楊秀江

(貴州黔水工程監(jiān)理有限責(zé)任公司，貴陽(yáng) 550002)

1 概 述

某水電站位于烏江的一級(jí)支流中游河段上。壩址以上流域面積3804km2，多年平均年徑流量23.75億m3，多年平均流量75.3m3/s。水庫(kù)正常蓄水位516m，回水長(zhǎng)18.13km，總庫(kù)容1.752億m3。大壩壩型為鋼筋混凝土面板堆石壩，壩頂高程523.9m，最大壩高65.9m，壩頂長(zhǎng)272m。引水發(fā)電有壓隧洞長(zhǎng)212m，電站裝機(jī)容量2×2萬(wàn)kW，保證出力8280kW，多年平均發(fā)電量1.8億kWh。

2 樞紐區(qū)工程地質(zhì)條件

2.1 地形地貌

壩址位于烏江的一級(jí)支流中游河段，左支流入口略偏下游的橫向河谷內(nèi)，巖層傾向下游，傾角12°-27°。河谷呈U型，枯季水位標(biāo)高465m，谷寬30-70m，地形坡度左岸35°，自494m高程以上臺(tái)地緩坡地形。壩址下游地形開闊，受支流注入及河流轉(zhuǎn)彎等影響，兩岸山體均呈三面環(huán)水的半島狀地形。河床為厚1.6-12m的砂卵石所覆蓋，水深1.5-12m。

2.2 地層巖性

壩址主要地層為奧陶系下統(tǒng)湄潭組(O1m)，分為上、中、下三段，下段以砂頁(yè)巖為特征，中上段則以灰?guī)r、砂巖、頁(yè)巖交互沉積為特征，其上部為十字鋪、寶塔組堅(jiān)硬灰石，五峰澗草溝組及志留系龍馬溪組砂頁(yè)巖分布于壩址下游。主要地層有老至新分述如下：

湄潭組(O1m)：

下段(O1m1)：黃綠色、深灰色頁(yè)巖夾少量生物碎屑灰?guī)r和粉砂巖，厚50-70m，分布在壩址上游及河床深部分布在壩址河床。

中段(O1m2)：灰色、淺灰色中厚層生物碎屑灰?guī)r夾瘤狀泥灰?guī)r，厚11-16.65m，分布在壩址河床。

上段(O1m3)：分6層，為壩址主要持力層。

第1層(O1m3-1)：灰至深灰色薄至中厚層狀生物碎屑灰?guī)r夾瘤狀泥灰?guī)r、頁(yè)巖、鈣質(zhì)頁(yè)巖，底部為厚1.5m的砂質(zhì)頁(yè)巖，厚6.8-11m，頁(yè)巖約占35%。

第2層(O1m3-2)：深灰至深黑色薄至中厚層狀泥質(zhì)粉砂巖夾片鱗狀頁(yè)巖夾層，厚11.43m。

第3層(O1m3-3)：頂部為頁(yè)巖夾砂巖、生物灰?guī)r；上部為黑灰色砂質(zhì)頁(yè)巖，中部為一層厚約4m的鐵質(zhì)粉砂巖；下部為砂質(zhì)頁(yè)巖過(guò)渡為泥質(zhì)粉砂巖，層間夾鱗片狀頁(yè)巖軟弱夾層，厚33.81m。

第4層(O1m3-4)：淺灰色薄至中厚層砂巖、粉砂巖，層間夾泥質(zhì)，厚3.6m。

第5層(O1m3-5)：深灰色砂質(zhì)頁(yè)巖、粉砂巖、生物灰?guī)r互層，層間夾鱗片狀頁(yè)巖軟弱層，厚11.61m，其中砂巖約占30%，生物灰?guī)r占26%，砂質(zhì)頁(yè)巖占44%。

第6層(O1m3-6)：深灰色薄至中厚層砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、生物碎屑結(jié)晶灰?guī)r夾黑色砂質(zhì)頁(yè)巖及鱗片狀頁(yè)巖軟弱層，厚14.88m。其中砂巖占51%，生物灰?guī)r占18%，頁(yè)巖占31%。

