國外某水電站河床壩段施工期工程地質定量評估

曹偉軒，賀金明，賈建紅

(長江勘測規劃設計研究有限公司，湖北武漢 430074)

1 工程簡介

國外某水電站工程由大壩建筑物和引水發電建筑物兩部分組成。大壩為弧形碾壓混凝土重力壩，最大壩高約153 m，壩頂長度445 m。發電廠房位于右岸大壩下游約12 km處，裝機4臺，總裝機容量944 MW。大壩施工開始于2008年11月，至2013年9月水電站成功下閘蓄水發電。

碾壓混凝土重力壩共分21壩段，其中1#～8#壩段為左岸壩段，9#～12#壩段為河床壩段，13#～21#壩段為右岸壩段。由于前期地質資料甚少，從壩址區開始“三通一平”時，地質部門與施工單位密切配合，采取見縫插針的補充勘察模式，快速更新地質資料，及時提供給設計人員，為設計方案調整提供了準確的地質依據，為工程順利實施打下了良好的基礎。

2 河床壩段前期地質概況

2.1 地形地貌特點

壩址位于某河一順直的河段上，直線河道長約1 050 m，流向243°。河床縱向坡比約1∶40。軸線處河床高程約為418 m，谷底寬30～60 m，左岸近岸山脊頂部高程約630 m，右岸近岸山脊頂部高程約657 m，大壩所在河段兩岸谷坡呈不對稱狀，西高東低。巖層走向與河谷近正交，為橫向谷。

2.2 壩基巖性分布特征

在大壩開挖前，通過岸邊的基巖露頭，實測了地層柱狀，根據壩區巖石的組合特征從上游至下游將壩區第三系貝拉加(Belaga)組的Pelagus段地層(P3pel)劃分為16個亞段(P3pel1-P3pel16)，河床壩段主要是P3pel9-P3pel11亞段地層。河床壩段覆蓋層開挖完后，對此壩段的巖性進行了復核。

3 開挖后巖體的分布面積及性狀

河床壩段上游樁號K0－30 m～K0+30 m地層為P3pel9亞段淺灰色中厚層—厚層砂巖與薄層頁巖組合巖體(圖1)。共分為4層，總體特征為“兩軟兩硬”(圖2)，其中最為不利的控制性巖體為第2層“軟巖”，即P3pel9－2，分布在河床部位，對大壩基礎變形不均影響很大。該層為灰綠色薄層頁巖夾少量砂巖或砂巖透鏡體，厚度為26.8 ～28.4 m，其中頁巖厚度占61.3%～69%，砂巖厚度占31% ～38.7%。該層巖體厚度不均，在第11壩段及12壩段實測巖層厚度分別為26.8 m與28.4 m，巖性也有變化，頁巖剪切破壞明顯、強烈，性狀很差。

河床中部壩段P3pel10亞段為層厚質純的厚層、巨厚層砂巖，具塊狀特征，厚達130 m，強度高，除淺表部受結構面切割形成不利塊體外，深部巖體的完整性好，是理想的建壩巖體。

第11亞段僅位于下游壩段，為“兩軟兩硬”特征，上、中部分別為厚約6.3 m、7.6 m 的頁巖帶，中、下部為中厚層砂巖夾極少量頁巖。

圖1 壩址區地層巖性分布簡圖Fig.1 Sketch showing the stratum lithology at the dam site area

圖2 河床部位第9亞段實測剖面圖Fig.2 The measured profile map of the ninth sub-section of riverbed

由于斷層F281的斜切，將兩岸地層錯開約65 m，使左岸壩基大部落在P3pel10亞段，僅6#～8#壩段下游部分基礎落在P3pel11亞段;河床壩基上游齒槽落在P3pel9亞段，其余分布在P3pel10亞段;右岸壩基上游齒槽落在P3pel9亞段，其余分布在P3pel10亞段。

