚更新世以來，該斷裂帶的活動已遷移到F201斷層及其以北地區(qū)。

　　F201斷層：不同出露位置，斷層影響地層也不盡相同。在西端麻雀灣一帶可見石炭系地層逆沖到第三系之上，東端長流水溝口石炭系地層則逆沖到第四系沖積砂礫石之上。在孟家灣村東，由于第四系松散堆積物較厚，一般難以見到斷層面。在地貌上表現(xiàn)為5——8m高的斷層崖，流經(jīng)F201斷層的水系大部分表現(xiàn)出左旋扭曲的特征。

　　探槽揭露F201斷層在晚更新世以來有過5次古地震事件。5次古地震事件代表了5次較強烈活動，但均未引起更靠近壩址的F7、F3等斷層活動。

　　從斷層活動特征來看，F(xiàn)7、F3、F1斷層表現(xiàn)為擠壓逆沖特征，活動時期在中更新世以前，而F201斷層則表現(xiàn)為左旋走滑兼逆沖特點，斷層活動一直持續(xù)到全新世，這一點與上述斷層明顯不同。

　　F201斷層無論從平面還是剖面上，與F1、F3、F7斷層均無交切，兩者無同生和共生聯(lián)系。F201斷層即使進一步活動也不可能引起F7及以南斷層的活動。

　　綜上所述，大柳樹壩址處于景泰－海原和中衛(wèi)—同心活動斷裂帶之間相對穩(wěn)定地塊上，樞紐區(qū)不存在活斷層，F(xiàn)201斷層的繼續(xù)活動不會引起壩址斷層的活動。因此，大柳樹壩址不存在工程抗斷問題，而僅是在地震基本烈度基礎上的抗震問題。

　�、艿卣鸹�本烈度及地震動參數(shù)。

　　根據(jù)國家地震局分析預報中心1991年研究成果，本區(qū)14世紀以來可劃分為2個地震活動期，目前處在第二活動期起伏衰減階段。根據(jù)地震活動時空分布特征，中衛(wèi)—同心斷裂帶不處在本活動期強震發(fā)生的主體活動地帶。50年超越概率為0.1時，其地震基本烈度為8度，相應的基巖峰值加速度為0.24g。

　　2001年2月由國家質(zhì)量技術監(jiān)督局發(fā)布、2001年8月1日實施的《中國地震動峰值加速度區(qū)劃圖》（GB18306—2001）。根據(jù)該圖大柳樹壩址與小觀音壩址同處于地震動峰值加速度0.2g范圍內(nèi)，即相當于地震基本烈度8度。

　　2、建壩工程地質(zhì)條件。

　�。�1）基本地質(zhì)條件。

　　黃河由北北東向轉為北東東向流經(jīng)壩址，于右岸形成凸岸。壩址河谷呈“U”字型，兩岸岸坡坡角33°——40°，略顯不對稱，地形相對高差約300m。

　　壩址位于F3與F7斷層之間，兩斷層在壩址部位相距1.5km。壩址區(qū)發(fā)育有大柳樹倒轉背斜。兩岸基巖裸露，基巖地層主要為寒武系中統(tǒng)變質(zhì)砂岸夾板岸或千枚狀板巖。地層產(chǎn)狀NE60°——80°SE∠30°——85°，左岸褶曲發(fā)育段傾向北西。巖體中斷層、擠壓帶、節(jié)理、裂隙等構造形跡發(fā)育。兩岸沖溝發(fā)育，谷坡中上部風化卸荷作用較強烈。

　�。�2）關于“大范圍松動巖體”。

　　大柳樹壩址巖體完整性較差，但不存在“大范圍深厚松動巖體”，主要依據(jù)有：

　�、賶沃返貞�力場特征說明不存在“大范圍松動巖體”、“構造應力釋放殆盡”，自重應力大于水平應力，是所謂大范圍松動巖體的地應力場特征。運用水壓致裂方法進行的73段次地應力測量，測點高程為1097.1——1301m。結果表明，大柳樹壩址為擠壓應力場，最大水平主應力一般為4——6MPa，最大13.56MPa，最大主應力方向呈NE17°；而最小水平主應力一般為2——4MPa，大于自重應力。全區(qū)為構造應力場，不具備所謂大范圍松動巖體的地應力場特征。

　�、诎镀麓嬖谕ǔ９こ痰刭|(zhì)上的卸荷、風化現(xiàn)象，而不是“大范圍松動巖體”。大柳樹壩址由于構造發(fā)育，加之沖溝切割，兩岸岸坡卸荷、風化帶厚度較大，卸荷帶水平厚度左岸為0——40m，右岸為0——23.2m；強風化帶厚度左岸為1.5——42m，右岸為6.6——42m。風化、卸荷帶厚度主要受到巖體完整性和地形地貌等控制。貫穿右岸山體的346平硐長達711.75m，硐底高程1344——1347m，高出河水面100余m。平硐近北口即位于所謂大范圍松動巖體的中部。開挖情況表明：硐壁巖體擠壓緊密，僅局部有與斷層相配套的張開裂隙，分布于壓性逆斷層上盤或斷層交匯帶，為典型的構造張裂隙；除此之外，全硐不存在地震力或重力作用產(chǎn)生的張開結構面。并不存在某一高程（1265m）以上巖體普遍強烈松動。由上述資料可知，盡管本壩址卸荷帶、風化帶厚度較大，但岸坡卸荷帶僅限于表部巖體，不存在“大范圍深厚卸荷松動巖體”。