奧陶系中統(tǒng)(O2)分布于壩址兩肩及下游。

十字鋪組(O2s)上段為泥質(zhì)灰?guī)r、泥灰?guī)r，厚1.59-2.31m；下段中厚至厚層狀灰?guī)r，厚5.94-8.91m。

寶塔組(O2b)薄至中厚層龜裂灰?guī)r，夾3-5層瘤狀泥灰?guī)r，厚20-35.2m。

第四系(Q)：

為河床沖積之砂卵石層、殘坡積之黏土夾碎塊石層、崩石夾黏土。厚0-12m。

2.3 地質(zhì)構(gòu)造

壩址位于一背斜西翼，東距區(qū)域大斷層(F1)1.3km，巖層產(chǎn)狀N60°-70°W/NE∠12°-27°，傾下游。受區(qū)域大斷層(F1)以及次一級(jí)褶皺構(gòu)造的影響，壩區(qū)斷裂較發(fā)肓，經(jīng)查明12條斷層主要方向?yàn)镹E、SW向及NWW向三組，以小角度斜切河床通過(guò)，致使壩址巖體自上游向下游呈階梯狀錯(cuò)落。壩址節(jié)理主要發(fā)育組有5組。地表多張開充填次生黃泥、巖屑或無(wú)填充。除層面節(jié)理外，均為陡傾角，緩傾角節(jié)理不發(fā)育。

層間剪切帶：壩址由于受構(gòu)造擠壓影響，頁(yè)巖夾層內(nèi)形成較多的層間錯(cuò)動(dòng)剪切帶，并伴有層間揉皺，多在夾層頂部形成起伏較大的光面及鏡面。經(jīng)鉆孔、平洞揭露剪切帶厚度變化較大，特別是在構(gòu)造破碎部位厚度大，可達(dá)3.65m，沿走向傾向延伸長(zhǎng)、起伏大，且多分布于軟硬巖層之間。新鮮巖體中仍有發(fā)育，，在河床以下50m深度內(nèi)均有分布。經(jīng)取樣試驗(yàn)：其具有絲絹光澤，礦物成分為水云母，化學(xué)成分主要為SiO2，具膨脹性，遇空氣迅速崩解，遇水易泥化，抗剪強(qiáng)度小，壓實(shí)性差，強(qiáng)度低，波速低于1300-1500m/s，完整系數(shù)0.27-0.36。

3 壩型、壩軸線選擇

3.1 壩型選擇

受工程地質(zhì)條件的限制，壩址不適宜修建混凝土重力壩等剛性壩型。地址以O(shè)1m為主的砂頁(yè)巖地層，巖性軟弱，巖層不均一，構(gòu)造發(fā)育，巖層傾下游，層間軟弱剪切帶等結(jié)構(gòu)面對(duì)大壩變形及抗沉穩(wěn)定起控制作用，處理困難，因此只適宜建當(dāng)?shù)夭牧蠅巍?/p>

3.2 壩軸線及趾板位置選擇

受地形條件的限制，致使壩軸線的選擇范圍有限，上游石梁河入口，地形變寬，下游主河道轉(zhuǎn)彎，兩岸地形低矮，因此壩軸線僅限于縱向長(zhǎng)約50m的峽谷河段。趾板位置的選擇原則主要是避開較厚的層間剪切帶和右岸較深的覆蓋層，以及考慮上游圍堰的布置場(chǎng)地。上壩線：據(jù)河長(zhǎng)鉆孔揭露：層間剪切帶層次多、厚度大(最大單層3.65m)(見表1)，并有泥化現(xiàn)象，工程地質(zhì)條件很差。同時(shí)右岸高程470-495m，因斷層切割破壞，覆蓋層鉛直厚達(dá)20余米，水平深度達(dá)38m。該縣趾板開挖工程量大，處理難度大。并且造成施工圍堰布置困難。下壩線：距上線26m，經(jīng)鉆孔揭露，河床巖體層間剪切帶頻率相對(duì)較低，厚度較薄(最大單層厚度0.57m)且主要巖性為泥質(zhì)粉砂巖，強(qiáng)度差異性較少，河床地基工程地質(zhì)條件較上線好，右岸岸坡?lián)@孔及槽探揭露，覆蓋層深6-8m，因此改線趾板開挖工程量較少，處理難度較上線小，且較上線易于布置施工圍堰。

表1 上、下壩線趾板各鉆孔揭露曾剪切帶統(tǒng)計(jì)表

4 壩址巖體結(jié)構(gòu)特征

4.1 巖體結(jié)構(gòu)類型及工程地質(zhì)巖組劃分

壩址巖性由灰?guī)r、泥灰?guī)r、砂巖、頁(yè)巖等組成，巖層軟硬相間分布，層間剪切帶較發(fā)育，壩址巖體結(jié)構(gòu)類型屬層狀多元結(jié)構(gòu)巖體。

