梁為邦

(云南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，云南昆明 650021)

1 工程概況

某水庫(kù)工程地處瀾滄江水系二級(jí)支流，壩高約78 m，水庫(kù)正常蓄水位高程1 086.4 m，總庫(kù)容1 234×104m3，是一座以農(nóng)業(yè)灌溉為主，兼顧城市供水的中型水利工程。

樞紐區(qū)處于國(guó)家自然保護(hù)區(qū)試驗(yàn)區(qū)內(nèi)，工程建設(shè)不宜征用大量土地，在保證工程安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理的條件下，應(yīng)盡量減少對(duì)自然環(huán)境的影響。土石壩占地面積大，開(kāi)挖回填土石方量大，剛性壩占地面積、開(kāi)挖土石方相對(duì)較少。從本工程的實(shí)際情況出發(fā)，壩基若能滿(mǎn)足剛性壩建壩基礎(chǔ)要求，應(yīng)選擇剛性壩壩型。由于兩岸坡上部地形較為開(kāi)闊，全強(qiáng)風(fēng)化層較厚，難以滿(mǎn)足拱壩壩基變形及抗滑穩(wěn)定要求，拱壩基礎(chǔ)處理難度較大，故在剛性壩壩型上優(yōu)選重力壩型。

2 基本工程地質(zhì)條件

工程區(qū)屬構(gòu)造侵蝕低中山地貌，壩址區(qū)處于構(gòu)造侵蝕淺切割峽谷中，壩段河流總體呈WE流向，河床1 020 m至岸坡1 055 m高程段地形坡度40°～50°，1 055 m高程以上岸坡變緩，地形坡度25°～35°，呈下陡上緩的“Ⅴ”型谷。壩基巖性單一，為印支期(γ15)中粒黑云二長(zhǎng)花崗巖，局部夾有少量石英巖脈。壩址區(qū)無(wú)區(qū)域斷裂發(fā)育，壩基范圍內(nèi)主要發(fā)育構(gòu)造裂隙、卸荷裂隙，延伸長(zhǎng)度＜10 m，多屬Ⅴ級(jí)結(jié)構(gòu)面。

項(xiàng)目建議書(shū)、可行性研究階段共布置有鉆孔15個(gè)，總進(jìn)尺約1 200 m;勘探平硐4條，總長(zhǎng)約200 m。河床段因水流沖蝕作用，無(wú)全強(qiáng)風(fēng)化巖體，砂卵礫石下為弱風(fēng)化巖體;兩岸坡較陡段(高程1 020～1 055 m)，全強(qiáng)風(fēng)化帶巖體垂直厚度5～10 m;岸坡較緩段(高程1 055 m以上)，全強(qiáng)風(fēng)化帶巖體垂直厚度10～20 m，局部達(dá)25 m。

從鉆孔、平硐所揭露的地質(zhì)情況看，弱風(fēng)化帶巖體發(fā)育的結(jié)構(gòu)面多為硬性結(jié)構(gòu)面，傾角中等—陡傾，性狀多為閉合無(wú)充填;少部分為微張開(kāi)巖塊巖屑型軟弱結(jié)構(gòu)面，壩基無(wú)緩傾角軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)育。

