烏東德水電站特高拱壩施工期壩基巖體質量工程地質評價

王吉亮，郝文忠，黃孝泉，許 琦，魏雨軍，周炳強，徐 磊

長江三峽勘測研究院有限公司，武漢 430074

0 引言

建基巖體質量好壞在高拱壩結構的安全穩定保證中，尤其是在特高拱壩的長期安全穩定保證中起主要控制作用[1]。特高拱壩的大壩及基礎長期承受上千萬噸水荷載及復雜的滲流作用，各類物理和化學損傷過程會不斷發生、發展，當損傷累積到一定程度時，如果遭遇到強震、強暴雨、近壩庫岸滑坡涌浪的沖擊等荷載，有可能導致大壩開裂、基礎滑移以至整體失穩破壞[2]。

自法國馬爾帕賽拱壩和意大利瓦依昂拱壩失事后，高拱壩穩定性問題一直是國內外關注的熱點問題[3]。拱壩建在基巖上，大壩是基巖的上部結構，作為壩基的基巖，一方面需承受大壩本身的荷載，另一方面又要承受由大壩傳來的水壓力、泥沙壓力等，并傳向深部巖體。壩肩巖體在拱壩推力作用下不能產生壓裂破壞，同時不能產生過度的壓縮變形而導致大壩被拉裂[4]。拱壩，特別是特高拱壩，水荷載巨大，大壩傳遞至壩基的應力水平高，對壩基巖體質量要求可見一斑。對于可行性研究和招標階段的大壩建基面，需在技施開挖階段進行檢驗和復核，在施工期，及時全方位地對高壩基礎巖體的質量進行評價極其關鍵[5]。

本文以金沙江烏東德水電工程為例，結合烏東德工程層狀地層的特點，從工程地質條件研究入手，通過總結各級巖體工程地質特征、聲波特征等，建立建基巖體質量評價標準，對開挖揭露的建基巖體進行質量分級，以期為類似工程提供借鑒，亦為大型水電工程建基巖體質量研究積累經驗。

1 工程概況與基本地質條件

1.1 工程概況

在建烏東德水電站是金沙江下游河段4個梯級中的第一個梯級電站，為一等大(Ⅰ)型工程，工程開發任務以發電為主，兼顧防洪。電站裝機容量10 200 MW，年發電量389.3億kWh。設計采用混凝土雙曲拱壩，拱壩壩頂高程988 m，建基面最低高程718 m，最大壩高270 m，屬特高拱壩[6-7]。

1.2 基本地質條件

拱壩所處河段河流流向約160°SE。拱肩槽所處自然邊坡地形坡度一般為70°～80°，為懸坡地形。大壩建基面出露地層巖性為前震旦系中元古界落雪組第三段第一亞段(Pt2l3-1)厚層及中厚層灰巖、厚層大理巖局部夾少量薄層及互層狀灰巖；其次為落雪組第三段第二亞段(Pt2l3-2)厚層白云巖、中厚層夾互層灰巖、中厚層石英巖；少量為落雪組第三段第三亞段(Pt2l3-3)互層夾薄層灰巖。巖層產狀走向一般75°～108°、傾向165°～198°、傾角65°～86°，即近橫河向展布，陡傾下游偏右岸。斷層不發育，裂隙絕大多數短小，且以硬性結構面為主。拱座巖體卸荷作用微弱，風化作用不明顯，整體微新，巖溶總體不發育。

以室內試驗成果為基礎，根據《水力發電工程地質勘察規范》(GB50287-2006)[8]“附錄D巖土物理力學性質參數取值”的規定，將巖石的密度和飽和單軸抗壓強度采用試驗成果的算術平均值作為標準值；以現場剛性承壓板法試驗值的平均值作為標準值，參考類似工程經驗，確定巖體變形模量參數；以抗剪斷峰值強度小值平均值作為標準值，參考國標、同類工程經驗，綜合考慮壩址區地質條件，確定巖體抗剪強度。建基巖體主要巖體物理力學參數取值見表1。

2 建基巖體質量要求

烏東德壩址區抗震設防地震烈度為Ⅶ度，100 a超越概率2%時，基巖水平向地震動峰值加速度為0.27g，基于拱梁分載反應譜法所得大壩建基面動靜疊加最大主壓應力為11.41 MPa，要求建基巖體的質量必須與之相適應。拱壩基礎處理后應滿足承載力、穩定性、抗滲性、耐久性和輪廓形狀的要求，在開挖階段，建基面開挖質量和巖體質量應達到相應要求[9]。

