三里坪水電站兩岸壩肩主要地質(zhì)缺陷及處理措施

朱云法, 徐復興, 吳蒙蒙

(水利部 長江勘測技術研究所,湖北 武漢 430011)

三里坪水電站兩岸壩肩主要地質(zhì)缺陷及處理措施

朱云法, 徐復興, 吳蒙蒙

(水利部 長江勘測技術研究所,湖北 武漢 430011)

三里坪水電站壩址區(qū)地質(zhì)構造條件復雜,左壩肩多發(fā)育緩傾角裂隙,右壩肩有F5斷層及一組順河向小斷層,均對壩基的抗滑穩(wěn)定有一定的不利影響,通過宏觀地質(zhì)分析以及基于裂隙連通率的結構穩(wěn)定性計算,最終采用左岸大直徑混凝土置換洞、右岸EL306～345 m分層設置置換洞的工程處理措施,有效保證了大壩的安全。

緩傾角裂隙;順河向斷層;裂隙連通率;置換洞;三里坪水電站

1 工程概況

三里坪水電站位于湖北省房縣,是漢江一級支流南河梯級開發(fā)中以防洪、發(fā)電為主,兼顧其它效益的骨干工程,正常蓄水位為416.00 m,相應庫容4.72億m3。本工程為Ⅱ等大(2)型工程,主要建筑物為2級。大壩為碾壓混凝土對數(shù)螺旋形雙曲拱壩,最大壩高133 m,在已建碾壓混凝土薄拱壩中居于前列。

2 工程地質(zhì)條件

2.1 地形地貌

大壩兩岸岸坡陡峭,山峰呈“尖棱狀”。左岸山脊走向近正東,大致垂直河谷,一般在EL350 m以下坡角65°、以上55°;右岸山脊近順河向,在EL360 m以下坡角70°,以上45°左右;河床平水位EL305 m,對應兩岸山峰相對高差分別為445 m、395 m,呈現(xiàn)典型的河流深切峽谷地貌。

2.2 地層巖性

2.3 地質(zhì)構造

壩址區(qū)構造屬于義渡—黑山復式褶皺帶,區(qū)間構造作用強烈,褶皺、斷裂發(fā)育,近壩地段發(fā)育一系列近東西向的線狀、尖棱狀的歪斜褶皺及與之平行的斷裂構造,構成壩區(qū)總體構造格局。受構造影響,壩區(qū)巖層產(chǎn)狀變化較大,傾角較陡,一般70°～85°。

2.3.1 褶皺

壩區(qū)自上游三里坪向下游1.3 km的范圍內(nèi)發(fā)育有三里坪向斜、三道坪背斜、鏈子崖向斜及李子溝口背斜,褶皺連續(xù),形態(tài)各異,背斜緊閉,向斜舒緩,不論背斜或向斜,均為不對稱的褶曲,具有SE翼傾角陡,NW翼傾角稍緩,且背斜皆向NE方向傾伏的特征(圖1)。大壩位于三道坪倒轉(zhuǎn)背斜的NW翼即鏈子崖向斜的SE翼,褶皺構造軸跡NEE。

2.3.2 斷層

受構造運動影響,壩址區(qū)共發(fā)現(xiàn)規(guī)模大小不一斷層18條,后經(jīng)平硐、鉆孔等揭露小規(guī)模斷層12條,多為一系列規(guī)模不大、延伸不長、并與褶皺方向近一致的迭瓦式逆沖斷層及派生壓扭性斷層。距大壩較近、對大壩穩(wěn)定性影響較大的有F5以及由平硐揭露的一系列順河向小斷層f21、f22、f23、f24、f30、f50等。

2.3.3 裂隙

壩址區(qū)除兩岸及沖溝兩側高陡邊坡一帶見卸荷裂隙外,主要為構造裂隙,其發(fā)育明顯受構造和巖性的控制。其中左岸裂隙較發(fā)育,且以緩傾角裂隙為主;右岸裂隙不發(fā)育,且以反傾向中陡傾角裂隙為主。