3 重力壩基礎(chǔ)建基面要求

重力壩的地基需有足夠的承載能力、抗?jié)B能力、飽水耐久性及整體穩(wěn)定性。

重力壩基礎(chǔ)建基面的確定應(yīng)根據(jù)壩基應(yīng)力，基巖強(qiáng)度及其完整性結(jié)合上部結(jié)構(gòu)對(duì)基礎(chǔ)的要求，由地質(zhì)和設(shè)計(jì)人員共同擬定基巖利用標(biāo)準(zhǔn)，確定壩基開(kāi)挖深度，并在施工中根據(jù)實(shí)際情況加以修正調(diào)整。壩高超過(guò)100 m時(shí)，可建在新鮮、微風(fēng)化或弱風(fēng)化下部基巖上;壩高100～50 m時(shí)，可建在微風(fēng)化—弱風(fēng)化中部基巖上。對(duì)于河床部位宜開(kāi)挖至弱風(fēng)化—微風(fēng)化，達(dá)到較完整的基巖;兩岸地形較高部位的壩段可比河床部位適當(dāng)放寬。對(duì)于破碎的基巖如果經(jīng)試驗(yàn)和其它論證，通過(guò)固結(jié)灌漿等措施可以得到顯著的改良強(qiáng)化，如使之經(jīng)濟(jì)合理，可用灌漿方法加固部分較破碎基巖，加以利用。總之，壩基巖體利用的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)與設(shè)計(jì)采用的抗滑穩(wěn)定計(jì)算參數(shù)相應(yīng)，達(dá)到壩基抗滑穩(wěn)定要求。

天然壩基巖體常存在著不同程度的缺陷，不能滿(mǎn)足重力壩基礎(chǔ)的要求，需進(jìn)行基礎(chǔ)處理。

4 壩基巖體分級(jí)及力學(xué)參數(shù)確定

壩基巖性單一，為印支期(γ15)中粒黑云二長(zhǎng)花崗巖。壩基內(nèi)第四系松散層、全風(fēng)化帶巖體力學(xué)指標(biāo)低，不能作為壩基，均須作清除處理。河床及兩岸坡部位建基面宜置于弱風(fēng)化—微風(fēng)化帶，兩岸地形較高部位建基面可適當(dāng)放寬。因此，研究弱風(fēng)化帶巖體特性，能否滿(mǎn)足重力壩對(duì)地基的承載能力、抗滑穩(wěn)定性、整體穩(wěn)定性等要求是工作重點(diǎn)。同時(shí)，研究強(qiáng)風(fēng)化帶巖體特性，在兩岸地形較高部位的壩段是否能適當(dāng)利用。

壩基強(qiáng)、弱風(fēng)化帶巖體縱波速VP、完整性系數(shù)KV、鉆孔巖芯RQD值、巖石飽和抗壓強(qiáng)度Rb、動(dòng)彈模Ed等指標(biāo)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。

表1 強(qiáng)、弱風(fēng)化巖體特性統(tǒng)計(jì)表Table 1 The statistics for properties of the strong and weak weathered rock mass

巖體風(fēng)化分帶、巖體結(jié)構(gòu)特征是重力壩建基面選擇的重要依據(jù)。吳繼敏等［1］經(jīng)過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)多項(xiàng)水利水電工程巖體風(fēng)化帶內(nèi)定量指標(biāo)巖體縱波速、完整性系數(shù)、飽和抗壓強(qiáng)度、回彈值等的線(xiàn)性相關(guān)分析，所有參數(shù)的相關(guān)系數(shù)均在0.928以上，屬高度相關(guān)。

4.1 巖體質(zhì)量分級(jí)

4.1.1 巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD劃分

根據(jù)鉆孔、平硐揭示地質(zhì)情況統(tǒng)計(jì)，強(qiáng)風(fēng)化帶巖石RQD＜20%，工程性質(zhì)劃分為極差的;弱風(fēng)化帶巖石RQD=42% ～76%，工程性質(zhì)劃分為差—較好，總體為較差。

4.1.2 壩基巖體基本質(zhì)量BQ分級(jí)

影響工程巖體穩(wěn)定性的諸因素中，巖石堅(jiān)硬程度和巖體完整程度是巖體的基本屬性，是各種巖石工程類(lèi)型的共性，反映了巖體質(zhì)量的基本特征。根據(jù)巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度Rb、巖體完整性系數(shù)KV、按計(jì)算式:BQ=90+3Rb+250KV［2］確定巖體基本質(zhì)量指標(biāo)BQ。計(jì)算時(shí)的限值條件:①當(dāng)Rb＞90KV+30時(shí)，應(yīng)以Rb=90KV+30代入計(jì)算BQ值;②當(dāng)KV＞0.04Rb+0.4時(shí)，應(yīng)以KV=0.04Rb+0.4和Rb代入計(jì)算BQ值。

