某水庫工程重力壩基礎建基面的分析研究與確定

梁為邦

(云南省水利水電勘測設計研究院，云南昆明 650021)

1 工程概況

某水庫工程地處瀾滄江水系二級支流，壩高約78 m，水庫正常蓄水位高程1 086.4 m，總庫容1 234×104m3，是一座以農業灌溉為主，兼顧城市供水的中型水利工程。

樞紐區處于國家自然保護區試驗區內，工程建設不宜征用大量土地，在保證工程安全可靠、經濟合理的條件下，應盡量減少對自然環境的影響。土石壩占地面積大，開挖回填土石方量大，剛性壩占地面積、開挖土石方相對較少。從本工程的實際情況出發，壩基若能滿足剛性壩建壩基礎要求，應選擇剛性壩壩型。由于兩岸坡上部地形較為開闊，全強風化層較厚，難以滿足拱壩壩基變形及抗滑穩定要求，拱壩基礎處理難度較大，故在剛性壩壩型上優選重力壩型。

2 基本工程地質條件

工程區屬構造侵蝕低中山地貌，壩址區處于構造侵蝕淺切割峽谷中，壩段河流總體呈WE流向，河床1 020 m至岸坡1 055 m高程段地形坡度40°～50°，1 055 m高程以上岸坡變緩，地形坡度25°～35°，呈下陡上緩的“Ⅴ”型谷。壩基巖性單一，為印支期(γ15)中粒黑云二長花崗巖，局部夾有少量石英巖脈。壩址區無區域斷裂發育，壩基范圍內主要發育構造裂隙、卸荷裂隙，延伸長度＜10 m，多屬Ⅴ級結構面。

項目建議書、可行性研究階段共布置有鉆孔15個，總進尺約1 200 m;勘探平硐4條，總長約200 m。河床段因水流沖蝕作用，無全強風化巖體，砂卵礫石下為弱風化巖體;兩岸坡較陡段(高程1 020～1 055 m)，全強風化帶巖體垂直厚度5～10 m;岸坡較緩段(高程1 055 m以上)，全強風化帶巖體垂直厚度10～20 m，局部達25 m。

從鉆孔、平硐所揭露的地質情況看，弱風化帶巖體發育的結構面多為硬性結構面，傾角中等—陡傾，性狀多為閉合無充填;少部分為微張開巖塊巖屑型軟弱結構面，壩基無緩傾角軟弱結構面發育。

3 重力壩基礎建基面要求

重力壩的地基需有足夠的承載能力、抗滲能力、飽水耐久性及整體穩定性。

重力壩基礎建基面的確定應根據壩基應力，基巖強度及其完整性結合上部結構對基礎的要求，由地質和設計人員共同擬定基巖利用標準，確定壩基開挖深度，并在施工中根據實際情況加以修正調整。壩高超過100 m時，可建在新鮮、微風化或弱風化下部基巖上;壩高100～50 m時，可建在微風化—弱風化中部基巖上。對于河床部位宜開挖至弱風化—微風化，達到較完整的基巖;兩岸地形較高部位的壩段可比河床部位適當放寬。對于破碎的基巖如果經試驗和其它論證，通過固結灌漿等措施可以得到顯著的改良強化，如使之經濟合理，可用灌漿方法加固部分較破碎基巖，加以利用。總之，壩基巖體利用的標準應與設計采用的抗滑穩定計算參數相應，達到壩基抗滑穩定要求。

天然壩基巖體常存在著不同程度的缺陷，不能滿足重力壩基礎的要求，需進行基礎處理。

4 壩基巖體分級及力學參數確定

壩基巖性單一，為印支期(γ15)中粒黑云二長花崗巖。壩基內第四系松散層、全風化帶巖體力學指標低，不能作為壩基，均須作清除處理。河床及兩岸坡部位建基面宜置于弱風化—微風化帶，兩岸地形較高部位建基面可適當放寬。因此，研究弱風化帶巖體特性，能否滿足重力壩對地基的承載能力、抗滑穩定性、整體穩定性等要求是工作重點。同時，研究強風化帶巖體特性，在兩岸地形較高部位的壩段是否能適當利用。

