黄河大柳树水利枢纽主要工程地质问题及评价

1、黄河大柳树水利枢纽主要工程地质问题及评价 摘要：本文对大柳树地震地质条件和工程地质条件进行了论述。大柳树坝址处于相对稳定地块，不存在工程抗断问题。坝址区岩体虽然完整性相对较差，但不存在“大范围的松动岩体”，具备安全修建高土石坝的地质条件。 关键词：活断层工程抗断松动岩体灌浆效果成洞条件边坡稳定性大柳树水利枢纽 大柳树水利枢纽位于黄河上游黑山峡出口以上2km处，设计坝型为混凝土面板堆石坝，最大坝高约164m，库容110亿m3，装机2000MW，是以优化水资源配置、灌溉、供水、发电以及防洪、防凌、南水北调西线工程调水调节等综合利用为目的的一座大型水利枢纽工程。 大柳树勘察设计工作始于20世纪50年

2、代，多年来原水电部北京勘测设计院、西北勘测设计院、水利部天津勘测设计院等先后做过勘察工作。国家地震局、中国科协、地矿部、兰州大学等有关科研单位、大专院校对某些专门性地质问题做过研究。对大柳树水利枢纽主要地质问题一直存在较大争议，集中反映在建坝的地震地质条件和工程地质条件上，对是否存在工程抗断问题和“大范围松动岩体”认识不一致。 经过多年勘察论证，关于大柳树水利枢纽建坝的地质条件已基本查明，现就有关地质问题评价综述于后。 1区域构造稳定性能 1.1区域构造发育特征 本区地处青藏高原东北缘、祁连山地槽北侧的走廊过渡带东端。北部为比较稳定的大陆地台区，东部为鄂尔多斯西缘拗陷带，其形成和发展受到青藏高

3、原隆起的动力学机制的制约。本区经历了多次构造运动，构造形迹发育。根据其力学属性、活动特征、成生联系和复合关系等，可分为东西向、陇西系和河西系3个构造带。 1.1.1东西向构造带 东西向构造带，展布于北纬37°38°之间，如卫宁北山，黑山红山红石沟峁一带，五佛川大庙断层等。主要由近东西向展布的压性断裂和褶皱组成，构造形迹多呈舒缓波状展布。构造形迹形成于加里东期，一直活动到燕山运动早期。 1.1.2陇西系旋扭构造带 陇西系旋扭构造带，对本区构造格局起着控制作用。该带形成于燕山运动晚期，主要由向北东方向凸出的弧形隆起带和拗陷带组成。区内主要发育有景泰海原断裂带和中卫同心断裂带。

4、（1）景泰一海原断裂带：景泰海原断裂带以米家山、西华山与南华山隆起及西侧山前断裂为主体，总长度达400余km，带宽1525km。断裂规模大，且呈束状展布。沿断层走向可见到沟谷、水系、山脊等微地貌被左旋错断。该断裂带不仅有多次活动，且全新世以来还在强烈地活动。据国家地震局专题研究成果，该断裂带为壳内断裂。 （2）中卫同心断裂带：展布于同心西和中卫南的天景山、香山北麓一线。全长约200km。以红谷梁为界，断裂带西段走向北西西至近东西向，北侧是以中新统为基底的山前台地及第四纪中卫盆地；南侧是古生界为主体的宽大山体。断裂带东段走向由北西西向逐渐转化为北北西向，东侧为新生代清水河断陷盆地，西侧是新生代地

5、层组成的低山丘陵。据重力梯度测试，该断裂带下切深度不大，属基底断裂。 1.1.3河西系构造带 河西系是本区新生代以来发展起来的构造形迹。其总体走向为NW320°340°，略呈等距平行断续带状展布。控制着新生代槽地和谷地的发育，地貌上常形成冲沟。区内河西系构造带主要分布于粉石沟及其以东地段和小观音附近苦水沟及翠柳沟等地。 1.2新构造运动 受青藏高原隆起影响，本区存在一系列向北东凸出的弧形断裂带，由南而北其弯曲弧度愈来愈大，下切深度逐渐减小。构造规模与活动速率，由南向北由强变弱。 大柳树坝址位于景泰海原活动断裂带和中卫同心、活动断裂带之间香山天景山隆起的边缘，是一个相对稳定地

