老口航运枢纽坝址地质勘察及其技术特点

玉华柱

（广西水利电力勘测设计研究院有限责任公司，南宁 530023）

广西郁江老口航运枢纽是郁江综合利用规划十个梯级中自上而下的第七个梯级工程，是一座以航运、防洪为主，结合发电并兼顾改善南宁市区水环境的综合利用工程，是右江实现III级航道目标的重要工程，也是实施郁江流域防洪规划的关键性工程。枢纽坝址位于郁江上游南宁市区、左江和右江汇合口下游4.7 km的郁江河段上，上游距右江金鸡滩水电站坝址121 km、距左江山秀水电站坝址84 km，下游距西津水电站坝址204 km。

老口航运枢纽为低水头闸坝型拦河工程，水库正常蓄水位75.50 m，校核洪水位85.49 m，总库容为25.87 亿m3，属大（1）型工程，工程等别为Ⅰ等。枢纽主要建筑物由拦河坝、船闸、电站厂房、副坝、鱼道等组成，其中拦河坝为平底闸型式泄水闸坝，坝轴线长度为1 565 m，最大坝高48 m。

老口航运枢纽自1952 年开始就陆续开展了一些地质勘测工作。当年珠江水利委员会进行西江流域规划时曾查勘过本区，并选定了该梯级；
1957年珠委西江办公室也曾在老口坝址作过少量勘探工作，进行了1∶10 000坝址及右江库区的地质测绘工作；
1958～1959年广西水利电力厅勘测设计院对老口坝址进行了选坝阶段的地质勘察工作，在4 个可能的坝址均作过勘探，并进行了坝区1∶25 000综合地质测绘。由于年代久远，这些勘察资料已残缺不全，但对后期工作仍有很好的借鉴及指导作用。

根据广西水利厅办公会精神和广西计委前期工作计划安排，2001 年重新启动、推进老口水利枢纽项目建设的各项相关工作。同年2 月，广西水利厅技术处、广西壮族自治区水利电力勘测设计研究院有限责任公司（原广西壮族自治区水利电力勘测设计研究院，以下简称“广西水电院”）有关专家及技术人员对老口枢纽坝址进行了现场查勘和对比论证，决定今后工作重点是原一坝址即下坝址，及原二、三坝坝址之间新选定的坝址即上坝址，由广西水电院开展该枢纽勘察设计工作。

2.1 可行性研究阶段地质勘察

老口航运枢纽可行性研究阶段勘测工作于2001年开始，广西水电院先后4次进场开展坝址区外业地质勘察工作，也可以说整个可行性研究阶段地质勘察是分4 个时间段来完成的，全过程严格按当时规程规范有关要求，并结合设计部门提出的不同坝型及其主要建筑物轴线来开展地质工作，初步查明枢纽工程上、下坝址的工程地质条件，以及主要建筑物可能存在的工程地质问题，勘察成果达到了阶段性深度要求，主要完成野外勘探及试验工作量：钻孔103 个（进尺共4 145.9 m），平硐2 个（共56.6 m），竖井2 个（共41.5 m）；
声波测孔55 孔（共1 954.4 m），平硐地震波166 点，多道瞬态面波42点，高密度电法560 点，现场压水试验318 段、注水试验85段，标贯试验36次，动力触探试验10.1 m，现场变形试验6点，载荷试验7点，剪切试验4组[1]。

（1）可行性研究第一时间段。根据老口航运枢纽特点和经费落实情况，可行性研究第一阶段的勘测设计工作于2001 年10 月～2003 年11 月进行，重点安排了水库淹没、水文分析和工程勘测等工作，其中工程勘测方面主要是完成两个坝址的地形图测绘以及水库区、下坝址的地质勘探工作，以及上坝址的部分地质工作，主要完成内容：聘请地层专家指导、作地层层位复核，采用1∶2000 比例尺进行工程地质测绘，范围包括上、下坝址及有关枢纽建筑物布置地段、邻近相关地段；
上、下坝址各布设1条主要勘探剖面和1 条河床勘探纵剖面，其中在上坝址主勘探线、河床纵勘探线分别布置钻孔15、4个，在下坝址主勘探线、河床纵勘探线分别布置钻孔10、4 个；
在下坝址河漫滩、阶地布设面波法或折射波法物探剖面。