壩基強、弱風化帶巖體縱波速VP、完整性系數KV、鉆孔巖芯RQD值、巖石飽和抗壓強度Rb、動彈模Ed等指標統計見表1。

表1 強、弱風化巖體特性統計表Table 1 The statistics for properties of the strong and weak weathered rock mass

巖體風化分帶、巖體結構特征是重力壩建基面選擇的重要依據。吳繼敏等［1］經過對國內多項水利水電工程巖體風化帶內定量指標巖體縱波速、完整性系數、飽和抗壓強度、回彈值等的線性相關分析，所有參數的相關系數均在0.928以上，屬高度相關。

4.1 巖體質量分級

4.1.1 巖石質量指標RQD劃分

根據鉆孔、平硐揭示地質情況統計，強風化帶巖石RQD＜20%，工程性質劃分為極差的;弱風化帶巖石RQD=42% ～76%，工程性質劃分為差—較好，總體為較差。

4.1.2 壩基巖體基本質量BQ分級

影響工程巖體穩定性的諸因素中，巖石堅硬程度和巖體完整程度是巖體的基本屬性，是各種巖石工程類型的共性，反映了巖體質量的基本特征。根據巖石單軸飽和抗壓強度Rb、巖體完整性系數KV、按計算式:BQ=90+3Rb+250KV［2］確定巖體基本質量指標BQ。計算時的限值條件:①當Rb＞90KV+30時，應以Rb=90KV+30代入計算BQ值;②當KV＞0.04Rb+0.4時，應以KV=0.04Rb+0.4和Rb代入計算BQ值。

巖體基本質量BQ，反映了巖體質量的最基本的內容，或反映了影響工程巖體穩定的主要方面，對各類型工程巖體，作為分級工作的初步定級。在可行性研究階段，勘察資料不全，工作還不夠深入，影響巖體穩定的各項修正因素尚難于確定，可用基本質量的級別作為工程巖體的級別。

根據巖體基本質量的定性特征和巖體基本質量指標BQ進行巖體基本質量分級，見表2。強風化帶巖體基本質量分級為Ⅳ-Ⅴ，力學性質較差;弱風化帶巖體分級為Ⅲ，力學性質較好。

表2 強、弱風化巖體基本質量BQ分級Table 2 The grading of basic quality BQ of strong and weak weathered rock mass

4.1.3 巖體質量系數Z分級

現行的各種巖體分級方法中，沒有一個單一指標能全面反映巖體完整性的幾何和物理的兩個方面的因素，據一些工程資料統計，巖體完整性系數與節理間距之間并無明顯的相關性，即完整性系數大，節理間距不一定很大，有時甚至很小;同樣，完整性系數小時，節理間距不一定小，有時甚至很大。很明顯單用節理間距或者單用完整性系數都不能全面反映巖體完整性的幾何和物理的兩個方面。只有節理間距和完整性系數結合，才能全面地反映巖體的完整性。為此，可采用SID分級法來進行巖體質量系數Z分級［3］。

根據巖石單軸飽和抗壓強度Rb、巖體完整性系數KV、巖體節理間距 dp，按計算式:Z=Rb(KVdp)1/2，計算出巖體質量系數Z值，按表3進行分級。計算時，當Rb＞100 MPa時，按Rb=100 MPa計算;當dp＞1 m時，按dp=1 m計算。

表3 巖體質量系數Z分級Table 3 The grading of quality coefficient Z of rock mass

表4 強、弱風化巖體基本質量SID分級Table 4 The grading of basic quality SID of strong and weak weathered rock mass

強風化巖體質量系數Z分級范圍Ⅳ-Ⅴ;弱風化巖體質量系數Z分級范圍Ⅳ-Ⅱ，以Ⅲ為主(表4)。

4.2 壩基巖體工程地質分類

根據強、弱風化帶巖體特征，結合巖體主要特征值巖石飽和抗壓強度Rb、巖體縱波速VP、巖石RQD值、巖體完整性系數 KV，對壩基巖體進行工程地質分類［4］。綜合評判，強風化帶巖體工程地質分類為BⅣ-BⅤ，不宜作為高混凝土壩基;弱風化帶巖體工程地質分類為BⅢ1，作為高混凝土壩基工程地質條件較好(表5)。

