某水電站壩址工程地質特征淺析

楊秀江

(貴州黔水工程監理有限責任公司，貴陽 550002)

1 概 述

某水電站位于烏江的一級支流中游河段上。壩址以上流域面積3804km2，多年平均年徑流量23.75億m3，多年平均流量75.3m3/s。水庫正常蓄水位516m，回水長18.13km，總庫容1.752億m3。大壩壩型為鋼筋混凝土面板堆石壩，壩頂高程523.9m，最大壩高65.9m，壩頂長272m。引水發電有壓隧洞長212m，電站裝機容量2×2萬kW，保證出力8280kW，多年平均發電量1.8億kWh。

2 樞紐區工程地質條件

2.1 地形地貌

壩址位于烏江的一級支流中游河段，左支流入口略偏下游的橫向河谷內，巖層傾向下游，傾角12°-27°。河谷呈U型，枯季水位標高465m，谷寬30-70m，地形坡度左岸35°，自494m高程以上臺地緩坡地形。壩址下游地形開闊，受支流注入及河流轉彎等影響，兩岸山體均呈三面環水的半島狀地形。河床為厚1.6-12m的砂卵石所覆蓋，水深1.5-12m。

2.2 地層巖性

壩址主要地層為奧陶系下統湄潭組(O1m)，分為上、中、下三段，下段以砂頁巖為特征，中上段則以灰巖、砂巖、頁巖交互沉積為特征，其上部為十字鋪、寶塔組堅硬灰石，五峰澗草溝組及志留系龍馬溪組砂頁巖分布于壩址下游。主要地層有老至新分述如下：

湄潭組(O1m)：

下段(O1m1)：黃綠色、深灰色頁巖夾少量生物碎屑灰巖和粉砂巖，厚50-70m，分布在壩址上游及河床深部分布在壩址河床。

中段(O1m2)：灰色、淺灰色中厚層生物碎屑灰巖夾瘤狀泥灰巖，厚11-16.65m，分布在壩址河床。

上段(O1m3)：分6層，為壩址主要持力層。

第1層(O1m3-1)：灰至深灰色薄至中厚層狀生物碎屑灰巖夾瘤狀泥灰巖、頁巖、鈣質頁巖，底部為厚1.5m的砂質頁巖，厚6.8-11m，頁巖約占35%。

第2層(O1m3-2)：深灰至深黑色薄至中厚層狀泥質粉砂巖夾片鱗狀頁巖夾層，厚11.43m。

第3層(O1m3-3)：頂部為頁巖夾砂巖、生物灰巖；上部為黑灰色砂質頁巖，中部為一層厚約4m的鐵質粉砂巖；下部為砂質頁巖過渡為泥質粉砂巖，層間夾鱗片狀頁巖軟弱夾層，厚33.81m。

第4層(O1m3-4)：淺灰色薄至中厚層砂巖、粉砂巖，層間夾泥質，厚3.6m。

第5層(O1m3-5)：深灰色砂質頁巖、粉砂巖、生物灰巖互層，層間夾鱗片狀頁巖軟弱層，厚11.61m，其中砂巖約占30%，生物灰巖占26%，砂質頁巖占44%。

第6層(O1m3-6)：深灰色薄至中厚層砂巖、泥質粉砂巖、生物碎屑結晶灰巖夾黑色砂質頁巖及鱗片狀頁巖軟弱層，厚14.88m。其中砂巖占51%，生物灰巖占18%，頁巖占31%。

奧陶系中統(O2)分布于壩址兩肩及下游。

十字鋪組(O2s)上段為泥質灰巖、泥灰巖，厚1.59-2.31m；下段中厚至厚層狀灰巖，厚5.94-8.91m。

寶塔組(O2b)薄至中厚層龜裂灰巖，夾3-5層瘤狀泥灰巖，厚20-35.2m。

第四系(Q)：

為河床沖積之砂卵石層、殘坡積之黏土夾碎塊石層、崩石夾黏土。厚0-12m。

2.3 地質構造

壩址位于一背斜西翼，東距區域大斷層(F1)1.3km，巖層產狀N60°-70°W/NE∠12°-27°，傾下游。受區域大斷層(F1)以及次一級褶皺構造的影響，壩區斷裂較發肓，經查明12條斷層主要方向為NE、SW向及NWW向三組，以小角度斜切河床通過，致使壩址巖體自上游向下游呈階梯狀錯落。壩址節理主要發育組有5組。地表多張開充填次生黃泥、巖屑或無填充。除層面節理外，均為陡傾角，緩傾角節理不發育。