（2）可行性研究第二时间段，这也是当时按照交通行业确定的预可行性研究阶段。2004年9月，受业主广西西江航运公司委托，广西水电院开始对老口枢纽进行预可研阶段的勘测设计工作，勘察工作重点是区域地质、库区、建材和上坝址的地质测绘及勘探工作。外业勘察工作于2004年11月底基本结束，主要完成内容：采用1∶2000 比例尺进行地质复测，重点是上坝址及其邻近相关地段，并编制综合地层柱状图；
对上坝址布设1 条沿坝线勘探剖面和1 条河床勘探纵剖面，坝线勘探剖面布置钻孔11 个，河床纵勘探线（纵向围堰）布置钻孔3 个，另外对下坝址电站厂房补充布置纵向勘探线及相应勘探钻孔；
在上坝址河漫滩、阶地布设面波法或折射波法物探剖面。

（3）可行性研究第三时间段，即预可研补充阶段。按照本项目预可研报告评估意见，以及坝址、坝线优化比选结论和枢纽布置调整方案，需进一步加强坝址地质勘察工作，包括对下坝址下坝线的同等精度勘探、试验，上坝址坝基第六层（Eb-61-2）、第七层（Eb-7

1-2）岩体物理力学性能试验。地质人员于2005年11月～2006年3月中旬进行野外作业，主要完成内容：校核坝址地层岩性、分界线等，对岩性岩相变化情况、分层厚度进行详细统计等；
在上坝址发电厂房左边墙等部位补充勘探钻孔；
在上坝址上坝线两岸河边各开挖水下竖井及井底平硐，并在平硐、竖井不同深度取样作岩体密度、含水量及室内岩体中型剪切试验，在平硐内进行岩体变形、抗剪强度和载荷等现场试验。

（4）可行性研究第四时间段。2006 年9 月，根据业主广西西江航运公司对老口枢纽可行性研究报告编制工作的要求，广西水电院开展该项目可行性研究阶段的野外地质勘察工作，历时2个多月，勘察目的是重点对水库、坝址等主要建筑物区的工程地质条件进行勘察研究，为选定坝址、基本坝型和初选建筑物布置方案进行地质论证，主要完成内容：利用已有资料对上、下坝址进行地质校测，范围包括副坝、围堰、厂房等枢纽布置地段；
在上、下坝址沿坝轴线、围堰轴线和厂址布置勘探线，并结合建筑物、地质单元布置钻孔，坝轴线及厂址钻孔间距控制在50～100 m；
在上坝址原坝线下游350 m处新增加一条下坝线勘探剖面进行方案比较。

2.2 初步设计阶段地质勘察

老口航运枢纽可行性研究阶段主要对上、下两个坝址进行勘察设计工作，最后推荐上坝址。初步设计阶段，设计上在选定坝址布置3个坝线方案，即上、中、下坝线方案，其中下坝线为新布置坝线，也就是设计拟推荐采用的坝线方案。

老口航运枢纽挡泄水建筑物是按照水闸坝型来布置设计，因此其坝址地质勘察工作主要是遵照《水利水电工程地质勘察规范》（GB 50487-2008）第6.14条（水闸及泵站）有关规定执行，其中工程地质测绘范围需结合整个枢纽建筑物布置来考虑，比例尺为1∶1000。由于可研阶段对上、中坝线已做了大量勘探工作，因此在充分利用已有钻孔前提下，对上、中坝线按照阶段性勘察精度补充适当勘探工作，穿插加密些钻孔，以达到初步设计阶段的规范要求，钻探工作重点则放在下坝线上。

