蘇布雷水電站左岸壩基工程地質問題研究

蘇 星，胡金山，張青宇

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072)

0 前 言

蘇布雷水電站位于科特迪瓦的西南部，該工程以發電為主，采用混合式開發，裝機容量為270 MW，水工建筑物主要由大壩和引水發電系統組成(見圖1)。

圖1 蘇布雷水電站樞紐布置

大壩包括土石壩和混凝土結構段。土石壩沿地勢較高處修建，并延伸至廠房，壩型包括黏土心墻壩、土石混合壩、均質壩；溢洪道和進水口為嵌入大壩內的混凝土結構，既可擋水又兼具泄洪和引水功能。由于項目位于平原地區，大壩具有壩線較長、壩高較低矮的特征，其中主壩長達4.5 km、最大壩高20.5 m，壩線穿越多種地層、壩基地質條件較復雜。

1 壩址區的基本地質條件

蘇布雷水電站樞紐區兩岸地勢平緩，高程在140～180 m之間，自然坡度一般小于10°，屬典型的平原地貌。壩址處河床開闊，河面寬400～800 m且分布有多個“河心島”。

壩址基巖主要為前寒武系的花崗巖、花崗片麻巖，巖石的單軸抗壓強度大于60 MPa，屬堅硬巖類。由于工程地處低緯度地區，高溫多雨，巖石風化作用較強，根據風化程度總體可分為全～強風化層、弱風化巖體、微新巖體。其中，全～強風化層主要分布于主河床兩岸岸坡，中上部由中粗顆粒的砂、風化團塊組成，夾泥，底部多呈散體狀的礫砂、風化巖塊、巖屑等物質組成；弱風化巖體在廠房及河床部位裸露，厚度一般小于8 m，裂隙較發育，以鑲嵌～次塊狀結構為主；微新巖體新鮮完整，裂隙弱發育，以塊狀結構為主。

壩址覆蓋層為第四系松散堆積物，主要為殘積土層和沖積砂層。殘積土層多分布于兩岸，主要為紅褐色和褐色的黏土、砂質黏土，層厚度一般2～5 m，最大厚度達15 m。沖積砂層廣泛分布于兩岸及河心島，主要由中細砂、粉土等組成，厚度一般小于3 m。

2 左岸壩基工程地質問題

電站溢洪道左岸土石壩總長度約690 m，壩線橫跨兩條岔河及1、2號河心島(見圖2)。由于壩基所處部位不同，地質條件差異較大，所面臨的工程地質問題也有所不同。根據該段土石壩建基面巖土體結構類型的不同，可分為三類：左岸岸坡段壩基、主河床及岔河段壩基、河心島段壩基。

圖2 溢洪道左側壩段平面布置

左岸岸坡段壩基為殘積土層，承載、變形及滲透等方面均能滿足設計要求，其主要工程地質問題為表層結構松散的中細砂層，由于其厚度不大，施工過程中采取了挖除處理。鑒于該段壩基工程地質問題相對簡單，因此本文主要針對主河床及岔河段、河心島段壩基進行詳述。

2.1 主河床及岔河段壩基工程地質問題

主河床及兩條岔河段的土石壩建基面為河床的裸露基巖，巖性為弱風化的花崗巖、花崗片麻巖，厚度約3～6 m，其下為微新巖體。河床表層的弱風化巖體普遍在垂直方向上具弱卸荷作用，總體較完整～完整性差，并以鑲嵌結構為主，部分為次塊狀、碎裂結構。優勢裂隙主要有3組，包括2組陡傾角裂隙、1組緩傾角裂隙：第1組近EW/S∠70°～80°；第2組N40°～60°W/SW∠70°～80°；第3組裂隙近水平向發育、緩傾下游。

該段大壩軸線走向近SN向，根據優勢裂隙的產狀可知：第1組陡傾角裂隙與大壩軸線近正交，第2組陡裂走向與壩軸線呈40°～60°夾角(見圖3)。根據現場資料收集情況，第2組陡傾角裂隙發育數量最多，該組裂隙延伸長度一般2～10 m不等，部分約15 m以上。由于淺表層裂隙普遍微張～張開，充填泥沙或呈空腔狀，其透水性較好，且優勢方向陡傾角裂隙與壩軸線大角度相交并與垂直方向的弱卸荷緩傾角結構面組合貫通，對土石壩壩基防滲極為不利。

圖3 主河床與壩軸線大角度相交的陡傾角裂隙

主河床及岔河段的裸露基巖在承載和變形方面可滿足土石壩壩基要求，主要工程地質問題為壩基滲漏。根據前期各階段鉆孔壓水試驗成果，巖體透水率隨埋深增大有明顯降低的趨勢。其中弱風化巖體的透水率多為3～15 Lu，部分大于50 Lu，總體呈弱～中等透水，屬相對透水層。微新巖體從壓水試驗成果來看，除個別試驗段的透水率達3 Lu外，普遍小于1 Lu，透水率建議參考值小于3 Lu，呈弱～微透水，屬相對隔水層。因此，壩基為“透-隔”式滲漏模型(見圖4)。

