豐滿水電站大壩全面治理工程F67斷層帶滲透穩(wěn)定性分析

謝福志, 周 旭, 朱金來, 于景宗

(中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司,吉林 長(zhǎng)春 130021)

豐滿水電站大壩全面治理工程F67斷層帶滲透穩(wěn)定性分析

謝福志, 周 旭, 朱金來, 于景宗

(中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司,吉林 長(zhǎng)春 130021)

介紹豐滿水電站大壩壩基F67斷層分帶和組成物的物理力學(xué)性質(zhì)及透水性,對(duì)F67斷層帶滲透穩(wěn)定性進(jìn)行分析,提出臨界與破壞水力比降,并確定允許水力比降。

豐滿水電站;斷層帶;滲透穩(wěn)定性;臨界與破壞水力比降;允許水力比降

圖1 壩基F67斷層破碎帶分帶示意圖Fig.1 Diagram of zoning of F67 fault fracture zone of dam foundation

豐滿水電站全面治理(重建)工程壩基F67斷層在右岸階地部位順江通過壩址區(qū),與壩軸線近于正交,為壩址區(qū)發(fā)育規(guī)模最大、性狀最差,對(duì)工程影響最大的一條斷層帶,因此有必要對(duì)F67斷層的滲透穩(wěn)定性進(jìn)行研究分析。

1 F67斷層分帶及組成物

F67斷層破碎帶由F67-1、F67-2、F67-3、F67-4和F67-5等多條斷層組成,斷層走向整體北西15°～50°,斷層面傾向南西,傾角60°～80°。由于F67斷層多期活動(dòng),致使該破碎帶斷層條數(shù)較多,間距較小,各斷層寬度不一,性狀亦有差異;但破碎帶寬度總體上自上而下逐漸變小,破碎程度隨深度的增加而逐漸減弱。整個(gè)破碎帶巖石破碎程度均一性較差,按其破碎情況大致可分?jǐn)鄬幽嗷瘞А?qiáng)烈擠壓破碎帶和擠壓破碎帶三個(gè)部分,詳見圖1。

(1) 斷層泥化帶:約占斷層帶總寬度的2.3%,即F67-1、F67-2、F67-3斷層中心帶,斷層泥化帶分別寬0.4～0.6 m和0.05～0.1 m,由泥夾巖屑組成,F67-1斷層泥化帶局部可達(dá)2.5 m,由灰—灰黃色泥夾巖屑組成,濕時(shí)具塑性。

(2) 強(qiáng)烈擠壓破碎帶:約占斷層帶總寬度的18.7%,沿F67-1、F67-2、F67-3斷層中心帶上盤分布,寬一般3～6 m,破碎帶內(nèi)與斷層方向一致的陡傾角節(jié)理密集分布,破碎帶內(nèi)巖石多被壓碎成數(shù)厘米—十厘米大小的較軟弱—中等堅(jiān)硬的巖塊,部分地段見有碎裂巖及斷層角礫巖,并多被鈣質(zhì)及硅質(zhì)次生物重新膠結(jié),局部有綠泥石化、高嶺土化現(xiàn)象。

(3) 擠壓破碎帶:約占斷層帶總寬度的79%,分布于F67-1、F67-2、F67-3強(qiáng)烈擠壓破碎帶兩側(cè),寬度25～30 m,破碎帶內(nèi)見有多條傾角較陡的小斷層,巖石多破碎呈10～30 cm大小的中硬巖塊,局部強(qiáng)烈破碎、軟弱。其特點(diǎn)是壓碎巖塊多被鈣質(zhì)及硅質(zhì)次生物重膠結(jié),整個(gè)擠壓破碎帶下盤破碎程度較上盤輕,下盤側(cè)擠壓破碎帶向外壓碎巖塊逐漸增大,巖石由中等堅(jiān)硬逐漸變?yōu)閳?jiān)硬。

