李天鵬　魏偉　楊莉　楊凱杰

建筑與城鄉(xiāng)規(guī)劃學(xué)院，四川成都611830;3.四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川德陽(yáng)618000）

摘要：建基巖體的可利用性及開(kāi)挖深度關(guān)系到水電站工程的可行性、合理性及經(jīng)濟(jì)性等，是技施階段重要研究?jī)?nèi)容之一。基于對(duì)壩基不同巖性及其組合的巖石力學(xué)特性試驗(yàn)、巖層厚度、RQD值、波速測(cè)試及配套的現(xiàn)場(chǎng)大型變形試驗(yàn)等，研究了復(fù)雜層狀建基巖體的結(jié)構(gòu)特征和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，并基于巖體波速建立巖體結(jié)構(gòu)、巖體質(zhì)量及變形參數(shù)的預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)模型，確定了復(fù)雜層狀巖體的可利用性標(biāo)準(zhǔn)，并對(duì)開(kāi)挖深度進(jìn)行了優(yōu)化研究。結(jié)果表明：在砂巖類占比約60%的整個(gè)壩基巖體中，微新及以下復(fù)雜層狀砂板巖以堅(jiān)硬巖為主，且原位狀態(tài)下巖體層面效應(yīng)基本消失，完整性大幅提高;巖體波速與巖體結(jié)構(gòu)、巖體質(zhì)量及變形參數(shù)間具有很好的對(duì)應(yīng)性;基于巖體波速建立了建基巖體利用標(biāo)準(zhǔn)，并將河床建基面開(kāi)挖深度整體抬高約10m，減少了巖基開(kāi)挖和混凝土澆筑量并縮短了工期。

關(guān)鍵詞：復(fù)雜層狀巖體;建基面;可利用性;開(kāi)挖深度優(yōu)化;巖體結(jié)構(gòu);巖體質(zhì)量

中圖法分類號(hào)：P642

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.16232/j.enki.1001-4179.2019.03.029

1研究背景

混凝土重力壩是目前經(jīng)濟(jì)性和安全性最好的壩型之一，它主要是利用自重抵抗水壓力、浮力等，并以大壩-基礎(chǔ)聯(lián)合作用的形式來(lái)完成擋水任務(wù)，亦將各類合力傳遞給巖基，這要求基巖應(yīng)具有足夠強(qiáng)度、整體性和均勻性等。但壩基巖體工程地質(zhì)特性不僅受巖性、地質(zhì)構(gòu)造、地下水、風(fēng)化、卸荷及壩體傳遞荷載等影響，還受勘察手段、方法和深度等影響，使得巖基可利用性及開(kāi)挖深度難以確定。雖然開(kāi)挖深度越深，建基巖體工程特性及大壩安全性等越好，但壩體所承受合力亦不斷增大，亦可導(dǎo)致壩基回彈變形和高邊坡穩(wěn)定、增加建設(shè)工期及投資成本等問(wèn)題。因此，如何在保證工程安全的前提下，充分利用壩基巖體，減少開(kāi)挖深度、施工工期及投資成本等已成為水電設(shè)計(jì)中研究的重要問(wèn)題。

在國(guó)內(nèi)，建基巖體的可利用性及建基面選擇評(píng)價(jià)指標(biāo)以風(fēng)化程度和巖體質(zhì)量為主[1-5]，國(guó)外則更強(qiáng)調(diào)基礎(chǔ)處理和加固后滿足設(shè)計(jì)要求[4-7]。張勇[4]、黃春華等[8]通過(guò)對(duì)施工風(fēng)鉆孔縱波測(cè)試及試驗(yàn)、地質(zhì)模型構(gòu)建等基礎(chǔ)上，基于聲波與巖體質(zhì)量及力學(xué)參數(shù)的預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)模型，建立巖基的可利用標(biāo)準(zhǔn)，并對(duì)壩基開(kāi)挖深度進(jìn)行了優(yōu)化，顯示出了較好的經(jīng)濟(jì)性與實(shí)用性;王仁坤在建立壩基巖體力學(xué)與損傷模型、地基加固理論等基礎(chǔ)上[5，9]，通過(guò)數(shù)值計(jì)算模型與地質(zhì)力學(xué)模型對(duì)特高拱壩建基面嵌深進(jìn)行了優(yōu)化研究，亦從工期及造價(jià)方面進(jìn)行了對(duì)比分析;王文杰[10]、鄒浩等[11]通過(guò)建立數(shù)值計(jì)算模型對(duì)建基面進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì);陳志堅(jiān)等[12]通過(guò)巖級(jí)及其影響因素建立了建基面優(yōu)選模型。由于建基巖體優(yōu)化研究主要集中于次塊-塊狀或中厚-厚層狀為主的高壩中，而對(duì)于薄層-互層狀軟硬相間巖體為主的可利用性則較少，國(guó)內(nèi)主要見(jiàn)于阿海、卡拉、烏弄龍等水電站中[13-14]。