表1 建基巖體物理力學參數建議值

2.1 巖體質量要求

1)拱壩建基巖體總體利用原則：壩基中下部挖除卸荷帶，建基面主要利用非卸荷巖體；中上部挖除弱卸荷帶，利用微卸荷巖體或非卸荷巖體。

2)河床建基面需挖除Ⅲ2級巖體，利用Ⅲ1級及以上巖體；兩岸建基面可部分利用Ⅲ級巖體。

3)對局部分布、性狀較差的不利結構面，要求采取清基、切角、加強固結灌漿措施進行處理，使之達到建基面巖體質量要求。

2.2 巖體聲波波速要求

采用物探方法對建基巖體進行鉆孔聲波測試，分析巖體完整性，定量評價巖體質量，建基面巖體聲波要求見表2。

表2建基巖體聲波值驗收要求

Table2Rockmassacousticvalueacceptancerequirementsoffoundationplane

巖體質量分級波速均值/(m/s)保證率Ⅱ>5 200<4 700 m/s的不超過15%Ⅲ1>4 900<4 400 m/s的不超過10%

注：統計不包括松弛帶波速；僅單孔聲波。

3 建基巖體工程地質特性

3.1 壩肩巖性分布

通過對開挖揭露的壩肩巖體現場地質編錄發現：左岸壩肩及右岸壩肩高程862 m以下建基巖體為前震旦系落雪組厚層灰巖及厚層大理巖，少量為中厚層灰巖等(圖1a，b)；右岸壩肩高程862 m以上為前震旦系會理群落雪組厚層白云巖、中厚層灰巖、中厚層石英巖等(Pt2l3-2)(圖1c—h)。

3.2 壩基巖體結構

壩址區裂隙及斷層總體上不發育，壩基附近亦是如此，因此，壩基巖體結構主要受層面控制。據統計，大壩建基面出露的巖體以厚層狀為主，占85.2%，中厚層狀占8.52%，互層狀占2.43%，薄層狀占3.76%，極薄層狀和碎裂結構僅沿一些結構面不均勻出露，分別占0.03%和0.06%。

4 壩基巖體質量分級標準

筆者根據《工程巖體分級標準》(GB/T50218-2014)[10]中巖體基本質量的分級方法，以及《水力發電工程地質勘察規范》(GB50287-2006)[8]中的有關規定，結合烏東德水電站巖體實際情況及各類原位試驗及室內試驗，確定了壩基巖體質量分級標準，見表3。

除表中的巖體外，在壩基局部結構面附近，分布少量順結構面、窄條狀、寬度僅10～20 cm的Ⅲ2級薄層狀白云巖或微風化狀、膠結較好的碎裂巖，其聲波速度一般為4 200～4 800 m/s，均值約為4 500 m/s。

5 壩基巖體質量評價

5.1 各級巖體聲波特征

在拱壩建基面開挖過程中，根據揭露地層巖性、巖體結構的不同專門布置聲波檢測孔，孔深20 m，兩岸壩肩共布置385個孔，高程上每10 m一排，水平間距5～10 m，河床建基面布置有22個孔。通過分析這些鉆孔的聲波檢測成果，將不同巖體質量的巖體對應的聲波進行統計可知：

a. Pt2l3-1厚層灰巖；b. Pt2l3-1厚層大理巖；c. Pt2l3-2-1厚層白云巖；d. Pt2l3-2-2厚層灰巖；e. Pt2l3-2-3厚層白云巖；f. Pt2l3-2-4中厚層石英巖；g. Pt2l3-2-5中厚層灰巖；h. Pt2l3-2-6厚層白云巖。圖1 研究區主要巖性Fig.1 Main lithology in the research area

巖體質量分級代表性巖體單軸飽和抗壓強度/MPa卸荷狀態巖體結構完整程度巖體特征聲波速度/(m/s)Ⅱ1微新狀厚層灰巖、大理巖90～100非卸荷厚層狀完整—較完整巖體微新、堅硬;結構面以層面為主,裂隙輕度發育;層面間距一般0.5～1.0 m;巖體結構為厚層狀;層面多平直粗糙、閉合無充填;裂隙多附鈣膜;局部沿結構面溶蝕風化5 200～6 200Ⅱ2微新狀中厚層灰巖、大理巖、石英巖80～90非卸荷中厚層狀較完整巖體微新,堅硬;結構面以層面為主,裂隙輕度發育;層面間距一般0.3～0.5 m;巖體結構為中厚層狀;層面多平直粗糙、閉合無充填;裂隙多附鈣膜;局部沿結構面溶蝕風化5 000～6 000微新狀厚層白云巖A類角礫巖60～80非卸荷厚層狀較完整巖體微新,堅硬;結構面以層面為主,裂隙不發育—輕度發育(白云巖中微裂隙發育);層面間距一般大于0.5 m;巖體結構為厚層狀或整體狀結構;層面多平直粗糙、閉合無充填或充填1～5 mm的方解石細脈、石英細脈;裂隙多附鈣膜;局部沿結構面溶蝕風化Ⅲ1微新狀互層、薄層灰巖中厚層白云巖60～80非卸荷互層狀等較完整—完整性較差巖體微新,堅硬;結構面以層面為主,裂隙輕度發育(白云巖中微裂隙發育);層面間距主要為0.1～0.3 m(灰巖)或0.3～0.5 m(白云巖);巖體結構主要為互層狀等;層面多平直粗糙、閉合無充填;裂隙多附鈣膜;局部沿結構面溶蝕風化4 800～6 000