2 F67斷層的物理力學(xué)性質(zhì)

根據(jù)物探聲波測(cè)試成果[1],斷層帶巖體縱波速度為2.88～6.26 km/s,巖體完整性系數(shù)為0.25～1.0。

據(jù)26組斷層泥試驗(yàn)成果,斷層泥顆粒組成以粘、粉粒為主,約占52%;其物理指標(biāo)平均值為:含水量20.2%,干密度1.64,孔隙比0.669,飽和度80%;其力學(xué)指標(biāo)平均值為:壓縮系數(shù)2.19,壓縮模量4.8 MPa,凝聚力24 kPa,內(nèi)摩擦角19.6°。

經(jīng)對(duì)斷層泥樣品X衍射法分析,其主要礦物成分為綠泥石12%～14.5%、滑石5.4%～13.6%、蒙脫石2.1%～13.3%、鈉長(zhǎng)石5.5%～40.8%、碳酸鈣12.8%～36.8%、石英0.8%～19.6%、高嶺土8.9%～14.9%等。

3 F67斷層帶透水性

據(jù)可行性研究階段鉆孔壓水試驗(yàn)資料,F67斷層破碎帶透水率一般為1.2～2.5 Lu,最小0.4 Lu,最大3.9 Lu,其中弱透水巖體約占總數(shù)的63%,微透水巖體約占總數(shù)的37%,詳見表1。

表1 F67斷層帶鉆孔壓水試驗(yàn)資料成果統(tǒng)計(jì)表Table 1 Statistics data of drilling water pressure test of F67 fault

中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司曾于1958年在現(xiàn)豐滿大壩35壩段廊道內(nèi)進(jìn)行壓水試驗(yàn),此次試驗(yàn)表明:F67斷層泥透水率均<1 Lu,兩側(cè)塊狀破碎巖體的透水率絕大部分在5 Lu以下,廊外(帷幕范圍以外)三個(gè)鉆孔巖體的透水率相對(duì)較大,一般為3～70 Lu,說明帷幕的固結(jié)防滲作用是明顯的。

4 F67斷層帶滲透穩(wěn)定性分析

4.1 臨界與破壞水力比降

1958年在豐滿大壩35壩段廊道內(nèi)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)滲透變形試驗(yàn):以35A1孔為壓水孔,以35A3孔為排水觀測(cè)孔,兩孔相距2 m,孔深相當(dāng),均穿過斷層泥、碎裂巖及綠泥石化碎塊巖,最大水力坡降達(dá)20,總延續(xù)時(shí)間265 h,整個(gè)試驗(yàn)過程排水孔始終排出清水,未見細(xì)顆粒沖移。證明經(jīng)過帷幕灌漿后在F67斷層破碎帶內(nèi)產(chǎn)生各種類型滲透破壞的可能性不大。

為了驗(yàn)證F67斷層泥和碎粉巖(碎屑夾泥)的滲透破壞比降,在189平硐內(nèi)采取斷層泥和碎粉巖的原狀樣進(jìn)行了室內(nèi)滲透變形試驗(yàn),試驗(yàn)儀器筒身內(nèi)徑為10 cm,儀器高度為12.8 cm。當(dāng)試樣的滲流比降達(dá)到24.0～44.1時(shí),其滲流量明顯加大,水流變黃、渾濁,試樣發(fā)生破壞。

根據(jù)滲透速度與滲透坡降關(guān)系曲線(圖2-圖7),判定6組試樣破壞形式均為流土,試樣的臨界比降、破壞比降及相應(yīng)的滲透系數(shù)見表2。

圖2 F67斷層泥滲透變形成果圖Fig.2 Mud seepage deformation results of F67 fault

圖3 F67斷層泥滲透變形成果圖Fig.3 Mud seepage deformation results of F67 fault

根據(jù)189平硐內(nèi)觀察,產(chǎn)生滲水的部位主要在擠壓破碎帶內(nèi),沿裂隙滲出,斷層泥及碎粉巖帶滲水少,主要是斷層泥與接觸帶密實(shí)、且裂隙中有泥質(zhì)充填,滲透性差。

4.2 允許水力比降確定

1973年中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司進(jìn)行的現(xiàn)場(chǎng)滲透變形試驗(yàn)是在經(jīng)過帷幕灌漿和固結(jié)灌漿后的壩基進(jìn)行的,因此,沒有取得臨界或破壞水力比降,但卻反映出斷層帶是可灌的,經(jīng)灌漿處理后,斷層帶的抗?jié)B透變形能力較強(qiáng)。

