楊友剛, 鄧爭榮, 吳樹良, 張少鋒, 程方權(quán), 尹　衛(wèi)

(長江巖土工程總公司(武漢),湖北 武漢　430010)

0　引言

水電工程建設(shè)中對混凝土重力高壩而言,理想的建基巖體為Ⅰ類或Ⅱ類巖體[1]。但隨著水電開發(fā)的不斷推進(jìn),除已建和在建的水電站工程外,在水能資源蘊(yùn)藏豐富的大江大河上進(jìn)行可開發(fā)的水電工程,建設(shè)混凝土高壩,特別是200 m級及以上的混凝土特高壩,選擇既技術(shù)可行、又經(jīng)濟(jì)合理的理想建基巖體的壩址愈加困難。

某水電站水庫總庫容約398億m3,電站裝機(jī)容量7 000 MW,為Ⅰ等大(1)型工程。樞紐工程由擋水建筑物、泄洪建筑物、引水發(fā)電系統(tǒng)等主要建筑物組成,其中,擋水建筑物設(shè)計為碾壓混凝土重力壩,設(shè)計壩頂高程401 m,最大壩高241 m,兩岸為非溢流壩段,中部河床部位為溢流壩段。由于該水電站壩址區(qū)工程地質(zhì)條件復(fù)雜,建壩巖體受溶蝕風(fēng)化、卸荷作用等因素影響,Ⅱ類巖體埋深大,利用其作為大壩建基巖體,雖然技術(shù)上更安全可靠,但是經(jīng)濟(jì)上不甚合理。因此,能否利用Ⅲ類巖體,以及如何利用Ⅲ類巖體,選擇合適可行的大壩建基面,是本水電站工程需解決的重點(diǎn)關(guān)鍵技術(shù)問題之一。文中主要敘述建壩巖體地質(zhì)特征、壩基巖體工程地質(zhì)分類及主要物理力學(xué)性質(zhì)、大壩建基面選擇,研究成果可供類似工程參考。

1　工程地質(zhì)概況

某水電站場址處于區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性相對較好地區(qū),近場區(qū)及場址區(qū)無活動斷裂通過。工程場址50年超越概率10%基巖水平地震動峰值加速度為145.4 cm/s2,場址區(qū)地震基本烈度為Ⅶ度。

壩址區(qū)屬于構(gòu)造剝蝕中低山、河流侵蝕及局部巖溶地貌區(qū),主干河流S江自NW-NNW流向SSE,與基巖地層走向近于正交,屬橫向河谷。河谷呈較狹窄的“V”型,岸坡地形陡峻,兩岸臨江坡頂高程550～600 m,河床高程188～228 m,枯水位211 m左右。

壩址區(qū)零散分布第四系崩(坡)積層、殘坡積層和沖積層,其中第四系崩(坡)積層、殘坡積層分布于岸坡,崩(坡)積層厚度5～40 m；殘坡積層厚度3～10 m；第四系沖積層分布于河床,厚度15～32 m。基巖地層為古生界石炭系下統(tǒng)(C1s)淺變質(zhì)巖,主要為變質(zhì)碳酸鹽巖,相間分布板巖、變質(zhì)砂巖等變質(zhì)碎屑巖。碳酸鹽巖為結(jié)晶灰?guī)r夾大理巖,多呈薄層夾中厚層。

基巖地層總體走向40°～70°,傾向SE(下游),傾角以50°～85°為主,低高程部位傾角陡,高高程部位傾角變緩。主要構(gòu)造形跡為斷層(含層間擠壓構(gòu)造帶、裂隙性斷層)和裂隙。

建壩巖體為結(jié)晶灰?guī)r夾大理巖,屬可溶巖。地表巖溶主要表現(xiàn)為溶溝、溶槽、溶縫、巖溶漏斗等,地下巖溶形態(tài)主要表現(xiàn)為溶縫(隙),尚未發(fā)現(xiàn)大規(guī)模巖溶系統(tǒng)。巖溶(溶蝕)強(qiáng)度總體上弱—中等,局部溶蝕較強(qiáng)。巖體溶蝕風(fēng)化程度總體上可劃分為強(qiáng)溶蝕、中等溶蝕、弱溶蝕、微溶蝕。可溶巖強(qiáng)溶蝕巖體鉛直厚度及水平深度<10 m；中等溶蝕巖體鉛直厚度<30 m；弱溶蝕巖體下限岸坡鉛直深度一般<185 m、河床鉛直深度一般<60 m。