　�、蹘r體縱波速度反映了巖體的質(zhì)量，并不能說存在“大范圍松動巖體”波速值高低主要受巖性、構造發(fā)育程度及風化、卸荷等條件的制約。沿洞壁進行地震波測試，強、弱、微風化巖體縱波速度分別為1100——2900，1500——3500，2300——3800m/s。隨埋深增加，風化程度減弱，波速值逐漸增高，這也說明不存在“深厚松動巖體”。對穿測試共進行了8對，且均進行了CT剖面分析。除位于倒轉背斜倒轉翼、平硐埋深小的323——325、327——325m兩對平硐之外，硐間巖體縱波速度小于2000m/s者約占20%，2000——2800m/s者約占49.6%，2800——3600m/s者占25.4%，巖體波速大于3600m/s者約占4%。壩址平硐硐徑2m，其開挖松動圈厚達0.5——2.55m，說明平硐開挖人工爆破影響較大，硐壁圍巖長期臨空卸荷、裂隙張開，從而導致硐壁巖體波速較低。硐間巖體波速明顯高于硐壁巖體波速，反映硐間巖體完整性較好。

　�、軒r體滲透特性不均一，不存在巖體大范圍松動的嚴重透水滲漏。據(jù)壩址兩岸（高程1250m以上）68個鉆孔797段、總長度5255.54m壓水試驗資料統(tǒng)計，極微透水（小于1Lu）和微透水（1——100Lu）段約占總試驗段長的64%，中等透水（5——10Lu）和較嚴重透水（10——100Lu）段占總試驗段長的34%，而嚴重和極嚴重透水段僅占總試驗段長的2%。即不存在“大范圍松動巖體”的嚴重透水滲漏。總體來看，巖體透水性不均一，主要受巖性組合、巖體完整性控制。同時隨埋深增加，風化程度減弱，透水率逐漸減小。

　�。�3）壩基工程地質(zhì)。

　　壩址河谷為斜向谷，基巖為淺變質(zhì)的長石石英砂巖夾板巖或千枚狀板巖，巖層傾向上游偏右?guī)r，河床覆蓋層5～11m，無大斷層分布，河谷下部巖體相對較完整。兩岸地下水位略高于河水位，相對隔水層埋藏較深。

　　沿趾板線按巖體特征可分為三段，即左岸、河床和右岸。其中左岸由于處于褶曲轉折端，卸荷深度較大，可研階段設計開挖深度達40余m。本區(qū)巖體具有巖石強度高，但巖體完整性較差的特點。為了研究巖體可灌性，及采用固結灌漿以提高趾板建基高程、節(jié)省開挖工程量的可能性，在左岸趾板附近進行了一個區(qū)灌漿試驗，灌漿段均處于卸荷帶巖體中（均為可研階段設計開挖線以上巖體）。灌前和灌后進行地震波對穿測試，波速值由灌前的平均1670m/s，灌后提高至3210m/s，提高率達92%；動彈模由灌前的（3.8——7.8）×103MPa，提高到（15.8——25.2）×103MPa，提高率223%——392%，透水率降到3Lu以下。由此可見，壩址巖體灌漿效果明顯，即在卸荷帶巖體中通過灌漿處理也基本能夠滿足壩基加固和防滲的要求，存在將趾板基礎抬高，優(yōu)化設計的可能，擬在下階段進行比較。

　　壩基巖體透水性較強，按透水率小于3Lu的防滲標準考慮，防滲帷幕深度左岸為70——110m，右岸為40——150m，河床為86——105m。

　�。�4）成洞條件。

　　右岸隧洞區(qū)構造形跡發(fā)育，洞室圍巖以Ⅳ類和Ⅲ類巖體為主，巖體質(zhì)量中等偏下。但巖石強度較高，全區(qū)處于擠壓應力場，巖塊間咬合較好，圍巖變形影響范圍有限。設計洞線方向與最大主應力交角較小。同時地下水水位低緩、水量少，施工期多數(shù)洞段處于地下水位以上，且?guī)r體具有一定的自穩(wěn)能力。綜合比較，大柳樹樞紐的地下洞室成洞條件優(yōu)于已建的小浪底工程，目前設計根據(jù)不同巖性分別采取短臺階開挖、掛網(wǎng)噴錨、超前錨扦、鋼支撐等綜合措施，可以保證安全成洞。

　　2（5）邊坡穩(wěn)定性。

　　壩址兩岸自然巖坡坡角33°——40°。目前尚未發(fā)現(xiàn)影響邊坡穩(wěn)定連續(xù)性較好、規(guī)模較大、傾向坡外的破裂結構面，天然岸坡是穩(wěn)定的，不具備產(chǎn)生大規(guī)模岸坡失穩(wěn)的條件。

　　隧洞進出口工程邊坡為永久性邊坡，其特點是坡度高且分布范圍大。發(fā)電洞、導流洞進口洞臉和表孔溢洪洞進口明渠右側邊坡為順向坡，隧洞出口洞臉及表孔溢洪洞進口邊坡為反向坡。由于巖體中破裂結構面發(fā)育，易形成不利組合，應盡量降低開挖邊坡高度。目前設計已采取放緩開挖坡、噴錨、混凝土護坡、預應力錨索、打排水孔等綜合工程措施，高邊坡穩(wěn)定是有保證的。

　　3、結論。

　　綜上所述，大柳樹壩址處于相對穩(wěn)定地塊，樞紐區(qū)不存在活斷層，不存在工程抗斷問題，地震基本烈度為8度。壩址區(qū)巖體雖然完整性相對較差，但不存在“大范圍的松動巖體”。壩址主要地質(zhì)問題已基本查明，具備安全修建高土石壩的地質(zhì)條件。

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