層間剪切帶：壩址由于受構造擠壓影響，頁巖夾層內形成較多的層間錯動剪切帶，并伴有層間揉皺，多在夾層頂部形成起伏較大的光面及鏡面。經鉆孔、平洞揭露剪切帶厚度變化較大，特別是在構造破碎部位厚度大，可達3.65m，沿走向傾向延伸長、起伏大，且多分布于軟硬巖層之間。新鮮巖體中仍有發育，，在河床以下50m深度內均有分布。經取樣試驗：其具有絲絹光澤，礦物成分為水云母，化學成分主要為SiO2，具膨脹性，遇空氣迅速崩解，遇水易泥化，抗剪強度小，壓實性差，強度低，波速低于1300-1500m/s，完整系數0.27-0.36。

3 壩型、壩軸線選擇

3.1 壩型選擇

受工程地質條件的限制，壩址不適宜修建混凝土重力壩等剛性壩型。地址以O1m為主的砂頁巖地層，巖性軟弱，巖層不均一，構造發育，巖層傾下游，層間軟弱剪切帶等結構面對大壩變形及抗沉穩定起控制作用，處理困難，因此只適宜建當地材料壩。

3.2 壩軸線及趾板位置選擇

受地形條件的限制，致使壩軸線的選擇范圍有限，上游石梁河入口，地形變寬，下游主河道轉彎，兩岸地形低矮，因此壩軸線僅限于縱向長約50m的峽谷河段。趾板位置的選擇原則主要是避開較厚的層間剪切帶和右岸較深的覆蓋層，以及考慮上游圍堰的布置場地。上壩線：據河長鉆孔揭露：層間剪切帶層次多、厚度大(最大單層3.65m)(見表1)，并有泥化現象，工程地質條件很差。同時右岸高程470-495m，因斷層切割破壞，覆蓋層鉛直厚達20余米，水平深度達38m。該縣趾板開挖工程量大，處理難度大。并且造成施工圍堰布置困難。下壩線：距上線26m，經鉆孔揭露，河床巖體層間剪切帶頻率相對較低，厚度較薄(最大單層厚度0.57m)且主要巖性為泥質粉砂巖，強度差異性較少，河床地基工程地質條件較上線好，右岸岸坡據鉆孔及槽探揭露，覆蓋層深6-8m，因此改線趾板開挖工程量較少，處理難度較上線小，且較上線易于布置施工圍堰。

表1 上、下壩線趾板各鉆孔揭露曾剪切帶統計表

4 壩址巖體結構特征

4.1 巖體結構類型及工程地質巖組劃分

壩址巖性由灰巖、泥灰巖、砂巖、頁巖等組成，巖層軟硬相間分布，層間剪切帶較發育，壩址巖體結構類型屬層狀多元結構巖體。

按地層結構和巖性組合情況，可將壩址地層歸納為3個工程地址巖組(見表2)，其工程地質條件以灰巖類巖組最好，砂頁巖、生物灰巖類巖組次之，頁巖類巖組最差。

表2 工程地址巖組劃分表

4.2 巖石力學試驗及成果分析

壩址巖石力學試驗有不同巖性的單軸抗壓強度20組，中剪試驗8組，現場載荷試驗3點，室內鱗片狀夾泥土工試驗10組。試驗的重點是研究弱風化帶(中、下部)各類巖體的力學特性，實驗結果見表3、表4、表5。

表3 巖石物理力學性質試驗成果表

表4 現場巖體變形——載荷試驗成果表

表5 室內抗剪(斷)強度試驗成果表

4.2.1 巖體強度及變形特征

1)層間剪切帶：受構造破壞變成鱗片狀使強度降低，比例極限強度為0.07-0.56MPa。變形模量0.031-0.034GPa，在較小的壓力下，其變形較大。

2)泥質粉砂巖及砂質頁巖：泥質含量較高，抗壓強度較低，為14.3-26.68MPa，巖石彈性模量為0.58-14.5GPa。

3)灰巖、砂巖：巖石堅硬，強度高，變形小。為79.5-117MPa。

4)不同巖性的組合：由不同的巖性組合其強度各不相同，強度較堅硬巖石低。例H2點，由頁巖、泥質粉砂巖夾一層厚2cm的泥化夾層，其強度為2.9MPa，較頁巖、砂質頁巖強度低，變形模量0.1564GPa，較剪切帶高。