6、区，尽管距中卫同心活动断裂带较近，但坝址并不位于活断层上。 景泰海原断裂带位于大柳树坝址以南60km处。断裂带规模大，活动性强。在该断裂带上近代地震活动频繁，1920年海原8.5级地震即发生在该带上。这次地震对大柳树坝址影响烈度为7度。 中卫同心断裂带规模相对较小，活动性较弱。该断裂带在不同部位活动强度也不尽相同。总体来看，弧顶部位所在的中间段落要强于两端段落；以东大沟为界，东段活动强度要强于西段。 东段断裂南侧香山、天景山与北侧第四纪卫宁盆地高差达1100m，而西段断裂带两侧地形高差仅为700800m。 从水系位移情况来看，东段经过断裂的冲沟普遍发生左旋位移，红谷梁至碱沟，各类冲沟左旋位移十

7、分明显，且有许多断头沟和废弃沟出现。西段水系左旋位移不明显。 东段断裂北侧卫宁盆地第四系堆积物揭露最大厚度达298m，而西段断裂北侧为腾格里沙漠南缘，第四系厚度很小，在沟谷内多见基岩出露。 1709年和1852年发生的2次6级以上强震震中集中于断裂东段，西段没有6级以上强震。19701985年西段断裂带上仅有1次2.04.9级小震活动，而东段，2.04.9级小震却有37次。1709年中卫南7.5级地震，东段见有明显的地震形变带，而西段地震形变带不明显。此次地震对大柳树坝址影响烈度为8度。 1.3大柳树坝址不存在工程抗断问题 1.3.1坝区主要断裂展布 大柳树坝址位于断层F7与F3之间，北至F7

8、断层最近距离0.8km，南距F3断层约0.7km，坝址南侧约3.2km有F1断层展布。F201断层位干F7断层以北0.7km处，距大柳树坝址最近距离为1.5km。 F7断层：沿香山北麓分布，西起麻雀湾，东至粉石沟，长约23km。产状NW70°80°SE40°70°，是一条压性逆断层。南盘为寒武系中统香山群第四亚群，局部地段为泥盆系，北盘为石炭系煤系地层。 F3断层：长约10km。断层走向NE65°80°，近直立。东段在烟筒梁附近与F7断层归并，西段在在贼沟一带归并于F1断层，为F1和F7的分支断裂。北盘为中寒武系香山群第四亚群或泥盆系

9、，南盘为石炭系煤系地层。 F1断层：位于坝址南侧，延伸长度31km。断层产状NE80°NW300°SE（SW）51°78°。断层总体表现为中寒武系香山群第四亚群，向北逆冲到石炭系或三叠系之上。 F201断层：西起麻雀湾，向东延伸至长流水沟口，全长约8km。断层走向NE75°NW280°，倾向南东或南西，倾角50°80°。不同出露位置，断层影响地层也不尽相同。在西端麻雀湾一带可见石炭系地层逆冲到第三系之上，东端长流水沟口石炭系地层则逆冲到第四系冲积砂砾石之上。 从断层规模来看F201断层明显小于其南侧的F7、F3、F

10、1断层，无论从平面还是剖面上，与上述断层均无交切。 1.3.2坝址区不存在活断层 坝址构造均受断层F7与F3控制，因此，坝址断层的活动性主要取决于断层F7与F3的活动性。 F7断层：该断层活动时期在中更新世及以前，晚更新世以来没有活动迹象，主要依据有： （1）从地层学方面分析，F7断层上覆厚度不等的第四系冲洪积或坡积层，现场勘察证明，都没有被断层扰动的现象。通过黄河六级和七级阶地探槽剖面可见，阶地基座仍保持了黄河冲刷形成的平整侵蚀面；基座上堆积的中更新统冲积砾石层呈水平状，均保持了原始堆积形态；不存在断层活动产生的变形现象。因此，从地层学方面分析，F7断层至少在中更新世早期之后没有活动迹象。

11、（2）从微地貌特征分析，F7断层一般出现于山坡半腰，跨断层的地形面并无坡度突变现象。跨断层的洪积扇面、山坡面也没有受到断层活动的影响。在穿越F7断层的114条冲沟中，直穿断层而过的有94条，占83，即冲沟穿越F7断层处没有明显的规律性的扭错现象。由此可见，F7断层属于老的构造线，未受到最新活动的影响。 （3）地层年代方面，利用断层泥中石英所作热释光年代测定，F7断层最晚一次活动时期是在距今约110万115万年。 F3断层：冰沟内，在一级阶地上被2m厚的冲洪积物覆盖。断层两侧阶地面连续完整，没有发现断层活动迹象。根据断层泥中石英热释光测定其最后活动距今为56万年，说明F3断层至少在中更新世以来没