4.3 巖體力學參數確定

4.3.1 初步確定巖體力學參數

依據巖體基本質量BQ分級、巖體質量系數Z分級、巖體壩基工程地質分類，結合地質條件，按各分級、分類方法相對應的巖體物理力學經驗參數進行分析。

從表6的參數來看，幾種分級、分類方法給出的相應巖體物理力學參數值較為接近，僅弱風化巖體變形模量按BQ、Z分級的參數值較壩基工程地質分類值偏高，原因在于BQ分級Ⅲ的變形模量區間值為6～20 GPa，Z分級Ⅲ的區間值為5～15 GPa，而壩基工程地質分類Ⅲ的區間值僅為5～10 GPa。

表5 強、弱風化巖體壩基工程地質分類Table 5 Engineering geologic classification of strong and weak weathered rock mass at the dam foundation

表6 幾種分級、分類方法相應的巖體物理力學經驗參數Table6 The physical and mechanical experience parameters of the rock mass corresponding with several kinds of grading and classification methods

4.3.2 經驗公式驗算巖體變形模量

聶運鈞［5］對三峽不同風化帶中同一狀態的同一巖體專門進行了動、靜彈模對比測試，獲得了縱波速度VP與巖體靜力變形模量E0的關系式:E0=0.001VP5.76;柳賦錚、蔡斌［6］統計分析了三峽、水布埡、皂市、寧波周公宅等工程同步進行的工程巖體分級與現場巖石力學試驗的數據，擬合得到巖體變形模量與工程巖體質量指標 BQ 的關系式:E0=0.098 6e0.0105［BQ］。按上述經驗公式進行本工程巖體的變形模量計算結果見表7。

利用縱波速度VP、工程巖體質量指標BQ所計算的強、弱風化帶巖體變形模量與分級、分類方法相應的巖體變形模量指標基本一致。但利用縱波速度VP計算的強風化帶巖體變形模量偏低，這可能是因為關系式的推導主要是基于弱、微風化巖體的資料統計進行的。

4.3.3 工程類比法進行對比驗證

為驗證初步確定的巖體力學參數的可靠性，利用其它地質條件相類似且已經進行過充分的巖石力學試驗的工程資料，采用工程類比法進行對比驗證。幾項類似工程巖體力學指標試驗參數見表8。

表7 經驗公式計算的巖體變形模量值Table 7 The deformation modulus values of rock mass calculated by experiential formula

表8 幾項類似工程的巖體力學指標試驗參數表Table 8 The list for test parameter of mechanics indexes of the rock mass from similar projects

三峽水電站工程壩基為花崗巖，弱風化巖石飽和抗壓強度Rb=40～50 MPa，巖體縱波速VP=2 600～5 500 m/s，與本工程弱風化巖體指標十分近似。三峽工程的巖體力學試驗參數值，在本工程初步確定的弱風化巖體力學參數范圍值內，接近于范圍值上限值。

表9 巖體力學參數建議值Table 9 The suggested values of mechanical parameters of rock mass

4.3.4 巖體力學參數建議值

經對地質勘察資料、巖石力學測試資料統計分析，工程巖體分級、分類，經驗公式驗算、工程類比，權衡多種因素，最終提出本工程的巖體力學參數建議值(表9)。

5 壩基工程地質評價及建基面選擇

5.1 壩基工程地質評價

壩址區壩基為γ15中粒黑云二長花崗巖，發育的多為Ⅴ級結構面，主要對巖體完整性、局部邊坡穩定性產生影響。

表淺部全風化巖體呈砂土狀，散體結構，壩基工程地質分類為Ⅴ類，不能作為混凝土壩壩基，需全部清除。

強風化巖體節理裂隙發育，巖體較破碎—破碎，呈碎裂狀，巖石強度低，屬較軟巖，壩基工程地質分類為BⅣ2-BⅤ，不能作為高混凝土壩基，當壩基局部地段分布有該類巖體時，需作專門處理。

