符新閣， 郭其峰， 楊金林

(黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司 地質(zhì)院,河南 鄭州 450003)

蘇阿皮蒂(Souapiti)水電站位于幾內(nèi)亞的西部[1],是孔庫(kù)雷河(Konkoure)梯級(jí)開(kāi)發(fā)中非常重要的一個(gè)梯級(jí)電站(圖1、照片1)，被譽(yù)為“西非三峽”[1]。蘇阿皮蒂水電站壩址位于流域中游河段,集水面積10 800 km2,多年平均流量328 m3/s。該電站設(shè)計(jì)校核洪水位213.56 m,正常蓄水位210 m,正常蓄水位對(duì)應(yīng)的總庫(kù)容約6.3×109m3,為大(1)型水庫(kù)。主要建筑物有碾壓混凝土重力壩、壩后廠房、泄水建筑及進(jìn)場(chǎng)公路橋梁等。壩頂高程215.5 m,最大壩高120.0 m,壩頂長(zhǎng)度1 164 m。水電站混凝土總量約360×104m3。

圖1 工程位置圖

照片1 工程全貌圖

1 區(qū)域地質(zhì)與庫(kù)區(qū)地質(zhì)

1.1 區(qū)域地質(zhì)

工程區(qū)位于西非克拉通西緣,幾內(nèi)亞沿海早古生界沉降區(qū)?；讕r性主要為前寒武紀(jì)的花崗巖和數(shù)百米厚的奧陶系砂巖、頁(yè)巖。受后期造山運(yùn)動(dòng)影響,砂巖和砂質(zhì)頁(yè)巖地層多次被基性巖漿巖侵入滲透。區(qū)域內(nèi)普遍發(fā)育厚度不一的風(fēng)化殼,風(fēng)化殼上部鐵質(zhì)結(jié)核豐富,頂部形成厚度不一的“鐵帽”。工程區(qū)尚未發(fā)現(xiàn)大斷裂通過(guò)。

工程區(qū)抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)采用國(guó)際大壩委員會(huì)推薦使用的DBE(設(shè)計(jì)基準(zhǔn)地震)和MCE(最大可信地震)指標(biāo)。通過(guò)收集工程區(qū)300 km內(nèi)地震事件,計(jì)算得到蘇阿皮蒂水利樞紐工程區(qū)MCE值為0.15g,DBE值為0.10g;庫(kù)壩區(qū)地震基本烈度按Ⅶ度考慮。

1.2 庫(kù)區(qū)地質(zhì)

水庫(kù)屬于河谷盆地型水庫(kù)。庫(kù)岸植被發(fā)育,岸坡度較緩。庫(kù)區(qū)下游基巖岸坡地層巖性主要為古生代輝綠巖、奧陶系砂巖和泥質(zhì)粉砂巖,上游基巖岸坡地層巖性主要為中粗砂巖;覆蓋層岸坡為殘坡積土,上部多含結(jié)核,局部形成鐵帽。庫(kù)區(qū)無(wú)大的城鎮(zhèn)，無(wú)大面積農(nóng)田,主要地質(zhì)問(wèn)題不突出,不再贅述。

2 壩址區(qū)工程地質(zhì)條件

2.1 地形地貌

工程區(qū)地貌上屬于低山丘陵區(qū)。河谷在壩址區(qū)近東西向展布。河谷相對(duì)開(kāi)闊,形態(tài)呈不對(duì)稱(chēng)的“U”形。河谷底寬200～350 m,其中河水面170～310 m。

2.2 地層巖性

壩址區(qū)出露地層巖性主要為古生代青灰色塊狀輝綠巖，奧陶系青灰色薄層與極薄層變質(zhì)砂巖、粉砂巖和第四系殘坡積、沖洪積物。依據(jù)揭露順序輝綠巖分為4層(H1、H2、H3、H4),砂巖、粉砂巖分為5層(S1、S2、S3、S4、S5)。輝綠巖和砂巖、粉砂巖呈類(lèi)互層近水平狀分布,輝綠巖為河床壩段壩基巖體,砂巖為兩岸壩段壩基巖體。第四系殘坡積物主要分布于兩岸谷坡,沖洪積物主要為分布于河道及淺灘處的漂石、卵石及少量礫石。殘坡積物分4層,分別為：①腐殖土;②鐵帽(由富集結(jié)核膠結(jié)而成);③含結(jié)核土;④輝綠巖殘積土及砂巖粉砂巖殘積土,殘坡積層剖面為西非典型剖面(圖2)。