巖體基本質(zhì)量BQ，反映了巖體質(zhì)量的最基本的內(nèi)容，或反映了影響工程巖體穩(wěn)定的主要方面，對(duì)各類(lèi)型工程巖體，作為分級(jí)工作的初步定級(jí)。在可行性研究階段，勘察資料不全，工作還不夠深入，影響巖體穩(wěn)定的各項(xiàng)修正因素尚難于確定，可用基本質(zhì)量的級(jí)別作為工程巖體的級(jí)別。

根據(jù)巖體基本質(zhì)量的定性特征和巖體基本質(zhì)量指標(biāo)BQ進(jìn)行巖體基本質(zhì)量分級(jí)，見(jiàn)表2。強(qiáng)風(fēng)化帶巖體基本質(zhì)量分級(jí)為Ⅳ-Ⅴ，力學(xué)性質(zhì)較差;弱風(fēng)化帶巖體分級(jí)為Ⅲ，力學(xué)性質(zhì)較好。

表2 強(qiáng)、弱風(fēng)化巖體基本質(zhì)量BQ分級(jí)Table 2 The grading of basic quality BQ of strong and weak weathered rock mass

4.1.3 巖體質(zhì)量系數(shù)Z分級(jí)

現(xiàn)行的各種巖體分級(jí)方法中，沒(méi)有一個(gè)單一指標(biāo)能全面反映巖體完整性的幾何和物理的兩個(gè)方面的因素，據(jù)一些工程資料統(tǒng)計(jì)，巖體完整性系數(shù)與節(jié)理間距之間并無(wú)明顯的相關(guān)性，即完整性系數(shù)大，節(jié)理間距不一定很大，有時(shí)甚至很小;同樣，完整性系數(shù)小時(shí)，節(jié)理間距不一定小，有時(shí)甚至很大。很明顯單用節(jié)理間距或者單用完整性系數(shù)都不能全面反映巖體完整性的幾何和物理的兩個(gè)方面。只有節(jié)理間距和完整性系數(shù)結(jié)合，才能全面地反映巖體的完整性。為此，可采用SID分級(jí)法來(lái)進(jìn)行巖體質(zhì)量系數(shù)Z分級(jí)［3］。

根據(jù)巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度Rb、巖體完整性系數(shù)KV、巖體節(jié)理間距 dp，按計(jì)算式:Z=Rb(KVdp)1/2，計(jì)算出巖體質(zhì)量系數(shù)Z值，按表3進(jìn)行分級(jí)。計(jì)算時(shí)，當(dāng)Rb＞100 MPa時(shí)，按Rb=100 MPa計(jì)算;當(dāng)dp＞1 m時(shí)，按dp=1 m計(jì)算。

表3 巖體質(zhì)量系數(shù)Z分級(jí)Table 3 The grading of quality coefficient Z of rock mass

表4 強(qiáng)、弱風(fēng)化巖體基本質(zhì)量SID分級(jí)Table 4 The grading of basic quality SID of strong and weak weathered rock mass

強(qiáng)風(fēng)化巖體質(zhì)量系數(shù)Z分級(jí)范圍Ⅳ-Ⅴ;弱風(fēng)化巖體質(zhì)量系數(shù)Z分級(jí)范圍Ⅳ-Ⅱ，以Ⅲ為主(表4)。

4.2 壩基巖體工程地質(zhì)分類(lèi)

根據(jù)強(qiáng)、弱風(fēng)化帶巖體特征，結(jié)合巖體主要特征值巖石飽和抗壓強(qiáng)度Rb、巖體縱波速VP、巖石RQD值、巖體完整性系數(shù) KV，對(duì)壩基巖體進(jìn)行工程地質(zhì)分類(lèi)［4］。綜合評(píng)判，強(qiáng)風(fēng)化帶巖體工程地質(zhì)分類(lèi)為BⅣ-BⅤ，不宜作為高混凝土壩基;弱風(fēng)化帶巖體工程地質(zhì)分類(lèi)為BⅢ1，作為高混凝土壩基工程地質(zhì)條件較好(表5)。

