依蘭晨光電站搶險的工程地質分析研究

劉 刊，龐 博，史海燕，紀 南

(中水東北勘測設計研究有限責任公司，吉林 長春 130062)

1 概述

晨光電站位于牡丹江下游依蘭縣晨光村，距牡丹江與松花江匯合口10 km。控制流域面積為36 700 km2，多年平均流量為252 m3/s。

晨光水電站始建于1978年，1983年建成并投入運行。電站樞紐由自由溢流壩、沖砂閘、副壩等攔河工程和進水閘、引水渠、前池、發電廠房、尾水渠等引水發電工程組成。自由溢流壩為過水過冰土石壩，原設計長度為588 m，堰頂高程為101.00 m。由于1991年洪水南側副壩局部被沖毀，溢流壩又加長72 m，總長為為660 m，最大壩高為6.9 m。1996年為了改善由于上游蓮花電站投入運行后給晨光電廠運行帶來的影響，同時為了增加晨光電站發電量，將攔河壩堰頂高程由原來的101.00 m加高到101.60 m，為澆筑混凝土。2019年10月12日，泄洪沖砂閘突然倒塌，因此，需要對電站進行搶險指導工作。

2 區域地質穩定性分析

2.1 地層巖性

區內第四系地層廣泛分布于高平原區、階地區和漫灘區，低山丘陵區零星分布，地層及巖性主要有：

① 下元古界二疊系黑龍江群(Pt1)：片巖、大理巖等；② 二疊系土門嶺組(P1t)：角巖、砂巖；③ 侏羅系太安屯組(J2t)：板巖、凝灰巖；④ 白堊系淘淇河組(Klt)：砂礫巖、泥頁巖；⑤ 第三系達連河組(E2-3d)：砂巖、砂礫巖；⑥ 第四系上更新統(Q3)、全新統(Q4)：亞粘土、砂、砂礫石。

區內侵入巖廣泛分布在低山丘陵區，多以巖基狀產出，其次為巖株或巖脈狀。工程區內侵入巖可劃分為元古代、華力西晚期、燕山早期、燕山晚期四個亞旋回。

2.2 地質構造與地震

工程區位于新華夏系第二隆起帶中部，老爺嶺隆起區和張廣材嶺隆起區之間，據區域地質資料證實，工程區發育的構造形跡主要有巴彥—虎頭斷裂帶、倭肯河—松木河斷裂帶、牡丹江斷等裂帶、依蘭—舒蘭斷裂帶、勃利弧形斷裂帶、蘇哈山旋卷構造、岔林河斷裂帶等。

根據1975年區域地震臺網觀測，場址100 km范圍內記錄有10個地震，表明近場地震活動較為頻繁，但經能量統計對場址影響不大，并且震級較小，大部分為2.4～4.7級，僅發生過1次6.4級地震，但震源深度為580 km，屬于深源地震，對地面建筑影響不大。初步認為本地區區域構造是基本穩定的。

根據《中國地震動參數區劃圖》(GBl 8306—2015)[1]工程區的基本地震動峰值加速度為0.20 g；地震動反應譜特征周期為0.35 s，對應的地震基本烈度為Ⅷ度(見圖1)。

圖1 依蘭晨光電站地震動峰值加速度動參數示意

3 工程地質條件及評價

3.1 地層巖性

1) 人工填土(Qs)

回填土：雜色，濕，密實。主要成分為礫石，含量約占70%，其余為粘土；礫石成分為砂巖，弱風化狀態，磨圓較好。為現圍堰主要填筑料，厚度為10 m。

低液限粉土：灰色—灰黑色，濕，可塑，手捻有砂感；分布于左岸階地上的表部，厚度一般為1.0～1.5 m。

級配不良砂：黃色，稍濕，中密結構，粒徑較均勻，具層理，層中夾有粘性土條帶。分布于左岸階地上，最大厚度3.5 m。

含細粒土礫：黃褐色，分選一般，磨圓較好。礫石含量約為50%，粒徑一般為10～60 mm；卵石含量約10%，粒徑一般為60～100 mm；卵礫石成份為砂巖等，其余為粘土和砂。壩址區及廠房均有分布，厚度一般為3.0～7.0 m。

