李家河水庫壩基(肩)工程地質(zhì)問題與處理

康 銘，孫云博

(陜西省水利電力勘測設(shè)計(jì)研究院，陜西西安 712000)

1 工程概況

西安市輞川河引水李家河水庫樞紐工程位于藍(lán)田縣輞川河中上游的李家河村附近，是一個(gè)以供水為主，兼顧灌溉、發(fā)電的綜合性中型(Ⅲ)等水利樞紐工程［1］。設(shè)計(jì)壩型為碾壓混凝土拋物線雙曲拱壩，最大壩高98.5 m，壩頂寬8 m，壩底寬31 m，壩頂弧長351.71 m。設(shè)計(jì)正常蓄水位高程880 m，總庫容5 500萬m3，水庫建成后與已建岱峪水庫聯(lián)合調(diào)節(jié)供水，設(shè)計(jì)年供水能力7 669萬m3，可以緩解西安市中心區(qū)洪慶和紡織城、閻良區(qū)缺水問題。

2 壩基(肩)開挖揭示工程地質(zhì)條件

壩基徑向開挖，采用預(yù)裂爆破法，并設(shè)置減震孔，減少爆破對壩基巖體的損傷。壩基河床建基面設(shè)計(jì)高程785.5 m，左、右岸拱座斜坡785.5 ～884 m，高 98.5 m，開挖總坡比約為1∶1～1∶1.5。拱肩槽上下游邊坡采取分級開挖，開挖坡比 1∶0.2 ～1∶0.3，并于高程 800 m、815 m、830 m、845 m、860 m、875 m、890 m 設(shè)置寬 2～3 m馬道。

壩基開挖于2010年8月開始，2011年7月結(jié)束，歷時(shí)11個(gè)月。開挖揭示的壩基(肩)工程地質(zhì)條件如圖1、圖2。

(1)巖性為中粗粒花崗巖［2］，其中右壩肩801～813 m高程夾厚約35 m的中細(xì)粒花崗巖，并夾有薄層的輝綠石巖脈及石英巖脈。巖體左壩肩875 m高程以上弱風(fēng)化，以下微風(fēng)化為主，右壩肩863 m高程以上弱風(fēng)化，以下微風(fēng)化為主;壩基巖體局部受構(gòu)造影響，巖體風(fēng)化程度加劇，完整性變差。

(2)構(gòu)造。壩基開挖揭示12條小斷層，裂隙較發(fā)育，斷層和裂隙特征如下:

① 斷層 走向以NE向?yàn)橹鳎琋W向次之，正斷層為主，逆斷層和平移次之，斷層規(guī)模較小，傾角高，斷層帶寬度5～20 cm，充填斷層泥、角礫及碎裂巖，斷面平直或起伏光滑。代表性主要斷層f1，正斷層，走向75°，傾向NW，傾角 75°～80°，寬度 10～30 cm，充填斷層泥、角礫及碎裂巖，面起伏光滑，貫穿左右岸。

②裂隙 裂隙主要發(fā)育四組，走向以NW向?yàn)橹鳎邇A角，剪性，一般張開寬度2～5 mm，充填巖粉、巖屑綠泥石，長度＞10 m，面平直光滑或粗糙;緩傾角一般閉合，部分受風(fēng)化、地下水作用影響形成風(fēng)化夾層，寬度10～30 cm，充填全—強(qiáng)風(fēng)化巖塊及砂礫，面直粗糙，延伸遠(yuǎn)，連通性好。裂隙局部發(fā)育呈密集帶，構(gòu)成壩基破碎巖體，降低巖體的強(qiáng)度及抗?jié)B性;緩傾角的J1組風(fēng)化夾層和f1組合構(gòu)成右壩肩865 m以上滑移體，對壩肩穩(wěn)定及抗?jié)B不利。

圖1 李家河水庫大壩壩基(肩)地質(zhì)編錄平面簡圖Fig.1 Sketch for geological logging of the foundation and abutment in Lijiahe Reservoir Dam

(3)地下水。兩岸壩基地下水為具明顯不對稱性，左低右高，左壩肩843～850 m高程，右壩肩865～872 m高程。河床壩基三處地下水出露高程787.7 m、790.5 m和797.5 m。沿?cái)鄬訋Ъ傲严兑韵陆等獫B流，Q單≈0.03 ～0.05 L/s。