圖2 壩址區(qū)壩軸線工程地質(zhì)剖面圖

2.3 地質(zhì)構(gòu)造

(1) 節(jié)理。壩址區(qū)主要發(fā)育3組優(yōu)勢(shì)節(jié)理：J1220°～260°∠70°～85°，J240°～70°∠75°～85°，J3280°～340°∠3°～5°。其中J1、J2為輝綠巖、砂巖共有,J3在輝綠巖內(nèi)發(fā)育,其產(chǎn)狀與砂巖層理基本一致。輝綠巖內(nèi)局部J1、J2表現(xiàn)為寬大裂隙。

(2) 斷層。工程區(qū)未發(fā)現(xiàn)大的斷層,小斷層較為發(fā)育,斷層傾向多為NWW向,傾角一般為80°～85°,斷層帶寬度一般為0.1～0.5 cm,帶寬最大為4 cm,斷距一般為3～5 cm,最大斷距10 cm。

(3) 緩傾結(jié)構(gòu)面。該工程特指輝綠巖巖體緩傾角結(jié)構(gòu)面。根據(jù)測(cè)繪資料,輝綠巖巖體緩傾角結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀一般為280°～340°∠1°～5°。緩傾角結(jié)構(gòu)面受風(fēng)化卸荷和水的影響,在強(qiáng)卸荷帶內(nèi),延續(xù)性很好,延展長(zhǎng)度一般>30 m,造成上部巖體多脫離母巖,緩傾角裂隙面連通率為100%;微風(fēng)化弱卸荷帶內(nèi),一般深度為3～10 m,延伸長(zhǎng)度一般為5～25 m,裂隙多閉合或微張,裂隙面多平直粗糙,見(jiàn)少量鈣膜充填,緩傾角裂隙面連通率為30%～50%,局部為50%～80%;微風(fēng)化微卸荷帶內(nèi),緩傾角延伸長(zhǎng)度一般為2～8 m,局部為10～20 m,裂隙多閉合,裂隙連通率一般為10%～30%,局部為30%～50%。

(4) 泥化夾層。在砂巖、粉砂巖巖體中發(fā)育泥化夾層。根據(jù)探洞資料,泥化夾層主要分布于泥質(zhì)粉砂巖與砂巖接觸面的頂、底面，延伸長(zhǎng)度一般為1.6～5.9 m,厚度一般為1～3 mm,最厚約5 mm。左岸揭露3條、右岸揭露5條泥化夾層,貫穿整個(gè)壩基;另有部分泥化夾層延伸長(zhǎng)度幾米—十幾米不等(照片2、照片3)。泥化夾層的分布、形狀、延續(xù)性、起伏性、充填物、物理力學(xué)性質(zhì)主要受軟巖分布和構(gòu)造剪切雙重控制。泥化夾層類(lèi)型為全泥型或泥夾碎屑型,粘粒平均含量約37.3%。泥化夾層的礦物成分以高嶺石、伊利石為主。

照片2 探洞PD01中軟弱夾層、泥化夾層

照片3 砂巖壩段開(kāi)挖揭露的泥化夾層

2.4 物理地質(zhì)現(xiàn)象

(1) 巖體風(fēng)化卸荷特征。壩基巖體主要是輝綠巖、砂巖和泥質(zhì)粉砂巖,其風(fēng)化與巖性及構(gòu)造關(guān)系密切。輝綠巖整體上巖石致密,抗風(fēng)化能力強(qiáng)，強(qiáng)風(fēng)化層厚度一般為幾毫米—幾厘米不等,強(qiáng)卸荷深度一般為5～7 m。砂巖和泥質(zhì)粉砂巖強(qiáng)風(fēng)化厚度一般為3.6～7.0 m,最大約49.3 m。砂巖中存在隔層風(fēng)化現(xiàn)象,強(qiáng)卸荷深度一般為10～15 m。

(2) 巖體水蝕穴。壩址區(qū)河床基巖裸露,河心島較發(fā)育,水流湍急。受水流急速?zèng)_刷影響,河床基巖(輝綠巖)受水流沖蝕明顯,形成的水蝕穴規(guī)模大小不一,形狀各異,多呈甕型或漏斗型,水下可見(jiàn)最大水蝕穴規(guī)模為3～5 m左右,深達(dá)1 m以上。水蝕穴影響壩址區(qū)巖體的完整性和巖體質(zhì)量。

2.5 水文地質(zhì)條件

(1) 地下水類(lèi)型。壩址區(qū)地下水類(lèi)型主要分為基巖裂隙水和第四系松散堆積層孔隙水兩種類(lèi)型。

(2) 巖土體透水性特征。根據(jù)壩址區(qū)鉆孔壓水試驗(yàn)資料，壩基巖體總體上屬于弱—微透水，但受節(jié)理裂隙影響處,巖體透水率較大。

(3) 水的腐蝕性?？辈斐晒@示,壩址區(qū)地表水(河水)和地下水對(duì)混凝土具有一般酸性弱腐蝕、重碳酸型中等腐蝕，而對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋具有微腐蝕性，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)具有弱腐蝕性。