3) 基巖：白堊系下統淘淇河組(Klt)

泥巖：黑色，礦物成分主要為粘土礦物及少量石英，用小刀刻劃見劃痕，泥質結構，層狀構造。全風化厚度4～6 m，主要為土狀、碎塊狀(見圖2～5)。

圖2 鉆孔ZK01示意

圖3 鉆孔ZK08示意

圖4 鉆孔ZK02示意

圖5 鉆孔ZK05示意

砂巖：灰黑色，礦物成分主要為石英，次為云母、少量粘土礦物，巖質較堅硬，砂質結構，層狀構造。全風化厚度為4～6 m，主要為土狀、碎塊狀(見圖6)。

基巖面起伏不大，出露高程為91～94 m。在區域地質圖查巖層產狀為N70°W，傾向SW，傾角為70°。

圖6 鉆孔ZK03全風化狀態砂巖示意

3.2 地質構造

現場未見基巖出露，根據鉆孔揭露見斷層發育，詳述如下：

f1：寬度約為20 cm，組成物為斷層泥夾碎裂巖，在ZK01鉆孔中出露；鉆進過程中水位陡降且不返水(見圖7)。

f4：寬度約為40 cm，組成物為斷層泥夾碎裂巖，在ZK03鉆孔中出露；

f5：寬度約為20 cm，組成物為斷層泥夾碎裂巖、片狀巖，在ZK03鉆孔中出露(見圖8)。

圖7 鉆孔ZK01斷層示意

圖8 鉆孔ZK03斷層示意

3.3 水文地質

1) 地表水

地表水主要為江水、降雨徑流及圍堰滲透徑流，地下水主要為覆蓋層孔隙潛水和基巖裂隙水。

江水及降雨徑流，主要接受河床兩側徑流和雨水補給，以潛水蒸發和側向徑流方式排泄為主。工程區附近松花江寬約為700 m，多年平均流量為252 m3/s。

現由上游圍堰坡角處見水滲流進入基坑，在沖砂閘前后一直有水匯聚，通過下游圍堰或基底向下游排泄。此滲流滲水量穩定，基坑內水位無明顯浮動，當汛期徑流量增大，隨著圍堰上下游河道水位的升高，基坑涌水量將顯著增大，設計時應考慮基坑排水問題。基坑涌水現狀情況如圖9所示。

圖9 基坑涌水情況(2019年12月)

2) 地下水

主要為覆蓋層孔隙潛水和基巖裂隙水。

覆蓋層孔隙潛水主要分布在漫灘區，含水層巖組以級配不良砂、礫為主，潛水水位埋深為2.0～5.0 m，于江水位基本持平。主要接受大氣降水入滲和地下水的側向徑流補給，以潛水蒸發和側向徑流方式排泄為主。

基巖裂隙水賦存于巖石孔隙裂隙中，分布不均，受巖石風化孔隙、裂隙的發育程度控制；主要補給源為江水入滲，富水性差異較大，排泄于河谷階地漫灘之中。

3) 水質分析

分別對地表水和地下水取樣進行水質分析。水化學類型均為HCO3·CL—K·Na，根據《水利水電工程地質勘察規范》(GB 50487—2008)[2]，工程區環境水對混凝土為重碳酸型弱腐蝕性、環境水對鋼筋混凝土中的鋼筋無腐蝕(見表1～2)。

表1 環境水對混凝土的腐蝕性評價成果[2-5]

