李天鵬　魏偉　楊莉　楊凱杰

建筑與城鄉(xiāng)規(guī)劃學院，四川成都611830;3.四川工程職業(yè)技術學院，四川德陽618000）

摘要：建基巖體的可利用性及開挖深度關系到水電站工程的可行性、合理性及經(jīng)濟性等，是技施階段重要研究內(nèi)容之一。基于對壩基不同巖性及其組合的巖石力學特性試驗、巖層厚度、RQD值、波速測試及配套的現(xiàn)場大型變形試驗等，研究了復雜層狀建基巖體的結構特征和質(zhì)量標準，并基于巖體波速建立巖體結構、巖體質(zhì)量及變形參數(shù)的預測評價模型，確定了復雜層狀巖體的可利用性標準，并對開挖深度進行了優(yōu)化研究。結果表明：在砂巖類占比約60%的整個壩基巖體中，微新及以下復雜層狀砂板巖以堅硬巖為主，且原位狀態(tài)下巖體層面效應基本消失，完整性大幅提高;巖體波速與巖體結構、巖體質(zhì)量及變形參數(shù)間具有很好的對應性;基于巖體波速建立了建基巖體利用標準，并將河床建基面開挖深度整體抬高約10m，減少了巖基開挖和混凝土澆筑量并縮短了工期。

關鍵詞：復雜層狀巖體;建基面;可利用性;開挖深度優(yōu)化;巖體結構;巖體質(zhì)量

中圖法分類號：P642

文獻標志碼：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-基礎聯(lián)合作用的形式來完成擋水任務，亦將各類合力傳遞給巖基，這要求基巖應具有足夠強度、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)構造、地下水、風化、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挖深度難以確定。雖然開挖深度越深，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，亦可導致壩基回彈變形和高邊坡穩(wěn)定、增加建設工期及投資成本等問題。因此，如何在保證工程安全的前提下，充分利用壩基巖體，減少開挖深度、施工工期及投資成本等已成為水電設計中研究的重要問題。

在國內(nèi)，建基巖體的可利用性及建基面選擇評價指標以風化程度和巖體質(zhì)量為主[1-5]，國外則更強調(diào)基礎處理和加固后滿足設計要求[4-7]。張勇[4]、黃春華等[8]通過對施工風鉆孔縱波測試及試驗、地質(zhì)模型構建等基礎上，基于聲波與巖體質(zhì)量及力學參數(shù)的預測評價模型，建立巖基的可利用標準，并對壩基開挖深度進行了優(yōu)化，顯示出了較好的經(jīng)濟性與實用性;王仁坤在建立壩基巖體力學與損傷模型、地基加固理論等基礎上[5，9]，通過數(shù)值計算模型與地質(zhì)力學模型對特高拱壩建基面嵌深進行了優(yōu)化研究，亦從工期及造價方面進行了對比分析;王文杰[10]、鄒浩等[11]通過建立數(shù)值計算模型對建基面進行了優(yōu)化設計;陳志堅等[12]通過巖級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，而對于薄層-互層狀軟硬相間巖體為主的可利用性則較少，國內(nèi)主要見于阿海、卡拉、烏弄龍等水電站中[13-14]。

因此，本文針對以薄層-互層狀砂、板巖為建基巖體的阿海水電站，通過對建基巖體的巖性、結構特性、巖石（體）力學特性等研究，對河床壩段建基巖體的可利用性及開挖深度進行了優(yōu)化，此舉減少了基巖開挖量及混凝土方量均約6.1萬m3[15]，節(jié)約直接工程投資約3000余萬元，并縮短了工期。目前，阿海水電站運行正常，表明建基巖體及開挖深度優(yōu)化研究方案的科學合理性，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準及優(yōu)化設計提供理論依據(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，其中最大設計壩高138m，正常蓄水位1504m，電站裝機容量2000MW，總庫容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個壩段，其中9～12號壩段為河床壩段，其沖積層厚5～20m，下覆基巖為互層狀微風化-新鮮的砂、板巖，且?guī)r性相對均一，巖石強度較高，巖層層間結合緊密，RQD值一般為40%～60%，部分達70%，巖體完整性較好;擬定1372m高程微風化-新鮮Ⅲ類巖體為河床壩段建基面，開挖深度為基巖面下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復雜層狀巖體工程地質(zhì)特性

3.1巖石強度特性及組合特征

壩址區(qū)砂巖為長石石英細砂巖和粉砂巖，板巖為含炭質(zhì)、鈣質(zhì)板巖。考慮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度試驗時分別讓加載方向與層面垂直、平行和45°方向加載，成果見表1[16]。從表1中可知：砂巖近似為均質(zhì)體，為堅硬巖;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）時飽和單軸抗壓強度較低為較軟巖外，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度較低，并隨板巖含量的增加而逐漸降低。

對壩基巖性比例的精細量測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硬巖為主的互層狀砂、板巖，基本滿足規(guī)范對高壩壩基巖性強度之要求[1-3]。

3.2壩基復雜層狀巖體結構研究

3.2.1復雜層狀巖體結構特征及劃分方案

壩基巖體巖層層面為主要結構面，層厚小于10cm的薄層狀巖體約占整個壩基的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，壩基巖體結構以薄層-互層狀為主。

