新疆某水利樞紐壩址工程地質(zhì)問題及施工處理

蔣小軍，曹榮國

（1.新疆富蘊(yùn)縣水利管理站，新疆 富蘊(yùn) 836100；2.中水北方勘測設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，天津 300222）

隨著工程建設(shè)的發(fā)展，工程地質(zhì)勘察與研究也進(jìn)入高潮，前期勘察設(shè)計(jì)得出的結(jié)論，正在接受實(shí)踐檢驗(yàn)，對施工中不斷出現(xiàn)的新問題，需要深入研究和分析論證，為設(shè)計(jì)和施工提供準(zhǔn)確的地質(zhì)資料。

1 工程地質(zhì)條件

壩址位于剝蝕低山區(qū)、烏倫古河上游，地面高程970 m～1110 m，高差約140 m。河谷呈不對稱“U”型谷，總體走向NE向，谷底寬約150 m，兩岸山體基巖裸露，右岸岸坡較陡，坡度約30°～36°，左岸岸坡稍緩，坡度30°～34°，局部見有陡壁。

壩址基巖主要為華力西期（γ42f）侵入體，以巖基形式在壩址范圍分布，平面上呈長橢圓形，長1.95 km，寬1.15 km，巖性主要為鉀長輝長巖、二長輝長巖及石英正長巖巖脈，外圍主要為石炭系地層，河床、溝谷等分布有第四系松散堆積物。石炭系中統(tǒng)巴塔馬依內(nèi)山組（C2b）巖性主要為玄武巖、凝灰?guī)r及砂巖，局部夾泥質(zhì)粉砂巖、凝灰質(zhì)砂巖，分布于壩基外圍。第四系主要為全新統(tǒng)沖積（Q4al）、沖洪積（Q4al+pl）、坡洪積（Q4dl+pl）及崩坡積（Q4col+dl）砂礫石和碎石。分布于河床、河漫灘、沖溝及坡腳處，厚度一般小于5 m。

華力西期（γ42f）侵入巖中斷層發(fā)育較少，侵入體周邊石炭系地層斷層較發(fā)育。主要有區(qū)域性烏倫古河斷裂F11，左岸單薄山脊斷層f27，左岸上游斷層f34，侵入體南側(cè)與石炭系接觸面斷層f37 及小斷層f⑴～f⑶，侵入體中發(fā)育小斷層f⑷～f⑻等。烏倫古河斷裂（F11）是區(qū)域性構(gòu)造，斷裂距壩址最近600 m，基本沿烏倫古河的西南岸展布，長約130 km。總體走向NW，傾向SW，傾角60°～80°，為右旋走滑逆斷層。斷裂在烏倫古河被第四系覆蓋，為晚更新世活動斷裂，未發(fā)現(xiàn)全新世活動跡象。

巖體風(fēng)化以物理風(fēng)化為主要特征，化學(xué)風(fēng)化微弱。兩岸風(fēng)化深度一般隨高程的增加逐漸變大，在河床部位無強(qiáng)風(fēng)化帶或強(qiáng)風(fēng)化帶較薄，斷層帶和節(jié)理密集帶中風(fēng)化作用加劇。

壩址區(qū)地下水類型主要有松散層孔隙潛水和基巖裂隙潛水。松散層孔隙潛水主要賦存于河床及兩側(cè)的第四系沖積砂卵礫石、坡洪積碎石中，基巖裂隙潛水主要賦存于凝灰?guī)r及侵入巖中，地下水位略高于同期河水位。

2 巖體物理力學(xué)性質(zhì)

2.1 室內(nèi)巖石試驗(yàn)

鉀長輝長巖侵入體的顆粒密度2.75 g/cm3～2.83 g/cm3，孔隙率0.29%～1.86%；弱風(fēng)化巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度65.4 MPa～102.0 MPa，屬堅(jiān)硬巖；微風(fēng)化～新鮮巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度63.10 MPa～121.00 MPa，屬堅(jiān)硬巖。

二長輝長巖侵入體的顆粒密度2.76 g/cm3～2.82 g/cm3，孔隙率0.19%～1.75%；弱風(fēng)化巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度68.0 MPa～145.0 MPa，屬堅(jiān)硬巖；微風(fēng)化～新鮮巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度92.2 MPa～142.0 MPa，屬堅(jiān)硬巖。