3 壩基巖體工程地質(zhì)分類(lèi)

蘇阿皮蒂水電站壩基巖體主要為輝綠巖、砂巖與泥質(zhì)粉砂巖,壩基巖體工程地質(zhì)分類(lèi)采用以水利分類(lèi)法(GB 50487—2008)為主,RMR分類(lèi)法及GSI分類(lèi)法為輔的分類(lèi)方法。綜合巖體性質(zhì)、地質(zhì)構(gòu)造、巖體結(jié)構(gòu)、風(fēng)化卸荷、巖體強(qiáng)度等資料,將輝綠巖分為Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ三類(lèi),將砂巖、泥質(zhì)粉砂巖分為Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ三類(lèi),其中Ⅳ類(lèi)分為Ⅳ1、Ⅳ22個(gè)亞類(lèi)。分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1。

表1 壩基巖體工程地質(zhì)分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)

4 壩址區(qū)主要工程地質(zhì)問(wèn)題

4.1 壩基抗滑穩(wěn)定性

(1) 河床壩段。河床壩段壩基巖體為輝綠巖,輝綠巖巖體發(fā)育緩傾角軟弱結(jié)構(gòu)面,傾向?yàn)镹NE向,傾角為2°～3°,層厚一般為8～50 cm。上部結(jié)構(gòu)面多為碎屑夾泥型,下部逐漸變?yōu)闊o(wú)膠結(jié)硬性結(jié)構(gòu)面,連通性較好。緩傾角結(jié)構(gòu)面構(gòu)成控制性滑移面(圖3)。對(duì)于因多組結(jié)構(gòu)面組合導(dǎo)致的巖體破碎,施工時(shí)一般予以挖除;對(duì)于巖體較完整但緩傾角結(jié)構(gòu)面發(fā)育的壩段,通過(guò)抗滑穩(wěn)定計(jì)算選擇相應(yīng)的處理措施(如在適當(dāng)部位設(shè)置齒槽等)。根據(jù)壩基檢查孔資料,檢查孔揭露巖體破碎部位按照抗滑穩(wěn)定計(jì)算不通過(guò)的地方,設(shè)置齒槽進(jìn)行置換。

圖3 河床壩段緩傾角結(jié)構(gòu)面

(2) 左、右壩肩壩段。壩肩壩基巖體主要為砂巖和泥質(zhì)粉砂巖互層地層。砂巖、泥質(zhì)粉砂巖為薄層、極薄層狀,層理產(chǎn)狀為280°～340°∠1°～5°,平均間距約0.05～0.1 m,層理極發(fā)育,泥質(zhì)粉砂巖發(fā)育泥質(zhì)條帶。砂巖與泥質(zhì)粉砂巖接觸部位多見(jiàn)泥化夾層,泥化夾層具有明顯的水平錯(cuò)動(dòng)特征,厚度一般為0.5～5 cm,連續(xù)性好,產(chǎn)狀與層理面產(chǎn)狀一致。軟弱夾層(泥質(zhì)粉砂巖)軟化系數(shù)一般為0.30～0.75,具有遇水軟化、失水干縮的特征。砂巖和泥質(zhì)粉砂巖層理結(jié)構(gòu)面及泥化夾層為兩岸壩基巖體滑移的控制性結(jié)構(gòu)面[2]。為此,通過(guò)抗滑穩(wěn)定計(jì)算,不滿(mǎn)足規(guī)范要求采用齒槽進(jìn)行置換。

4.2 壩基、壩肩滲漏

根據(jù)鉆孔壓水試驗(yàn)資料，壩基、壩肩巖體整體上以弱透水和微透水為主。巖體透水性受節(jié)理裂隙控制,但總體表現(xiàn)為由地表向深部巖體透水性逐漸漸弱的趨勢(shì)。為防止壩基滲漏,降低揚(yáng)壓力,壩下設(shè)置兩道止水帷幕及兩排排水帷幕,壩肩帷幕向外延伸銜接地下水位。