另據(jù)鉆孔資料顯示，壩巖層狀巖體受風化影響，在強-弱上風化段，鉆孔巖石質(zhì)量RQD值在30%～50%間，其對應巖體結構為互層狀巖體。在進入弱下及以下后，RQD值均在65%～90%之間，其對應巖體結構為中厚-厚層狀巖體，這也表明弱下及以下互層狀砂巖、板巖的層間效應減弱（圖2），多數(shù)層面表現(xiàn)為類似“紋理構造”[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，對應巖體結構為中厚-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，弱風化及以下各巖層之間粘結十分緊密，層面效應基本消失，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度之因。因此，壩基巖體結構劃分主要指標應為波速和RQD，其劃分方案見表2。

3.2.2河床壩段巖體結構

將河床壩段施工潛孔鉆聲波測試成果轉(zhuǎn)化為波速鉆孔柱狀圖（見圖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，這應與爆破開挖有關。

（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，這應受爆破開挖影響，為過渡段。

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

3.3 壩基復雜層狀巖體力學特性

砂巖、板巖及其互層組合巖體的變形試驗及其配套聲波測試成果，及其關系曲線圖見（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，其最小變形模量約5GPa，垂直層約4GPa，平行層面則可達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，且當板巖含量占比≥50%時，其變形模量變化較小，仍可達7GPa以上[14]，而壩基砂巖占比約在60%，則壩復雜層狀巖體也具有較高的變形模量，可達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，各階段及全部試驗變形模量與波速均具有較高的相關性，且當波速為4000m/s時，全部數(shù)據(jù)變形模量回歸計算值約9.4GPa，施工階段變形模量計算值仍較高，約8.2GPa。

因此，弱下-微新復雜層狀原位巖體具有較高的變形模量，滿足規(guī)范對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

由于壩基弱下風化以下復雜層狀原位巖體層間粘結性能較好，巖體結構較完整、巖石（包括組合巖石）飽和單軸抗壓強度、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)量分級主要考慮巖性、結構及物理力學特性等主要因素，其分級見表3。

4河床建基巖體開挖深度優(yōu)化研究

4.1建基巖體可利用標準及開挖優(yōu)化方案

由于波速與巖體結構、變形模量具有較好的對應性，因此，對河床壩基巖體的質(zhì)量預測，主要通過鉆孔聲波波速的跟蹤測試，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。對于阿海電站河床壩基，當壩高達到設計最大壩高138m時，應以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，并以此標準來確定建基面的位置。為此，清除河床覆蓋層后，在距原設計建基高程10m以上位置（約1382～1390m高程）布置了6條聲波測試剖面，共計36個優(yōu)化測試孔（圖5）。

4.2河床建基面開挖深度優(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個優(yōu)化測試孔及施工鉆孔聲波測試成果轉(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號孔中1378.5m。在1378.5～1372m間各孔波速以大于4000m/s為主，巖級以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號孔中的1375m，其次為XZ3-5號孔中的1377.3m，其余各孔在1377～1375m之間均無IV類巖體;而在1377～1372m之間各孔巖體波速仍以大于4000m/s為主，巖級以II類和Ⅲ1類為主，僅XZ3-4號孔中存在2m厚的IV類巖體，且輇孔段平均波速達到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～XZ3-5號孔存在0.5～3m的較差巖體，但其周圍聲波孔在1378m以下均無較差巖體分布，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號壩段建基面最高為1382m，且1382～1372m之間巖體平均波速，約4760m/s，對應巖級達到II級;9號壩段分別以8號壩段1387m和10號壩段1378m為邊坡頂?shù)椎木徠旅?，波速以大?700m/s為主，對應巖級達到II級;12號壩段保持原坡比，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，對應巖級以II級為主。

4.3河床壩段最優(yōu)建基面工程開挖方案分析

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

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

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

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

因此，河床9～12號壩段共可減少壩基巖體開挖量約6.1萬m3，可節(jié)約混凝土方量6.1萬m3以上，節(jié)約直接工程投資約3000余萬元，并縮短工期，達到建基面優(yōu)化目的。

5結論

（1）在砂巖占比約60%的整個壩基巖體中，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度隨板巖占比增加而降低，當板巖占比約60%時，組合巖石為中硬巖，壩基巖體以堅硬巖為主。

（2）復雜層狀巖基在原位狀態(tài)下各層間粘結緊密，層面效應基本消失，巖體完整性大幅提高;而波速與巖體結構、變形參數(shù)間具有很好的對應性。

（3）建立以波速為主要指標的巖體結構和巖體質(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）基于聲波與巖體結構、質(zhì)量及變形參數(shù)的預測評價模型，將河床建基面的開挖深度從1372m高程分別提高至1378m和1382m，可少挖巖基約6.1萬m3，節(jié)約混凝土6.1萬m3以上，節(jié)約直接工程投資約3000余萬元，縮短了工期。

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引用本文：李天鵬，魏偉，楊莉，楊凱杰.復雜層狀建基巖體可利用性及開挖深度優(yōu)化研究[J].人民長江，2019，50（3）：166-171.

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