(4)建基面地質(zhì)條件與勘察資料基本吻合，但也存在一定的變化，主要是斷層特征變化。如f1斷層性狀變差，規(guī)模略增，因其出露于壩肩較高部位，受風(fēng)化、卸荷影響;f2、f4、f9、f21斷層建基面為裂隙式，斷層向下部延伸進(jìn)入為微風(fēng)化巖體，性狀變好。壩基河床新發(fā)現(xiàn)的sf3、sf4、sf5斷層規(guī)模較小，為近乎順河向，處于河床覆蓋層以下，勘察不易發(fā)現(xiàn)。新發(fā)現(xiàn)的J1組風(fēng)化夾層順坡向發(fā)育埋深大，勘察不易發(fā)現(xiàn)。

3 壩基巖體的質(zhì)量評價(jià)

對開挖的建基面地質(zhì)進(jìn)行編錄及彈性波速測試，對河床壩基sf3-sf5斷層交匯破碎巖體及右壩肩865 m高程以上滑移體進(jìn)行了地質(zhì)補(bǔ)充勘察工作。結(jié)合物探測試成果及前期勘察資料，依據(jù)《GB 50487—2008》規(guī)范進(jìn)行巖體質(zhì)量復(fù)核評價(jià)。

3.1 地質(zhì)編錄

圖2 壩軸線工程地質(zhì)剖面圖Fig.2 The geological section of dam axis engineering

壩基(肩)建基面地質(zhì)編錄采用大比例尺儀器測繪，重點(diǎn)是巖性分界線、風(fēng)化、卸荷巖體范圍、斷層裂隙空間分布及性狀特征、破碎巖體分布、不穩(wěn)定塊體分布、爆破松動(dòng)體分布范圍，編錄總面積約11 090 m2，編錄主要內(nèi)容見圖1。

壩基(肩)巖體以微風(fēng)化—新鮮為主，局部斷層影響帶及865 m高程以上分布弱風(fēng)化巖體，裂隙總體呈稍發(fā)育—不發(fā)育，局部呈密集帶型，巖體較完整—完整，以塊狀—整體狀結(jié)構(gòu)為主，局部斷層交匯部位和裂隙密集帶呈碎塊狀結(jié)構(gòu)。壩基(肩)巖體分類見表1。

表1 壩基(肩)巖體分類統(tǒng)計(jì)表Table 1 The classification of rock masses at the dam foundation(abutment)

3.2 巖體表面地震彈性波測試

壩基建基巖體表面布置網(wǎng)狀地震彈性波剖面線，縱測線間距8 m，橫測線間距6～9 m，共布置地震彈性波速測試剖面78條，合計(jì)1.934 km。根據(jù)各測線所測縱波速值對巖體進(jìn)行質(zhì)量分區(qū)，分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)為:Ⅰ區(qū)縱波速度Vp＜3 000 m/s;Ⅱ區(qū)3 000≤Vp＜3 600 m/s;Ⅲ區(qū)3 600≤Vp＜4 000 m/s;Ⅳ區(qū)4 000≤Vp＜4 500 m/s;Ⅴ區(qū)Vp≥4 500 m/s。巖面波速測試成果見表2。通過對成果表分析，說明開挖壩基整體865 m高程以上以Ⅲ、Ⅳ區(qū)為主，合格比例為63%，865 m高程以下以Ⅳ、Ⅴ區(qū)為主，合格比例56%。

3.3 跨孔聲波測試

在巖面波速測試分區(qū)的基礎(chǔ)上，結(jié)合地質(zhì)編錄資料，進(jìn)行跨孔聲波測試，每個(gè)測試點(diǎn)由4個(gè)孔組成，孔距1 m，單孔深均為12 m。測試點(diǎn)布孔原則為:

(1)對壩基巖體中巖面縱波速度Vp＞4 500 m/s，跨孔測試點(diǎn)按16 m×16 m間距布設(shè)。

(2)對壩基巖體中巖面波速Vp＜4 500 m/s的建基面，按8 m×8 m間距布置跨孔測試點(diǎn)，局部構(gòu)造及斷層破碎帶可視情況適當(dāng)增加測試點(diǎn)。

在壩基(肩)建基面總面積約11 090 m2范圍內(nèi)進(jìn)行了98個(gè)點(diǎn)跨孔測試，通過對測點(diǎn)資料分析總結(jié)如下3點(diǎn):

表2 壩基(肩)巖體表面波速分區(qū)成果表Table 2 The results for divisions of wave velocity on rock mass surfaces at the dam foundation(abutment)

