魏樹(shù)滿 余倫創(chuàng) 劉 擁 劉棟臣

黃河龍口水利樞紐位于山西省河曲縣與內(nèi)蒙古自治區(qū)準(zhǔn)格爾旗交界處,黃河北干流托克托—龍口段的末端。為混凝土重力壩,最大壩高51m,壩頂全長(zhǎng)408m,壩頂高程900m,正常蓄水位898m,總庫(kù)容1.96×108m3;采用河床式電站,最大裝機(jī)容量420mW,選用4臺(tái)單機(jī)容量100mW軸流轉(zhuǎn)漿式和1臺(tái)容量為20mW的混流式水輪發(fā)電機(jī)組。本工程為大(Ⅱ)型工程,大壩、廠房、泄水建筑物為2級(jí)建筑物,其它為3級(jí)建筑物。

為提高基礎(chǔ)巖體強(qiáng)度,改善巖體的完整性、均一性,在2級(jí)建筑物基礎(chǔ)布置了大量的固結(jié)灌漿工作。固結(jié)灌漿一般分Ⅱ序次進(jìn)行,主要采用排間分序加密工藝,間、排距廠房段為5m×5m,其它采用3 m×3 m,個(gè)別部位視具體情況略有調(diào)整;均采取梅花形布置。對(duì)于孔深為5,7,10m的上部3 m,灌漿壓力Ⅰ、Ⅱ序孔分別采用0.2mPa和0.4mPa;對(duì)于孔深為10m的下部7 m,灌漿壓力Ⅰ、Ⅱ孔分別采用0.4mPa和0.5mPa。固結(jié)灌漿地層主要為上馬家溝組第二段(O2m)地層,即O2m中厚、厚層灰?guī)r、豹皮灰?guī)r,O2m薄層灰?guī)r,O2m中厚層、厚層灰?guī)r、豹皮灰?guī)r。

1 物探成果簡(jiǎn)述

為評(píng)價(jià)壩基巖體質(zhì)量和建基面開(kāi)挖后巖體卸荷以及爆破的影響程度等,進(jìn)而為基礎(chǔ)巖體驗(yàn)收提供定量依據(jù),開(kāi)展了基礎(chǔ)巖體表面地震波測(cè)試、鉆孔聲波測(cè)井、孔內(nèi)電視錄像等物探工作。

1.1 地震波測(cè)試

基礎(chǔ)淺部巖體地震波采用小相遇觀測(cè)系統(tǒng),檢波器間距1m,測(cè)段長(zhǎng)一般為4～13 m。每一壩塊均按網(wǎng)格狀布置平行和垂直壩軸線的地震波測(cè)線,測(cè)線間距一般為6～12m。按 t0法中的 θ(x)曲線求解每一排列的地震縱波速度值,據(jù)此繪制基礎(chǔ)巖體地震縱波速度波速等值線(圖1為7C～8C壩塊地震縱波速度等值線圖),基礎(chǔ)巖體地震縱波速度規(guī)律見(jiàn)圖2。地震波速作為壩基巖體質(zhì)量驗(yàn)收的惟一定量數(shù)據(jù)在基礎(chǔ)單元驗(yàn)收中得到了廣泛應(yīng)用。

圖1 7C～8C壩塊地震縱波等值線圖

圖2 基礎(chǔ)巖體地震縱波速度分布直方圖

1.2 鉆孔聲波測(cè)試

鉆孔聲波測(cè)試采用點(diǎn)測(cè)方式進(jìn)行,測(cè)點(diǎn)距0.1～0.2m。其目的主要為確定基礎(chǔ)巖體開(kāi)挖后其卸荷及爆破影響深度、評(píng)價(jià)固結(jié)灌漿效果。

鉆孔聲波測(cè)試vp-h(圖3)多具有兩層速度:①表層聲波波速為1540～6850m/s,平均波速為3760m/s,深度為0.4～2.2m,平均深度為1.2m,其中1#～10#壩段平均深度為1.1m、11#～19#壩段平均深度為1.4m。②下部巖體受軟弱夾層及局部巖體完整性較差的影響,導(dǎo)致巖體彈性參數(shù)差異較大,實(shí)測(cè)聲波波速為2450～6950m/s,平均波速為6020m/s。表層低波速O2m巖體聲波平均波速比其下部原巖狀態(tài)的聲波平均波速降低約38%,說(shuō)明巖體卸荷回彈及爆破對(duì)巖體彈性參數(shù)影響較大。