圖2 巖體聲波統計直方圖Fig.2 Rock mass acoustic value statistical histogram

Ⅱ級巖體較完整，均一性較好，聲波速度主要分布在5 000～6 200 m/s，平均值約5 625 m/s，波速較穩定—穩定，局部低值主要受結構面影響(圖2a)。兩岸壩基Ⅱ級巖體聲波值小于4 700 m/s的約占3.5%(表4)。

Ⅲ1級巖體較完整—完整性差，聲波速度主要分布在4 800～6 000 m/s，平均值約5 200 m/s，波速較穩定，局部低值主要受結構面影響(圖2b)。兩岸壩基Ⅲ1級巖體中聲波值小于4 400 m/s的約占7.1%(表5)。

5.2 建基巖體質量分布

在可研階段，以勘探平洞、鉆孔揭露的巖體情況和物探聲波資料為基礎對建基面巖體質量進行劃分，成果見圖3a。Ⅱ級巖體占建基面的96.5%，Ⅲ1級巖體占建基面的3.5%。

根據前述壩基巖體質量分級標準，經分析確定后統計知，在施詳階段：烏東德水電站高拱壩建基巖體質量優良，主要為Ⅱ級巖體，占建基面的90.9%；少量為Ⅲ1級巖體，占9.0%(圖3b)；極少量的Ⅲ2級巖體沿結構面呈窄條裝分布，占0.1%。

施工期揭露建基面巖體質量優良，與可研階段成果對比，高度吻合。

5.3 各壩段巖體質量分布

通過統計發現，大多數壩段巖體質量以Ⅱ級為主，9—11壩段均為Ⅱ級巖體，5、14、15壩Ⅲ1級巖體稍多(表6)。高高程壩段拱壩推力較小，對壩肩巖體質量要求相對偏低，建基巖體質量總體與壩基受力條件匹配。

圖3 建基面巖體質量分布圖Fig.3 Rock mass quality distribution of foundation surface

5.4 建基巖體質量空間分布

根據大壩建基面實際開挖揭露的巖體質量，結合施工期物探檢測聲波成果，加上預可和可研階段的勘察資料，壩基不同高程、不同水平向深度的巖體質量空間分布特征見圖4。

表4 建基面Ⅱ級巖體聲波特征值分布

表5 建基面Ⅲ1級巖體聲波特征值分布

表6 各壩段巖體質量頻率統計

a.右岸高程988 m；b.左岸高程988 m；c.右岸高程855 m；d.左岸高程855 m；e. 高程723 m。圖4 各高程平切圖Fig.4 Sliced figure of each elevation

從圖4可以看出，建基巖體質量與建基面出露巖體質量總體一致，巖體質量具有較好的連續性與均勻性，有利于承受拱壩推力。

6 結論

1)烏東德水電站高拱壩建基面巖體質量優良，Ⅱ級巖體占絕大多數，占90.9%，少量Ⅲ1級巖體，占9.0%，極少量的Ⅲ2級巖體沿結構面呈窄條裝分布，占0.1%，與可研勘察成果高度吻合。

2)建基面開挖后，建基面及聲波檢測成果中均未見到天然岸坡的卸荷特征；河床建基面總體為Ⅱ級巖體，少量為Ⅲ1級巖體，兩岸建基面少量為Ⅲ級巖體。滿足建基面質量要求。

3)壩基Ⅱ級巖體聲波平均值5 625 m/s，小于4 700 m/s的約占3.5%；壩基Ⅲ1級巖體平均值約5 200 m/s，波速較穩定，聲波值小于4 400 m/s的約占7.1%。滿足建基面巖體聲波值驗收要求。

4)建基面巖體質量分布和平切圖巖體質量分布顯示，建基巖體質量分布較均勻，僅高高程壩基受力相對較低部位巖體質量略差，為Ⅲ1級，建基巖體可較好承受拱座推力。