各坝线方案勘探剖面位置主要按照坝轴线并结合其它水工建筑物方案来考虑，且利用已有勘探孔、在不影响河道通航情况下合理布孔，在闸坝段（包括其上、下游部位）钻孔间距多为20～50 m、一共布置钻孔70个，两岸接头坝段孔距为50～100 m、一共布置钻孔30个；
在电站厂房、进水渠、尾水渠以及对厂房稳定安全有影响的边坡地段均布置勘探剖面，每条剖面线布置钻孔1～3 个；
施工围堰需结合闸坝线、消力池等建筑物布孔，一共布置钻孔20个。

物探工作上，在各坝轴线上布置面波法或折射波法勘探剖面，以复核两岸接头坝段河滩、阶地覆盖土层厚度；
利用部分相近钻孔作穿透测试，并布置几条物探高密度电法剖面，进一步复核右岸断层F208位置及其空间展布情况，探查是否存在影响坝基稳定的构造破碎带、裂隙密集带或软弱夹层等。

初设阶段地质勘察工作于2010年1月初进场，至2010年3月底基本完成，主要完成勘探及试验工作量：钻孔126个（进尺共4154 m），坑槽探53 m3，钻孔压注水试验共169 段，标准贯入试验38 次，动力触探试验8.9 m，现场变形试验8点，剪切试验4组；
声波测井548 m/19孔，电磁波穿透3692对[2]。

本工程所采用勘察方法，主要为工程地质测绘、钻探、竖井及平硐勘探、坑槽探、物探及室内外岩土试验等。

3.1 工程地质测绘

工程地质测绘是地质勘察最基本的方法，对勘探工作布置、野外工程地质岩层（组）划分等均具有极其重要的指导作用，是运用地质学、工程地质学和水文地质学原理及技术方法，在野外现场对地形地貌、地层岩性、地质构造、水文地质、物理地质现象等与工程建设有关的各种地质现象进行观察、量测和描述，并将其内容反映到相应地质图上，或形成地质测绘技术文件，为勘探、试验等下一步工作布置奠定基础。

在勘察期间，地质人员通过大量的工程地质测绘，包括在两岸河滩布置适当的坑槽探、追索重要的地质界线或地质现象，并充分利用钻孔、竖井和平硐等勘探资料以及有限的天然露头，进行综合分析、推断坝址分布地层岩性、地质构造发育情况，准确划分工程地质岩组。

3.2 工程勘探

3.2.1 钻探

为提高地质勘察的工作效率，缩短野外地质勘察时间，以尽可能少的勘探工作量取得尽可能多的地质资料，达到事半功倍的效果，要求坝址勘探钻孔布置时应做到：①熟悉坝址区已取得的地质资料，在工程地质测绘成果基础上布置钻孔，明确每个钻孔的目的和任务；
②坚持一孔多用的原则，使各钻孔在总体布置下尽可能地发挥综合利用的勘探价值；
③勘探剖面应紧密结合水工建筑物来布置，钻孔尽量布置在建筑物轴线或轮廓线上；
④钻孔间距、密度应视工程地质条件复杂程度而定，并充分利用已有资料；
⑤钻孔深度应根据建筑物类型、建基面设计高程或对某种勘探目的层（如构造破碎带或软弱夹层）的推断位置来综合确定。