圖1 壩區(qū)左右兩岸褶皺構造示意圖Fig.1 Sketch map of fold structure around both sides in dam area

3 左右壩肩主要地質(zhì)缺陷

受構造影響,左右壩肩發(fā)育的斷層、裂隙等有明顯區(qū)別,其中左壩肩以緩傾角裂隙為主,右壩肩除F5斷層外,與之共軛相交的有f21、f22、f23、f24、f30及f50等一系列近平行的順河向小斷層。由于兩岸山脊尖棱,沖溝發(fā)育,故巖溶現(xiàn)象不發(fā)育。

3.1 左壩肩緩傾角裂隙

3.1.1 裂隙分布特征

左岸壩肩為緩傾角裂隙發(fā)育區(qū),在壩頂高程420 m以下均有分布,通過對地表及平硐揭露共198條裂隙的統(tǒng)計,其空間展布和發(fā)育程度有以下特點:

(1) 高程305～330 m近岸坡地段發(fā)育長大緩傾角裂隙密集帶,產(chǎn)狀較穩(wěn)定,多傾向NE,傾角15°～20°,單條最長22.7 m。

(2) 高程330～370 m,總體較發(fā)育,近岸坡水平深度20 m以上性狀較好,以閉合為主,局部緩傾裂隙呈束(帶)狀構成密集帶。

(3) 高程370 m以上,緩傾角發(fā)育密度相對較小,長度也較小。

3.1.2 裂隙面地質(zhì)特性

受層面或?qū)娱g錯動帶的控制,緩傾角裂隙多有起伏,并見擦痕,按其壁面形態(tài)和粗糙度可分為四種類型:平直光滑面、平直稍粗面、起伏粗糙面、極粗糙面。充填厚度<1 mm的占統(tǒng)計總數(shù)的78.8%左右;厚度1～3 mm的占統(tǒng)計總數(shù)的17.7%;充填厚度3～5 mm的占統(tǒng)計總數(shù)的3.5%;最大充填厚度8 mm,充填物厚度>1 mm的基本為新鮮方解石脈(表1、表2)。

緩傾角裂隙主要有閉合或新鮮方解石充填、風化方解石或巖屑(部分夾泥)充填、泥膜充填三種類型:其中閉合或新鮮方解石充填類型占198條的近90%;風化方解石或巖屑(部分夾泥)充填的占統(tǒng)計的10%左右,充填厚度一般2 mm左右,最大的8 mm且不連續(xù)或連續(xù)充填長2～3 m,裂面上大都覆鐵、錳膜;泥膜充填占5%以下,主要在近岸坡卸荷帶內(nèi),有的張開、局部充填風化碎屑土,部分見深褐色鐵染或灰黃色鈣膜。

表1 緩傾角結構面形態(tài)分類統(tǒng)計表

表2 緩傾角裂隙充填物厚度統(tǒng)計表

3.1.3 裂隙連通率[1-3]

緩傾角裂隙的連通情況對大壩抗滑穩(wěn)定影響較大。這里主要采取剖面投影法對其連通率進行了研究。

剖面投影法計算公式及示意圖(圖2)如下:

圖2 剖面投影法緩傾角裂隙連通率計算示意圖Fig.2 Sketch map of persistence ratio of gentle inclined fracture by profile projection

分別采用0.25 m和0.5 m兩個不同投影距進行統(tǒng)計,得到的連通率見表3。

表3 左岸各高程平硐緩傾角裂隙連通率統(tǒng)計表

綜合考慮緩傾角裂隙的分布規(guī)律及性狀特征,類比其它工程經(jīng)驗,這里裂隙連通率按不同高程分別給值,其中:高程305～330 m間按長大結構面全連通考慮(連通率100%);高程330～370 m間按連通率44%并疊加1條長大結構面考慮(綜合后連通率取60%);高程370 m以上取連通率為44%。