圖4 主河床及岔河段“透-隔”式滲漏模型

2.2 河心島壩基工程地質問題

左岸壩基橫穿1、2號河心島(見圖2)，現以2號河心島為例，對存在的主要工程地質問題進行分析說明。2號河心島地勢平緩，表層為厚度約2～3 m的覆蓋層，覆蓋層以下為弱風化～微新的基巖。覆蓋層可細分為沖積砂層、殘積土層及全強風化層(全強風化層與覆蓋層的工程性狀相似)，各層界線不明顯，有混雜的現象出現。其中表層的沖積砂層厚1～0.5 m，中部的殘積土層厚1～2.5 m，底部的全強風化砂層厚0.2～0.5 m(見圖5)。從現場地質調查來看，河心島中央殘積土層厚度較大、沖積砂層較薄；靠近岔河與主河床的河心島邊緣處殘積土層較薄、沖積砂層厚度較大，下伏基巖性狀與主河床及岔河段相似。

圖5 土石壩壩基巖土體典型斷面

沖積層為中細砂層，結構松散，力學性狀較差。殘積土層的平均厚度約2 m，主要成分為黏土、粉質或砂質黏土，結構較密實，滲透系數建議值為1×10-5～1×10-6cm/s，呈微透水層，屬相對隔水層，低壩地基或低地應力建筑物可以利用。全強風化層由于風化程度不均，中粗砂、風化團塊及礫石、破碎巖塊混雜，透水性較強，滲透系數建議值為1×10-2～1×10-4cm/s，呈中等透水層，與下伏的弱風化巖體構成透水層。微新巖體透水率較低，屬相對隔水層。

由于沖積砂層結構松散，承載、變形不滿足設計要求且厚度較薄，可對該層進行挖除處理后將大壩建基面置于相對密實的殘積土層上。但由于殘積土層平均厚度2 m且由于主河床及岔河的切割作用致使殘積土層未能連續分布形成封閉的防滲鋪蓋，而下伏的全強風化層、淺表層弱風化巖體透水性較好，因此2號河心島壩段的壩基滲漏模型為“隔-透-隔”式(見圖6)。

圖6 河心島段“隔-透-隔”式滲漏模型

3 工程地質問題及相關處理方案

主河床及岔河段壩基的主要工程地質問題為壩基滲漏，壩基為“透-隔”式滲漏模型。為有效控制壩基滲漏，保證大壩安全，該段壩基的防滲處理采用了封閉式灌漿帷幕，灌漿孔深入相對隔水層，即微新巖體2 m，透水率按小于5 Lu進行控制。

左岸2號河心島壩段的主要工程地質問題為：表層松散中細砂層承載及變形不能滿足要求且存在下伏全強風化層和弱風化巖體的滲漏問題，以及全強風化層的滲透變形穩定問題，壩基的滲漏模型為“隔-透-隔”式。針對沖積的中細砂層承載變形問題，鑒于其厚度較小，現場采取了挖除處理。針對殘積土層以下全強風化層和弱風化巖體的滲漏以及全強風化層的滲透變形穩定問題，為保證大壩永久安全，工程勘測人員提出了兩條不同的建議處理方案：

方案(1)沿壩軸線對覆蓋層(殘積土層、全強風化層)開挖齒槽至弱風化基巖，在弱風化基巖面進行帷幕灌漿處理后以回填黏土修建防滲齒槽，防滲齒槽與大壩防滲體連接；方案(2)對大壩防滲體范圍內的覆蓋層進行整體開挖至弱風化基巖，在弱風化基巖面進行帷幕灌漿。

為了采取最優方案，對上述兩個方案進行了比較。方案(1)的優點是開挖寬度為2～4 m的防滲齒槽，開挖量相對較少，經濟性較好；缺點是開挖齒槽后需進行黏土的回填碾壓，增加了地基的處理工藝，同時由于齒槽以外壩基的全強風化層未整體挖除，而全強風化層的透水性較好，其上部的殘積土層厚度較小且分布不均，因此電站運行期間壩基在地下水浸泡及上部荷載長期作用下，性狀不同的兩層土體的力學性質將會發生劣化，可能導致壩基局部發生沉降或變形。方案(2)的優點是壩基范圍內的覆蓋層整體挖除后不利因素被徹底處理，保證了電站運行期間壩基的安全穩定；缺點是由于壩基寬度達60余米，開挖填筑量大，所需工程費用相對較大，經濟性較差。經與業主科特迪瓦能源部及咨詢方法國科因公司反復商討后，施工期采取了方案(2)。

4 結 語

本文通過對蘇布雷電站左岸主河床、岔河及河心島段土石壩壩基的主要工程地質問題的分析及研究，在基于業主和咨詢方重要訴求的基礎上，有針對性地采取有效的工程措施進行處理。蓄水發電以來，左岸大壩壩基運行一切正常，在滿足業主要求的前提下達到了工程設計質量要求，且經濟合理、安全可靠。西非平原地區的水電工程多具有壩高較低，壩線較長，且以當地材料壩為主的特征。由于壩線較長，往往涉及到較復雜的壩基處理工程(如軟土地基、壩基滲漏等)，而蘇布雷電站壩基處理的成功經驗可作為區內類似工程的借鑒與參考。