老口坝址基岩为下第三系地层砂泥岩，形成时间短，其泥岩类岩石较软，属软～极软岩类，发育有泥化夹层及煤线（层），因此采用常规钻进方法取芯率较低、无法真实反映原岩状态。为保证坝址基岩钻探质量，提高钻孔岩芯采取率，真实反映坝址分布各类岩体特性，对钻探现场操作也提出如下要求：①采取短进尺、低泵量进行钻进，控制好回次进尺，每回次不宜超过2 m；
②所有钻孔应尽可能采用Φ130 mm钻具开孔钻进，终孔孔径尽量不小于Φ91 mm，以满足室内三轴压缩试验对试件大小的要求；
③对于构造破碎带或弱软夹层等尽量采用干孔钻进；
④在坝轴线左、右岸选取几个钻孔作大口径钻进，并采用特殊手段来进一步提高其岩芯采取率，复核软弱夹层、煤线（层）等发育情况。

3.2.2 其它勘探

3.3 工程物探

在坝址地质勘察中，主要采用了以下几种物探方法：①声波法。选择部分钻孔采用声波法进行基岩岩体声波测井，并选取部分岩芯进行室内声波测试，辅助判别岩体风化分带。②地震波测试。在平硐内进行岩体地震波测试，得出岩体的泊松比、动弹模量等数据，建立岩体地震波速度与风化分带等关系，为辅助判别岩体风化分带提供依据。③电磁波法。用于部分相近钻孔的CT 穿透测试，以探查其间是否存在构造破碎带、裂隙密集带或软弱夹层等，特别是确定右岸断层F208位置。④高密度电法或联合剖面法。用于探测复核断层F208和F301的位置及其空间展布情况，软硬岩分布空间，以及构造破碎带、裂隙密集带或软弱夹层等地质构造的发育情况。⑤面波法或折射波法。用于探测坝址两岸阶地、河漫滩以及江心洲的覆盖层厚度，特别是坝轴线和枢纽建筑物场地第四系覆盖土层的厚度、分层，以及下伏基岩面埋深、倾斜和起伏情况。⑥钻孔电视。选择部分钻孔进行孔内电视录像，进一步辅助验证钻探成果，可以更直观地了解断层F208破碎带位置以及充填物特征。

3.4 室内外岩土试验

（1）现场原位测试。在闸坝段、两岸接头坝段、电站厂房、纵向围堰等工程部位勘察时，充分利用勘探钻孔进行地基岩土体原位测试，其中闸坝段、电站厂房的试验重点放在地基软岩孔段、做标准贯入试验，然后根据《广西岩土勘察规范》附录A“关于广西古近系泥岩风化程度分类”标准，对基岩风化带划分进行复核和调整；
而两岸接头坝段及围堰则重点放在覆盖层上，即黏性土层做标准贯入试验，砂卵砾石层做重型动力触探试验，以确定各类土体的地基载承力参数。

（2）水文地质试验。在勘探孔钻进时，要求对第四系覆盖土层进行注水试验，而且尽可能进行分层注水；
对基岩孔段则应进行压水试验，特别是坝轴线、电站厂房和施工围堰等工程部位，并收集钻进过程中的水文地质资料。左岸接头坝有部分坝段其坝基置于第四系土层中，因此对这些坝段土层进行坑探和现场试坑注水试验，以测定坝基土层的渗透系数，评价坝基渗透稳定性。

（3）室内土工试验。要求按照不同的坝段位置、地层岩性以及岩体风化状态，严格按照有关规范对每一主要岩石或土层均取有代表性的岩土样，进行室内物理力学试验，包括常规土工试验、渗透试验、膨胀性试验以及岩矿鉴定（含黏土矿物成分分析），以获取岩土体的密度、饱和抗压强度、渗透系数、自由膨胀率等参数。对于泥岩类岩石，要求有足够的取样试验数量，且钻孔岩芯样柱长大于10 cm，三轴试验的岩样直径应大于91 mm，取样时需采用砂纸蜡封包装，及时进行室内试验。