因此，本文針對(duì)以薄層-互層狀砂、板巖為建基巖體的阿海水電站，通過(guò)對(duì)建基巖體的巖性、結(jié)構(gòu)特性、巖石（體）力學(xué)特性等研究，對(duì)河床壩段建基巖體的可利用性及開(kāi)挖深度進(jìn)行了優(yōu)化，此舉減少了基巖開(kāi)挖量及混凝土方量均約6.1萬(wàn)m3[15]，節(jié)約直接工程投資約3000余萬(wàn)元，并縮短了工期。目前，阿海水電站運(yùn)行正常，表明建基巖體及開(kāi)挖深度優(yōu)化研究方案的科學(xué)合理性，其研究方法、理論等也可為其他不同地質(zhì)體作為建基巖體的利用標(biāo)準(zhǔn)及優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

2工程概況

阿海水電站位于云南省麗江市金沙江中游河段，電站采，用碾壓混凝土重力壩、壩后廠房的方案，其中最大設(shè)計(jì)壩高138m，正常蓄水位1504m，電站裝機(jī)容量2000MW，總庫(kù)容8.82億m3。阿海水電站壩址部位金沙江流向大致由北向南，河谷兩岸地形高陡，呈“V”形，且基巖多裸露。壩址區(qū)地層為泥盆系（D1）下統(tǒng)淺變質(zhì)砂、板巖及華力西晚期順層侵入的輝綠巖（β34），壩基則以中厚-薄層狀砂巖、板巖相間分布的泥盆系（D21a）淺變質(zhì)巖為主，巖層產(chǎn)狀為N80～90°E/NW∠45～60°，傾向上游。

前期勘察成果表明[13，16]：阿海水電站共分為19個(gè)壩段，其中9～12號(hào)壩段為河床壩段，其沖積層厚5～20m，下覆基巖為互層狀微風(fēng)化-新鮮的砂、板巖，且?guī)r性相對(duì)均一，巖石強(qiáng)度較高，巖層層間結(jié)合緊密，RQD值一般為40%～60%，部分達(dá)70%，巖體完整性較好;擬定1372m高程微風(fēng)化-新鮮Ⅲ類巖體為河床壩段建基面，開(kāi)挖深度為基巖面下10m左右，并要求建基巖體縱波度大于3000m/s，變形模量6～10.GPa。

3復(fù)雜層狀巖體工程地質(zhì)特性

3.1巖石強(qiáng)度特性及組合特征

壩址區(qū)砂巖為長(zhǎng)石石英細(xì)砂巖和粉砂巖，板巖為含炭質(zhì)、鈣質(zhì)板巖?？紤]到砂板巖呈互層狀及板巖的各向異性，巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí)分別讓加載方向與層面垂直、平行和45°方向加載，成果見(jiàn)表1[16]。從表1中可知：砂巖近似為均質(zhì)體，為堅(jiān)硬巖;板巖各向異性較明顯，除加載方向與傾角夾角呈45°（鉛垂方向）時(shí)飽和單軸抗壓強(qiáng)度較低為較軟巖外，其余均為中硬巖;互層狀砂、板巖為中硬巖，但鉛垂方向飽和單軸抗壓強(qiáng)度較低，并隨板巖含量的增加而逐漸降低。

對(duì)壩基巖性比例的精細(xì)量測(cè)及巖性展布圖分析表明，河床壩段砂巖類及砂板巖互層約占61%，粉砂質(zhì)板巖約35%，擠壓帶約4%（見(jiàn)圖1），左、右岸砂巖類及砂板巖互層約占60%～64%，粉砂質(zhì)板巖約31%～35%，擠壓帶約5%，表明壩基巖體仍是以堅(jiān)硬巖為主的互層狀砂、板巖，基本滿足規(guī)范對(duì)高壩壩基巖性強(qiáng)度之要求[1-3]。