壩址區(qū)地下水按賦存條件可劃分為孔隙水和基巖裂隙水,主要接受大氣降水的補(bǔ)給,以孔隙、裂隙及巖溶縫隙為徑流通道向溝谷和S江河床運(yùn)移,最終向S江排泄?；鶐r巖層中,變質(zhì)碳酸鹽巖層為相對透水層,變質(zhì)碎屑巖層為相對隔水層,且相間分布,屬橫向河谷層狀水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)。相對隔水層兩岸地下水埋深相對較淺,一般<55 m,相對透水層巖體地下水在其各自層間運(yùn)移、排泄的通道順暢,地下水位低平,埋深大。

壩址區(qū)河谷為狹窄橫向谷,兩岸岸坡地形陡峻,碳酸鹽巖巖體卸荷作用明顯。根據(jù)其卸荷程度,將其劃分強(qiáng)卸荷帶、弱卸荷帶,其中弱卸荷帶可進(jìn)一步劃分為弱卸荷上帶、弱卸荷下帶。強(qiáng)卸荷帶水平深度一般15～40 m；弱卸荷上帶水平深度一般50～85 m；弱卸荷下帶水平深度一般65～110 m。

2　建壩巖體地質(zhì)特征

建壩巖體為薄層夾中厚層結(jié)晶灰?guī)r夾大理巖[2-3],巖層陡傾下游,壩址可利用建壩層位水平寬度400～500 m,能滿足大壩方案布置需要。但河谷岸坡地形陡峻,建壩巖體卸荷拉張作用明顯,加之屬可溶巖,巖體溶蝕風(fēng)化作用明顯。巖體受到溶蝕風(fēng)化及卸荷等影響后,巖體強(qiáng)度降低,抗變形能力減弱,完整程度變差。以下重點(diǎn)論述建壩巖體溶蝕風(fēng)化及卸荷特征。

2.1　溶蝕風(fēng)化特征

建壩巖體風(fēng)化主要表現(xiàn)為溶蝕風(fēng)化,巖溶的發(fā)育受巖性及結(jié)構(gòu)面影響明顯,總體上大理巖的溶蝕程度強(qiáng)于結(jié)晶灰?guī)r；巖溶發(fā)育的方向主要受層面及構(gòu)造結(jié)構(gòu)面控制；巖溶發(fā)育強(qiáng)度總體上由淺部向深部逐漸減弱，由近岸向遠(yuǎn)岸深部逐漸減弱。根據(jù)地表調(diào)查、鉆孔及勘探平洞揭露可溶巖裂隙溶蝕率、溶蝕結(jié)構(gòu)面間距、溶蝕寬度、巖體波速、透水率等,將建壩巖體溶蝕風(fēng)化程度劃分為強(qiáng)溶蝕、中等溶蝕、弱溶蝕及微溶蝕[4-6],其工程地質(zhì)特征見表1。鉆孔及平洞揭示不同溶蝕風(fēng)化程度巖體主要指標(biāo)特征見表2。

表1　建壩巖體溶蝕風(fēng)化程度劃分工程地質(zhì)特征

表2　建壩巖體溶蝕風(fēng)化程度鉆孔、平洞主要指標(biāo)特征

由表可知,建壩巖體微溶蝕埋深較大,弱溶蝕巖體比微溶蝕巖體RQD、縱波速明顯降低,且其裂隙溶蝕率明顯提高,溶蝕結(jié)構(gòu)面間距明顯變小,透水率明顯增大。綜合分析認(rèn)為,建壩巖體巖溶(溶蝕)強(qiáng)度總體上弱—中等,局部溶蝕較強(qiáng)。

2.2　卸荷特征

壩址河谷岸坡地形陡峻,建壩巖體卸荷作用明顯。根據(jù)地表調(diào)查、鉆孔及勘探平洞揭露的卸荷巖體中順坡向結(jié)構(gòu)面間距、卸荷裂隙間距、巖體塊度、巖體聲波縱波速、透水性等,可將建壩谷坡巖體劃分為強(qiáng)卸荷帶、弱卸荷帶,其中弱卸荷帶可進(jìn)一步劃分為弱卸荷上帶、弱卸荷下帶。其巖體卸荷帶劃分工程地質(zhì)特征見表3。根據(jù)平洞、鉆孔及物探資料綜合分析,建壩谷坡巖體卸荷帶平洞、鉆孔主要指標(biāo)特征見表4。