12、有再活动的表现。 F1断层：断层沿线没有明显的构造地貌，从冰沟内和马和井沟观察，石炭系地层挤压强烈，局部地段形成断层泥带，据断层泥中石英颗粒显微特征研究，该断层主要活动时期在上新世至中更新世时期。 通过地层学、地貌特征及测年资料分析，坝址附近的F7、F3及其以南的F1断层，其活动时期均在中更新世或以前，晚更新世以来无活动迹象。 1.3.3F201断层活动不会引起大柳树坝址断层活动 根据国家地震局研究成果，中卫同心断裂带中段活动性，具有明显的时空转换规律，即随着时间的推移，断裂带活动由南向北迁移，晚更新世以来，该断裂带的活动已迁移到F201断层及其以北地区。 F201断层：不同出露位置，断层影响

13、地层也不尽相同。在西端麻雀湾一带可见石炭系地层逆冲到第三系之上，东端长流水沟口石炭系地层则逆冲到第四系冲积砂砾石之上。在孟家湾村东，由于第四系松散堆积物较厚，一般难以见到断层面。在地貌上表现为58m高的断层崖，流经F201断层的水系大部分表现出左旋扭曲的特征。 探槽揭露F201断层在晚更新世以来有过5次古地震事件。5次古地震事件代表了5次较强烈活动，但均未引起更靠近坝址的F7、F3等断层活动。 从断层活动特征来看，F7、F3、F1断层表现为挤压逆冲特征，活动时期在中更新世以前，而F201断层则表现为左旋走滑兼逆冲特点，断层活动一直持续到全新世，这一点与上述断层明显不同。 F201断层无论从平面

14、还是剖面上，与F1、F3、F7断层均无交切，两者无同生和共生联系。F201断层即使进一步活动也不可能引起F7及以南断层的活动。 综上所述，大柳树坝址处于景泰海原和中卫同心活动断裂带之间相对稳定地块上，枢纽区不存在活断层，F201断层的继续活动不会引起坝址断层的活动。因此，大柳树坝址不存在工程抗断问题，而仅是在地震基本烈度基础上的抗震问题。 1.4地震基本烈度及地震动参数 根据国家地震局分析预报中心1991年研究成果，本区14世纪以来可划分为2个地震活动期，目前处在第二活动期起伏衰减阶段。根据地震活动时空分布特征，中卫同心断裂带不处在本活动期强震发生的主体活动地带。50年超越概率为0.1时，其地

15、震基本烈度为8度，相应的基岩峰值加速度为0.24g。 2001年2月由国家质量技术监督局发布、2001年8月1日实施的中国地震动峰值加速度区划图（GB183062001）。根据该图大柳树坝址与小观音坝址同处于地震动峰值加速度0.2g范围内，即相当于地震基本烈度8度。 2建坝工程地质条件 2.1基本地质条件 黄河由北北东向转为北东东向流经坝址，于右岸形成凸岸。坝址河谷呈“U”字型，两岸岸坡坡角33°40°，略显不对称，地形相对高差约300m。 坝址位于F3与F7断层之间，两断层在坝址部位相距1.5km。坝址区发育有大柳树倒转背斜。两岸基岩裸露，基岩地层主要为寒武系中统变质砂岸

16、夹板岸或千枚状板岩。地层产状NE60°80°SE30°85°，左岸褶曲发育段倾向北西。岩体中断层、挤压带、节理、裂隙等构造形迹发育。两岸冲沟发育，谷坡中上部风化卸荷作用较强烈。 2.2关于“大范围松动岩体” 大柳树坝址岩体完整性较差，但不存在“大范围深厚松动岩体”，主要依据有： （1）坝址地应力场特征说明不存在“大范围松动岩体”、“构造应力释放殆尽”，自重应力大于水平应力，是所谓大范围松动岩体的地应力场特征。运用水压致裂方法进行的73段次地应力测量，测点高程为1097.11301m。结果表明，大柳树坝址为挤压应力场，最大水平主应力一般为46MPa，最大1

