黃河大柳樹水利樞紐主要工程地質(zhì)問題及評(píng)價(jià)

1、黃河大柳樹水利樞紐主要工程地質(zhì)問題及評(píng)價(jià)            摘要：本文對(duì)大柳樹地震地質(zhì)條件和工程地質(zhì)條件進(jìn)行了論述。大柳樹壩址處于相對(duì)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(duì)較差，但不存在“大范圍的松動(dòng)巖體”，具備安全修建高土石壩的地質(zhì)條件。  關(guān)鍵詞：活斷層 工程抗斷 松動(dòng)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，

2、設(shè)計(jì)壩型為混凝土面板堆石壩，最大壩高約164m，庫容110億m3，裝機(jī)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(shè)計(jì)工作始于20世紀(jì)50年代，多年來原水電部北京勘測(cè)設(shè)計(jì)院、西北勘測(cè)設(shè)計(jì)院、水利部天津勘測(cè)設(shè)計(jì)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(xué)等有關(guān)科研單位、大專院校對(duì)某些專門性地質(zhì)問題做過研究。對(duì)大柳樹水利樞紐主要地質(zhì)問題一直存在較大爭(zhēng)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(duì)是否存在工程抗斷問題和“大范圍松動(dòng)巖體”認(rèn)識(shí)不一致。 經(jīng)過多年勘察論證，關(guān)于大柳樹水利

3、樞紐建壩的地質(zhì)條件已基本查明，現(xiàn)就有關(guān)地質(zhì)問題評(píng)價(jià)綜述于后。 1 區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性能 1.1 區(qū)域構(gòu)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(cè)的走廊過渡帶東端。北部為比較穩(wěn)定的大陸地臺(tái)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(dòng)力學(xué)機(jī)制的制約。本區(qū)經(jīng)歷了多次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，構(gòu)造形跡發(fā)育。根據(jù)其力學(xué)屬性、活動(dòng)特征、成生聯(lián)系和復(fù)合關(guān)系等，可分為東西向、隴西系和河西系3個(gè)構(gòu)造帶。 1.1.1 東西向構(gòu)造帶 東西向構(gòu)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

4、性斷裂和褶皺組成，構(gòu)造形跡多呈舒緩波狀展布。構(gòu)造形跡形成于加里東期，一直活動(dòng)到燕山運(yùn)動(dòng)早期。 1.1.2 隴西系旋扭構(gòu)造帶 隴西系旋扭構(gòu)造帶，對(duì)本區(qū)構(gòu)造格局起著控制作用。該帶形成于燕山運(yùn)動(dòng)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。 （1）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(cè)山前斷裂為主體，總長(zhǎng)度達(dá)400余km，帶寬1525 km。斷裂規(guī)模大，且呈束狀展布。沿?cái)鄬幼呦蚩梢姷綔瞎?、水系、山脊等微地貌被左旋錯(cuò)斷。該斷裂帶不僅有多次活動(dòng)，且全新世以來還在強(qiáng)烈地活動(dòng)。據(jù)國家地震局專題研究成果，該斷裂

5、帶為殼內(nèi)斷裂。 （2）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(zhǎng)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(cè)是以中新統(tǒng)為基底的山前臺(tái)地及第四紀(jì)中衛(wèi)盆地；南側(cè)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(zhuǎn)化為北北西向，東側(cè)為新生代清水河斷陷盆地，西側(cè)是新生代地層組成的低山丘陵。據(jù)重力梯度測(cè)試，該斷裂帶下切深度不大，屬基底斷裂。 1.1.3 河西系構(gòu)造帶 河西系是本區(qū)新生代以來發(fā)展起來的構(gòu)造形跡。其總體走向?yàn)镹W320°340°，略呈等距平行斷續(xù)帶狀展布?？刂浦律鄣睾凸鹊氐陌l(fā)育，地貌上常形成沖溝。區(qū)內(nèi)河西系構(gòu)造

6、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。 1.2 新構(gòu)造運(yùn)動(dòng) 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(gòu)造規(guī)模與活動(dòng)速率，由南向北由強(qiáng)變?nèi)酢?大柳樹壩址位于景泰海原活動(dòng)斷裂帶和中衛(wèi)同心、活動(dòng)斷裂帶之間香山天景山隆起的邊緣，是一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定地區(qū)，盡管距中衛(wèi)同心活動(dòng)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(dòng)性強(qiáng)。在該斷裂帶上近代地震活動(dòng)頻繁，1920年海原8.5級(jí)地震即發(fā)生在該帶上。這次地震對(duì)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(duì)較小，

