某水電站特高混凝土重力壩建基面選擇

楊友剛, 鄧爭榮, 吳樹良, 張少鋒, 程方權, 尹　衛

(長江巖土工程總公司(武漢),湖北 武漢　430010)

0　引言

水電工程建設中對混凝土重力高壩而言,理想的建基巖體為Ⅰ類或Ⅱ類巖體[1]。但隨著水電開發的不斷推進,除已建和在建的水電站工程外,在水能資源蘊藏豐富的大江大河上進行可開發的水電工程,建設混凝土高壩,特別是200 m級及以上的混凝土特高壩,選擇既技術可行、又經濟合理的理想建基巖體的壩址愈加困難。

某水電站水庫總庫容約398億m3,電站裝機容量7 000 MW,為Ⅰ等大(1)型工程。樞紐工程由擋水建筑物、泄洪建筑物、引水發電系統等主要建筑物組成,其中,擋水建筑物設計為碾壓混凝土重力壩,設計壩頂高程401 m,最大壩高241 m,兩岸為非溢流壩段,中部河床部位為溢流壩段。由于該水電站壩址區工程地質條件復雜,建壩巖體受溶蝕風化、卸荷作用等因素影響,Ⅱ類巖體埋深大,利用其作為大壩建基巖體,雖然技術上更安全可靠,但是經濟上不甚合理。因此,能否利用Ⅲ類巖體,以及如何利用Ⅲ類巖體,選擇合適可行的大壩建基面,是本水電站工程需解決的重點關鍵技術問題之一。文中主要敘述建壩巖體地質特征、壩基巖體工程地質分類及主要物理力學性質、大壩建基面選擇,研究成果可供類似工程參考。

1　工程地質概況

某水電站場址處于區域構造穩定性相對較好地區,近場區及場址區無活動斷裂通過。工程場址50年超越概率10%基巖水平地震動峰值加速度為145.4 cm/s2,場址區地震基本烈度為Ⅶ度。

壩址區屬于構造剝蝕中低山、河流侵蝕及局部巖溶地貌區,主干河流S江自NW-NNW流向SSE,與基巖地層走向近于正交,屬橫向河谷。河谷呈較狹窄的“V”型,岸坡地形陡峻,兩岸臨江坡頂高程550～600 m,河床高程188～228 m,枯水位211 m左右。

壩址區零散分布第四系崩(坡)積層、殘坡積層和沖積層,其中第四系崩(坡)積層、殘坡積層分布于岸坡,崩(坡)積層厚度5～40 m；殘坡積層厚度3～10 m；第四系沖積層分布于河床,厚度15～32 m。基巖地層為古生界石炭系下統(C1s)淺變質巖,主要為變質碳酸鹽巖,相間分布板巖、變質砂巖等變質碎屑巖。碳酸鹽巖為結晶灰巖夾大理巖,多呈薄層夾中厚層。

基巖地層總體走向40°～70°,傾向SE(下游),傾角以50°～85°為主,低高程部位傾角陡,高高程部位傾角變緩。主要構造形跡為斷層(含層間擠壓構造帶、裂隙性斷層)和裂隙。

建壩巖體為結晶灰巖夾大理巖,屬可溶巖。地表巖溶主要表現為溶溝、溶槽、溶縫、巖溶漏斗等,地下巖溶形態主要表現為溶縫(隙),尚未發現大規模巖溶系統。巖溶(溶蝕)強度總體上弱—中等,局部溶蝕較強。巖體溶蝕風化程度總體上可劃分為強溶蝕、中等溶蝕、弱溶蝕、微溶蝕。可溶巖強溶蝕巖體鉛直厚度及水平深度<10 m；中等溶蝕巖體鉛直厚度<30 m；弱溶蝕巖體下限岸坡鉛直深度一般<185 m、河床鉛直深度一般<60 m。