5)影響巖體變形的主要因素：軟弱夾層是巖體中最薄弱的部分，它結構破碎，厚度變化較大，強度低，在荷載作用下易產生變形，特別是在水的作用下泥化，性狀進一步惡化，根據不同含水量下測定的各項指標反映(見表6)，隨著含水含量的增加，其性質屬中等壓縮；而含水量>28%，孔隙比、抗壓強度、壓縮模量劇烈下降，而密度、壓縮系數則增大，當含水量<28%，則屬高壓縮性。在同一巖體中由于作用方向不同，其變形大小不同。平行層面方向的變形大于垂直層面方向的變形。

表6 鱗片狀頁巖夾層隨含水量增加各物理力學指標統計表

4.2.2 抗剪強度

經試驗成果表明，巖體抗剪強度主要受結構面(節理、層面、夾層等)的制約；而制約層面抗剪強度的主要因素取決于層面的性質、結構緊密程度、充填物類別和含水狀態等。層間錯動而形成的夾層(或剪切帶)的抗剪強度隨含水量的增加而明顯降低。例：含水量為19%時，抗剪強度為0.27kPa，當含水量增加29.4%時，則為0.04kPa，降低了85.2%。

5 大壩工程地質問題及處理建議

5.1 大壩基礎抗滑穩定

壩址河谷為橫向股，壩基巖層緩傾下游，傾角15°-20°。F3系列斷層斜穿河床陡頓下游，層間剪切帶較發育，對大壩基礎穩定不利。但經平硐槽深未發現傾上游的不利軟弱結構面。其主要剪切帶據鉆孔及平硐揭露，往下游厚度薄，壩基后部1/3寬度內為O2s、O2b中厚層灰巖，其完整性較好，強度較高并整合于O1m3砂、頁巖之上，增加了抗力巖體作用，因此，對于堆石壩來說，大壩基礎抗滑穩定性是能滿足要求的。設計以堆石體與(開挖)壩自基礎為控制面進行穩定計算，f=0.6，C=0.15MPa，并考慮層間剪切帶為巖體滑動底面進行穩定驗算，f=0.18，C=0.01MPa,其結果是穩定的。

5.2 大壩基礎變形穩定

5.2.1 面板堆石趾板基礎變形穩定

趾板基礎跨越O1m3-2-O2b地層，巖性弱硬相見，強度差異明顯，屬層狀多元結構河床部位為O1m3-2泥質粉砂巖及O1m3-2砂質頁巖、頁巖，巖性軟弱，強度較低，巖石本身強度差異不大，相對較均一。據鉆孔統計，層間剪切帶出現平率較低，厚度占該層揭露厚度的2.62%-5.98%，但單層厚度仍有0.34m，且下伏O1m3-1生物灰巖及頁巖內，剪切是較發育，單層厚0.10-0.57m，占8.6%-10%。

基礎兩岸坡部位為O1m3-3-O1m3-6砂頁巖及O2s、O2b堅硬灰巖，巖性變化大，強度差異明顯，受構造、剪切帶及地性影響，砂頁巖分布段風化較深，層間剪切帶層次多，厚度大(max=3.65m)，有泥化現象，性狀差，壓縮變形大，移定性差。

因此，層間剪切帶是趾板基礎變形的主要控制因素。設計按剪切帶變形模量Es=0.25-0.35GPa進行變形穩定計算，其結果是穩定的。

5.2.2 堆石體基礎變形穩定

堆石壩基礎后部1/3寬度范圍內為O1s、O1b堅硬灰巖，而前2/3寬度為O1m3-1-O1m3-6砂頁巖，主要壩基巖體軟硬相間分布，層間剪切帶分布較廣，延續性好，親水性強，抗風化能力弱，遇水泥化，壓縮變形大。就堆石壩而言，只要基礎的變形模量、抗剪強度與堆石體相當可以了。但是壩基1/3寬度內，要求開挖至完整性較好的基巖。