7、活動(dòng)性較弱。該斷裂帶在不同部位活動(dòng)強(qiáng)度也不盡相同?？傮w來看，弧頂部位所在的中間段落要強(qiáng)于兩端段落；以東大溝為界，東段活動(dòng)強(qiáng)度要強(qiáng)于西段。 東段斷裂南側(cè)香山、天景山與北側(cè)第四紀(jì)衛(wèi)寧盆地高差達(dá)1100m，而西段斷裂帶兩側(cè)地形高差僅為700800m。  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(cè)衛(wèi)寧盆地第四系堆積物揭露最大厚度達(dá)298 m，而西段斷裂北側(cè)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(jí)以上強(qiáng)震震中集中

8、于斷裂東段，西段沒有6級(jí)以上強(qiáng)震。19701985年西段斷裂帶上僅有1次2.04.9級(jí)小震活動(dòng)，而東段，2.04.9級(jí)小震卻有37次。1709年中衛(wèi)南7.5級(jí)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(duì)大柳樹壩址影響烈度為8度。 1.3 大柳樹壩址不存在工程抗斷問題 1.3.1 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(cè)約3.2km有F1斷層展布。F201斷層位干F7斷層以北0.7 km處，距大柳樹壩址最近距離為1.5km。 F7斷層：沿香山北麓分布，西起麻雀灣，東至

9、粉石溝，長(zhǎng)約23km。產(chǎn)狀NW70°80°SE40°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。 F3斷層：長(zhǎng)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。 F1斷層：位于壩址南側(cè)，延伸長(zhǎng)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

10、逆沖到石炭系或三疊系之上。 F201斷層：西起麻雀灣，向東延伸至長(zhǎng)流水溝口，全長(zhǎng)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(zhǎng)流水溝口石炭系地層則逆沖到第四系沖積砂礫石之上。     2007-04-24        從斷層規(guī)模來看F201斷層明顯小于其南側(cè)的F7、F3、F1斷層，無論從平面還是剖面上，與上述斷層均

11、無交切。 1.3.2 壩址區(qū)不存在活斷層 壩址構(gòu)造均受斷層F7與F3控制，因此，壩址斷層的活動(dòng)性主要取決于斷層F7與F3的活動(dòng)性。 F7斷層：該斷層活動(dòng)時(shí)期在中更新世及以前，晚更新世以來沒有活動(dòng)跡象，主要依據(jù)有： （1）從地層學(xué)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(chǎng)勘察證明，都沒有被斷層擾動(dòng)的現(xiàn)象。通過黃河六級(jí)和七級(jí)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(dòng)產(chǎn)生的變形現(xiàn)象。因此，從地層學(xué)方面分析，F(xiàn)7斷層至少在中更新世早期之后沒有活動(dòng)跡象。 （2）從微地貌特征分析，F(xiàn)7斷

12、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(dòng)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(cuò)現(xiàn)象。由此可見，F(xiàn)7斷層屬于老的構(gòu)造線，未受到最新活動(dòng)的影響。 （3）地層年代方面，利用斷層泥中石英所作熱釋光年代測(cè)定，F(xiàn)7斷層最晚一次活動(dòng)時(shí)期是在距今約110萬115萬年。 F3斷層：冰溝內(nèi)，在一級(jí)階地上被2 m厚的沖洪積物覆蓋。斷層兩側(cè)階地面連續(xù)完整，沒有發(fā)現(xiàn)斷層活動(dòng)跡象。根據(jù)斷層泥中石英熱釋光測(cè)定其最后活動(dòng)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(dòng)的表現(xiàn)。

13、F1斷層：斷層沿線沒有明顯的構(gòu)造地貌，從冰溝內(nèi)和馬和井溝觀察，石炭系地層擠壓強(qiáng)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(dòng)時(shí)期在上新世至中更新世時(shí)期。 通過地層學(xué)、地貌特征及測(cè)年資料分析，壩址附近的F7、F3及其以南的F1斷層，其活動(dòng)時(shí)期均在中更新世或以前，晚更新世以來無活動(dòng)跡象。    1.3.3 F201斷層活動(dòng)不會(huì)引起大柳樹壩址斷層活動(dòng) 根據(jù)國家地震局研究成果，中衛(wèi)同心斷裂帶中段活動(dòng)性，具有明顯的時(shí)空轉(zhuǎn)換規(guī)律，即隨著時(shí)間的推移，斷裂帶活動(dòng)由南向北遷移，晚更新世以來，該斷裂帶的活動(dòng)已遷移到F201斷層及其以北地區(qū)