壩址區地下水按賦存條件可劃分為孔隙水和基巖裂隙水,主要接受大氣降水的補給,以孔隙、裂隙及巖溶縫隙為徑流通道向溝谷和S江河床運移,最終向S江排泄。基巖巖層中,變質碳酸鹽巖層為相對透水層,變質碎屑巖層為相對隔水層,且相間分布,屬橫向河谷層狀水文地質結構。相對隔水層兩岸地下水埋深相對較淺,一般<55 m,相對透水層巖體地下水在其各自層間運移、排泄的通道順暢,地下水位低平,埋深大。

壩址區河谷為狹窄橫向谷,兩岸岸坡地形陡峻,碳酸鹽巖巖體卸荷作用明顯。根據其卸荷程度,將其劃分強卸荷帶、弱卸荷帶,其中弱卸荷帶可進一步劃分為弱卸荷上帶、弱卸荷下帶。強卸荷帶水平深度一般15～40 m；弱卸荷上帶水平深度一般50～85 m；弱卸荷下帶水平深度一般65～110 m。

2　建壩巖體地質特征

建壩巖體為薄層夾中厚層結晶灰巖夾大理巖[2-3],巖層陡傾下游,壩址可利用建壩層位水平寬度400～500 m,能滿足大壩方案布置需要。但河谷岸坡地形陡峻,建壩巖體卸荷拉張作用明顯,加之屬可溶巖,巖體溶蝕風化作用明顯。巖體受到溶蝕風化及卸荷等影響后,巖體強度降低,抗變形能力減弱,完整程度變差。以下重點論述建壩巖體溶蝕風化及卸荷特征。

2.1　溶蝕風化特征

建壩巖體風化主要表現為溶蝕風化,巖溶的發育受巖性及結構面影響明顯,總體上大理巖的溶蝕程度強于結晶灰巖；巖溶發育的方向主要受層面及構造結構面控制；巖溶發育強度總體上由淺部向深部逐漸減弱，由近岸向遠岸深部逐漸減弱。根據地表調查、鉆孔及勘探平洞揭露可溶巖裂隙溶蝕率、溶蝕結構面間距、溶蝕寬度、巖體波速、透水率等,將建壩巖體溶蝕風化程度劃分為強溶蝕、中等溶蝕、弱溶蝕及微溶蝕[4-6],其工程地質特征見表1。鉆孔及平洞揭示不同溶蝕風化程度巖體主要指標特征見表2。

表1　建壩巖體溶蝕風化程度劃分工程地質特征

表2　建壩巖體溶蝕風化程度鉆孔、平洞主要指標特征

由表可知,建壩巖體微溶蝕埋深較大,弱溶蝕巖體比微溶蝕巖體RQD、縱波速明顯降低,且其裂隙溶蝕率明顯提高,溶蝕結構面間距明顯變小,透水率明顯增大。綜合分析認為,建壩巖體巖溶(溶蝕)強度總體上弱—中等,局部溶蝕較強。

2.2　卸荷特征

壩址河谷岸坡地形陡峻,建壩巖體卸荷作用明顯。根據地表調查、鉆孔及勘探平洞揭露的卸荷巖體中順坡向結構面間距、卸荷裂隙間距、巖體塊度、巖體聲波縱波速、透水性等,可將建壩谷坡巖體劃分為強卸荷帶、弱卸荷帶,其中弱卸荷帶可進一步劃分為弱卸荷上帶、弱卸荷下帶。其巖體卸荷帶劃分工程地質特征見表3。根據平洞、鉆孔及物探資料綜合分析,建壩谷坡巖體卸荷帶平洞、鉆孔主要指標特征見表4。

表3　建壩谷坡巖體卸荷帶劃分工程地質特征

表4　建壩谷坡巖體卸荷帶平洞、鉆孔主要指標特征統計

由表可知,建壩谷坡巖體卸荷帶水平埋深較大,卸荷帶巖體較未卸荷巖體RQD、聲波縱波速值明顯降低,且其順坡向結構面間距、巖體塊度明顯減小,透水率明顯增大。建壩谷坡巖體卸荷水平深度具備隨高程降低而減小的變化特征,但地形兩面臨空的谷坡部位其水平深度會相對增大。