4.3 巖體力學(xué)參數(shù)確定

4.3.1 初步確定巖體力學(xué)參數(shù)

依據(jù)巖體基本質(zhì)量BQ分級(jí)、巖體質(zhì)量系數(shù)Z分級(jí)、巖體壩基工程地質(zhì)分類(lèi)，結(jié)合地質(zhì)條件，按各分級(jí)、分類(lèi)方法相對(duì)應(yīng)的巖體物理力學(xué)經(jīng)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行分析。

從表6的參數(shù)來(lái)看，幾種分級(jí)、分類(lèi)方法給出的相應(yīng)巖體物理力學(xué)參數(shù)值較為接近，僅弱風(fēng)化巖體變形模量按BQ、Z分級(jí)的參數(shù)值較壩基工程地質(zhì)分類(lèi)值偏高，原因在于BQ分級(jí)Ⅲ的變形模量區(qū)間值為6～20 GPa，Z分級(jí)Ⅲ的區(qū)間值為5～15 GPa，而壩基工程地質(zhì)分類(lèi)Ⅲ的區(qū)間值僅為5～10 GPa。

表5 強(qiáng)、弱風(fēng)化巖體壩基工程地質(zhì)分類(lèi)Table 5 Engineering geologic classification of strong and weak weathered rock mass at the dam foundation

表6 幾種分級(jí)、分類(lèi)方法相應(yīng)的巖體物理力學(xué)經(jīng)驗(yàn)參數(shù)Table6 The physical and mechanical experience parameters of the rock mass corresponding with several kinds of grading and classification methods

4.3.2 經(jīng)驗(yàn)公式驗(yàn)算巖體變形模量

聶運(yùn)鈞［5］對(duì)三峽不同風(fēng)化帶中同一狀態(tài)的同一巖體專(zhuān)門(mén)進(jìn)行了動(dòng)、靜彈模對(duì)比測(cè)試，獲得了縱波速度VP與巖體靜力變形模量E0的關(guān)系式:E0=0.001VP5.76;柳賦錚、蔡斌［6］統(tǒng)計(jì)分析了三峽、水布埡、皂市、寧波周公宅等工程同步進(jìn)行的工程巖體分級(jí)與現(xiàn)場(chǎng)巖石力學(xué)試驗(yàn)的數(shù)據(jù)，擬合得到巖體變形模量與工程巖體質(zhì)量指標(biāo) BQ 的關(guān)系式:E0=0.098 6e0.0105［BQ］。按上述經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行本工程巖體的變形模量計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表7。

利用縱波速度VP、工程巖體質(zhì)量指標(biāo)BQ所計(jì)算的強(qiáng)、弱風(fēng)化帶巖體變形模量與分級(jí)、分類(lèi)方法相應(yīng)的巖體變形模量指標(biāo)基本一致。但利用縱波速度VP計(jì)算的強(qiáng)風(fēng)化帶巖體變形模量偏低，這可能是因?yàn)殛P(guān)系式的推導(dǎo)主要是基于弱、微風(fēng)化巖體的資料統(tǒng)計(jì)進(jìn)行的。

4.3.3 工程類(lèi)比法進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證

為驗(yàn)證初步確定的巖體力學(xué)參數(shù)的可靠性，利用其它地質(zhì)條件相類(lèi)似且已經(jīng)進(jìn)行過(guò)充分的巖石力學(xué)試驗(yàn)的工程資料，采用工程類(lèi)比法進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。幾項(xiàng)類(lèi)似工程巖體力學(xué)指標(biāo)試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表8。

表7 經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算的巖體變形模量值Table 7 The deformation modulus values of rock mass calculated by experiential formula

表8 幾項(xiàng)類(lèi)似工程的巖體力學(xué)指標(biāo)試驗(yàn)參數(shù)表Table 8 The list for test parameter of mechanics indexes of the rock mass from similar projects