5.3 大壩帷幕防滲及壩基滲透穩定

5.3.1 大壩帷幕防滲邊界條件

壩址O2s、O2b層灰巖內不存在大型巖溶洞穴系統。上下游有巨厚層以頁巖為主的隔水層夾持，水文地質簡單明朗。根據鉆孔壓水及地下水位觀測資料統計分析，兩岸防滲下限以Lu<3為界，左岸長430m，最低高程490m；右岸長280m，最低高程493 m；河床趾板基礎以深入O1m1頁巖5m為下限，長160m，最低高程425-445 m。

5.3.2 堆石體基礎滲透穩定評價

根據野外地質測繪，斷層及其破碎帶以及N15°E組裂隙是壩基肩滲透的主要通道。壩基的滲透穩定主要是O1m3-1-O1m3-2砂頁巖，尤其是剪切帶的滲透穩定問題。但由于堆石壩面板的隔水作用，加之趾板位置的防滲灌漿帷幕處理，因此壩基無滲透穩定之憂。

5.4 巖體風化及建基面的選擇、處理建議

據堆石壩不同部位對基地的要求，分述如下：

5.4.1 趾板基礎建基面選擇及處理建議

趾板基礎河床部位為O1m3-2以泥質粉砂巖為主，強度差異不大。且層間剪切帶較上、下層少，作為持力層，建議強風化巖體，其下伏O1m3-1生物灰巖及頁巖剪切帶較發育，對壩基變形有影響，需進行固結灌漿處理，其深度應至O1m2層堅硬灰巖上。兩岸坡地帶，應置于新鮮基巖上，對于軟弱剪切帶，應掏挖用混凝土置換。

5.4.2 堆石體建基高程及處理建議

就堆石壩而言，堆石體本身對地基要求不高，但由于壩體靠上游基礎范圍內變形的大小直接影響面板的變形，故對上游1/3范圍內的基礎，要求開挖至相對較好的基巖。壩基前1/3寬度內，巖體軟硬相間，剪切帶較發育，加之斷層破壞，其強風化帶巖體應全部或大部分清除。

兩岸坡部位O1m3-5-O1m3-6砂頁巖風化較深。強風化帶內巖體破碎，裂隙發育，巖體單位吸水量大，在長期浸水狀態下，強度進一步降低，因此面板堆石壩前1/3寬度內的堆石體應置于O1m3-5-O1m3-6層弱風化內。

面板堆石壩其余部分基礎，建議清除覆蓋層置于基巖內。

堆石壩壩基各部位開挖深度(見表7)。開挖形成的建基面為強至弱風化巖體，且有剪切帶分布，抗風化擾動能力差，應立即噴護混凝土砂漿護面。

表7 堆石壩壩基各部位開挖深度表

備注：表列開挖深度：兩岸包括清除覆蓋層深度，河床不含覆蓋層深度。

5.5 壩基開挖邊坡穩定性評價及處理建議

混凝土面板基礎，巖層緩傾下游，傾角17°-25°，主要巖性為O1m3-2泥質粉砂巖，層間夾剪切帶，趾板地基切層開挖后，形成臨空面，高約10m，加之上游圍堰抬高水頭約20m，又有不利的錯動夾層及剪切帶(有泥化現象)存在。經初步分析計算，開挖后上游邊坡難以穩定，建議分段開挖澆筑加固支撐等措施。

右岸高程470-490m，由于斷層切割破壞，覆蓋層及強風化較深，趾板基礎開挖后，上游形成約為20m高的邊坡，在地表水的作用下，覆蓋層將難以穩定，建議放坡11.25，并做好排水措施。

6 結 語

在軟硬相間的地層上，尤其是層間發育錯動剪切帶的地區修建混凝土面板堆石壩，其趾板的選線定位是建壩的關鍵。正安沙阡水電站壩址位于O1m3砂頁巖軟硬相間的地層上。在對壩址巖性組合、巖體結構特征、層間錯動剪切帶的試驗資料及壩址主要工程地質問題分析論證的基礎上，選定了層間錯動剪切帶發育較弱、巖性差異小、巖體強度較高、避開深覆蓋層及風化強烈的地段為趾板位置，合理地提出了建基面高程及處理建議。

[1]徐華祥.烏圖河一級水電站壩址工程地質特征分析[J].黑龍江水利科技，2012(07)：255-256.