（4）现场岩体强度试验。坝基泥岩类岩石较软，属软～极软岩类，力学强度低，虽然已取较多岩样作室内岩石试验，但传统的室内试验方法可能无法提供准确合理的参数，而其抗剪强度、承载力、变形模量等力学参数对于坝基稳定计算或基础处理方案选择起关键作用，因此，利用河边开挖竖井平硐和探坑作场地进行现场岩体强度试验，包括砼/岩石直剪试验、岩体变形试验等。另外，对控制混凝土坝基稳定和变形的岩土层进行原位变形和剪切试验，测定该岩土层的变形模量、弹性模量、抗剪强度以及有关的力学性质指标。

（1）综合运用多种勘察手段、方法，查明了坝址区工程地质条件以及各建筑物主要存在的工程地质问题。相对于其它类型工程，水利水电工程的地质条件往往都比较复杂，地质勘察涉及的内容较广泛，需要解决的水文地质、工程地质问题也比较多，需要运用不同的勘察手段或方法才能满足要求。地质勘察手段、方法选用是否合理，会直接影响到地质勘察成果的准确性和可靠性。老口坝址区范围比较宽广，第四系覆盖土层分布广，天然露头极少，下伏基岩为第三系地层砂泥岩，大部分成岩作用差，多属软～极软岩，工程地质测绘难度很大。针对坝址区较复杂的地形、地质条件，广西水电院地质人员历经多年的地质勘察和试验研究，采用多种勘察手段、测试技术，包括大量的工程地质测绘、钻探、探槽、竖井、井下平硐、原位测试、水文地质试验、现场力学试验、室内土工试验、钻孔声波测井、钻孔声波穿透、钻孔彩色电视等，进行综合分析研究，查明了坝址区工程地质和水文地质条件，以及枢纽建筑物主要存在的工程地质问题，为工程建设顺利完工奠定了坚实的基础。

（2）在软岩勘探中采取有效可行的钻探工艺，选用合适钻头，提高钻探取芯率，真实反映原岩状态、客观了解坝址分布各类岩体特性。在钻探中采用了双管单动金刚石钻头和单管合金钻头两种取芯方法，特别是勘察初期在软岩钻进中岩芯采取率很低，泥岩多出现形如烂泥的情况，影响了地质人员对岩体特性的判断，后经多次试验，采用单管合金钻头钻进，同时结合低泵量、短进尺进行钻进，控制好回次进尺，各钻孔尽可能采用Φ130 mm钻具开孔钻进，终孔孔径尽量不小于Φ91 mm，这样明显提高了钻孔岩芯采取率，保证坝址基岩的钻探质量。另外，在坝轴线左、右岸选取个别钻孔作大口径钻进，以进一步判断下伏基岩的软弱夹层发育情况，复核岩体含煤线（层）的分布情况及其强度、性状等。

（3）采用坑槽探、物探等手段，并结合钻探资料，准确划分坝址工程地质岩组，确定断层构造及煤线（层）的分布位置，保证了地质勘察成果达到较高精度。坝址两岸为河流冲积I 级阶地，第四系覆盖土层分布广，仅在枯水期河床边见少量基岩露头，而且下伏基岩岩性种类多、软硬相间，地质界线不明显，仅仅依靠地表地质测绘以及常规勘探手段，难以查明坝址下伏基岩岩性特征、分组分层及地质构造发育情况。通过在两岸河滩适当布置一些坑槽探、追索重要的地质界线或地质现象，并采取有针对性的物探CT 穿透等手段，充分利用有关勘探资料，取样作岩矿鉴定，进行综合分析、准确划分工程地质岩组，统计坝址各主要岩层中各岩性比例，分析研究灰岩、砂岩以及泥岩等不同岩性的分布特征，确定断层破碎带的具体位置，以及岩体中煤线（层）的分布特征，保证地质测绘精度。