①爆破松動(dòng)層 在開挖面以下普遍存在0.2～2.4 m，Vp=1 940 ～3 992 m/s，變模值 E0為 3.0 GPa，巖體工程地質(zhì)分類為AⅣ類，不滿足設(shè)計(jì)建基要求。

②斷層影響及斷層交匯帶破碎巖體 受斷層影響，巖體破碎，風(fēng)化層深度加大，工程性能變差。強(qiáng)風(fēng)化縱波速度平均值 Vp=2 730 m/s，KV=0.17，變模值E0為1.5 ～2.3 GPa，工程地質(zhì)分類為 AⅣ類，弱風(fēng)化縱波速度平均值 Vp=3 671 m/s，KV=0.42，工程地質(zhì)分類為 AⅢ類，變模值E0為2.5～5 GPa，AⅢ類和AⅣ類均不滿足設(shè)計(jì)建基要求。

③下部巖體 建基面表層爆破松動(dòng)層及局部構(gòu)造破碎巖體以下為微風(fēng)化巖體，縱波速度平均值Vp=4 679 ～4 779 m/s，KV=0.67 ～0.80，工程地質(zhì)分類為AⅡ類，變模值E0為15 GPa;弱風(fēng)化縱波速度平均值Vp=3 640 m/s，KV=0.57，工程地質(zhì)分類為 AⅢ類，變模值E0為10 GPa，微、弱風(fēng)化均可滿足設(shè)計(jì)建基要求。

4 壩基(肩)建基面存在的工程地質(zhì)問題

4.1 工程地質(zhì)問題

(1)f1斷層深切右壩肩巖體，為側(cè)滑面，J1組風(fēng)化夾層為底滑面，組合構(gòu)成右壩肩865 m高程以上滑移體，體積V=60 692 m3，存在壩肩不穩(wěn)定、變形及滲漏三大地質(zhì)問題。

(2)sf4和 sf5斷層交匯處破碎巖體，S=175 m2，h=8 m，工程地質(zhì)分類為AⅢ2類，不滿足設(shè)計(jì)建基要求。

(3)f1、f8、sf3、sf4斷層影響帶，巖體較破碎—破碎，巖石強(qiáng)度低，存在壓縮變形及滲漏問題，巖體為AⅢ2類［3］，不滿足設(shè)計(jì)建基要求。

(4)受緩傾角和高傾角裂隙切割，爆破開挖影響，建基面存在多個(gè)區(qū)域的爆破松動(dòng)層，P＜3 000 m/s，不利于壩基抗滑穩(wěn)定，不滿足設(shè)計(jì)建基要求。

4.2 工程地質(zhì)問題研究

壩基(肩)建基面形成后進(jìn)行地質(zhì)編錄，對壩基存在的重要工程地質(zhì)問題進(jìn)行初步分析判定:①對右壩肩的f1斷層及J1組風(fēng)化夾層組合體進(jìn)行專題補(bǔ)充勘察研究，查明了f1斷層與J1組風(fēng)化夾層的分布規(guī)模、產(chǎn)狀、性狀及其組合關(guān)系，提出了f1斷層與J1組夾層的結(jié)構(gòu)面抗剪、抗剪斷參數(shù)建議值，為設(shè)計(jì)處理提供了依據(jù)。②對河床sf3、sf4、sf5、sf6所限部位分布的強(qiáng)—弱風(fēng)化破碎巖體，進(jìn)行補(bǔ)充勘察地質(zhì)鉆孔3個(gè)，孔深控制在固結(jié)灌漿孔深以下3 m(孔深15 m)，鉆孔揭示，強(qiáng)風(fēng)化巖厚度1.8～2.0 m，巖體較破碎，呈碎塊狀結(jié)構(gòu)，弱風(fēng)化巖厚度5.0～6.0 m，巖體完整性差，呈次塊狀結(jié)構(gòu)，6.8～8.0 m以下為微風(fēng)化巖體，壓水試驗(yàn)值q=17～27 Lu，屬中等透水性。

5 設(shè)計(jì)要求及壩基(肩)工程地質(zhì)缺陷處理

壩基(肩)設(shè)計(jì)建基要求:865 m高程以上弱風(fēng)化AⅢ類，巖體縱波速Vp＞3 600 m/s;865 m高程以下微風(fēng)化AⅡ類，巖體縱波速Vp＞4 000 m/s。壓水試壓值q＜3 Lu。