三峽水電站工程壩基為花崗巖，弱風(fēng)化巖石飽和抗壓強(qiáng)度Rb=40～50 MPa，巖體縱波速VP=2 600～5 500 m/s，與本工程弱風(fēng)化巖體指標(biāo)十分近似。三峽工程的巖體力學(xué)試驗(yàn)參數(shù)值，在本工程初步確定的弱風(fēng)化巖體力學(xué)參數(shù)范圍值內(nèi)，接近于范圍值上限值。

表9 巖體力學(xué)參數(shù)建議值Table 9 The suggested values of mechanical parameters of rock mass

4.3.4 巖體力學(xué)參數(shù)建議值

經(jīng)對(duì)地質(zhì)勘察資料、巖石力學(xué)測(cè)試資料統(tǒng)計(jì)分析，工程巖體分級(jí)、分類(lèi)，經(jīng)驗(yàn)公式驗(yàn)算、工程類(lèi)比，權(quán)衡多種因素，最終提出本工程的巖體力學(xué)參數(shù)建議值(表9)。

5 壩基工程地質(zhì)評(píng)價(jià)及建基面選擇

5.1 壩基工程地質(zhì)評(píng)價(jià)

壩址區(qū)壩基為γ15中粒黑云二長(zhǎng)花崗巖，發(fā)育的多為Ⅴ級(jí)結(jié)構(gòu)面，主要對(duì)巖體完整性、局部邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。

表淺部全風(fēng)化巖體呈砂土狀，散體結(jié)構(gòu)，壩基工程地質(zhì)分類(lèi)為Ⅴ類(lèi)，不能作為混凝土壩壩基，需全部清除。

強(qiáng)風(fēng)化巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體較破碎—破碎，呈碎裂狀，巖石強(qiáng)度低，屬較軟巖，壩基工程地質(zhì)分類(lèi)為BⅣ2-BⅤ，不能作為高混凝土壩基，當(dāng)壩基局部地段分布有該類(lèi)巖體時(shí)，需作專(zhuān)門(mén)處理。

弱風(fēng)化帶巖體較完整，局部完整性較差，巖石飽和抗壓強(qiáng)度40～65 MPa，總體上屬于中硬巖。結(jié)構(gòu)面主要為硬性結(jié)構(gòu)面，傾角中—陡(大于岸坡自然坡角)，多為閉合無(wú)充填，少數(shù)為微張開(kāi)巖塊巖屑型，壩基無(wú)緩傾角結(jié)構(gòu)面、軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)育，無(wú)不利結(jié)構(gòu)面組合。弱風(fēng)化巖體變形模量、抗剪斷強(qiáng)度較高，不存在壩基抗滑穩(wěn)定、承載力不足、變形不均一等問(wèn)題，也不存在滲透、穩(wěn)定問(wèn)題，壩基工程地質(zhì)分類(lèi)為BⅢ1，具備建重力壩的工程地質(zhì)條件，可以作為混凝土壩基。

5.2 壩基建基面選擇

根據(jù)鉆孔、平硐地質(zhì)勘察資料，對(duì)巖體縱波速VP、完整性系數(shù)KV、鉆孔巖芯RQD值、巖石飽和抗壓強(qiáng)度Rb等指標(biāo)綜合分析，進(jìn)行了壩基巖體基本質(zhì)量分級(jí)，SID分級(jí)，壩基工程地質(zhì)分類(lèi)，對(duì)各風(fēng)化帶巖體作出壩基工程地質(zhì)評(píng)價(jià)，綜合考慮確定壩基建基面。