3.2 右壩肩F5斷層及順河向小斷層[4-5]

右壩肩影響大壩變形及抗滑穩(wěn)定的主要結構面有橫向壓扭性斷層F5,以及與之相交的順河向f21、f22、f23、f24、f30及f50小斷層,其地質(zhì)結構剖面示意見圖3。

圖3 右壩肩地質(zhì)結構綜合剖面示意圖Fig.3 Sketch map of composite section of geologic structure on the right abutment1.天河板組第一段;2.地表出露的斷層;3.平硐揭露的斷層;4.裂隙及編號;5.卸荷帶界線;6.平硐及編號。

F5:在地表、平硐及部分鉆孔均有揭露,產(chǎn)狀185°～195°∠65°～70°。斷層帶寬度10～30 cm不等,構造角礫巖破碎、風化呈巖塊并溶蝕填泥,局部破碎帶附近巖體風化呈黃色,風化帶寬1～2 m不等。該斷層帶橫穿過壩軸線高程345 m以上拱圈。

ZD1置換洞(高程294 m)進洞12 m破碎帶寬度10 cm左右,充填物為碎石夾不連續(xù)填泥,其后方解石膠結較好,厚度漸變至5 cm左右。在306 m高程施工支洞內(nèi)追索揭露情況主要為斷續(xù)方解石充填的緊密接觸結構面。

f22:306 m灌漿洞揭露情況為洞內(nèi)揭露產(chǎn)狀215°∠71°,寬度0.5～3 cm,充填物為鈣質(zhì)膠結的角礫巖、巖屑,彎曲起伏,下游壁卸荷張開約0.5 cm。294 m置換洞中f22產(chǎn)狀為220°∠75°,寬度1～2 cm,未張開,多為新鮮方解石脈緊密充填,僅與層面及其它裂隙相交部位見溶蝕,洞內(nèi)可見延伸長度約24 m,屬硬性結構面,并往下游向山里偏轉(zhuǎn)。

f23:在高程306 m灌漿洞揭露,產(chǎn)狀215°∠64°,上游壁寬度2～5 cm,充填鈣質(zhì)膠結的角礫巖,局部風化溶蝕填泥;順306 m置換洞沿走向向下游17 m后寬度不足1 cm、產(chǎn)狀也漸變?yōu)?45°∠77°、主要為新鮮方解石充填的硬性結構面。

L294-1:距壩端21 m,產(chǎn)狀為203°∠70°,寬度1 cm,鈣質(zhì)充填、面平整、微風化,受限于反傾向裂隙(產(chǎn)狀143°∠56°),其發(fā)育長度約5 m,位于高程317 m以下。

L294-2:距壩端34 m,產(chǎn)狀為215°∠70°,寬度1 cm左右,碎屑充填,表面微張開,受限于反傾向裂隙(產(chǎn)狀173°∠56°),發(fā)育長度約8 m,位于高程320 m以下。

按卸荷帶內(nèi)、外統(tǒng)計,側向潛在滑移面性狀加權比例如下:卸荷帶,即泥夾碎石14%、碎石夾泥28%、閉合或充填膠結較好58%;非卸荷帶,即泥夾碎石10.1%、碎石夾泥8.2%、閉合或充填膠結較好81.7%。

經(jīng)過壩肩開挖及二次開挖,EL345 m以上F5及f系列斷層基本已經(jīng)挖除,但EL345 m以下部分在河床壩基開挖及各層置換洞開挖過程中,f22、f23以及裂隙性結構面L294-1、L294-2其性狀、延伸長度及連通率均較前期勘察有所變化:按揭露長度推算斷層f22連通率應為40%,性狀為膠結好的硬性結構面;L294-2外坡揭露性狀比f22要差,為碎屑(夾泥)充填長度8 m,連通率約15%。

各類型結構面力學性質(zhì)建議值見表4。

表4 結構面力學參數(shù)建議值表

4 處理措施[6]