5.1 一般壩基處理

(1)對壩基(肩)巖體進(jìn)行建基面以下2 m無蓋重固結(jié)灌漿，孔距3 m，排距3 m，入巖12 m，通過固結(jié)灌漿處理后，865 m高程以上巖體縱波速Vp＞3 600 m/s，以下＞40 000 m/s，壓水試壓值q均＜3 Lu，質(zhì)量滿足設(shè)計(jì)要求。

(2)對受爆破影響產(chǎn)生的爆破松動(dòng)巖體及沿緩傾角裂隙已明顯張開分離的巖塊采用人工撬挖或者鑿巖機(jī)進(jìn)行清除，對未明顯松動(dòng)張開的采取錨固加固處理，深度4.5 m，并進(jìn)行有蓋重引管固結(jié)灌漿處理。

(3)對 sf1、sf2、f8、f21、f9斷層帶按規(guī)范要求進(jìn)行人工掏挖處理，并用高壓水沖洗干凈，在斷層上盤一定范圍增設(shè)固結(jié)灌漿處理措施;sf3、sf4斷層及影響帶采用人工挖除，深度為斷層帶+影響帶寬度的1～1.5倍，對斷層處理槽采用砼回填處理，并在斷層上、下盤一定范圍加強(qiáng)固結(jié)灌漿處理措施，灌后聲波及壓水指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求。

5.2 特殊壩基處理

(1)對河床壩基 sf3、sf4、sf5、sf6所限部位面積 175 m2，深度8 m，中等透水性處理:①對表部松動(dòng)及破碎巖體進(jìn)行人工挖除換填砼處理，挖除深度一般控制在2.0 m左右(依據(jù)地勘鉆孔揭露和聲波測試結(jié)果);②對下部未能挖除的較破碎巖體加強(qiáng)固結(jié)灌漿處理措施，深度12 m，在原系統(tǒng)固灌基礎(chǔ)上加密一倍，處理后聲波及壓水指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求。

(2)對右壩肩PD7探洞周圍的裂隙密集破碎帶處理:①人工撬挖清除該區(qū)范圍表部破碎、松動(dòng)巖塊;②對基礎(chǔ)下步未能清除的較破碎巖體，在原系統(tǒng)固結(jié)灌漿的基礎(chǔ)上加密一倍固結(jié)灌漿處理措施，深度12 m，灌后聲波及壓水值滿足設(shè)計(jì)要求。

5.3 右壩肩抗滑不穩(wěn)定體處理

J1組風(fēng)化夾層在拱肩槽揭露兩條:J1－1和 J1－2。J1－1夾層在拱肩槽出露總長度約105 m，上游邊坡約20 m，壩基約13 m，下游邊坡約72 m。在壩軸線出露高程876 m，在拱肩槽上游邊坡875 m高程以下為裂隙狀，下游邊坡847 m高程以下為裂隙狀。f1斷層為側(cè)滑面，J1－1風(fēng)化夾層為第一底滑面，J1－2風(fēng)化夾層為第二底滑面，下游岸坡與 f1斷層、J1－1和 J1－2風(fēng)化夾層組成了右岸860 m高程以上巖體可能產(chǎn)生滑移的空間，故右壩肩存在抗滑問題，見圖2。結(jié)構(gòu)面地質(zhì)參數(shù)建議值:f1斷層 c=0.05 MPa，f=0.2;J1組風(fēng)化夾層 c=0.08 MPa，f=0.38［4］。設(shè)計(jì)根據(jù)地勘成果對滑移體進(jìn)行穩(wěn)定分析計(jì)算，結(jié)果基本組合為 1.91，特殊組合1.61［5］，安全系數(shù)都不滿足《混凝土拱壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 282—2003)中的安全系數(shù)要求(基本組合＞3.0，特殊荷載組合＞2.5)，須進(jìn)行加固處理措施。設(shè)計(jì)處理方案經(jīng)過比較論證，最后確定采用置換、擋墻、錨索、加強(qiáng)固結(jié)灌漿等工程處理措施。f1斷層置換處理:沿?cái)鄬觾A向開挖深度為斷層與J1－1夾層交線以下1 m，在壩軸線處深度8.5 m(高程875.5 m)，沿?cái)鄬幼呦蜷_挖長度約22 m，開挖坡比1∶0.3。對 f1斷層上、下盤加強(qiáng)固結(jié)灌漿4排，間排距1.5 m，梅花型布置，深度20 m，鉆孔角度同斷層傾角，灌后聲波檢測值及壓水試驗(yàn)值均滿足設(shè)計(jì)要求。在壩體下游5～32 m，高程871～884 m范圍(施工開挖便道)采用鋼筋砼擋墻，布設(shè)24根2 000 kN預(yù)應(yīng)力錨索，深度30～40 m，以深入J1－2風(fēng)化夾層下部完整基巖，處理后安全系數(shù)K基本組合3.73，特殊組合3.52，安全系數(shù)滿足規(guī)范要求(見參考文獻(xiàn)［5］)。