根據勘探及試驗研究,建壩巖體受溶蝕風化及卸荷作用影響后,巖石飽和單軸抗壓強度25～65 MPa,以中硬巖為主,巖體縱波速2 800～5 000 m/s,巖體主要呈薄層夾中厚層狀結構,結構面中等發育、局部發育,巖體完整性系數0.35～0.72。巖體的溶蝕風化及卸荷皆具有隨深度(鉛直深度或水平深度)增大而明顯減弱的趨勢,亦即其巖石強度、工程性狀分別隨深度增加而提高、變好。根據鉆孔、平洞等勘探揭示,受溶蝕風化和卸荷作用影響較小或未受影響的巖體,鉛直埋深較大,左岸岸坡部位74～173 m，河床部位40～75 m，右岸岸坡部位62～185 m。

3　壩基巖體工程地質分類及主要物理力學性質

3.1　工程地質分類

根據本水電站建壩巖體溶蝕風化、卸荷特征,并結合巖石(體)物理力學性質、巖體完整程度、結構面狀況等,對壩基巖體進行工程地質分類,分類原則為[5-6]：

(1)岸坡部位：強卸荷帶巖體及中等溶蝕巖體為ⅣB類；弱卸荷上帶巖體為Ⅲ2B類；弱溶蝕巖體埋深一般比弱卸荷帶下限埋深大,弱卸荷下帶及弱溶蝕巖體為Ⅲ1B類；微溶蝕且受弱卸荷影響巖體為Ⅲ1A類；微(未)溶蝕且未卸荷巖體為ⅡA類。

(2)河床部位：河床部位巖體主要受溶蝕風化影響,淺表弱溶蝕偏中等溶蝕程度巖體為Ⅲ1B類,以下弱溶蝕巖體為Ⅲ1A類,微(未)溶蝕巖體為ⅡA類。

(3)巖體中局部存在囊狀溶蝕風化加強現象,主要呈中等溶蝕程度,將其巖體類別劃分為ⅣB類。

壩基巖體工程地質分類特征見表5。

3.2　主要物理力學性質

按照壩基巖體工程地質分類,以室內巖石物理力學性質試驗成果、巖體及結構面現場原位力學性質試驗成果為基礎,據工程地質類比,將壩基巖體主要物理力學性質參數建議值列于表6。

表5　壩基巖體工程地質分類特征

表6　壩基巖體工程地質類別及主要物理力學性質參數建議值

4　大壩建基面選擇

在工程實踐中,就巖體本身而言,建基面選擇需實際考慮的因素比較單一,比如建基巖體卸荷作用不明顯,主要考慮巖體風化,或者巖體風化作用弱,主要考慮巖體卸荷等情況,大壩建基巖體的選擇相對簡單且更容易。然而,該水電站建壩巖體溶蝕風化及卸荷作用均明顯,且微(未)溶蝕及未卸荷巖體埋深皆大,因此,必須將此兩因素同時考慮,彼此兼顧,才能選擇合適可行的大壩建基面。

根據對建壩巖體溶蝕風化、卸荷特征研究及壩基巖體工程地質分類,并結合大壩工程要求、技術經濟等綜合分析,對該水電站大壩建基面選擇認識如下：

(1)微(未)溶蝕且未卸荷ⅡA類巖體,是本特高混凝土重力壩理想的建基巖體,但是,該類巖體埋深大,左岸岸坡部位74～173 m、河床部位40～75 m、右岸岸坡部位62～185 m。利用該類巖體作為建基巖體,雖然技術上更安全可靠,但是經濟上不甚合理,因此,研究受溶蝕風化及卸荷作用影響的Ⅲ類巖體的利用問題,并選擇合適可行的大壩建基面,是本工程需解決的重點關鍵技術問題之一。