按地層結(jié)構(gòu)和巖性組合情況，可將壩址地層歸納為3個(gè)工程地址巖組(見表2)，其工程地質(zhì)條件以灰?guī)r類巖組最好，砂頁(yè)巖、生物灰?guī)r類巖組次之，頁(yè)巖類巖組最差。

表2 工程地址巖組劃分表

4.2 巖石力學(xué)試驗(yàn)及成果分析

壩址巖石力學(xué)試驗(yàn)有不同巖性的單軸抗壓強(qiáng)度20組，中剪試驗(yàn)8組，現(xiàn)場(chǎng)載荷試驗(yàn)3點(diǎn)，室內(nèi)鱗片狀?yuàn)A泥土工試驗(yàn)10組。試驗(yàn)的重點(diǎn)是研究弱風(fēng)化帶(中、下部)各類巖體的力學(xué)特性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3、表4、表5。

表3 巖石物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)成果表

表4 現(xiàn)場(chǎng)巖體變形——載荷試驗(yàn)成果表

表5 室內(nèi)抗剪(斷)強(qiáng)度試驗(yàn)成果表

4.2.1 巖體強(qiáng)度及變形特征

1)層間剪切帶：受構(gòu)造破壞變成鱗片狀使強(qiáng)度降低，比例極限強(qiáng)度為0.07-0.56MPa。變形模量0.031-0.034GPa，在較小的壓力下，其變形較大。

2)泥質(zhì)粉砂巖及砂質(zhì)頁(yè)巖：泥質(zhì)含量較高，抗壓強(qiáng)度較低，為14.3-26.68MPa，巖石彈性模量為0.58-14.5GPa。

3)灰?guī)r、砂巖：巖石堅(jiān)硬，強(qiáng)度高，變形小。為79.5-117MPa。

4)不同巖性的組合：由不同的巖性組合其強(qiáng)度各不相同，強(qiáng)度較堅(jiān)硬巖石低。例H2點(diǎn)，由頁(yè)巖、泥質(zhì)粉砂巖夾一層厚2cm的泥化夾層，其強(qiáng)度為2.9MPa，較頁(yè)巖、砂質(zhì)頁(yè)巖強(qiáng)度低，變形模量0.1564GPa，較剪切帶高。

5)影響巖體變形的主要因素：軟弱夾層是巖體中最薄弱的部分，它結(jié)構(gòu)破碎，厚度變化較大，強(qiáng)度低，在荷載作用下易產(chǎn)生變形，特別是在水的作用下泥化，性狀進(jìn)一步惡化，根據(jù)不同含水量下測(cè)定的各項(xiàng)指標(biāo)反映(見表6)，隨著含水含量的增加，其性質(zhì)屬中等壓縮；而含水量>28%，孔隙比、抗壓強(qiáng)度、壓縮模量劇烈下降，而密度、壓縮系數(shù)則增大，當(dāng)含水量<28%，則屬高壓縮性。在同一巖體中由于作用方向不同，其變形大小不同。平行層面方向的變形大于垂直層面方向的變形。

表6 鱗片狀頁(yè)巖夾層隨含水量增加各物理力學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表

4.2.2 抗剪強(qiáng)度

經(jīng)試驗(yàn)成果表明，巖體抗剪強(qiáng)度主要受結(jié)構(gòu)面(節(jié)理、層面、夾層等)的制約；而制約層面抗剪強(qiáng)度的主要因素取決于層面的性質(zhì)、結(jié)構(gòu)緊密程度、充填物類別和含水狀態(tài)等。層間錯(cuò)動(dòng)而形成的夾層(或剪切帶)的抗剪強(qiáng)度隨含水量的增加而明顯降低。例：含水量為19%時(shí)，抗剪強(qiáng)度為0.27kPa，當(dāng)含水量增加29.4%時(shí)，則為0.04kPa，降低了85.2%。

