牙根水電站拉裂松動(dòng)巖體的工程適宜性研究

胡耀飛， 沈軍輝， 聶德新

（1.成都理工大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院，四川 成都 610059;2.中國水電顧問集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院，四川 成都 610072）

1 基本地質(zhì)條件

牙根水電工程壩址區(qū)基巖為燕山早期茨瑪絨侵入體，巖體巖石類型簡單，由二長花崗巖組成，具似斑狀～中細(xì)粒半自形粒狀結(jié)構(gòu)，塊狀～片麻狀構(gòu)造，成分比較穩(wěn)定。花崗巖中除部分發(fā)育連續(xù)性較差的平緩構(gòu)造面外，變形構(gòu)造類型表現(xiàn)為脆性斷裂，但規(guī)模不大，以節(jié)理、小斷層和擠壓帶為主。巖石自身抗風(fēng)化的能力中等，巖體風(fēng)化以裂隙式風(fēng)化和夾層狀風(fēng)化為主要特點(diǎn)，巖石以弱風(fēng)化為主。兩岸岸坡巖體卸荷極不對稱，右岸巖體卸荷明顯強(qiáng)于左岸，右岸強(qiáng)卸荷最大深度為207 m，弱卸荷最大深度為216 m，左岸強(qiáng)、弱卸荷深度均在數(shù)十米以內(nèi)。

針對牙根壩址區(qū)右岸拉裂松動(dòng)巖體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出拉裂松動(dòng)巖體的定義：拉裂松動(dòng)巖體是指晚更新世以來，在外動(dòng)力地質(zhì)作用下，由于應(yīng)力調(diào)整，在特定的岸坡結(jié)構(gòu)的地質(zhì)背景下，巖體結(jié)構(gòu)面普遍張開，巖體強(qiáng)烈松弛，巖體密度顯著下降，巖體整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度急劇降低的一類具有特殊工程地質(zhì)性狀的巖體。壩區(qū)右岸分布三處拉裂松動(dòng)巖體 （見圖1）：1號(hào)拉裂松動(dòng)巖體主要分布于Ⅰ～Ⅴ勘線范圍內(nèi)，體積約808萬m3；2號(hào)拉裂松動(dòng)巖體主要分布于Ⅶ～Ⅹ勘線下游側(cè)約130 m，體積為400萬m3；3號(hào)拉裂松動(dòng)巖體分布于ⅩⅢ勘線PD55平硐附近，體積約為50 萬 m3。

2 拉裂松動(dòng)巖體的工程地質(zhì)特性

谷坡巖體的卸荷及重力場作用下的變形破裂方式受巖體結(jié)構(gòu)的控制。在河谷下切過程中，右岸拉裂松動(dòng) （松弛）巖體的變形破裂模式主要為：①沿緩傾角結(jié)構(gòu)面的差異回彈錯(cuò)動(dòng)；②中陡傾角結(jié)構(gòu)面的離面卸荷拉裂；③滑移剪張型；④蠕滑拉裂及滑移壓致拉裂型；⑤傾倒彎曲拉裂型；⑥滑移彎折型。

通過各種測試及綜合地質(zhì)分析，平硐揭示的拉裂松動(dòng)巖體有以下特點(diǎn)：①各方向結(jié)構(gòu)面均松弛張開，不僅順河向中、緩傾角結(jié)構(gòu)面普遍拉裂松動(dòng)，而且近橫河向結(jié)構(gòu)面也明顯拉裂松動(dòng)；②可見呈鋸齒狀或不規(guī)則狀新生拉裂撕裂現(xiàn)象；③部分順坡向拉裂結(jié)構(gòu)面顯示上盤下錯(cuò)現(xiàn)象，巖體內(nèi)見有因松動(dòng)壓剪產(chǎn)生的片狀碎屑，局部巖塊突點(diǎn)接觸處壓碎呈粉末狀；④作為部分底界面的f5-1和f1-6緩傾坡外的小斷層帶內(nèi)物質(zhì)被壓剪擠入上盤裂隙內(nèi)，局部可見石英脈體強(qiáng)烈擾動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)跡象；⑤拉裂松動(dòng)巖體內(nèi)裂面多無泥充填，巖體干燥，地下水不活躍。