通過對開挖建基面的編錄，對河床壩段的建基巖體進行統計，各壩段P3pel9-P3pel11亞段巖體所占面積見表1。從表中可見第P3pel10亞段所占的面積較大，為1 449 ～1 649 m2，所占比例為 48.9% ～57.6%，性狀差的P3pel9－2在各壩段所占面積約為435～570 m2，所占比例為14.7% ～19.9%。河床壩段以硬巖為主。

4 河床壩段壩基巖體結構面及其特征

壩區位于背斜的一翼，為單斜地層，未見大型褶皺，壩基巖層陡傾，又是橫向谷，巖層傾向210°～220°，傾角80°～85°。主要地質構造形跡為斷層、剪切帶及裂隙(圖3)。

4.1 斷層

通過建基面的開挖，在河床壩段發育F280、F281-1、F281、F283、F283-1等 5 條斷層(表 2)，水平斷距分別為 18 m、5 m、40 m、28 m。斷層破碎帶皆不寬，一般為0.1 ～0.4 m，構造巖膠結緊密，對大壩基礎變形及抗滑穩定基本沒有影響。

表1 9#～12#壩段建基巖體分布面積統計Table 1 The statistics for distribution area of foundation rocks at No.9 to No.12 dam section

圖3 9#～12#壩段地質圖Fig.3 The geological map of No.9 to No.12 dam section

表2 河床壩段主要斷層特征統計表Table 2 The statistics for main fault characteristics of the riverbed dam section

4.2 剪切帶

在河床壩段第10亞段(P3pel10)建壩巖體中共發育15條剪切帶，寬一般 0.5 ～1 m，傾向210°～220°，傾角75°～85°，特征統計見表3。

壩基第10亞段內剪切帶原巖主要為頁巖，剪切作用較強時泥化程度較高，在淺表層部位受風化影響常呈黃色、黃褐色，夾泥或為泥夾碎屑等。

剪切帶強度低、完整性差，對大壩穩定的影響主要表現在兩個方面:其一是壓縮變形，其二是對緩傾角結構面起到溝通的作用，不利于壩體的抗滑穩定。但剪切帶陡傾，除構成塊體的邊界外，對大壩的抗滑穩定及不均勻變形影響皆不大。施工過程中局部較差段進行了掏挖回填混凝土處理，增強了壩基巖體的完整性。

表3 河床壩段壩基剪切帶特征統計表Table 3 The statistics for shear zone characteristics of dam foundation at the riverbed dam section

圖4 9#～12#壩段裂隙分布特征圖Fig.4 The distributed characteristics of fissures at No.9 to No.12 dam section

4.3 裂隙

根據河床壩段施工開挖揭露及鉆孔錄像分析，建基面以下無長大緩傾角結構面，但有部分隨機裂隙發育，主要分布在壩基以下0～12 m范圍(圖4)，以下巖體新鮮完整，裂隙不發育。

壩基下主要發育5組裂隙，多以傾向上游或兩岸的中高傾角裂隙為主，其中傾向下游的緩傾角裂隙是影響壩基抗滑穩定的優勢裂隙組，裂隙一般起伏粗糙，順裂隙風化程度較輕或少有風化，為無充填的硬性結構面或方解石膠結。壩基內所有緩傾角裂隙長度一般＜20 m;裂隙線密度極不均勻，一般超過0.5條/m。實測表明緩傾角裂隙線連通率約為30%～40%。

5 巖體透水性

根據壓水試驗成果，P3pel9亞段透水率q≤1 Lu的占17.5%;1 ＜q≤10 Lu，占71.4%;10 ＜q≤100 Lu，占7.9%;q＞100 Lu，占3.2%，以微透水和弱透水為主。P3pel10亞段透水率 1 ＜q≤10 Lu，占 62.5%;10 ＜q≤100 Lu，占37.5%，以弱透水和中等透水為主。

6 結構面及巖體物理力學參數選擇

6.1 室內試驗

在壩址區鉆孔巖芯中選取雜砂巖、頁巖、泥巖共8組進行室內物理性狀試驗，結果表明砂巖微新巖塊天然密度為2.41 ～2.60 g/cm3，飽和密度為 2.44 ～2.61 g/cm3，屬于中等孔隙率巖石。泥、頁巖微新巖塊天然狀態的密度為2.47～2.54 g/cm3，飽和狀態的密度為2.52 ～2.56 g/cm3，孔隙率為10.42% ～14.15%，為高孔隙率巖石。