（4）开挖水下竖井及井底平硐，为查清坝基岩体特性、地质构造发育情况及提供现场力学试验场地带来便利。老口枢纽大坝基础主要置于第三系砂泥岩之上，坝基泥岩类岩石软弱，遇水易软化、崩解，具有快速风化的特点，钻孔岩芯取出暴露于空气中很快就风干失水、出现微裂纹甚至呈干裂状，钻探取岩芯样进行室内土工试验的数据不能完全真实反映大坝建基面岩体天然状态下的实际情况。而坝址两岸覆盖土层深厚，岸坡、河边基岩露头极少，不具备针对大坝建基面岩体进行现场岩体试验的场地条件。为了准确摸清大坝建基面岩体特性、地质构造发育程度特别是缓倾角节理裂隙发育特征，只能考虑开挖河底水下竖井及井底平硐。根据坝址地形、地质条件，竖井平硐布置在坝轴线两岸河边，分别开挖20 m 深竖井，然后在竖井底部沿坝轴线向河床方向分别开挖30 m 长平硐。由于竖井及平硐基本处在河水位以下，河床砂卵石层及基岩表层岩体富水性极大，甚至与外侧河水相通，竖井平硐开挖排水、支护等工作难度极大。经过克服种种困难，采取各种有效的排水及支护措施，最终完成了河底竖井平硐的开挖任务，为查清坝基岩体特性及缓倾角节理等构造发育情况及提供现场力学试验场地带来便利。

（5）通过室内岩土试验和现场力学试验、原位测试等多种试验手段，确定相关地质参数，为设计提供准确科学依据。坝基为第三系砂泥岩，属半成岩，泥岩类岩石强度较低，其天然单轴抗压强度较低，大多不超过10 MPa，甚至低于5 MPa，岩体质量分类多为CⅣ类。通过钻孔标准贯入试验、室内岩土试验，以及在平硐及探槽内进行岩体变形、载荷、抗剪强度等现场力学试验，多种试验手段相结合，查清坝基第六层（Eb1--

26）、第七层（Eb1--27）岩体的性状、物理力学性质，提出科学合理的岩体力学指标，确定设计所采用的地质参数及天然地基处理方案是合适，避免因软岩力学强度低而采用特殊处理措施如桩基等处理方案，大大减少了工程的投资。

（6）采用钻孔彩色电视，进一步辅助验证钻探成果，可以详细、直观地观察各类岩体的结构特性及地质构造发育情况。由于坝址区泥岩强度低，局部软硬相间，勘察期间部分钻孔钻探取芯出现形如软泥、烂泥的情况，不好判断是否为软弱夹层而影响坝基抗滑稳定。为了查清坝区岩性特征及软弱结构面、煤线夹层、断层F208的发育情况，对部分钻孔进行了钻孔电视录像，可以详细、直观地观察各类岩体的结构特性及地质构造发育情况，特别是软弱夹层的分布、性状等，可核实断层F208破碎带位置，了解断层充填物的性状、特征，还可为划分坝基岩体风化界线和判断原岩结构提供直接证据。而且，钻孔电视可将带罗盘的光学摄像镜头放入钻孔内，通过导线将其录像输入电脑屏幕，并将图像放大数倍观察，通过罗盘在钻孔内量测结构面产状，由其在孔壁上的迹线可算出结构面倾角，为工程地质评价提供了更准确的基础资料。

老口航运枢纽坝址区基岩地层岩性为第三系泥岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩、钙质砂岩、灰岩等，岩性种类多，且软硬相间，泥岩类岩石强度较低，局部含炭质或发育煤层（线）等软弱夹层，工程地质条件较为复杂。经施工开挖揭露，各主要建筑物场地的工程地质条件和主要工程地质问题与工程勘察成果基本一致，大部分地质界线误差在规范允许范围内，地质提出坝基岩体质量类别、力学参数建议值均比较合理。

老口枢纽工程于2012年5月开工，2016年10月基本建成，顺利实现水库蓄水发电。工程建成运行至今，各建筑物安全良好，未出现工程安全问题。该枢纽工程的成功实施为在第三系软岩上筑建闸坝积累了丰富的地质经验，可以为类似工程提供参考。

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