圖4 F67斷層泥滲透變形成果圖Fig.4 Mud seepage deformation results of F67 fault

圖5 F67斷層碎粉巖滲透變形成果圖Fig.5 Powdery rock seepage deformation results of F67 fault

圖6 F67斷層碎粉巖滲透變形成果圖Fig.6 Powdery rock seepage deformation results of F67 fault

2008年進(jìn)行的室內(nèi)試驗(yàn),與原位試驗(yàn)相比邊界條件差異很大,有一定的局限性。但兩次試驗(yàn)成果對(duì)確定斷層帶的允許水力比降有重要意義。

圖7 F67斷層碎粉巖滲透變形成果圖Fig.7 Powdery rock seepage deformation results of F67 fault

表2 F67斷層泥及碎粉巖滲透變形成果表Table 2 Seepage Deformation results of mud and powdery rock of F67 fault

試樣編號(hào)斷層分帶臨界坡降ik破壞坡降iF滲透系數(shù)k20189平硐-1斷層泥/30.42.08×10-5189平硐-2斷層泥15.844.12.73×10-6189平硐-3斷層泥/24.01.66×10-5F67-17-01碎粉巖12.332.84.40×10-6F67-17-01碎粉巖11.131.11.90×10-6F67-17-01碎粉巖14.234.53.06×10-6

根據(jù)《水力發(fā)電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(GB 50287—2006)附錄L的規(guī)定[2],結(jié)合滲透變形試驗(yàn)成果及斷層泥物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)成果,并類比其他工程經(jīng)驗(yàn),提出F67泥化帶的允許水力比降建議值J≤5。

5 結(jié)語

(1) 現(xiàn)場(chǎng)滲透變形試驗(yàn)是在經(jīng)過帷幕灌漿和固結(jié)灌漿后的壩基進(jìn)行的,反映出F67斷層帶是可灌的,經(jīng)灌漿處理后,斷層帶的抗?jié)B透變形能力較強(qiáng)。

(2) 6組室內(nèi)滲透變形試驗(yàn),滲透破壞形式均為流土。

(3) 根據(jù)《水力發(fā)電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》,結(jié)合滲透變形試驗(yàn)成果及斷層泥物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)成果,并類比其他工程經(jīng)驗(yàn),提出F67泥化帶的允許水力比降建議值J≤5。

[1] 中華人民共和國建設(shè)部.水力發(fā)電工程地質(zhì)勘察規(guī)范:GB 50287—2006[S].北京：中國計(jì)劃出版社，2006.

[2] 中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司.吉林省豐滿水電站大壩全面治理工程可行性研究報(bào)告[R].長(zhǎng)春：中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，2010.

(責(zé)任編輯：費(fèi)雯麗)

Analysis of Seepage Stability of F67Fault Zone in All-RoundManagement Project of Fengman Hydropower Station

XIE Fuzhi, ZHOU Xu, ZHU Jinlai, YU Jingzong

(ChinaWaterNortheasternInvestigation,Design&ResearchCo,Ltd,Jilin,Changchun130021)

The F67fault zoning and physical mechanical properties and water permeability of dam foundation composition in Fengman Hydropower Station are introduced in this paper. Through the analysis of the permeability stability of F67fault zone,the critical and failure hydraulic gradient is put forward and the allowable hydraulic gradient is determined.

Fengman Hydropower Station; fault zone; seepage stability; critical and failure hydraulic gradient; allowable hydraulic gradient

2017-06-15;改回日期:2017-06-22

謝福志(1973-),男,教授級(jí)高級(jí)工程師,水文地質(zhì)與工程地質(zhì)專業(yè),從事水利水電勘察工作。E-mail:xiexie1106@qq.com

TV223.3+2; TV697.3+2

A

1671-1211(2017)04-0377-03

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2017.04.004

數(shù)字出版網(wǎng)址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20170620.1320.004.html 數(shù)字出版日期:2017-06-20 13:20