2.2 巖體地球物理特性

壩基輝長巖聲波波速一般超過3000 m/s，弱風(fēng)化及微風(fēng)化～新鮮巖體超過4000 m/s。泥質(zhì)粉砂巖巖體聲波波速1700 m/s～5500 m/s，微風(fēng)化～新鮮巖體平均值2600 m/s。巖體的聲波波速主要受結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度、巖石風(fēng)化程度及巖性控制。

左右岸平洞強(qiáng)風(fēng)化巖體的縱波速度2200 m/s～3030 m/s，動彈性模量7.78 GPa～16.72 GPa，弱風(fēng)化巖體的縱波速度3030 m/s～4250 m/s，動彈性模量16.72 GPa～39.01 GPa，微風(fēng)化巖體的縱波速度4040 m/s～4450 m/s，動彈性模量33.62 GPa～42.69 GPa。

鉆孔錄像顯示，壩基巖體中裂隙局部發(fā)育，以陡傾角裂隙為主，緩傾角裂隙局部發(fā)育，呈閉合～張開狀，裂隙張開度一般小于2.0 mm，地表個(gè)別可達(dá)6 mm～81 mm，多無充填，部分張開較大者有方解石或巖屑充填，部分裂隙的裂隙面粗糙或有黃色銹膜。

3 壩基巖體分類與物理力學(xué)指標(biāo)建議值

根據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（GB50487 2008）及前面的分析成果，考慮壩基巖性、巖體風(fēng)化與卸荷程度、巖體結(jié)構(gòu)類型、巖體完整性和結(jié)構(gòu)面發(fā)育特征等因素，以及巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度、巖體縱波速度、完整性系數(shù)等定量指標(biāo)，建立了壩基巖體進(jìn)行工程地質(zhì)分類標(biāo)準(zhǔn)，見表1。

表1 壩基巖體工程地質(zhì)分類

綜合分析場地地質(zhì)條件、巖（石）體試驗(yàn)及測試成果，并結(jié)合巖體工程地質(zhì)分類、霍克－布朗準(zhǔn)則，類比相似工程經(jīng)驗(yàn)，提出壩址區(qū)巖體強(qiáng)度指標(biāo)建議值，見表2。

表2 壩址區(qū)巖體（石）強(qiáng)度指標(biāo)建議值

4 工程地質(zhì)評價(jià)

4.1 壩基可利用巖土體

壩址地層主要為第四系松散堆積物和華力西期（γ42f）侵入巖。兩岸斜坡地段基巖出露，松散覆蓋層主要分布在河床及兩側(cè)灘地。第四系松散堆積物厚度不大，結(jié)構(gòu)松散，成分復(fù)雜，礫石粒徑大小不均，滲透性強(qiáng)，不能滿足混凝土壩壩基要求，需要全部挖除。

強(qiáng)風(fēng)化巖體因結(jié)構(gòu)面發(fā)育，多張開，巖體破碎，不滿足高混凝土重力壩對壩基的要求，建議挖除，以弱風(fēng)化帶中下部～新鮮巖體為壩基。

壩基巖體中節(jié)理裂隙較發(fā)育，為提高壩基巖體的整體性和抗變形能力，采用固結(jié)灌漿技術(shù)。

4.2 壩基抗滑穩(wěn)定問題

壩基巖體為塊狀、次塊狀結(jié)構(gòu)，雖然局部有緩傾角結(jié)構(gòu)面發(fā)育，但很難形成連續(xù)的滑動面，因此壩基不存在深層抗滑穩(wěn)定問題。大壩抗滑穩(wěn)定主要取決于混凝土與基巖接觸面，施工開挖過程中，必要時(shí)可進(jìn)行局部處理。壩基巖體及結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度指標(biāo)建議值見表2。