弱風化帶巖體較完整，局部完整性較差，巖石飽和抗壓強度40～65 MPa，總體上屬于中硬巖。結構面主要為硬性結構面，傾角中—陡(大于岸坡自然坡角)，多為閉合無充填，少數為微張開巖塊巖屑型，壩基無緩傾角結構面、軟弱結構面發育，無不利結構面組合。弱風化巖體變形模量、抗剪斷強度較高，不存在壩基抗滑穩定、承載力不足、變形不均一等問題，也不存在滲透、穩定問題，壩基工程地質分類為BⅢ1，具備建重力壩的工程地質條件，可以作為混凝土壩基。

5.2 壩基建基面選擇

根據鉆孔、平硐地質勘察資料，對巖體縱波速VP、完整性系數KV、鉆孔巖芯RQD值、巖石飽和抗壓強度Rb等指標綜合分析，進行了壩基巖體基本質量分級，SID分級，壩基工程地質分類，對各風化帶巖體作出壩基工程地質評價，綜合考慮確定壩基建基面。

按國內多項已建成的重力壩工程經驗，壩高在50～100 m時，壩基可置于微風化—弱風化中部基巖上，無深層軟弱結構面控制其抗滑穩定的情況下，壩基最低要求為巖塊單軸飽和抗壓強度Rb≥30 MPa，聲波縱波速 Vp≥3 000 m/s，變形模量 E0≥0.5 GPa［7］。本工程弱風化帶巖體各項指標均超過壩基最低要求，因此，認為弱風化巖體性狀能滿足工程要求，可以作為重力壩壩基。壩基經過固結灌漿處理后，各力學指標還會有所提高，完全滿足大壩對基礎的要求。

最終建基面確定:兩岸及河床均以弱風化巖體為重力壩基礎建基面，壩基置于弱風化帶內1～2 m，以壩基縱波速VP≥3 500 m/s為壩基驗收原則。

6 結論與建議

6.1 結論

工程巖體分級是在大量工程實測資料統計分析和調查的基礎上制定的，以后又返回到工程實踐中去檢驗、不斷完善，因此具有較高的科學性和實用性。中小型工程由于種種原因，勘察過程中不能進行詳盡的巖石力學測試，尤其是現場大型試驗。只能充分利用地質調查和簡易的巖石力學測試資料，進行工程巖體分級、巖體質量系數Z分級、壩基工程地質分類，采用經驗公式驗算，相似工程類比，確定巖體宏觀力學參數，應用于工程分析計算，作出壩基工程地質評價，確定重力壩基礎建基面。

6.2 壩基處理建議

壩基置于弱風化巖體內，進行固結灌漿處理，灌漿孔距、排距采用3 m，孔深5～8 m。固結灌漿前后應進行巖體波速檢測。壩基中的強卸荷帶、破碎帶、節理密集帶、強風化囊狀體等不良地質軟弱帶(體)需進行加深開挖，掏槽回填混凝土處理。

［1］ 吳繼敏，許人平，馬曉輝.巖體風化與混凝土壩建基面選擇［C］//中國水利學會.第八次水利水電地基與基礎工程學術會議論文.北京:中國水利水電出版社，2006.

［2］ 中華人民共和國水利部.工程巖體分級標準:GB 50218—94［S］.北京:中國計劃出版社，1995.

［3］ 柳賦錚.工程巖體分級［M］//周思孟.復雜巖體若干巖石力學問題.北京:中國水利水電出版社，1998.

［4］ 中華人民共和國住房和城鄉建議部.水利水電工程地質勘察規范:GB 50487—2008［S］.北京:中國計劃出版社，2009.

［5］ 董學晟，柳賦錚，蔡斌.工程巖體質量評價［M］//董學晟，田野，鄔愛清.水工巖石力學.北京:中國水利水電出版社，2004.

［6］ 柳賦錚，蔡斌.工程巖體質量評價與巖體力學參數［M］//王思敬，楊志法，傅冰駿.中國巖石力學與工程世紀成就.南京:河海大學出版社，2004.

［7］ 崔冠英，朱濟祥.水利工程地質［M］.4版.北京:中國水利水電出版社，2008.