3.2壩基復(fù)雜層狀巖體結(jié)構(gòu)研究

3.2.1復(fù)雜層狀巖體結(jié)構(gòu)特征及劃分方案

壩基巖體巖層層面為主要結(jié)構(gòu)面，層厚小于10cm的薄層狀巖體約占整個(gè)壩基的65%，10～30cm互層狀約占16%，30～50cm中厚層狀約占7%，50～100cm厚層狀約占8%，擠壓帶約占4%，因此，壩基巖體結(jié)構(gòu)以薄層-互層狀為主。

另?yè)?jù)鉆孔資料顯示，壩巖層狀巖體受風(fēng)化影響，在強(qiáng)-弱上風(fēng)化段，鉆孔巖石質(zhì)量RQD值在30%～50%間，其對(duì)應(yīng)巖體結(jié)構(gòu)為互層狀巖體。在進(jìn)入弱下及以下后，RQD值均在65%～90%之間，其對(duì)應(yīng)巖體結(jié)構(gòu)為中厚-厚層狀巖體，這也表明弱下及以下互層狀砂巖、板巖的層間效應(yīng)減弱（圖2），多數(shù)層面表現(xiàn)為類似“紋理構(gòu)造”[13]。再者，建基巖體在弱下以下、層厚小于30cm的聲波縱波波速多在4000m/s以上，巖體完整性系數(shù)均在0.55以上，為較完整-完整巖體，對(duì)應(yīng)巖體結(jié)構(gòu)為中厚-厚層狀，且各向異性表現(xiàn)不明顯。

綜上可知，壩基巖體在原位狀態(tài)下，弱風(fēng)化及以下各巖層之間粘結(jié)十分緊密，層面效應(yīng)基本消失，巖體完整性大幅提高[13]，這也即砂、板巖互層狀巖石具有較高飽和單軸抗壓強(qiáng)度之因。因此，壩基巖體結(jié)構(gòu)劃分主要指標(biāo)應(yīng)為波速和RQD，其劃分方案見(jiàn)表2。

3.2.2河床壩段巖體結(jié)構(gòu)

將河床壩段施工潛孔鉆聲波測(cè)試成果轉(zhuǎn)化為波速鉆孔柱狀圖（見(jiàn)圖3）。

（1）各壩段表部約0～3m范圍內(nèi)巖體波速較低（約3200m/s以下的紅色部分），巖體呈薄層一互層狀，而下部巖體波速又較高，這應(yīng)與爆破開(kāi)挖有關(guān)。

（2）表部以下約3～5m厚范圍內(nèi)，巖體波速大于3200m/s，巖體呈互層-中厚層狀，部分為厚層狀，這應(yīng)受爆破開(kāi)挖影響，為過(guò)渡段。

（3）孔深5m以下時(shí)，巖體波速較普遍大于4000m/s，對(duì)應(yīng)巖體以厚層狀為主，部分呈中厚狀和互層狀，為正常原位狀態(tài)下巖體。

3.3 壩基復(fù)雜層狀巖體力學(xué)特性

砂巖、板巖及其互層組合巖體的變形試驗(yàn)及其配套聲波測(cè)試成果，及其關(guān)系曲線圖見(jiàn)（圖4）。

（1）弱下-新鮮巖體中，砂巖變形模量受加載方向影響較小，變形模量均較高，約10～16.5GPa;而薄層純板巖變形模量受加載方向影響較大，鉛垂方向加載時(shí)，其最小變形模量約5GPa，垂直層約4GPa，平行層面則可達(dá)10GPa[13];砂、板巖組合巖體變形模量普遍較高，以8～10GPa為主，并隨板巖含量的增加而降低，且當(dāng)板巖含量占比≥50%時(shí)，其變形模量變化較小，仍可達(dá)7GPa以上[14]，而壩基砂巖占比約在60%，則壩復(fù)雜層狀巖體也具有較高的變形模量，可達(dá)8GPa及以上。

（2）可研施工階段及全部巖體的變形模量與配套波速的回歸分析表明，各階段及全部試驗(yàn)變形模量與波速均具有較高的相關(guān)性，且當(dāng)波速為4000m/s時(shí)，全部數(shù)據(jù)變形模量回歸計(jì)算值約9.4GPa，施工階段變形模量計(jì)算值仍較高，約8.2GPa。

因此，弱下-微新復(fù)雜層狀原位巖體具有較高的變形模量，滿足規(guī)范對(duì)高混凝土壩建基巖體的抗變形要求[3]。

3.4建基巖體質(zhì)量分級(jí)