圖3 18#～19#壩段鉆孔聲波測(cè)試綜合統(tǒng)計(jì)成果圖

右側(cè)攔河壩及消力池(A標(biāo))固結(jié)灌漿聲波檢測(cè)結(jié)果(圖4)表明:在孔深1.6m以上灌漿前平均波速為5150m/s,完整性系數(shù)平均值為0.55,按完整性系數(shù)劃分,總體上應(yīng)屬完整性差巖體,灌漿后平均波速為5460m/s,完整性系數(shù)平均值為0.62,按完整性系數(shù)劃分,總體上應(yīng)屬較完整巖體,灌后較灌前波速平均提高率為6.1%;在孔深1.6～7.0m灌漿前平均波速為5970m/s,其中在孔深3.0～7.0m灌漿前平均波速為6010m/s,完整性系數(shù)平均值為0.76,按完整性系數(shù)劃分,總體上應(yīng)屬完整巖體,灌漿后孔深1.6～7.0m平均波速為6100m/s,完整性系數(shù)平均值為0.77,按完整性系數(shù)劃分,總體上應(yīng)屬完整巖體,灌后較灌前波速平均提高率為2.4%。

雖然灌漿后聲波波速總體上均高于灌漿前的聲波波速,但波速的提高幅度是不同的。在孔深1.6m以上波速平均提高率為6.1%;在孔深1.6m以下波速平均提高率僅為2.4%,灌漿對(duì)巖體的完整程度改善不大。

2 優(yōu)化設(shè)計(jì)條件

圖4 A標(biāo)固結(jié)灌漿聲波檢測(cè)綜合成果圖

黃河龍口水利樞紐攔河壩及電站廠房基礎(chǔ)巖體主要為O2m中厚、厚層灰?guī)r、豹皮灰?guī)r,為致密堅(jiān)硬巖石類,干密度平均值為2.69～2.70 g/cm3,飽和抗壓強(qiáng)度平均值為87～120mPa。但受爆破開(kāi)挖、巖體卸荷回彈、巖體完整程度、開(kāi)挖形態(tài)以及開(kāi)挖后巖體暴露時(shí)間等綜合影響,實(shí)測(cè)巖體地震縱波速度差異較大,實(shí)測(cè)基礎(chǔ)巖體地震縱波速度1210～5850m/s,平均值為3560m/s,其中vp≥3500m/s的占測(cè)點(diǎn)總數(shù)的55.1%。對(duì)比分析現(xiàn)場(chǎng)變形試驗(yàn)結(jié)果表明:vp≥3500m/s巖體的變形模量和彈性模量分別大于10GPa和24 GPa,已滿足設(shè)計(jì)需要。依據(jù)動(dòng)靜檢測(cè)對(duì)比結(jié)果,在左側(cè)攔河壩(1#～10#壩段)及電站廠房可根據(jù)基礎(chǔ)巖體地震波測(cè)試結(jié)果及時(shí)調(diào)整固結(jié)灌漿位置,進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)是可行的。

鉆孔聲波測(cè)試結(jié)果顯示爆破開(kāi)挖及巖體卸荷回彈的影響深度為0.4～2.2m;右側(cè)攔河壩及消力池(A標(biāo))固結(jié)灌漿聲波檢測(cè)結(jié)果顯示在孔深1.6m以上波速平均提高率大于孔深1.6m以下波速平均提高率,且在孔深 3.0～7.0m灌漿前平均波速為6010m/s,與原巖狀態(tài)的聲波平均波速6020m/s基本一致。上述測(cè)試結(jié)果說(shuō)明在左側(cè)攔河壩(1#～10#壩段)及電站廠房調(diào)整固結(jié)灌漿孔深是可行的。

3 優(yōu)化設(shè)計(jì)

