俄羅斯下結(jié)雅水電站的工程地質(zhì)條件分析

[俄羅斯]C.A.伊瓦年科娃 Ю.С.科馬洛夫

趙秋云 編譯自俄刊《水工建設(shè)》2009年第4期

擬建的下結(jié)雅 (Hижнезейский)水利樞紐將建在結(jié)雅(Зея)河的中游,而結(jié)雅水電站位于上游,后者于1983年建成。在2007～2008年,為了對(duì)下結(jié)雅水利樞紐的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)技術(shù)論證(ТЭО),開展了一系列綜合性的地質(zhì)調(diào)查工作。

下結(jié)雅水利樞紐建筑物位于俄羅斯阿穆爾州(Amypcкaя)的馬扎諾夫 (Мазановский)區(qū) 。目前水電站壩址所在地區(qū)的路況不佳,為泥土路。下結(jié)雅水電站壩址布置情況示于圖1。

圖1 下結(jié)雅水電站壩址示意

水利樞紐壩址處距結(jié)雅河河口290.2 km,在謝列姆賈(Селемджи)河河口上游2.5 km處,在右岸支流——奧澤爾納亞帕季 (ОзернаяПадь)河下游225 m處。在該水利樞紐壩址處,結(jié)雅河河谷為槽型、且為不對(duì)稱的斷面,相對(duì)于右邊河谷來(lái)說(shuō),其左邊比較陡峭。河谷兩側(cè)的高度為50～60m,分水嶺高程為200～210m。壩址處的河谷底部寬度為 850m,在正常蓄水位187m的高程處,寬度為1650m,見圖2。

圖2 河口地區(qū)的結(jié)雅河河谷

1 工程地質(zhì)條件

在地質(zhì)條件方面,下結(jié)雅水利樞紐及其附屬建筑物的工程所在地位于布列亞 (Буреинский)阿穆爾 -馬門 (Aмуро-Мамынский)花崗巖巖體的隆起體地帶,而在其南部,為早古生代巖漿的侵入體——花崗巖和花崗閃長(zhǎng)巖,其上面覆蓋著晚第三系 -第四系的松散堆積物。在結(jié)雅河河谷的底部及河谷的兩側(cè),發(fā)育著第四系沖積層:河谷底部是河床沉積層;沿右岸側(cè),是河灘沉積物和Ⅰ期河漫灘階地沉積物;在左岸,是Ⅲ期和Ⅳ期河漫灘階地沉積物;在右岸,即壩址下游的谷坡上,是Ⅱ期河漫灘階地沉積物。在分水嶺地帶,巖漿的侵入體上面覆蓋著白堊系的更新統(tǒng) -第四系沉積層。結(jié)雅河河谷的邊緣上,覆蓋著殘積 -坡積層。

河床沉積層中的成分主要為含15%～30%左右砂石的卵石土;河灘沉積層中的成分主要為含約35%的砂壤土和亞粘土礫石土,以及含約 35%的亞粘土石的砂礫石土。河床沉積層的厚度為1.5～4.0m,河灘沉積層的厚度為6.0～11.0m。

厚度為8.0～15.0m的Ⅰ期河漫灘階地沉積層的主要成分為:在斷面的上部,是質(zhì)地由堅(jiān)硬到松軟的亞粘土、砂壤土,以及質(zhì)地由粉沙狀到細(xì)沙狀的砂土;在斷面的下部,是含有20%～30%砂石成分的卵石土,以及夾雜有砂壤與砂質(zhì)混合成分的礫石土。

厚度為3.0～6.7m的Ⅱ期河漫灘階地沉積層,是在該樞紐基礎(chǔ)開挖中發(fā)現(xiàn)的,其主要成分為砂質(zhì)粘土、礫砂,以及夾雜有砂石和砂壤土混合成分的礫石土和卵石土。沖積層位于坡積層的下面。

厚度為1.5～3.5m的Ⅲ期河漫灘階地沉積層,是在該樞紐壩址處的左岸被開挖出來(lái)的,其主要成分為亞粘土、中等粒徑的砂土以及礫砂。

厚度為7.0～15.0m的Ⅳ期河漫灘階地沉積層,其主要成分為夾雜有細(xì)砂和礫石的砂土、夾雜有砂土的卵石礫石土,以及含量占 35%的亞粘土。

坡積層在坡地上較為發(fā)育,其成分主要為亞粘土、砂壤土、容易散碎的亞粘土和砂壤土、碎石狀亞粘土以及中等粒徑的砂土。坡積層的厚度大約是1.0～5.0m。

Ⅰ期和Ⅱ期河漫灘階地表面的絕大部分已經(jīng)變成了沼澤地。在這些沼澤地區(qū)段,同樣也會(huì)碰到其他一些地形要素。泥炭的厚度平均可達(dá)1.0m,局部地段甚至?xí)?。泥炭已呈中度風(fēng)化。