4.3 壩基滲漏與滲透穩(wěn)定性

（1）壩基及繞壩滲漏量。壩基為華力西期（γ42f）輝長巖侵入巖，壩基范圍無斷層發(fā)育，節(jié)理裂隙為主要含水透水通道，壩基滲漏為裂隙式滲流。

根據(jù)鉆孔壓水試驗(yàn)成果，壩基巖體滲透性不均一：上部巖體滲透性強(qiáng)，隨深度增加，巖體滲透性逐漸變?nèi)酢Ｗ蟀犊咨?0 m以下巖體透水性有減弱趨勢，巖體以弱透水性為主，局部呈中等透水性；河床孔深40 m 以下巖體透水性減弱，多為弱透水性；右岸孔深50 m 以下巖體透水性減弱，多為弱透水性。

水庫蓄水后，壩區(qū)存在壩基和繞壩滲漏問題，滲漏類型以基巖裂隙滲漏形式為主。經(jīng)計(jì)算，在不考慮防滲措施的前提下，壩基及兩岸繞壩滲漏總量為0.516 m3/s[2]。

（2）壩基巖體滲透穩(wěn)定性。壩基巖體中未發(fā)現(xiàn)大的斷層，結(jié)構(gòu)面以構(gòu)造裂隙為主，規(guī)模不大，多呈閉合狀態(tài)，連通性差，且多無充填物。因此，壩基巖體的滲透穩(wěn)定性良好。

（3）壩基巖體可灌性分析。壩址河床及兩岸鉆孔中進(jìn)行的355 段壓水試驗(yàn)結(jié)果顯示，巖體透水率0.5 Lu～170 Lu，總體以弱透水為主。巖體滲透性不一，滲透性主要受裂隙發(fā)育情況控制。

鉆孔錄像顯示，壩基巖體中裂隙局部發(fā)育，以陡傾角裂隙為主，呈閉合～張開狀，裂隙張開度一般小于2.0 mm，個(gè)別較大，多無充填，部分裂隙的裂隙面粗糙或有黃色銹膜，張開較大者有方解石或巖屑充填。因此，可以通過灌漿可有效降低巖體的滲透性，提高巖體的整體性和抗變形能力。

（4）壩基滲流控制措施建議。綜上所述，壩基巖體滲透穩(wěn)定性好，壩基滲漏為裂隙散流形式，不存在大的集中滲漏問題。建議壩基滲流控制以降低壩基揚(yáng)壓力、減少滲漏量為主要目標(biāo)。

鉆孔壓水試驗(yàn)表明，隨深度增加，巖體透水率降低趨勢明顯。壩軸線處巖體透水率小于3 Lu 埋深40.00 m～85.00 m，相應(yīng)高程905.33 m～989.03 m。考慮到巖體滲透性不均一，建議防滲帷幕進(jìn)入透水率小于3 Lu 巖體以下一定深度；壩址兩岸地下水位低緩，無相對隔水層，不具備完全封閉條件，建議防滲帷幕長度根據(jù)繞壩滲漏量綜合考慮；壩基巖體滲透性不均勻，局部結(jié)構(gòu)面發(fā)育，建議加強(qiáng)帷幕灌漿和適當(dāng)加密壩基排水孔。

4.4 左岸近壩單薄山脊?jié)B漏與滲透穩(wěn)定性

壩址左岸近壩地段（距壩軸線約60 m～460 m）山體單薄，可能存在永久滲漏問題。經(jīng)計(jì)算，預(yù)計(jì)水庫蓄水后左岸單薄山體的滲漏量約為0.035 m3/s，烏倫古河多年平均徑流量為33 m3/s，則左岸單薄山體滲漏量約占入庫徑流量的1‰。滲漏量雖不大，但滲漏段較為集中且山體單薄，巖體中結(jié)構(gòu)面發(fā)育，較為破碎，建議采取防滲處理措施，并進(jìn)行必要的監(jiān)測工作。

5 施工期針對工程地質(zhì)問題的處理

5.1 壩基巖體質(zhì)量評價(jià)及驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)

壩基巖體主要為華力西期（γ42f）弱風(fēng)化中下部～微風(fēng)化鉀長輝長巖及二長輝長巖。巖體大部分呈塊狀～次塊狀，壩基巖體中節(jié)理裂隙較發(fā)育。

根據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（GB50487-2008）要求，結(jié)合本工程實(shí)際特點(diǎn)及前期勘察成果，提出適合本工程的壩基巖體質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)建議值，見表3。

表3 壩基巖體驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)