5 大壩工程地質(zhì)問(wèn)題及處理建議

5.1 大壩基礎(chǔ)抗滑穩(wěn)定

壩址河谷為橫向股，壩基巖層緩傾下游，傾角15°-20°。F3系列斷層斜穿河床陡頓下游，層間剪切帶較發(fā)育，對(duì)大壩基礎(chǔ)穩(wěn)定不利。但經(jīng)平硐槽深未發(fā)現(xiàn)傾上游的不利軟弱結(jié)構(gòu)面。其主要剪切帶據(jù)鉆孔及平硐揭露，往下游厚度薄，壩基后部1/3寬度內(nèi)為O2s、O2b中厚層灰?guī)r，其完整性較好，強(qiáng)度較高并整合于O1m3砂、頁(yè)巖之上，增加了抗力巖體作用，因此，對(duì)于堆石壩來(lái)說(shuō)，大壩基礎(chǔ)抗滑穩(wěn)定性是能滿足要求的。設(shè)計(jì)以堆石體與(開挖)壩自基礎(chǔ)為控制面進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算，f=0.6，C=0.15MPa，并考慮層間剪切帶為巖體滑動(dòng)底面進(jìn)行穩(wěn)定驗(yàn)算，f=0.18，C=0.01MPa,其結(jié)果是穩(wěn)定的。

5.2 大壩基礎(chǔ)變形穩(wěn)定

5.2.1 面板堆石趾板基礎(chǔ)變形穩(wěn)定

趾板基礎(chǔ)跨越O1m3-2-O2b地層，巖性弱硬相見，強(qiáng)度差異明顯，屬層狀多元結(jié)構(gòu)河床部位為O1m3-2泥質(zhì)粉砂巖及O1m3-2砂質(zhì)頁(yè)巖、頁(yè)巖，巖性軟弱，強(qiáng)度較低，巖石本身強(qiáng)度差異不大，相對(duì)較均一。據(jù)鉆孔統(tǒng)計(jì)，層間剪切帶出現(xiàn)平率較低，厚度占該層揭露厚度的2.62%-5.98%，但單層厚度仍有0.34m，且下伏O1m3-1生物灰?guī)r及頁(yè)巖內(nèi)，剪切是較發(fā)育，單層厚0.10-0.57m，占8.6%-10%。

基礎(chǔ)兩岸坡部位為O1m3-3-O1m3-6砂頁(yè)巖及O2s、O2b堅(jiān)硬灰?guī)r，巖性變化大，強(qiáng)度差異明顯，受構(gòu)造、剪切帶及地性影響，砂頁(yè)巖分布段風(fēng)化較深，層間剪切帶層次多，厚度大(max=3.65m)，有泥化現(xiàn)象，性狀差，壓縮變形大，移定性差。

因此，層間剪切帶是趾板基礎(chǔ)變形的主要控制因素。設(shè)計(jì)按剪切帶變形模量Es=0.25-0.35GPa進(jìn)行變形穩(wěn)定計(jì)算，其結(jié)果是穩(wěn)定的。

5.2.2 堆石體基礎(chǔ)變形穩(wěn)定

堆石壩基礎(chǔ)后部1/3寬度范圍內(nèi)為O1s、O1b堅(jiān)硬灰?guī)r，而前2/3寬度為O1m3-1-O1m3-6砂頁(yè)巖，主要壩基巖體軟硬相間分布，層間剪切帶分布較廣，延續(xù)性好，親水性強(qiáng)，抗風(fēng)化能力弱，遇水泥化，壓縮變形大。就堆石壩而言，只要基礎(chǔ)的變形模量、抗剪強(qiáng)度與堆石體相當(dāng)可以了。但是壩基1/3寬度內(nèi)，要求開挖至完整性較好的基巖。

5.3 大壩帷幕防滲及壩基滲透穩(wěn)定

5.3.1 大壩帷幕防滲邊界條件

壩址O2s、O2b層灰?guī)r內(nèi)不存在大型巖溶洞穴系統(tǒng)。上下游有巨厚層以頁(yè)巖為主的隔水層夾持，水文地質(zhì)簡(jiǎn)單明朗。根據(jù)鉆孔壓水及地下水位觀測(cè)資料統(tǒng)計(jì)分析，兩岸防滲下限以Lu<3為界，左岸長(zhǎng)430m，最低高程490m；右岸長(zhǎng)280m，最低高程493 m；河床趾板基礎(chǔ)以深入O1m1頁(yè)巖5m為下限，長(zhǎng)160m，最低高程425-445 m。

5.3.2 堆石體基礎(chǔ)滲透穩(wěn)定評(píng)價(jià)

根據(jù)野外地質(zhì)測(cè)繪，斷層及其破碎帶以及N15°E組裂隙是壩基肩滲透的主要通道。壩基的滲透穩(wěn)定主要是O1m3-1-O1m3-2砂頁(yè)巖，尤其是剪切帶的滲透穩(wěn)定問(wèn)題。但由于堆石壩面板的隔水作用，加之趾板位置的防滲灌漿帷幕處理，因此壩基無(wú)滲透穩(wěn)定之憂。