(2)根據不同類別巖體對不同壩高的適宜性,弱卸荷下帶及岸坡部位弱溶蝕Ⅲ1B類為主巖體、河床部位Ⅲ1A類巖體可以作為大壩建基巖體,但需考慮基礎加固處理措施。

(3)對于壩高相對較小的部位,岸坡弱卸荷上帶和淺表弱溶蝕下部Ⅲ2B類巖體,經基礎加固處理后,可考慮予以利用。

(4)岸坡強卸荷帶和中等溶蝕ⅣB類巖體,不宜作為大壩建基巖體。

(5)大壩建基Ⅲ類巖體中局部分布的透鏡狀中等溶蝕ⅣB類巖體,對大壩變形等不利,需采取掏挖置換混凝土等工程處理措施。

大壩設計壩頂高程401 m,最大壩高241 m。根據以上大壩建基面選擇認識,結合大壩工程要求和各類巖體對不同壩高的適宜性,可得出大壩建基面選擇[7]：河床部位高程211 m以下,建基面可置于Ⅲ1A類巖體上,對應壩高190～241 m,建基面最低高程160 m；兩岸岸坡部位建基高程211～331 m間,建基面可置于Ⅲ1B類巖體上,對應壩高70～190 m；兩岸岸坡部位建基高程331～401 m間,建基面可置于Ⅲ2B類巖體上,對應壩高<70 m。

本水電站大壩建基面河床溢流壩段部位巖體主要為Ⅲ1A類,少量為ⅣB類巖體；岸坡非溢流壩段部位巖體主要為Ⅲ1B類,壩端與岸坡連接部位少量為Ⅲ2B類巖體。大壩建基面中Ⅲ1A類、Ⅲ1B類、Ⅲ2B類、ⅣB類巖體面積分別占壩基總面積的58.9%、37.6%、2.4%、1.1%；在大壩軸線上,Ⅲ1A類、Ⅲ1B類、Ⅲ2B類巖體分布長度分別占壩軸線總長的32.8%、60.1%、7.1%(圖1)。

圖1　壩基巖體工程地質分類平(剖)面圖

大壩建基巖體中,Ⅲ類巖體淺部經基礎加固處理,局部分布的透鏡狀Ⅳ類巖體經掏挖置換混凝土等工程處理措施后,設計對該水電站壩基穩定應力進行了分析計算,據結果,各工況下壩基穩定能滿足設計及規范要求[7-8],具備建設200 m級特高混凝土重力壩的條件。

5　結語

通過對某水電站特高混凝土重力壩建壩巖體工程地質和大壩建基面選擇研究,可以得出以下幾點結論：

(1)ⅡA類巖體埋深大,利用其作為建基巖體,雖然技術上更安全可靠,但是經濟上不甚合理,需研究Ⅲ類巖體利用問題。

(2)大壩河床部位高程211 m以下,建基面置于Ⅲ1A類巖體上,對應壩高190～241 m,建基面最低高程160 m；兩岸岸坡部位建基高程211～331 m間,建基面置于Ⅲ1B類巖體上,對應壩高70～190 m；兩岸岸坡部位建基高程331～401 m間,建基面置于Ⅲ2B類巖體上,對應壩高<70 m。

(3)建基巖體中,Ⅲ類巖體淺部經基礎加固處理,局部分布的透鏡狀Ⅳ類巖體經掏挖置換混凝土等工程處理措施后,壩基穩定應力分析結果表明,能滿足設計及規范要求,具備建設200 m級特高混凝土重力壩的條件。

(4)本水電站碾壓混凝土重力壩最大壩高241 m,選擇合適可行的Ⅲ類為主的巖體作為大壩建基面,實現技術上可行,經濟上合理,有著非常的工程意義,研究成果可供類似工程參考。

參考文獻：

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