室內力學性質試驗成果表明:微新砂巖飽和單軸抗壓強度平均值為126 MPa，變形模量(飽和)平均值為23.6 GPa;砂巖具有典型的“高強度低變形”特征，變形模量值與強度值相比，明顯要低(一般情況下，巖石有如此高的強度時，變形指標至少要比該試驗值大1倍以上)。泥巖飽和單軸抗壓強度平均值為12.5 MPa，變形模量(飽和)平均值為2.43 GPa;頁巖飽和單軸抗壓強度平均值為4.04 MPa，變形模量(飽和)平均值為 0.98 GPa。

6.2 現場原位巖體力學試驗

壩區現場載荷試驗表明:砂巖承載力極限值23.5 MPa，允許值6.59 MPa;砂巖與頁巖互層巖體承載力極限值 ＞22.5 MPa，允許值 8.47 MPa;頁巖承載力極限值8.24 ～10.59 MPa，允許值2.75 MPa。

壩址巖體、結構面及砼/巖膠結面抗剪強度試驗成果見表4。

6.3 物理力學參數的選擇

根據試驗成果，類比類似工程經驗取值，建議巖石(體)物理力學參數值及結構面抗剪斷強度參數值分別列于表5、表6。

7 巖體結構與質量分級

7.1 巖體結構分類

壩址區巖體主要有三種類型的巖石組合:一類為厚—巨厚層砂巖夾少量頁巖;二類為砂巖與頁巖;三類為薄層頁巖及泥巖夾少量砂巖。根據巖體的完整性、巖層厚度及結構面發育情況，按《水利水電工程地質勘察規范》(GB50487—2008)巖體結構分類標準，將河床巖體結構分為4類(表7)。

表4 壩址巖體、結構面及砼/巖膠結面抗剪強度試驗結果表［1］Table 4 The results of shear strength test on the rock mass，structural plane and concrete/rock cementation plane at dam site

表5 巖石(體)物理力學參數建議值Table 5 The suggested values for physical and mechanical parameters of rock(mass)

表6 結構面抗剪斷強度參數建議值Table 6 The suggested values for shear strength parameters of the structural plane

7.2 巖體質量分級

巖體完整性系數(KV)指巖體的縱波速度(Vmp)與巖石的縱波速度(Vrp)之比的平方值，即KV=(Vmp/Vrp)2，該項指標能綜合反映巖體完整性程度。根據物探測試成果綜合分析，對壩區三類巖體的聲波建議值列于表8。

根據《巖土工程勘察規范》(GB50021—2001)、現場聲波測試成果及巖體宏觀特征分析，壩區各類巖體完整程度劃分見表9。

根據《工程巖體分級標準》(GB50218—94)［2］，巖體基本質量由巖石的堅硬程度和巖體的完整程度兩個因素確定，巖石的堅硬程度定量評價是以巖石飽和(濕)單軸抗壓強度(Rc)來評定的。根據室內巖石力學試驗成果Rc值及巖石完整性系數KV值，確定河床壩段巖石基本質量指標BQ值見表10。

表7 巖體結構分類表Table 7 Classification of rock mass structure

表8 巖體及巖塊聲波建議值表Table 8 The suggested values for sound wave of rock(mass)