5.4 設(shè)計(jì)防滲要求及工程處理

壩基(肩)防滲設(shè)計(jì)要求:在884 m高程灌漿平洞、壩頂、843 m高程平洞(廊道)及802.5 m高程平洞(廊道)進(jìn)行單排灌漿，河床建基面785.5 m高程以下深度40 m，灌漿孔距均2 m。在884 m、802.5 m高程平洞(廊道)內(nèi)通過搭接實(shí)現(xiàn)上下帷幕的銜接，搭接采用三孔，孔距0.7 m，排距2 m。灌后壓水試壓值q＜3 Lu。

5.5 一般處理

壩基防滲處理帷幕灌漿，884 m高程以下灌漿單排509個(gè)孔，孔距2 m，總進(jìn)尺13 467.80 m。布設(shè)檢查孔45個(gè)，共277 段壓水，q=0.53～2.80 Lu，＜3 Lu，質(zhì)量滿足設(shè)計(jì)要求。

5.6 特殊處理

(1)f1斷層處理:延長右壩肩843 m高程灌漿洞6 m帷幕線，穿越f1斷層上盤破碎巖體，增加5個(gè)帷幕孔，孔距2 m，孔深40 m，灌后壓水試驗(yàn)值 q=1.68～2.15 Lu，滿足設(shè)計(jì)要求(＜3 Lu)。

(2)對sf3和sf4斷層及影響帶破碎中等透水性巖體，在原設(shè)計(jì)帷幕線上、下游各增加一排帷幕灌漿孔，孔距2 m，深度40 m，灌后壓水試驗(yàn)值滿足設(shè)計(jì)要求。

6 結(jié)語

李家河水庫大壩壩基(肩)巖體，875 m高程以下以微風(fēng)化為主，巖體強(qiáng)度高，完整性好，巖體質(zhì)量為較好AⅡ類，可滿足100 m高拱壩的建基要求。對局部存在的風(fēng)化破碎巖體、爆破松動(dòng)巖體、小斷層進(jìn)行常規(guī)開挖回填砼處理;對河床sf3-sf5斷層交匯帶破碎巖體及右壩肩J1組滑移體特殊處理，壩基質(zhì)量完全滿足高拱壩建基要求。通過各勘察階段對大量資料的分析論證，認(rèn)為壩基巖體質(zhì)量評價(jià)是合理的，為設(shè)計(jì)提供了科學(xué)、合理的地質(zhì)參數(shù)，可作為同類工程參考和借鑒。

［1］ 陜西省水利電力勘測設(shè)計(jì)研究院.西安市輞川河引水李家河水庫工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告［R］.西安:陜西省水利電力勘測設(shè)計(jì)研究院，2009.

［2］ 陜西省水利電力勘測設(shè)計(jì)研究院勘察分院.西安市輞川河引水李家河水庫工程地質(zhì)勘察報(bào)告［R］.咸陽:陜西省水利電力勘測設(shè)計(jì)研究院勘察分院，2009.

［3］ 中華人民共和國城鄉(xiāng)和住房建設(shè)部.GB 50487—2008水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范［S］.北京:中國計(jì)劃出版社，2008.

［4］ 陜西省水利電力勘測設(shè)計(jì)研究院勘察分院.西安市輞川河引水李家河水庫右壩肩J1組風(fēng)化夾層工程地質(zhì)勘察報(bào)告［R］.咸陽:陜西省水利電力勘測設(shè)計(jì)研究院勘察分院，2013.

［5］ 陜西省水利電力勘測設(shè)計(jì)研究院.西安市輞川河引水李家河水庫工程右壩肩J1組風(fēng)化夾層處理方案計(jì)算書［R］.西安:陜西省水利電力勘測設(shè)計(jì)研究院，2014.