官地水電站重力壩壩基利用弱風(fēng)化巖體的實踐

常祖平，童 偉，高曉梅，劉 洋

(中國水電顧問集團成都勘測設(shè)計研究院，四川成都 610072)

1 前 言

重力壩壩基巖體是存在于一定環(huán)境中的地質(zhì)體，其形成和發(fā)展經(jīng)受過地質(zhì)歷史時期各種內(nèi)外動力地質(zhì)作用的改造和影響。巖體風(fēng)化是重力壩壩基存在的主要工程地質(zhì)問題之一，風(fēng)化的程度一般自地表向深部衰減，但并無截然劃分的界限［1］。但對重力壩壩基而言，弱風(fēng)化巖體的利用恰當(dāng)與否，直接涉及到建基面的選擇及開挖深度的確定，從而影響工程的安全與經(jīng)濟性。

2 關(guān)于重力壩壩基巖體利用的認識

重力壩壩基巖體利用的確認涉及的專業(yè)較多，影響因素較復(fù)雜，不僅與工程地質(zhì)的實際狀況、工程規(guī)模與建筑物型式等客觀條件有關(guān)，同時也與設(shè)計人員水平、巖體力學(xué)的測試技術(shù)水平及施工開挖工藝等主觀條件相關(guān)。有人統(tǒng)計了前蘇聯(lián)、美國、法國等12個國家46座混凝土壩的基巖開挖量VR與混凝土量VC的比值關(guān)系，其中比值在50% 以下有33座，占工程總數(shù)的71%;大于100%者僅5座，占工程總數(shù)的11%;一般壩基開挖量為混凝土量的20%～50%較多。我國對部分混凝土重力壩也作了類似的統(tǒng)計，開挖量所占比例較大，均超過50%［2］。隨著工程地質(zhì)查勘技術(shù)的提高，巖石力學(xué)的發(fā)展和壩工技術(shù)的進步，對重力壩壩基巖體的利用標準和開挖深度的認識已有明顯的變化，總的趨勢是對壩基巖體質(zhì)量的要求有所放寬，盡量減少壩基開挖，優(yōu)先考慮以處理措施代替深挖［3］。

工程實踐表明，不同風(fēng)化程度的巖體具有不同的工程地質(zhì)性質(zhì)。弱風(fēng)化帶是一個由工程性質(zhì)較差的碎裂結(jié)構(gòu)到較好的塊狀結(jié)構(gòu)巖體的過渡帶，其上下部仍有較大差別。一般弱風(fēng)化帶下部巖體中結(jié)構(gòu)體呈“硬性接觸”，裂隙交接處為半堅硬棱角狀，巖體強度受裂隙面粗糙度和起伏差影響，而且可以通過一定的工程處理措施提高其力學(xué)強度。

弱風(fēng)化帶的特點是未風(fēng)化巖體在鉛直方向上連續(xù)分布，裂隙兩側(cè)風(fēng)化蝕變帶的形變效應(yīng)主要表現(xiàn)在未風(fēng)化巖體的側(cè)向形變方面［4］。因此弱風(fēng)化帶的總體形變受控于未風(fēng)化巖體形變，而滲流條件受控于風(fēng)化蝕變帶。所以弱風(fēng)化帶巖體能否作為壩基，控制條件首先應(yīng)該是滲流條件而不是形變條件，只要防滲條件得到滿足，弱風(fēng)化帶巖體是可以利用的。

通過大量工程實踐和理論研究，壩基風(fēng)化巖體的利用研究已經(jīng)取得了一定的經(jīng)驗和成果，特別是弱風(fēng)化帶巖體的利用。如三峽大壩已部分利用弱風(fēng)化下部巖體;二灘工程直接利用弱風(fēng)化下部巖體，弱風(fēng)化中部巖體適當(dāng)處理后利用，弱風(fēng)化上部巖體經(jīng)加固處理后局部利用［5］。

3 官地電站壩基弱風(fēng)化巖體利用實踐

3.1 工程概況

官地水電站位于四川省涼山彝族自治州西昌市和鹽源縣交界的打羅村境內(nèi)，是雅礱江卡拉至江河口河段水電規(guī)劃五級開發(fā)方式的第三個梯級電站，電站主要任務(wù)是發(fā)電，水庫正常蓄水位1 330.00m，總庫容7.6億m3，裝機容量2 400MW。擋水建筑物為碾壓混凝土重力壩，最大壩高168m。官地水電站工程等別為I等工程，工程規(guī)模為大(1)型，大壩為Ⅰ級建筑物。