表2 環境水對鋼筋混凝土中鋼筋的腐蝕性評價成果

3.4 不良地質現象

根據現場地質調查，未見明顯滑坡、泥石流等不良地質現象。

沖砂閘左側砌石擋土墻，高約為9 m，水下部分約為2 m。擋墻現已出現裂縫、變形，裂縫長約為15～20 m，寬度為5～20 cm，平行多條，墻后大部分地區出現不同程度塌陷。其中墻后在下游側見塌陷坑，長約為15 m，寬為4 m，深為4 m。沖砂閘倒塌后，在左側壩肩見塌陷坑，長約為15 m，寬為10 m，深為3 m，塌陷坑附近見多條水平裂縫。推測原因為擋墻底部滲透破壞，細顆粒流失，地基形成空腔、骨架，地基不穩發生變形、塌陷(見圖10)。

圖10 沖砂閘左側擋墻裂縫示意

3.5 物理力學性質

1) 取樣試驗

在鉆孔中取巖樣4組進行物理力學試驗，取強風化砂巖樣1組做點荷載試驗，取全風化泥巖原狀樣1組進行分析試驗，取粗粒土樣5組進行顆粒分析實驗。試驗成果見表3。

表3 巖石物理力學性質試驗成果[5-9]

2) 原位力學測試

在覆蓋層和全風化基巖中進行標準貫入和動力觸探試驗，試驗成果見表4。

表4 含細粒土礫標準貫入試驗成果

含細粒土礫為密實狀態，在地震動峰值加速度為0.05g時不會液化。

3) 滲透測試

在基巖中進行注水和壓水試驗，試驗成果見表5～6。由表5～6可以看出，全—強風化基巖滲透系數主要為i×10-4cm/s，中等透水[3]。高程77～80 m之下巖體透水率開始小于5 Lu，曲線類型一般A(層流)和C(擴張)型[10-12]。

表5 全—強風化基巖注水試驗成果[6-8]

表6 弱風化基巖壓水試驗成果[4-6]

3.6 工程地質問題及評價

原沖砂閘已經沖毀，圍堰內較平坦，地面高程為95.5～97.5 m。下游消力池混凝土翹起、變形，沖砂閘左側砌石擋土墻出現裂縫、變形，擋土墻后見塌陷坑。

地表為砌石、混凝土板及近期沖積的淤泥和砂，厚度為1～3 m；之下為原始覆蓋層，主要為含細粒土礫，厚度為1～4 m，承載力建議值0.4 MPa。基巖為泥巖和砂巖，全風化厚度為3～6 m，承載力建議值0.65 MPa；強風化基巖承載力建議值1.0 MPa，為良好的持力層[6-8]。

未見緩傾角結構面，壩基較穩定。覆蓋層在地震動峰值加速度為0.05g時不會液化[13]。

現由上游圍堰坡角處一直見水滲流進入基坑，設計時應考慮基坑排水[12-13]。基巖表部巖體破碎，透水率較高，5 Lu線位于高程80 m附近。可能發生滲透穩定問題，設計時應考慮防滲處理。

表7 粗粒土滲透破穩定評價

4 結語

1) 工程區的地震動峰值加速度為0.20g；地震動反應譜特征周期為0.35 s，對應的地震基本烈度為Ⅷ度。

2) 本區標準凍土深度為1.8～2.0 m。

3) 地下水和地表水的水化學類型為重碳酸型水(HCO3·CL—K·Na)，對混凝土為弱腐蝕性，對鋼筋混凝土中的鋼筋無腐蝕。

4) 沖砂閘現基礎主要位于含細粒土礫上，厚度為1～4 m，承載力建議值為0.4 MPa。基巖為泥巖和砂巖，全風化狀態厚度為3～6 m，承載力建議值為0.65 MPa；強風化基巖承載力建議值為1.0 MPa，為良好的持力層。

5) 沖砂閘的含細粒土礫層為主要的滲透破壞通道，破壞類型主要以流土型為主，允許水力比降建議值J允許=0.15。基巖表部巖體破碎，透水率較高，5 Lu線位于高程80 m附近。設計時應考慮防滲處理。