鉆孔揭示的拉裂松動(dòng)巖體有以下特點(diǎn)：①拉裂松動(dòng)巖體巖芯呈碎塊狀為主，局部碎片狀，巖芯RQD多小于15%，表明松動(dòng)巖體內(nèi)局部存在相對較大的巖塊；②松動(dòng)巖體處于弱風(fēng)化上段及下段內(nèi)；③壓水試驗(yàn)不起壓，強(qiáng)烈漏水；④孔內(nèi)局部出現(xiàn)掉鉆現(xiàn)象，且一般掉鉆深度在數(shù)cm以內(nèi)；⑤鉆孔聲波縱波速Vp多小于2 000 m/s，且表部因漏水強(qiáng)烈多無測試資料。

從國內(nèi)各水電工程巖體分類來看，Ⅴ2類巖體一般多指構(gòu)造帶及其影響帶。結(jié)合本工程巖體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，綜合分析聲波測試、錘擊法地震連續(xù)波、地震層析成像、巖體氡氣測試等成果，將拉裂松動(dòng)巖體劃分為Ⅴ2類巖體，與規(guī)范規(guī)定的巖體特性部分吻合，與一般的壩基巖體分類差別明顯，從而形成了牙根水電站的特殊巖類。拉裂松動(dòng)巖體對工程的適宜性是本工程重大的工程地質(zhì)問題。

圖1 牙根水電站右岸拉裂松動(dòng)巖體分布

3 拉裂松動(dòng)巖體對工程的適宜性

針對拉裂松動(dòng)巖體這一特殊巖體的工程適宜性分析結(jié)果如下：

（1）拉裂松動(dòng)巖體僅分布于右岸，不連續(xù)分布，主要發(fā)育在強(qiáng)卸荷帶淺表部，且以1、2號(hào)規(guī)模為大。其中1、2號(hào)拉裂松動(dòng)巖體之間間距為200～350 m，兩者間巖體主要為強(qiáng)卸荷上段巖體 （Ⅳ類巖體），水平深度為45～130 m；3號(hào)拉裂松動(dòng)巖體僅分布在高程2 550～2 680 m的淺表地帶，強(qiáng)卸荷上段巖體（Ⅳ類巖體）水平深度為14～85 m。

（2）針對壩址區(qū)右岸特殊巖類的分布，選擇了大壩及主要建筑物以避讓或基本避讓拉裂松動(dòng)巖體的原則進(jìn)行樞紐布置。因此，初步將壩軸線布置在2號(hào)拉裂松動(dòng)巖體的下游區(qū)域，將1、2號(hào)拉裂松動(dòng)巖體置于壩前。而對大壩可能涉及的小規(guī)模的3號(hào)拉裂松動(dòng)巖體，因其體積不大，采取全部挖除的工程措施。

（3）結(jié)合壩址區(qū)各剖面可能的滑移模式，采用摩根斯坦-普萊斯法來計(jì)算各個(gè)剖面在各種工況下的穩(wěn)定安全系數(shù)，見圖2～4（以橫Ⅳ勘線為例）。1、2號(hào)拉裂松動(dòng)巖體，在未開挖 （原始）工況下，穩(wěn)定安全系數(shù)為1.067，處于基本穩(wěn)定狀態(tài)；但在 “天然＋暴雨工況”、蓄水工況、 “蓄水＋暴雨工況”和水位驟降工況下，穩(wěn)定安全系數(shù)分別為0.957、0.939、0.915、0.910，局部可能出現(xiàn)失穩(wěn)，為潛在不穩(wěn)定狀態(tài)；在地震工況下穩(wěn)定安全系數(shù)為0.829，容易失穩(wěn)。而在開挖蓄水工況下，穩(wěn)定安全系數(shù)在1.272～1.530之間，處于穩(wěn)定狀態(tài)，且在坡腳處的坡度較緩的沖積層處安全系數(shù)也達(dá)1.160，說明該剖面總體處于穩(wěn)定狀態(tài)；但在開挖蓄水并疊加地震力作用下，穩(wěn)定安全系數(shù)在0.928～1.253之間，局部處于潛在不穩(wěn)定狀態(tài)，且表現(xiàn)為表部有失穩(wěn)的可能。綜合壩址區(qū)其他各剖面的穩(wěn)定性分析成果表明，地震力對拉裂松動(dòng)巖體的穩(wěn)定性起控制作用，為保證壩前1、2號(hào)拉裂松動(dòng)巖體的穩(wěn)定，必須采取適宜工程措施。采取削坡減載的同時(shí)，加強(qiáng)支護(hù)，確保拉裂松動(dòng)巖體的穩(wěn)定性，并將工程處理后的開挖料作為堆石料及混凝土骨料加以綜合利用。