表9 各類巖體完整程度表Table 9 The integrated degrees of different rock masses

8 河床壩段壩基抗滑穩定條件分析

8.1 抗滑穩定模式分析

建壩巖體主要是貝加拉組第10亞段(P3pel10)厚層—巨厚層砂巖，巖石抗壓、抗剪強度高，完整性好，就巖石本身來說是不存在抗滑問題的，但通過地表測繪、鉆孔高清錄相顯示在建基面下0～12 m范圍中緩傾角結構面較發育，一般屬軟性結構面，抗剪強度低，實測表明緩傾角裂隙線連通率約為30%～40%。可見緩傾角裂隙對大壩的抗滑穩定有著至關重要的作用。因此大壩的抗滑穩定問題實際上就是緩傾角結構面的抗滑穩定問題，大壩的抗滑穩定模式見圖5。通過河床壩基下緩傾角結構面發育情況分析，緩傾角結構面主要位于壩基12 m以內，12 m以下巖體完整，因此，抗滑穩定主要是表層滑動或淺層滑動問題。由于壩基下無緩傾角斷層發育，河床壩段抗滑穩定主要表現為B1、B2、B3、B4 滑動模式。

圖5 大壩可能的滑動破壞模式圖Fig.5 The potential sliding damage model of the dam

8.2 抗滑穩定邊界條件分析

9#～12#壩段壩基主要為P3pel10亞段巨厚層砂巖體，微新狀態，斷層 F280、F281-1、F281、F283斜穿河床，造成地層錯位，使河床壩段上游分布有頁巖與砂巖互層巖體，下游分布砂巖夾頁巖地層。由于地層陡傾，且為橫向谷，斷層陡傾一般為壓扭性，且與壩線大角度相交;剪切帶順層發育，與壩線平行，因此，層面、斷面、剪切帶均不可能構成壩體滑動的底滑面。

壩基下12 m以內巖體中主要發育有傾向220°～240°、傾角20°～30°的緩傾角裂隙，面多粗糙，張開，以無充填或充填方解石為主，長約20 m左右，線連通率約30%～40%。因此，壩基滑動主要存在兩種可能:一是表層滑動，順砼與建基面滑動;二是淺層滑動，壩體沿傾向220°～240°的緩傾角裂隙滑動。

9 壩基工程處理措施

在河床壩段受4條斷層的切割，使P3pel10亞段厚層砂巖地層呈不對稱狀。為了避開壩基大范圍地坐落于第P3pel9、P3pel11亞段的軟巖上，對大壩采取了弧線布置。在河床第11及12壩段中，P3pel9－2地層實測巖層厚度分別為26.8 m與28.4 m，為灰綠色薄層頁巖夾少量砂巖或砂巖透鏡體，其中頁巖剪切破壞明顯、強烈，性狀很差，采取深挖后置換混凝土的處理措施。

P3pel11亞段僅于河床壩段壩址部位出露，上、中部分別為厚約6.3 m、7.6 m的頁巖帶，兩層頁巖皆埋在壩基之內，對淺表部風化相對較強、性狀較差的部分進行了深挖置換處理。對F280、F281、F283等斷層進行了掏槽置換處理。對12#壩段中部的破碎巖體進行了固結灌漿。

通過對軟巖、破碎帶進行掏槽置換處理，并加強淺表層的固結灌漿，解決了不均勻沉降問題。

10 結論

通過施工編錄及鉆孔勘探綜合分析，河床深槽(9#～12#)壩段壩基巖體主要是(P3pel10)砂巖，局部為軟弱地層(P3pel9、P3pel11)，巖體基本質量為Ⅱ類，少量Ⅲ、Ⅳ類。在壩基下12 m范圍內發育有緩傾下游的優勢結構面組，對壩基的抗滑穩定有一定影響。河床中發育的F280、F281、F283等斷層及剪切帶不影響壩基抗滑穩定。壩基下發育的軟巖、斷層、剪切帶可通過掏槽置換處理，并加強固結灌漿。

本項目為EPC合同，前期地勘工作量極少，施工期已沒有時間進行系統勘察與試驗，勘察、設計、施工基本上是平行進行。在工程實踐中，針對這種情況，加強了施工期間的地質分析與研究工作，對重點地質部位進行定量評估，對類似工程地質工作具有一定的借鑒意義。

［1］ 長江勘測規劃設計研究有限公司.國外某水電項目大壩壩基工程地質總結報告［R］.武漢:長江勘測規劃設計研究有限公司，2011.

［2］ GB 50218—94，工程巖體分級標準［S］.