5.4 巖體風(fēng)化及建基面的選擇、處理建議

據(jù)堆石壩不同部位對(duì)基地的要求，分述如下：

5.4.1 趾板基礎(chǔ)建基面選擇及處理建議

趾板基礎(chǔ)河床部位為O1m3-2以泥質(zhì)粉砂巖為主，強(qiáng)度差異不大。且層間剪切帶較上、下層少，作為持力層，建議強(qiáng)風(fēng)化巖體，其下伏O1m3-1生物灰?guī)r及頁(yè)巖剪切帶較發(fā)育，對(duì)壩基變形有影響，需進(jìn)行固結(jié)灌漿處理，其深度應(yīng)至O1m2層堅(jiān)硬灰?guī)r上。兩岸坡地帶，應(yīng)置于新鮮基巖上，對(duì)于軟弱剪切帶，應(yīng)掏挖用混凝土置換。

5.4.2 堆石體建基高程及處理建議

就堆石壩而言，堆石體本身對(duì)地基要求不高，但由于壩體靠上游基礎(chǔ)范圍內(nèi)變形的大小直接影響面板的變形，故對(duì)上游1/3范圍內(nèi)的基礎(chǔ)，要求開挖至相對(duì)較好的基巖。壩基前1/3寬度內(nèi)，巖體軟硬相間，剪切帶較發(fā)育，加之?dāng)鄬悠茐?，其?qiáng)風(fēng)化帶巖體應(yīng)全部或大部分清除。

兩岸坡部位O1m3-5-O1m3-6砂頁(yè)巖風(fēng)化較深。強(qiáng)風(fēng)化帶內(nèi)巖體破碎，裂隙發(fā)育，巖體單位吸水量大，在長(zhǎng)期浸水狀態(tài)下，強(qiáng)度進(jìn)一步降低，因此面板堆石壩前1/3寬度內(nèi)的堆石體應(yīng)置于O1m3-5-O1m3-6層弱風(fēng)化內(nèi)。

面板堆石壩其余部分基礎(chǔ)，建議清除覆蓋層置于基巖內(nèi)。

堆石壩壩基各部位開挖深度(見表7)。開挖形成的建基面為強(qiáng)至弱風(fēng)化巖體，且有剪切帶分布，抗風(fēng)化擾動(dòng)能力差，應(yīng)立即噴護(hù)混凝土砂漿護(hù)面。

表7 堆石壩壩基各部位開挖深度表

備注：表列開挖深度：兩岸包括清除覆蓋層深度，河床不含覆蓋層深度。

5.5 壩基開挖邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)及處理建議

混凝土面板基礎(chǔ)，巖層緩傾下游，傾角17°-25°，主要巖性為O1m3-2泥質(zhì)粉砂巖，層間夾剪切帶，趾板地基切層開挖后，形成臨空面，高約10m，加之上游圍堰抬高水頭約20m，又有不利的錯(cuò)動(dòng)夾層及剪切帶(有泥化現(xiàn)象)存在。經(jīng)初步分析計(jì)算，開挖后上游邊坡難以穩(wěn)定，建議分段開挖澆筑加固支撐等措施。

右岸高程470-490m，由于斷層切割破壞，覆蓋層及強(qiáng)風(fēng)化較深，趾板基礎(chǔ)開挖后，上游形成約為20m高的邊坡，在地表水的作用下，覆蓋層將難以穩(wěn)定，建議放坡11.25，并做好排水措施。

6 結(jié) 語(yǔ)

在軟硬相間的地層上，尤其是層間發(fā)育錯(cuò)動(dòng)剪切帶的地區(qū)修建混凝土面板堆石壩，其趾板的選線定位是建壩的關(guān)鍵。正安沙阡水電站壩址位于O1m3砂頁(yè)巖軟硬相間的地層上。在對(duì)壩址巖性組合、巖體結(jié)構(gòu)特征、層間錯(cuò)動(dòng)剪切帶的試驗(yàn)資料及壩址主要工程地質(zhì)問(wèn)題分析論證的基礎(chǔ)上，選定了層間錯(cuò)動(dòng)剪切帶發(fā)育較弱、巖性差異小、巖體強(qiáng)度較高、避開深覆蓋層及風(fēng)化強(qiáng)烈的地段為趾板位置，合理地提出了建基面高程及處理建議。

[1]徐華祥.烏圖河一級(jí)水電站壩址工程地質(zhì)特征分析[J].黑龍江水利科技，2012(07)：255-256.