圖2 拉裂松動(dòng)巖體未處理工況下穩(wěn)定性分析

（4）通過工程處理后，壩前1、2號(hào)拉裂松動(dòng)巖體可以保持穩(wěn)定狀態(tài)，可滿足規(guī)范要求。考慮到拉裂松動(dòng)巖體的特殊性，大壩布置在2號(hào)拉裂松動(dòng)巖體的下游區(qū)域是為了充分適應(yīng)壩區(qū)的地質(zhì)條件的最適宜的工程布置格局。本工程將導(dǎo)流洞、引水洞、大型地下廠房全部布置于左岸，對面板壩壩型則由于左岸地形的限制，右岸布置了開敞式溢洪道，僅在溢洪道閘室段發(fā)育3號(hào)拉裂松動(dòng)巖體，因其體積不大，全部挖除；而對于重力壩壩型則通過壩身泄洪，右岸除大壩右壩肩外無其他工程布置。

圖3 拉裂松動(dòng)巖體開挖后蓄水工況下穩(wěn)定性分析

圖4 拉裂松動(dòng)巖體開挖后地震工況下穩(wěn)定性分析

4 結(jié)論

雅礱江牙根水電站壩址區(qū)右岸發(fā)育的三處拉裂松動(dòng)巖體是本工程成立與否的關(guān)鍵的工程地質(zhì)問題。通過本文的分析，主要有以下結(jié)論：

（1）水電水利工程中Ⅴ2類巖體一般多指構(gòu)造帶及其影響帶，本工程對拉裂松動(dòng)巖體巖類的劃分，有別于水電水利工程的壩基巖體分類，從而形成了本工程巖體劃分的特色。

（2）結(jié)合壩址區(qū)右岸拉裂松動(dòng)巖體的分布特點(diǎn)，以避讓或基本避讓拉裂松動(dòng)巖體的原則進(jìn)行樞紐布置，將1、2號(hào)拉裂松動(dòng)巖體置于壩前，壩軸線布置在2號(hào)拉裂松動(dòng)巖體的下游區(qū)域。該區(qū)域僅發(fā)育有小規(guī)模的3號(hào)拉裂松動(dòng)巖體，且分布于近壩頂以上的區(qū)域，工程上全部挖除。

（3）壩址區(qū)各剖面拉裂松動(dòng)巖體穩(wěn)定性分析表明，地震力為控制壩前拉裂松動(dòng)巖體穩(wěn)定的關(guān)鍵因素。為保證壩前1、2號(hào)拉裂松動(dòng)巖體的穩(wěn)定，采取削坡減載措施的同時(shí)加強(qiáng)支護(hù)，尤其是加強(qiáng)開挖后坡的支護(hù)以及坡面表部未開挖的拉裂松動(dòng)巖體的支護(hù)，并將工程處理后的開挖料作為堆石料及混凝土骨料加以綜合利用。

（4）為適應(yīng)右岸發(fā)育拉裂松動(dòng)巖體的特殊地質(zhì)條件，本工程將導(dǎo)流洞、引水洞、大型地下廠房全部布置于左岸。重力壩由于壩身泄洪，右岸除大壩右壩肩外無其他工程布置；而面板壩則由于左岸地形的限制，右岸布置了開敞式溢洪道，僅在溢洪道閘室段發(fā)育3號(hào)拉裂松動(dòng)巖體，而泄槽段沒有拉裂松動(dòng)巖體發(fā)育。這兩種樞紐布置方案均是結(jié)合本工程特色的最適宜的工程布置格局。

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