17、3.56MPa，最大主应力方向呈NE17°；而最小水平主应力一般为24MPa，大于自重应力。全区为构造应力场，不具备所谓大范围松动岩体的地应力场特征。 （2）岸坡存在通常工程地质上的卸荷、风化现象，而不是“大范围松动岩体”。大柳树坝址由于构造发育，加之冲沟切割，两岸岸坡卸荷、风化带厚度较大，卸荷带水平厚度左岸为040m，右岸为023.2m；强风化带厚度左岸为1.542m，右岸为6.642m。风化、卸荷带厚度主要受到岩体完整性和地形地貌等控制。贯穿右岸山体的346平硐长达711.75m，硐底高程13441347m，高出河水面100余m。平硐近北口即位于所谓大范围松动岩体的中部。开挖情况

18、表明：硐壁岩体挤压紧密，仅局部有与断层相配套的张开裂隙，分布于压性逆断层上盘或断层交汇带，为典型的构造张裂隙；除此之外，全硐不存在地震力或重力作用产生的张开结构面。并不存在某一高程（1265m）以上岩体普遍强烈松动。由上述资料可知，尽管本坝址卸荷带、风化带厚度较大，但岸坡卸荷带仅限于表部岩体，不存在“大范围深厚卸荷松动岩体”。 （3）岩体纵波速度反映了岩体的质量，并不能说存在“大范围松动岩体”波速值高低主要受岩性、构造发育程度及风化、卸荷等条件的制约。沿洞壁进行地震波测试，强、弱、微风化岩体纵波速度分别为11002900，15003500，23003800m/s。随埋深增加，风化程度减弱，波速

19、值逐渐增高，这也说明不存在“深厚松动岩体”。对穿测试共进行了8对，且均进行了CT剖面分析。除位于倒转背斜倒转翼、平硐埋深小的323325、327325m两对平硐之外，硐间岩体纵波速度小于2000m/s者约占20，20002800m/s者约占49.6，28003600m/s者占25.4，岩体波速大于3600m/s者约占4。坝址平硐硐径2m，其开挖松动圈厚达0.52.55m，说明平硐开挖人工爆破影响较大，硐壁围岩长期临空卸荷、裂隙张开，从而导致硐壁岩体波速较低。硐间岩体波速明显高于硐壁岩体波速，反映硐间岩体完整性较好。 （4）岩体渗透特性不均一，不存在岩体大范围松动的严重透水渗漏。据坝址两岸（高程

20、1250m以上）68个钻孔797段、总长度5255.54m压水试验资料统计，极微透水（小于1Lu）和微透水（1100Lu）段约占总试验段长的64，中等透水（510Lu）和较严重透水（10100Lu）段占总试验段长的34，而严重和极严重透水段仅占总试验段长的2。即不存在“大范围松动岩体”的严重透水渗漏。总体来看，岩体透水性不均一，主要受岩性组合、岩体完整性控制。同时随埋深增加，风化程度减弱，透水率逐渐减小。 2.3坝基工程地质 坝址河谷为斜向谷，基岩为浅变质的长石石英砂岩夹板岩或千枚状板岩，岩层倾向上游偏右岩，河床覆盖层511m，无大断层分布，河谷下部岩体相对较完整。两岸地下水位略高于河水位，相

21、对隔水层埋藏较深。 沿趾板线按岩体特征可分为三段，即左岸、河床和右岸。其中左岸由于处于褶曲转折端，卸荷深度较大，可研阶段设计开挖深度达40余m。本区岩体具有岩石强度高，但岩体完整性较差的特点。为了研究岩体可灌性，及采用固结灌浆以提高趾板建基高程、节省开挖工程量的可能性，在左岸趾板附近进行了一个区灌浆试验，灌浆段均处于卸荷带岩体中（均为可研阶段设计开挖线以上岩体）。灌前和灌后进行地震波对穿测试，波速值由灌前的平均1670m/s，灌后提高至3210m/s，提高率达92；动弹模由灌前的（3.87.8）×103MPa，提高到（15.825.2）×103MPa，提高率223392，透水率降到3Lu以下。由此可见，坝址岩体灌浆效果明显，即在卸荷带岩体中通过灌浆处理也基本能够满足坝基加固和防渗