4.3 壩基巖體強(qiáng)度及變形特性

河床壩基巖體主要為塊狀輝綠巖,質(zhì)地堅(jiān)硬,強(qiáng)度高。壩肩巖體為砂巖、粉砂巖,砂巖堅(jiān)硬,強(qiáng)度高；粉砂巖強(qiáng)度較低,且軟化系數(shù)偏高?？傮w而言,壩基巖體強(qiáng)度及變形性能滿(mǎn)足重力壩要求,但輝綠巖與砂巖、粉砂巖接觸壩段及寬大裂隙發(fā)育的輝綠巖壩段存在不均勻變形問(wèn)題,一般通過(guò)掏挖、回填及加筋處理。

4.4 邊坡穩(wěn)定性

(1) 河床基坑開(kāi)挖邊坡。河床基坑開(kāi)挖后,形成不同高度的臨時(shí)邊坡。臨時(shí)側(cè)向開(kāi)挖邊坡由覆蓋層和基巖巖體構(gòu)成,其中覆蓋層邊坡在雨水、外力擾動(dòng)下穩(wěn)定問(wèn)題較突出。由于河床基坑邊坡不高,不穩(wěn)定體一般不大。

(2) 壩肩邊坡。壩肩上部為覆蓋層邊坡,下部為基巖邊坡。在左岸基巖邊坡,砂巖、粉砂巖層理產(chǎn)狀為280°～340°1°～5°,層理傾向坡外,呈順向坡。輝綠巖發(fā)育緩傾角裂隙,與砂巖、粉砂巖層理基本一致,呈順向坡。砂巖、粉砂巖及輝綠巖皆發(fā)育2組陡傾裂隙。上述3組結(jié)構(gòu)面相互切割,易形成不穩(wěn)定楔形體。右岸邊坡基本上與左岸邊坡對(duì)稱(chēng)分布,左岸岸坡走向近東西向,基巖邊坡為逆向坡,整體上邊坡穩(wěn)定性相對(duì)右岸較好,但由于局部存在緩傾角裂隙,同樣可能出現(xiàn)楔形柱體破壞。對(duì)于覆蓋層邊坡,一般采用放緩坡比和植草處理;對(duì)于基巖邊坡一般采用系統(tǒng)、隨機(jī)錨桿及表面混凝土噴護(hù)處理。另外,邊坡上部作截水處理,邊坡上作排水處理。

(3) 右岸松散堆積體。近壩庫(kù)區(qū)右岸壩肩輝綠巖巖體發(fā)育一寬大裂隙,受地形影響,寬大裂隙兩側(cè)差異風(fēng)化明顯,靠河床側(cè)卸荷、風(fēng)化強(qiáng)烈形成深厚松散堆積體,物質(zhì)成分為含孤石殘坡積土[3]。該堆積體前緣高程為SMK200～210 m,后緣最高高程約SMK258 m,坡度約23°。沿高程線200 m處延伸長(zhǎng)度約280 m,面積約2.1×104m2。為節(jié)約開(kāi)挖方量,放坡較陡(約1∶1)。通過(guò)計(jì)算,堆積體現(xiàn)狀處于穩(wěn)定狀態(tài),但局部穩(wěn)定系數(shù)不滿(mǎn)足規(guī)范要求,設(shè)計(jì)采用加筋處理。

4.5 廠房工程地質(zhì)

(1) 基坑邊坡穩(wěn)定性?；娱_(kāi)挖后形成近50 m的高邊坡,其中巖質(zhì)邊坡高度約20 m,覆蓋層高度約30 m。對(duì)于覆蓋層邊坡,一般采用放緩坡比和植草處理;基巖邊坡一般采用系統(tǒng)、隨機(jī)錨桿及表面混凝土噴護(hù)處理。另外,邊坡上部作截水處理,邊坡上作排水處理。

(2) 基坑涌水。廠房建基面開(kāi)挖高程SMK90 m,比河水位及地下水低20.7～31.3 m,存在基坑涌水問(wèn)題。施工期涌水量不太大,處理順利。

4.6 副壩工程地質(zhì)

副壩位于河流左岸主壩上游約1.5 km,為主壩上游第一支溝與主壩下游第一支溝之間埡口處，埡口處沿兩支溝之間山脊最低高程約SMK213.0 m。設(shè)計(jì)壩高約5.0 m,為均質(zhì)土壩。壩址覆蓋層厚8～17 m,其下為輝綠巖。壩址覆蓋層剖面為西非典型剖面,由上至下分為4層：①腐殖土;②鐵帽;③含結(jié)核土;④殘積土。鐵帽強(qiáng)度高,弱透水;殘積土強(qiáng)度低,但埋深大;含結(jié)核土頂部局部出現(xiàn)強(qiáng)透水。壩基坐落于鐵帽層,經(jīng)分析計(jì)算,抗滑穩(wěn)定、滲透穩(wěn)定符合規(guī)范要求。