表3　建壩谷坡巖體卸荷帶劃分工程地質(zhì)特征

表4　建壩谷坡巖體卸荷帶平洞、鉆孔主要指標(biāo)特征統(tǒng)計

由表可知,建壩谷坡巖體卸荷帶水平埋深較大,卸荷帶巖體較未卸荷巖體RQD、聲波縱波速值明顯降低,且其順坡向結(jié)構(gòu)面間距、巖體塊度明顯減小,透水率明顯增大。建壩谷坡巖體卸荷水平深度具備隨高程降低而減小的變化特征,但地形兩面臨空的谷坡部位其水平深度會相對增大。

根據(jù)勘探及試驗研究,建壩巖體受溶蝕風(fēng)化及卸荷作用影響后,巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度25～65 MPa,以中硬巖為主,巖體縱波速2 800～5 000 m/s,巖體主要呈薄層夾中厚層狀結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)面中等發(fā)育、局部發(fā)育,巖體完整性系數(shù)0.35～0.72。巖體的溶蝕風(fēng)化及卸荷皆具有隨深度(鉛直深度或水平深度)增大而明顯減弱的趨勢,亦即其巖石強(qiáng)度、工程性狀分別隨深度增加而提高、變好。根據(jù)鉆孔、平洞等勘探揭示,受溶蝕風(fēng)化和卸荷作用影響較小或未受影響的巖體,鉛直埋深較大,左岸岸坡部位74～173 m，河床部位40～75 m，右岸岸坡部位62～185 m。

3　壩基巖體工程地質(zhì)分類及主要物理力學(xué)性質(zhì)

3.1　工程地質(zhì)分類

根據(jù)本水電站建壩巖體溶蝕風(fēng)化、卸荷特征,并結(jié)合巖石(體)物理力學(xué)性質(zhì)、巖體完整程度、結(jié)構(gòu)面狀況等,對壩基巖體進(jìn)行工程地質(zhì)分類,分類原則為[5-6]：

(1)岸坡部位：強(qiáng)卸荷帶巖體及中等溶蝕巖體為ⅣB類；弱卸荷上帶巖體為Ⅲ2B類；弱溶蝕巖體埋深一般比弱卸荷帶下限埋深大,弱卸荷下帶及弱溶蝕巖體為Ⅲ1B類；微溶蝕且受弱卸荷影響巖體為Ⅲ1A類；微(未)溶蝕且未卸荷巖體為ⅡA類。

(2)河床部位：河床部位巖體主要受溶蝕風(fēng)化影響,淺表弱溶蝕偏中等溶蝕程度巖體為Ⅲ1B類,以下弱溶蝕巖體為Ⅲ1A類,微(未)溶蝕巖體為ⅡA類。

(3)巖體中局部存在囊狀溶蝕風(fēng)化加強(qiáng)現(xiàn)象,主要呈中等溶蝕程度,將其巖體類別劃分為ⅣB類。

壩基巖體工程地質(zhì)分類特征見表5。

3.2　主要物理力學(xué)性質(zhì)

按照壩基巖體工程地質(zhì)分類,以室內(nèi)巖石物理力學(xué)性質(zhì)試驗成果、巖體及結(jié)構(gòu)面現(xiàn)場原位力學(xué)性質(zhì)試驗成果為基礎(chǔ),據(jù)工程地質(zhì)類比,將壩基巖體主要物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)建議值列于表6。

表5　壩基巖體工程地質(zhì)分類特征

表6　壩基巖體工程地質(zhì)類別及主要物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)建議值

4　大壩建基面選擇

在工程實踐中,就巖體本身而言,建基面選擇需實際考慮的因素比較單一,比如建基巖體卸荷作用不明顯,主要考慮巖體風(fēng)化,或者巖體風(fēng)化作用弱,主要考慮巖體卸荷等情況,大壩建基巖體的選擇相對簡單且更容易。然而,該水電站建壩巖體溶蝕風(fēng)化及卸荷作用均明顯,且微(未)溶蝕及未卸荷巖體埋深皆大,因此,必須將此兩因素同時考慮,彼此兼顧,才能選擇合適可行的大壩建基面。

根據(jù)對建壩巖體溶蝕風(fēng)化、卸荷特征研究及壩基巖體工程地質(zhì)分類,并結(jié)合大壩工程要求、技術(shù)經(jīng)濟(jì)等綜合分析,對該水電站大壩建基面選擇認(rèn)識如下：

(1)微(未)溶蝕且未卸荷ⅡA類巖體,是本特高混凝土重力壩理想的建基巖體,但是,該類巖體埋深大,左岸岸坡部位74～173 m、河床部位40～75 m、右岸岸坡部位62～185 m。利用該類巖體作為建基巖體,雖然技術(shù)上更安全可靠,但是經(jīng)濟(jì)上不甚合理,因此,研究受溶蝕風(fēng)化及卸荷作用影響的Ⅲ類巖體的利用問題,并選擇合適可行的大壩建基面,是本工程需解決的重點(diǎn)關(guān)鍵技術(shù)問題之一。