(1) 據(jù)計算模型,拱壩左壩肩緩傾結構面構成隨機底滑面,是左壩肩抗滑穩(wěn)定的控制性因素。針對左岸壩肩下部高程305～318 m 連通率100%的緩傾角裂隙區(qū)域,通過計算比較最終采用了抗剪洞方案。

(2) 斷層F5,考慮其變形對大壩穩(wěn)定及應力變形的影響,采取在高程306、318、330、345 m布置4層置換洞的處理方案。

(3) 對順河向小斷層f22、f23,采取在高程306、294 m分別設置兩層抗剪洞的深層處理方案;由于順河向斷層f21、f30不影響拱座的抗滑穩(wěn)定,僅對拱壩的變形有影響,因此對其采取利用F5斷層置換洞進行部分置換的處理措施(圖4)。

圖4 右壩肩置換洞立面圖Fig.4 Elevation of replacement hole of the right abutment

5 結語

三里坪電站壩址區(qū)地質(zhì)條件復雜,兩岸壩肩均發(fā)育有對大壩穩(wěn)定影響較大的不利結構面。其中左岸以緩傾角為主,主要影響壩基的抗滑穩(wěn)定;右岸以F5斷層及f系列小斷層為主,主要影響大壩的變形穩(wěn)定。

通過前期勘察及施工期間地質(zhì)編錄,分別對左岸緩傾角裂隙及右岸不利結構面進行統(tǒng)計分析,提出裂隙連通率,建立地質(zhì)結構模型,進行穩(wěn)定性計算,并根據(jù)計算結果采取左岸抗剪洞、右岸置換洞的處理措施,最終有效保證了大壩的安全。

[1] 薛果夫.長江三峽水利樞紐工程地質(zhì)勘察與研究[M].武漢:中國地質(zhì)大學出版社,2008.

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[3] 孫玉科,牟會寵,姚寶魁,等.邊坡巖體穩(wěn)定性分析[M].北京:科學出版社,1988.

[4] 周維垣,王仁坤,林鵬.拱壩基礎不對稱性影響研究[J].巖石力學與工程學報,2006,25(6):1081-1085.

[5] 王運生,黃潤秋,王士天.西南某壩區(qū)右岸復雜巖體成因初步分析[J].地質(zhì)災害與環(huán)境保護,2002,13(1):69-72.

[6] 龔道勇,向光紅,楊曉紅.三里坪碾壓混凝土雙曲拱壩基礎處理[J].水電與新能源,2010(3):42-44.

(責任編輯：陳文寶)

Main Geological Defects and Treatment Measures of Both Sides ofDam Abutment of Sanliping Hydroproject

ZHU Yunfa, Xu Fuxing, WU Mengmeng

(ChangjiangReconnaissan&TechnologyResearchInstitute,MinistryofWaterResources,WuhanHubei430011)

The geological condition of Sanliping dam foundation is complicated due to tectonic action.In left abutment,there exisits lots of qentle-angle fracture,and in right abutment exists the F5 fault and a set of small faults parallel to river. Which is unfavorable to the dam stability against sliding. Through macro-geological analysis and the structural stability calculation combined of fracture connectivity,the engineering treatment measures are used to effectively ensure safety of the dam,through the large diameter concrete replacement hole on the left bank,and hierarchical replacement hole between EL306～345 m on the right bank.

qentle-angle fracture; faults parallel to river; fracture connectivity; replacement hole; Sanliping Hydroproject

2016-04-22;改回日期:2016-05-09

朱云法(1981-),男,高級工程師,水文地質(zhì)與工程地質(zhì)專業(yè),從事水利水電工程地質(zhì)勘測及研究工作。E-mail:1302800054@qq.com

TV642.4+2; P64

A

1671-1211(2016)03-0335-04

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2016.03.021

數(shù)字出版網(wǎng)址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20160505.1531.002.html 數(shù)字出版日期:2016-05-05 15:31