由于壩基弱下風(fēng)化以下復(fù)雜層狀原位巖體層間粘結(jié)性能較好，巖體結(jié)構(gòu)較完整、巖石（包括組合巖石）飽和單軸抗壓強(qiáng)度、巖體波速、變形模量均較高，建基巖體滿足規(guī)范要求。因此，巖體質(zhì)量分級(jí)主要考慮巖性、結(jié)構(gòu)及物理力學(xué)特性等主要因素，其分級(jí)見(jiàn)表3。

4河床建基巖體開(kāi)挖深度優(yōu)化研究

4.1建基巖體可利用標(biāo)準(zhǔn)及開(kāi)挖優(yōu)化方案

由于波速與巖體結(jié)構(gòu)、變形模量具有較好的對(duì)應(yīng)性，因此，對(duì)河床壩基巖體的質(zhì)量預(yù)測(cè)，主要通過(guò)鉆孔聲波波速的跟蹤測(cè)試，確定巖體質(zhì)量和變形模量，并以此確定能作為建基面的最佳位置。對(duì)于阿海電站河床壩基，當(dāng)壩高達(dá)到設(shè)計(jì)最大壩高138m時(shí)，應(yīng)以Ⅲ1類巖體（即巖體波速大于4000m/s，變形模量大于8GPa）作為壩基可利用巖體，并以此標(biāo)準(zhǔn)來(lái)確定建基面的位置。為此，清除河床覆蓋層后，在距原設(shè)計(jì)建基高程10m以上位置（約1382～1390m高程）布置了6條聲波測(cè)試剖面，共計(jì)36個(gè)優(yōu)化測(cè)試孔（圖5）。

4.2河床建基面開(kāi)挖深度優(yōu)化分析

為便于更直觀地反映優(yōu)化后建基巖體質(zhì)量，將36個(gè)優(yōu)化測(cè)試孔及施工鉆孔聲波測(cè)試成果轉(zhuǎn)化為波速鉆孔柱狀圖，如圖6所示（在此以9～10號(hào)壩段為例）。

（1）XZl剖面中，IV類和Ⅲ2類巖體的最低高程在XZ1-4號(hào)孔中1378.5m。在1378.5～1372m間各孔波速以大于4000m/s為主，巖級(jí)以II類和Ⅲ1，類為主，僅局部夾少許Ⅲ2類巖體，且全孔段平均波速約4360m/s，屬Ⅲ1類巖體，滿足建基巖體要求。

（2）XZ2剖面中，IV類巖體較集中出現(xiàn)的最低高程在XZ2-5號(hào)孔中的1378m，其余各孔在1382～1378m之間均存在較多IV類和Ⅲ2類巖體;而在1378～1372m之間各孔波速以大于4000m/s為主，巖級(jí)以II類和Ⅲ1類為主，僅局部夾少許Ⅲ2類巖體，且全孔段平均波速約4525m/s，達(dá)到Ⅲ1類巖體的上限值，滿足建基巖體的要求。

（3）XZ3剖面中，IV類巖體較集中出現(xiàn)的最低高程在XZ3-4號(hào)孔中的1375m，其次為XZ3-5號(hào)孔中的1377.3m，其余各孔在1377～1375m之間均無(wú)IV類巖體;而在1377～1372m之間各孔巖體波速仍以大于4000m/s為主，巖級(jí)以II類和Ⅲ1類為主，僅XZ3-4號(hào)孔中存在2m厚的IV類巖體，且輇孔段平均波速達(dá)到4305m/s，屬于Ⅲ1類巖體，滿足建基巖體的要求。

綜上可知，XZ1、XZ2剖面可以選用的建基面最高位置為1378m;XZ3剖面為1377m;若XZ3剖面也選用1378m，則只有XZ3-4號(hào)～XZ3-5號(hào)孔存在0.5～3m的較差巖體，但其周圍聲波孔在1378m以下均無(wú)較差巖體分布，故其較差巖體分布范圍很小。因此，綜合確定10號(hào)壩段可用建基面的最高位置為1378m，平均波速約4400m/s，屬較好的Ⅲ1類。同理，據(jù)圖7可確定其它壩段最高建基高程，其中11號(hào)壩段建基面最高為1382m，且1382～1372m之間巖體平均波速，約4760m/s，對(duì)應(yīng)巖級(jí)達(dá)到II級(jí);9號(hào)壩段分別以8號(hào)壩段1387m和10號(hào)壩段1378m為邊坡頂?shù)椎木徠旅妫ㄋ僖源笥?700m/s為主，對(duì)應(yīng)巖級(jí)達(dá)到II級(jí);12號(hào)壩段保持原坡比，以1382m為坡底，波速仍以大于4700m/s為主，僅表部存在部分低波速段，對(duì)應(yīng)巖級(jí)以II級(jí)為主。