上述所有的沉積層主要是覆蓋于殘積層上。除了部分區(qū)段以外,殘積層無(wú)論是按其面積、還是按其埋藏深度來(lái)說(shuō)都不固定,經(jīng)常在變化。在結(jié)雅河河床范圍內(nèi),殘積層的厚度由幾米至10.0～15.0m不等,在壩肩處,其厚度為2.0～5.0m,而在某些區(qū)段,厚度可達(dá)9.0～11.0m。

下結(jié)雅水電站工程施工段屬于多年凍結(jié)巖層島狀發(fā)育地區(qū)。通過(guò)在結(jié)雅河河灘地和岸坡上的鉆孔中進(jìn)行的觀測(cè)表明:無(wú)論是堅(jiān)硬的巖石還是疏松的巖石,基本上都是處于融解狀態(tài),而且其溫度都在零度以上,僅有較少的島狀凍結(jié)巖層(有可能是隔年層),表現(xiàn)為:

(1)在右岸Ⅰ期河漫灘階地范圍內(nèi),在布置水電站泄水建筑物的地段,該凍結(jié)巖層主要是位于沼澤沉積巖層的下面。7月至 8月初,凍結(jié)巖層的發(fā)育深度為0.8～3.0m,11月至12月,其發(fā)育深度可達(dá)5.2～7.0m。

(2)在結(jié)雅河河谷的右岸岸坡,在布置生產(chǎn)基地的地段,該凍結(jié)巖層一般是位于Ⅰ期和Ⅱ期河漫灘階地發(fā)育段的沼澤沉積巖層下面。3月,其溫度通常在零度以下,且埋藏深度為0.9～9.1m,局部地段的埋藏深度可達(dá)10.0m以上;7月,其埋藏深度為1.0～4.2 m。夏季凍結(jié)巖層的厚度通常為1.5～5.3m,冬季通常為7.3～8.2m,局部會(huì)達(dá)到9.1 m以上。

在Ⅰ期河漫灘階地范圍內(nèi)發(fā)育的含有各種碎屑成分的亞粘土和砂壤土、細(xì)砂、粉沙,以及山體巖系中的細(xì)砂和粉沙,都具有較小的密度、較低的強(qiáng)度和很高的壓縮性的特性。各種成因形成的礫石土、卵石土和碎石土則都具有較高的密度和強(qiáng)度以及較低的壓縮性的特性。

所有松散沉積層都覆蓋于基巖之上,這些基巖均為花崗巖和花崗閃長(zhǎng)巖,它們被后期侵入的閃長(zhǎng)巖、花崗巖和花崗閃長(zhǎng)巖巖脈所分隔。

2 構(gòu)造斷層系類別

根據(jù)在該水利樞紐所在區(qū)域開展的工程地質(zhì)調(diào)查和地球物理勘探工作獲取的資料,可以將下結(jié)雅水電站所在地區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造劃分為以下 4個(gè)構(gòu)造斷層系:

(1)北東向斷層;

(2)北西向斷層;

(3)次經(jīng)度線向斷層;

(4)次緯度線向斷層。

在水利樞紐所在區(qū)域,最大的構(gòu)造斷層系是第4個(gè)構(gòu)造斷層系,還包括:

(1)次經(jīng)度線向斷層構(gòu)造帶位于大壩左壩段與岸坡的連接地段的Ⅲ期河漫灘階地沉積層的下面,與大壩軸線相交成55°角。較密集裂隙帶的寬度為10.0～15.0m。

(2)北西向斷層的構(gòu)造帶的寬度為20.0～30.0m,位于大壩河床部分的下面,與大壩軸線相交成70°～80°角。

其他一些構(gòu)造裂隙主要都集中在所研究的區(qū)段上,均屬于細(xì)小的斷裂,且屬于Ⅴ ～Ⅷ級(jí)裂隙。

3 巖體區(qū)段的劃分

在巖體近表層部分,外力作用狀況較好,為物理風(fēng)化和巖體卸荷。在完成了上述分析研究的基礎(chǔ)上,可以將垂直斷面的巖體劃分為以下幾個(gè)區(qū)段:

(1)殘積巖(強(qiáng)風(fēng)化巖)區(qū)段(0);

(2)風(fēng)化區(qū)段(Ⅰ);

(3)花崗巖、花崗閃長(zhǎng)巖和脈巖體與其周邊接觸帶的卸荷區(qū)段(Ⅱ);

(4)巖體相對(duì)來(lái)說(shuō)完好,沒有發(fā)生擾動(dòng)的區(qū)段(Ⅲ);

(5)下部卸荷區(qū)的構(gòu)造斷裂影響區(qū)段。

在殘積巖區(qū)段中,巖體的裂隙發(fā)育平均非常強(qiáng);在風(fēng)化區(qū)段中為強(qiáng)裂隙;在卸荷區(qū)段中為中等裂隙;在巖體相對(duì)來(lái)說(shuō)完好的區(qū)段中為弱裂隙。