(2)根據(jù)不同類別巖體對不同壩高的適宜性,弱卸荷下帶及岸坡部位弱溶蝕Ⅲ1B類為主巖體、河床部位Ⅲ1A類巖體可以作為大壩建基巖體,但需考慮基礎(chǔ)加固處理措施。

(3)對于壩高相對較小的部位,岸坡弱卸荷上帶和淺表弱溶蝕下部Ⅲ2B類巖體,經(jīng)基礎(chǔ)加固處理后,可考慮予以利用。

(4)岸坡強(qiáng)卸荷帶和中等溶蝕ⅣB類巖體,不宜作為大壩建基巖體。

(5)大壩建基Ⅲ類巖體中局部分布的透鏡狀中等溶蝕ⅣB類巖體,對大壩變形等不利,需采取掏挖置換混凝土等工程處理措施。

大壩設(shè)計壩頂高程401 m,最大壩高241 m。根據(jù)以上大壩建基面選擇認(rèn)識,結(jié)合大壩工程要求和各類巖體對不同壩高的適宜性,可得出大壩建基面選擇[7]：河床部位高程211 m以下,建基面可置于Ⅲ1A類巖體上,對應(yīng)壩高190～241 m,建基面最低高程160 m；兩岸岸坡部位建基高程211～331 m間,建基面可置于Ⅲ1B類巖體上,對應(yīng)壩高70～190 m；兩岸岸坡部位建基高程331～401 m間,建基面可置于Ⅲ2B類巖體上,對應(yīng)壩高<70 m。

本水電站大壩建基面河床溢流壩段部位巖體主要為Ⅲ1A類,少量為ⅣB類巖體；岸坡非溢流壩段部位巖體主要為Ⅲ1B類,壩端與岸坡連接部位少量為Ⅲ2B類巖體。大壩建基面中Ⅲ1A類、Ⅲ1B類、Ⅲ2B類、ⅣB類巖體面積分別占壩基總面積的58.9%、37.6%、2.4%、1.1%；在大壩軸線上,Ⅲ1A類、Ⅲ1B類、Ⅲ2B類巖體分布長度分別占壩軸線總長的32.8%、60.1%、7.1%(圖1)。

圖1　壩基巖體工程地質(zhì)分類平(剖)面圖

大壩建基巖體中,Ⅲ類巖體淺部經(jīng)基礎(chǔ)加固處理,局部分布的透鏡狀Ⅳ類巖體經(jīng)掏挖置換混凝土等工程處理措施后,設(shè)計對該水電站壩基穩(wěn)定應(yīng)力進(jìn)行了分析計算,據(jù)結(jié)果,各工況下壩基穩(wěn)定能滿足設(shè)計及規(guī)范要求[7-8],具備建設(shè)200 m級特高混凝土重力壩的條件。

5　結(jié)語

通過對某水電站特高混凝土重力壩建壩巖體工程地質(zhì)和大壩建基面選擇研究,可以得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1)ⅡA類巖體埋深大,利用其作為建基巖體,雖然技術(shù)上更安全可靠,但是經(jīng)濟(jì)上不甚合理,需研究Ⅲ類巖體利用問題。

(2)大壩河床部位高程211 m以下,建基面置于Ⅲ1A類巖體上,對應(yīng)壩高190～241 m,建基面最低高程160 m；兩岸岸坡部位建基高程211～331 m間,建基面置于Ⅲ1B類巖體上,對應(yīng)壩高70～190 m；兩岸岸坡部位建基高程331～401 m間,建基面置于Ⅲ2B類巖體上,對應(yīng)壩高<70 m。

(3)建基巖體中,Ⅲ類巖體淺部經(jīng)基礎(chǔ)加固處理,局部分布的透鏡狀Ⅳ類巖體經(jīng)掏挖置換混凝土等工程處理措施后,壩基穩(wěn)定應(yīng)力分析結(jié)果表明,能滿足設(shè)計及規(guī)范要求,具備建設(shè)200 m級特高混凝土重力壩的條件。

(4)本水電站碾壓混凝土重力壩最大壩高241 m,選擇合適可行的Ⅲ類為主的巖體作為大壩建基面,實現(xiàn)技術(shù)上可行,經(jīng)濟(jì)上合理,有著非常的工程意義,研究成果可供類似工程參考。

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