在工程施工過程中，根據(jù)壩基的巖體結(jié)構(gòu)、巖體完整性、結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度及其組合情況、巖體和結(jié)構(gòu)面的抗滑、抗變形能力，結(jié)合壩基巖體彈性波測試驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，對壩基巖體進(jìn)行類別劃分。綜合薩爾托海水利樞紐工程壩基巖體質(zhì)量評價(jià)，壩基巖體以AⅢ-1 類為主，部分為AⅡ類，局部為AⅢ-2 類。對不滿足AⅢ-2 類的壩基巖體需進(jìn)行工程處理。利用以上驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，很好地解決了本工程的壩基巖體驗(yàn)收問題，為設(shè)計(jì)及施工提供了準(zhǔn)確的壩基巖體質(zhì)量評價(jià)資料。

5.2 壩基巖體差異風(fēng)化問題

工程區(qū)巖體裂隙風(fēng)化在裂隙發(fā)育部位程度較高，裂隙及周邊巖體大部分呈強(qiáng)風(fēng)化～弱風(fēng)化上部，不滿足建基巖體要求。對此，設(shè)計(jì)專門出臺了《壩址區(qū)裂隙及斷層處理設(shè)計(jì)通知》，針對裂隙發(fā)育的不同規(guī)模采取相應(yīng)的處理方案。在壩基聯(lián)合驗(yàn)收時(shí)，針對局部密集發(fā)育的裂隙采取現(xiàn)場定位，根據(jù)定位調(diào)整固結(jié)灌漿鉆孔孔位的處理方式，取得較好的效果[3]。

在15～16# 壩段，沿順河向構(gòu)造破碎帶（斷層f、裂隙L15-J2）因差異風(fēng)化作用形成了風(fēng)化深槽。深槽在平面上為順河向展布，呈上游（壩踵）寬、下游（壩趾）窄的“y”形；剖面上呈淺部寬、深部窄的“V”形。風(fēng)化深槽上游寬度7 m～8 m，下游寬度1.5 m～2.5 m，揭露深度12 m～13 m（層底高程951 m～952 m）。風(fēng)化深槽以全～強(qiáng)風(fēng)化狀輝長巖為主，力學(xué)性質(zhì)和水理性質(zhì)差。為提高風(fēng)化深槽及其周邊巖體的整體性和抗變形能力，設(shè)計(jì)采取對風(fēng)化深槽內(nèi)風(fēng)化巖體挖除置換三級配C25 混凝土回填處理方案，并加強(qiáng)風(fēng)化深槽下部的固結(jié)灌漿施工。

5.3 壩基抗滑穩(wěn)定問題

河床10#、12#壩段局部有緩傾角結(jié)構(gòu)面發(fā)育，大部分為巖屑巖塊型，部分為巖屑夾泥型及泥夾巖屑型，結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度較低，對大壩基礎(chǔ)抗滑穩(wěn)定有不利影響。對表層緩傾角結(jié)構(gòu)面采取挖除方式，對埋深較大的緩傾角裂隙采取錨筋束處理方式，保證壩基不產(chǎn)生深層抗滑穩(wěn)定問題。

5.4 左岸近壩單薄山脊?jié)B漏與滲透穩(wěn)定性

針對前期勘察過程中查明的左岸近壩單薄山脊?jié)B漏問題，在施工期采取1～2 排帷幕灌漿的處理方式，取得良好的效果。

6 結(jié)語

該水利樞紐工程壩址區(qū)地層巖性為華力西期（γ42f）侵入鉀長輝長巖及二長輝長巖。壩址區(qū)靠近烏倫古河斷裂，壩基巖體節(jié)理裂隙較為發(fā)育，輝長巖巖體在裂隙發(fā)育部位產(chǎn)生差異風(fēng)化，與小規(guī)模斷層組合形成風(fēng)化深槽，對壩基穩(wěn)定及變形產(chǎn)生不利影響。壩基巖體局部發(fā)育的緩傾角裂隙，對重力壩壩基抗滑穩(wěn)定產(chǎn)生不利影響。通過對上述地質(zhì)現(xiàn)象進(jìn)行深入的勘察研究，查明存在的工程地質(zhì)問題，并提出相應(yīng)的解決方案，為設(shè)計(jì)及施工提供了可靠的地質(zhì)基礎(chǔ)資料。