巖體的垂直分帶沿深度方向并不是穩(wěn)定不變的,它取決于巖石的裂隙發(fā)育程度和巖石構(gòu)造斷裂程度等各種因素。

殘積巖區(qū)段的厚度在幾十厘米至2.0～5.0m之間變化;沿構(gòu)造斷裂方向,厚度在幾十厘米至8.0～10.0m之間變化;風(fēng)化區(qū)段的厚度在5.0～10.0m之間變化;卸荷區(qū)段的厚度在10.0～20.0m之間變化,而沿構(gòu)造帶以及沿礦脈層的厚度則達(dá)30.0m及以上。相對(duì)來(lái)說(shuō),完好的巖體通常是埋藏在距地表平均深度為25.0～30.0m處,只有個(gè)別地段(沿構(gòu)造帶和脈巖體)的巖體是埋藏在40.0～50.0m的深處。

位于各劃分區(qū)段的巖體的滲透性是各不相同的:

(1)在殘積巖區(qū)、風(fēng)化區(qū)以及卸荷區(qū)的部分區(qū)段,其滲透性是由強(qiáng)滲透性到弱滲透性;

(2)在卸荷區(qū)和巖體完好的區(qū)域,以及在(巖體保存完好范圍內(nèi)的)構(gòu)造斷裂影響區(qū)域,巖石的滲透性是由一般滲透性到弱滲透性。

在裂隙發(fā)育程度相同的區(qū)域,巖體的滲透性相當(dāng)分散,這是因?yàn)樵谀承﹨^(qū)段的巖體裂隙中有粘質(zhì)填料存在。一般來(lái)說(shuō),殘積巖區(qū)的花崗巖類的巖體具有強(qiáng)滲透性;風(fēng)化區(qū)的巖體具有一般滲透性;卸荷區(qū)、巖體完好區(qū)和(完好巖體內(nèi)的)構(gòu)造斷裂影響區(qū)則具有弱滲透性。應(yīng)當(dāng)指出的是,位于卸荷區(qū)域的脈巖體具有一般滲透性。

除了殘積花崗巖類以外,花崗巖和花崗巖類都屬于堅(jiān)硬的和非常堅(jiān)硬的、不可柔化的以及密實(shí)度相當(dāng)大的巖石。在侵入火成巖較發(fā)育地區(qū)所做的試驗(yàn)表明,巖體中的強(qiáng)度和變形程度很少是取決于其組成,而是在很大程度上取決于巖體的風(fēng)化程度、裂隙度以及構(gòu)造斷裂發(fā)育程度。因此,用于花崗巖類的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)和變形系數(shù)必須與所劃分的區(qū)域及巖體的完整度相一致。

在下結(jié)雅水利樞紐施工地段,可以劃分為2類含水層系:

(1)對(duì)應(yīng)于松散沉積物的孔隙水層系;

(2)對(duì)應(yīng)于第四紀(jì)前的堅(jiān)硬巖石裂隙區(qū)域的裂隙水層系。

這2個(gè)含水層系相互之間存在著水力學(xué)上的聯(lián)系,且都具有同一個(gè)地下水潛水面。地下水主要是無(wú)壓水。地下水補(bǔ)給主要來(lái)源于大氣降水的滲漏和融雪。

在地下水中,重碳酸鹽水、鈣酸鈉或混合陽(yáng)離子成分、淡水占大多數(shù)。與含有侵蝕性的二氧化碳成分的相比,滲透到 W4標(biāo)號(hào)混凝土中的地下水具有中等侵蝕性,在循環(huán)浸潤(rùn)的情況下,會(huì)對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)形成弱侵蝕。土的季節(jié)性凍結(jié)的正常深度是2.5～3.5m。

4 結(jié) 語(yǔ)

在上述分析研究的基礎(chǔ)上,可以得出以下結(jié)論。

(1)在土的自然狀態(tài)下(在2007年 9月開展地震學(xué)研究工作期間),按照地震烈度等級(jí)表(MSK),所研究地段的主要部分具有以下地震烈度值:①在最大計(jì)算地震(МРЗ)的條件下,為7度和 8度;②在設(shè)計(jì)地震(ПЗ)的條件下,為 6度和7度。

在所研究地段的東南部,結(jié)雅河的右岸,在最大計(jì)算地震條件下,可以將其劃分為可能的 9度(設(shè)計(jì)地震條件下的 8度)區(qū)域。這大概與此處分布著大量的沼澤沉積物(其地震性質(zhì)更惡劣)以及地下水的水位較高有著密切的關(guān)系。

(2)為了改善建筑物基礎(chǔ)的抗震條件,在設(shè)計(jì)水利樞紐時(shí),對(duì)主要建筑物周邊,尤其是對(duì)于在發(fā)生最大設(shè)計(jì)震級(jí)的情況下,根據(jù)詳細(xì)劃分地震區(qū)域(СМР)圖,對(duì)可能出現(xiàn) 8度和 9度地震烈度區(qū)域內(nèi)的松土和弱疏松土的處理問(wèn)題進(jìn)行了認(rèn)真研究,并研制了適宜的處理措施。

總的來(lái)說(shuō),下結(jié)雅水電站壩址處的工程地質(zhì)條件良好,適宜于修建水利樞紐工程。