4.3河床壩段最優(yōu)建基面工程開(kāi)挖方案分析

結(jié)合壩基波速柱狀圖及巖級(jí)綜合確定最優(yōu)建基面巖體的開(kāi)挖方案（圖7）。

（1）將10號(hào)和11號(hào)壩段建基面高程抬至1378m，9號(hào)和12號(hào)壩段坡比不變，可少挖約4.3萬(wàn)m3（圖7中1區(qū)），但需對(duì)局部低波速段巖體進(jìn)行清除或灌漿加固。

（2）在①的基礎(chǔ)上將11號(hào)壩段建基面抬高至1382m，9號(hào)和12號(hào)壩段坡比不變，亦可少挖約1.5萬(wàn)m3（圖7中2區(qū)）。

（3）在①和②的基礎(chǔ)上將9號(hào)壩段坡比由1：1.6變?yōu)?：2.67，亦可再少挖約0.3萬(wàn)m3（圖7中3區(qū)）。

因此，河床9～12號(hào)壩段共可減少壩基巖體開(kāi)挖量約6.1萬(wàn)m3，可節(jié)約混凝土方量6.1萬(wàn)m3以上，節(jié)約直接工程投資約3000余萬(wàn)元，并縮短工期，達(dá)到建基面優(yōu)化目的。

5結(jié)論

（1）在砂巖占比約60%的整個(gè)壩基巖體中，微新及以下砂巖、板巖及其組合以硬巖類為主。砂巖具各向向性，板巖及二者組合呈互層狀的巖石均具各向異性，且組合巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度隨板巖占比增加而降低，當(dāng)板巖占比約60%時(shí)，組合巖石為中硬巖，壩基巖體以堅(jiān)硬巖為主。

（2）復(fù)雜層狀巖基在原位狀態(tài)下各層間粘結(jié)緊密，層面效應(yīng)基本消失，巖體完整性大幅提高;而波速與巖體結(jié)構(gòu)、變形參數(shù)間具有很好的對(duì)應(yīng)性。

（3）建立以波速為主要指標(biāo)的巖體結(jié)構(gòu)和巖體質(zhì)量劃分方案，可利用鉆孔聲波柱狀圖較直觀地顯示出建基巖體質(zhì)量，判定巖體可利用性。

（4）基于聲波與巖體結(jié)構(gòu)、質(zhì)量及變形參數(shù)的預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)模型，將河床建基面的開(kāi)挖深度從1372m高程分別提高至1378m和1382m，可少挖巖基約6.1萬(wàn)m3，節(jié)約混凝土6.1萬(wàn)m3以上，節(jié)約直接工程投資約3000余萬(wàn)元，縮短了工期。

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Study on availability of complex layered foundation rock ofdams and excavation depth optimization

LI Tianpeng，WEI Wei，YANG Li，YANG Kajjie

（1.Hydro China Kunming Engineering Corporation，Kunming 65003，China;2.College of Architecture and Urban-Rural Planning，Sichuan Agricultural University，Chengdu 61 1830，China;3.Sichuan Engineering Technical College，Deyang 618000，China）

Abstract：The availability and excavation depth of dam foundation rock，which are of important research issues in the stage oftechnologically design and detailed constructional drawing，are related to the feasibility，rationality and economy of hydropowerprojects.Based on mechanical properties of different lithologies and their combinations，such as rock thickness，RQD value，wave velocity and large-scale in-situ deformation tests，we study the structural features and quality standards of complex layered foundation.Based on the wave velocity of rock，we established an evaluation model that could forecast structure，quality anddeformation parameters of rock mass.Besides，we have also determined the availability standards of complex layered rock andconducted a research to optimize the depth of excavation.The results show that for the entire dam base rock mass of which sandstone accounting for about 60%，slightly fresh or older complex layered sand-slate are characterized as hard rock;the leveleffect of rock disappears basically and its integrity is greatly improved.The wave velocity of rock is well corresponded to its structure，quality and deformation parameters.Based on the wave velocity of rock，we propose the availability standards of structuralfoundation rock.By these measures，the excavation depth of the riverbed structural foundation is reduced by 10 meters，which reduces excavation volume of rock foundation and quantity of concrete pouring and shortens the construction period.

Key words：complex layered rock mass;foundation plane;availability;excavation depth optimization;rock mass structure;rock mass quality