按國(guó)內(nèi)多項(xiàng)已建成的重力壩工程經(jīng)驗(yàn)，壩高在50～100 m時(shí)，壩基可置于微風(fēng)化—弱風(fēng)化中部基巖上，無(wú)深層軟弱結(jié)構(gòu)面控制其抗滑穩(wěn)定的情況下，壩基最低要求為巖塊單軸飽和抗壓強(qiáng)度Rb≥30 MPa，聲波縱波速 Vp≥3 000 m/s，變形模量 E0≥0.5 GPa［7］。本工程弱風(fēng)化帶巖體各項(xiàng)指標(biāo)均超過(guò)壩基最低要求，因此，認(rèn)為弱風(fēng)化巖體性狀能滿(mǎn)足工程要求，可以作為重力壩壩基。壩基經(jīng)過(guò)固結(jié)灌漿處理后，各力學(xué)指標(biāo)還會(huì)有所提高，完全滿(mǎn)足大壩對(duì)基礎(chǔ)的要求。

最終建基面確定:兩岸及河床均以弱風(fēng)化巖體為重力壩基礎(chǔ)建基面，壩基置于弱風(fēng)化帶內(nèi)1～2 m，以壩基縱波速VP≥3 500 m/s為壩基驗(yàn)收原則。

6 結(jié)論與建議

6.1 結(jié)論

工程巖體分級(jí)是在大量工程實(shí)測(cè)資料統(tǒng)計(jì)分析和調(diào)查的基礎(chǔ)上制定的，以后又返回到工程實(shí)踐中去檢驗(yàn)、不斷完善，因此具有較高的科學(xué)性和實(shí)用性。中小型工程由于種種原因，勘察過(guò)程中不能進(jìn)行詳盡的巖石力學(xué)測(cè)試，尤其是現(xiàn)場(chǎng)大型試驗(yàn)。只能充分利用地質(zhì)調(diào)查和簡(jiǎn)易的巖石力學(xué)測(cè)試資料，進(jìn)行工程巖體分級(jí)、巖體質(zhì)量系數(shù)Z分級(jí)、壩基工程地質(zhì)分類(lèi)，采用經(jīng)驗(yàn)公式驗(yàn)算，相似工程類(lèi)比，確定巖體宏觀力學(xué)參數(shù)，應(yīng)用于工程分析計(jì)算，作出壩基工程地質(zhì)評(píng)價(jià)，確定重力壩基礎(chǔ)建基面。

6.2 壩基處理建議

壩基置于弱風(fēng)化巖體內(nèi)，進(jìn)行固結(jié)灌漿處理，灌漿孔距、排距采用3 m，孔深5～8 m。固結(jié)灌漿前后應(yīng)進(jìn)行巖體波速檢測(cè)。壩基中的強(qiáng)卸荷帶、破碎帶、節(jié)理密集帶、強(qiáng)風(fēng)化囊狀體等不良地質(zhì)軟弱帶(體)需進(jìn)行加深開(kāi)挖，掏槽回填混凝土處理。

［1］ 吳繼敏，許人平，馬曉輝.巖體風(fēng)化與混凝土壩建基面選擇［C］//中國(guó)水利學(xué)會(huì).第八次水利水電地基與基礎(chǔ)工程學(xué)術(shù)會(huì)議論文.北京:中國(guó)水利水電出版社，2006.

［2］ 中華人民共和國(guó)水利部.工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn):GB 50218—94［S］.北京:中國(guó)計(jì)劃出版社，1995.

［3］ 柳賦錚.工程巖體分級(jí)［M］//周思孟.復(fù)雜巖體若干巖石力學(xué)問(wèn)題.北京:中國(guó)水利水電出版社，1998.

［4］ 中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建議部.水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范:GB 50487—2008［S］.北京:中國(guó)計(jì)劃出版社，2009.

［5］ 董學(xué)晟，柳賦錚，蔡斌.工程巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)［M］//董學(xué)晟，田野，鄔愛(ài)清.水工巖石力學(xué).北京:中國(guó)水利水電出版社，2004.

［6］ 柳賦錚，蔡斌.工程巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)與巖體力學(xué)參數(shù)［M］//王思敬，楊志法，傅冰駿.中國(guó)巖石力學(xué)與工程世紀(jì)成就.南京:河海大學(xué)出版社，2004.

［7］ 崔冠英，朱濟(jì)祥.水利工程地質(zhì)［M］.4版.北京:中國(guó)水利水電出版社，2008.