技施設(shè)計(jì)階段,根據(jù)壩基開(kāi)挖情況和鑒定意見(jiàn),為了進(jìn)一步優(yōu)化工程設(shè)計(jì),節(jié)省工程投資,對(duì)1#～10#壩段和發(fā)電廠房建筑物基礎(chǔ)固結(jié)灌漿設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),內(nèi)容如下。

根據(jù)電站壩段施工縱縫的設(shè)置位置,將建筑物沿水流方向從上游向下游分A、B、C三塊。

(1)A塊固結(jié)灌漿設(shè)計(jì):在上游齒槽斜坡中部布置一排孔,為了施工方便,將垂直開(kāi)挖面孔的斜孔改為豎直孔,1#、2#壩段孔深12.0m,3#～10#壩段孔深10m。A塊基礎(chǔ)底面固結(jié)灌漿孔入巖深均為5.0m。固結(jié)灌漿孔、排距布置原則為3 m。遇帷幕灌漿孔時(shí),將排距調(diào)整為7.0m。固結(jié)灌漿孔按方格形布置。

(2)B塊固結(jié)灌漿設(shè)計(jì):B塊為各壩段中間部位,固結(jié)灌漿孔的入巖深度基本上為3.0m,1#、2#壩段孔、排距為3.0m,3#～10#壩段孔、排距為4.0m。3#壩段的下游側(cè)為高開(kāi)挖邊坡,尾部巖石較破碎,3#壩段樁號(hào)下 0+047.40—下 0+061.80范圍內(nèi)孔的入巖深度為9.0m。4#壩段樁號(hào)下0+058.80孔的入巖深度為12m。

(3)C塊固結(jié)灌漿設(shè)計(jì):C塊為各壩段的壩趾,壓應(yīng)力較大,根據(jù)實(shí)際基坑開(kāi)挖情況,該部位巖石表面完整性好,抗壓強(qiáng)度較高,5#～8#壩段只在實(shí)測(cè)地震縱波速度小于3500m/s的部位設(shè)置固結(jié)灌漿孔,孔深3.0～5.0m,靠近邊墩的灌漿孔傾向邊墩方向15°,4#壩段基礎(chǔ)底面入巖深度為3.0m,斜坡部位由垂直巖面改為豎直向下鉆孔,入巖深為12.0m。9#、10#壩段入巖深5.0m。

(4)電站尾水渠固結(jié)灌漿孔入巖深度5.0m,孔、排距均為3.0m。

優(yōu)化設(shè)計(jì)后,在節(jié)省工程投資、加快施工進(jìn)度等方面均有較大改善。如在電站廠房7C和8C壩塊(見(jiàn)圖1),實(shí)測(cè)基礎(chǔ)巖體地震縱波速度2080～5850m/s,平均值為4740m/s,其中vp≥4000m/s的分布面積約占?jí)螇K總面積的77.1%。受開(kāi)挖形態(tài)及巖體完整性影響,在靠近7B和8B壩塊的邊緣及8C壩塊的中部巖體地震縱波速度較低。設(shè)計(jì)人員根據(jù)實(shí)測(cè)巖體地震縱波速度的分布規(guī)律,僅在低于4000m/s的位置布設(shè)了34個(gè)灌漿孔,比原設(shè)計(jì)方案的160個(gè)灌漿孔減少了78%。

4 結(jié) 語(yǔ)

物探驗(yàn)測(cè)以無(wú)損、經(jīng)濟(jì)、快速并具有在客觀上能夠系統(tǒng)揭示不同巖土體的彈性力學(xué)參數(shù)的優(yōu)勢(shì),為水利水電工程基礎(chǔ)巖體驗(yàn)收,評(píng)價(jià)基礎(chǔ)巖體灌溉效果進(jìn)而為工程設(shè)計(jì)優(yōu)化方案提供重要的依據(jù)。黃河龍口水利樞紐工程設(shè)計(jì)人員應(yīng)用物探測(cè)試成果及時(shí)調(diào)整了左側(cè)攔河壩及電站廠房固結(jié)灌漿的位置及孔深,取得了較好的工程效益。