4.7 天然建筑材料

蘇阿皮蒂水電站大壩為重力壩,混凝土總量約360×104m3?？辈祀A段選定了1號(hào)石料場(chǎng)(左岸)和2號(hào)石料場(chǎng)(右岸),兩處料場(chǎng)均位于壩址下游,開(kāi)采條件較好,儲(chǔ)量和質(zhì)量均滿(mǎn)足規(guī)范要求。施工時(shí)選取1號(hào)石料場(chǎng),料場(chǎng)距大壩不足2 km,與砂石系統(tǒng)短距離銜接，有用料巖性為輝綠巖,質(zhì)量好、儲(chǔ)量足。

5 幾點(diǎn)思考

5.1 關(guān)于國(guó)際工程的特殊性

目前,國(guó)際工程具有特殊性,不可能像國(guó)內(nèi)一樣分階段步步推進(jìn),有些程序哪怕是必要的程序,要么簡(jiǎn)化，要么省略。前期時(shí)間緊迫,投入有限,很多風(fēng)險(xiǎn)沒(méi)有揭露;后期受合同周期限制,勘察建設(shè)周期往往比國(guó)內(nèi)緊湊得多,很多問(wèn)題在勘察階段來(lái)不及深入討論及思考,施工期又要求現(xiàn)場(chǎng)及時(shí)作出決斷。上述問(wèn)題倒逼工程師不但要具備較全面的經(jīng)典理論知識(shí),還要具有前瞻性、全面性的現(xiàn)場(chǎng)判斷能力，許多地質(zhì)情況不能做到定量化,但必須作出較全面的定性判斷,對(duì)大的地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)盡量做到充分估計(jì)。

5.2 水電工程地質(zhì)勘察的共性

地質(zhì)工作的直接對(duì)象是大自然,大自然同時(shí)又是工程對(duì)象。從工程角度看,工程建設(shè)不免存在安全、質(zhì)量及投資風(fēng)險(xiǎn)。水電工程相對(duì)其他工程來(lái)說(shuō),具有投資大、規(guī)模大、建設(shè)周期長(zhǎng)等特點(diǎn);相應(yīng)地,要求地質(zhì)勘察(設(shè)計(jì))工作分階段步步推進(jìn)。從工程建設(shè)角度看,地質(zhì)勘察工作就是一步步揭露風(fēng)險(xiǎn)的過(guò)程;從工程地質(zhì)角度看,地質(zhì)勘察工作就是建立模型、修正模型及預(yù)測(cè)模型的過(guò)程。

5.3 關(guān)于地質(zhì)問(wèn)題分類(lèi)評(píng)價(jià)

如前述,工程中不可避免地會(huì)存在這樣那樣的地質(zhì)問(wèn)題。這些地質(zhì)問(wèn)題性質(zhì)是不同的,總體上可以分為兩類(lèi),其一是安全問(wèn)題,如抗滑穩(wěn)定、邊坡穩(wěn)定等;其二是功能問(wèn)題,如滲漏等。不同的水工建筑面臨的問(wèn)題也不同,如擋水建筑物(大壩堤防)面臨的安全問(wèn)題伴隨勘察、施工和運(yùn)行全過(guò)程;輸水隧洞面臨的安全問(wèn)題主要在勘察、施工期,運(yùn)行期主要面臨功能問(wèn)題(即無(wú)法輸水)。兩類(lèi)地質(zhì)問(wèn)題性質(zhì)概念明確,性質(zhì)不同,應(yīng)區(qū)別對(duì)待。對(duì)于安全問(wèn)題,必須有紅線意識(shí)。安全問(wèn)題與功能問(wèn)題界線有時(shí)并不明確,且會(huì)互相轉(zhuǎn)化。要做精品工程,任何問(wèn)題都應(yīng)認(rèn)真對(duì)待,不但要保證工程安全,還要滿(mǎn)足功能要求，要有整體意識(shí),更要有工匠精神。

6 主要結(jié)論

(1) 蘇阿皮蒂水電站工程區(qū)區(qū)域穩(wěn)定性較好，工程區(qū)MCE值為0.15g,DBE值為0.10g，地震基本烈度按Ⅶ度考慮。

(2) 庫(kù)岸植被發(fā)育，岸坡度較緩，庫(kù)區(qū)主要地質(zhì)問(wèn)題不突出。

(3) 壩址區(qū)存在的工程地質(zhì)問(wèn)題為壩基抗滑穩(wěn)定性、壩基滲漏、壩基巖體變形及邊坡穩(wěn)定性等。在現(xiàn)有技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件下,這些問(wèn)題都可解決?？傊?修建高混凝土重力壩是適宜的。