14、。 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(zhǎng)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58 m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(qiáng)烈活動(dòng)，但均未引起更靠近壩址的F7、F3等斷層活動(dòng)。 從斷層活動(dòng)特征來看，F(xiàn)7、F3、F1斷層表現(xiàn)為擠壓逆沖特征，活動(dòng)時(shí)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(diǎn)，斷層活動(dòng)一直持續(xù)到全新世

15、，這一點(diǎn)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(jìn)一步活動(dòng)也不可能引起F7及以南斷層的活動(dòng)。 綜上所述，大柳樹壩址處于景泰海原和中衛(wèi)同心活動(dòng)斷裂帶之間相對(duì)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(dòng)不會(huì)引起壩址斷層的活動(dòng)。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(chǔ)上的抗震問題。 1.4 地震基本烈度及地震動(dòng)參數(shù) 根據(jù)國家地震局分析預(yù)報(bào)中心1991年研究成果，本區(qū)14世紀(jì)以來可劃分為2個(gè)地震活動(dòng)期，目前處在第二活動(dòng)期起伏衰減階段。根據(jù)地震活動(dòng)時(shí)空分布特征，中衛(wèi)同心斷裂帶不處

16、在本活動(dòng)期強(qiáng)震發(fā)生的主體活動(dòng)地帶。50年超越概率為0.1時(shí)，其地震基本烈度為8度，相應(yīng)的基巖峰值加速度為0.24g。 2001年2月由國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局發(fā)布、2001年8月1日實(shí)施的中國地震動(dòng)峰值加速度區(qū)劃圖（GB183062001）。根據(jù)該圖大柳樹壩址與小觀音壩址同處于地震動(dòng)峰值加速度0.2g范圍內(nèi)，即相當(dāng)于地震基本烈度8度。 2 建壩工程地質(zhì)條件 2.1 基本地質(zhì)條件 黃河由北北東向轉(zhuǎn)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(duì)稱，地形相對(duì)高差約300m。 壩址位于F3與F7斷層之間，兩斷層在壩址部位相

17、距1.5 km。壩址區(qū)發(fā)育有大柳樹倒轉(zhuǎn)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°SE30°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(gòu)造形跡發(fā)育。兩岸沖溝發(fā)育，谷坡中上部風(fēng)化卸荷作用較強(qiáng)烈。 2.2 關(guān)于“大范圍松動(dòng)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(dòng)巖體”，主要依據(jù)有： （1）壩址地應(yīng)力場(chǎng)特征說明不存在“大范圍松動(dòng)巖體”、“構(gòu)造應(yīng)力釋放殆盡”，自重應(yīng)力大于水平應(yīng)力，是所謂大范圍松動(dòng)巖體的地應(yīng)力場(chǎng)特征。運(yùn)用水壓致裂方法進(jìn)行的73段次地應(yīng)力

18、測(cè)量，測(cè)點(diǎn)高程為1097.11301 m。結(jié)果表明，大柳樹壩址為擠壓應(yīng)力場(chǎng)，最大水平主應(yīng)力一般為46MPa，最大13.56MPa，最大主應(yīng)力方向呈NE17°；而最小水平主應(yīng)力一般為24 MPa，大于自重應(yīng)力。全區(qū)為構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)，不具備所謂大范圍松動(dòng)巖體的地應(yīng)力場(chǎng)特征。 （2）岸坡存在通常工程地質(zhì)上的卸荷、風(fēng)化現(xiàn)象，而不是“大范圍松動(dòng)巖體”。大柳樹壩址由于構(gòu)造發(fā)育，加之沖溝切割，兩岸岸坡卸荷、風(fēng)化帶厚度較大，卸荷帶水平厚度左岸為040m，右岸為023.2m；強(qiáng)風(fēng)化帶厚度左岸為1.542m，右岸為6.642m。風(fēng)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(zhǎng)達(dá)711.75