壩址區(qū)地質(zhì)條件主要有以下特點:

(1)區(qū)域地殼相對穩(wěn)定，地震基本烈度為Ⅷ度。

(2)巖質(zhì)堅硬。樞紐區(qū)基巖主要由二疊系上統(tǒng)玄武巖、角礫集塊熔巖(P2β51)，中～厚層狀角礫集塊熔巖，灰綠色，堅硬，角礫集塊結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。巖質(zhì)堅硬，平均濕抗壓強度170MPa，彈性模量80～100GPa。

(3)斷裂構(gòu)造發(fā)育。壩址區(qū)呈單斜構(gòu)造，巖層總體產(chǎn)狀近SN/W∠75°～85°，為橫向河谷。因受多期構(gòu)造運動的影響，壩區(qū)斷裂構(gòu)造極為發(fā)育，主要表現(xiàn)為斷層、錯動帶及節(jié)理裂隙系列。

3.2 壩基巖體風(fēng)化特征

官地水電站樞紐區(qū)主要為堅硬的玄武巖，巖石自身抗風(fēng)化能力較強，風(fēng)化作用主要沿節(jié)理裂隙、構(gòu)造錯動帶及斷層擴展，以裂隙式風(fēng)化或夾層狀風(fēng)化為主要特點，在淺部如有斷層發(fā)育或裂隙密集帶，風(fēng)化作用強烈，多呈全強風(fēng)化。風(fēng)化作用在空間上很不均一，但總體而言，由表及里，巖體風(fēng)化由強變?nèi)?，風(fēng)化夾層出現(xiàn)的機率減小。

河床基巖風(fēng)化較弱，僅局部存在強風(fēng)化層夾層，其中全強風(fēng)化下限垂直深度5.30m;弱風(fēng)化上段下限垂直埋深5～36m;弱風(fēng)化下段下限垂直埋深5～41.7m。壩區(qū)岸坡下部左岸局部可見強風(fēng)化，其下限水平深度17.8m，弱風(fēng)化上段下限20～29.3m，弱風(fēng)化下段下限45～48m:右岸仍在局部段見強風(fēng)化，下限水平深度約25m，弱風(fēng)化上段下限變化大，為6～97m，弱風(fēng)化下段下限18～106m。岸坡中部左岸全強風(fēng)化下限水平深度10.5～23m，弱風(fēng)化上段下限36～60m，弱風(fēng)化下段下限61～109m;右岸全強風(fēng)化下限水平深度16～30m，弱風(fēng)化上段下限18～79m，弱風(fēng)化下段下限36～79m。岸坡上部左岸全強風(fēng)化下限水平深度0～52.3m，弱風(fēng)化上段下限36～77.5m，弱風(fēng)化下段下限43～105m;右岸全強風(fēng)化下限水平深度10～20m，弱風(fēng)化上段下限38.3～91.5m，弱風(fēng)化下段下限38.3～127.5m。

總體上官地水電站壩址區(qū)巖體風(fēng)化高程效應(yīng)比較明顯，隨高程的增加風(fēng)化作用加強，深度增大。風(fēng)化作用除受地形、巖性及水文地質(zhì)條件的影響外，主要受構(gòu)造的控制。根據(jù)官地電站巖體風(fēng)化特征可將其劃分為五種類型，即全強風(fēng)化、弱風(fēng)化上段、弱風(fēng)化下段、微風(fēng)化～新鮮巖體以及風(fēng)化夾層。

3.3 壩基巖體的分類

結(jié)合官地水電站壩基巖體的風(fēng)化、卸荷的實際特征，為了充分利用壩基弱風(fēng)化巖體，對壩基巖體分為5類，其中Ⅲ類巖體分為3個亞類，全強風(fēng)化巖體、強卸荷的弱風(fēng)化上段巖體為Ⅴ類;弱卸荷的弱風(fēng)化上段巖體為Ⅳ類;弱卸荷、弱風(fēng)化下段巖體夾次生夾泥為Ⅲ3類;弱卸荷、弱風(fēng)化下段巖體為Ⅲ2類、無卸荷的弱風(fēng)化下段為Ⅲ1類;微新巖體一般為Ⅱ類。

3.4 壩基利用巖體的選擇

根據(jù)重力壩設(shè)計規(guī)范［4］的要求，結(jié)合官地水電站壩址區(qū)風(fēng)化卸荷特征，在滿足壩體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定應(yīng)力的要求下，充分利用弱風(fēng)化帶巖體以減少開挖量，確定建基面的開挖原則為:壩高超過100m的壩段將大壩基礎(chǔ)置于Ⅱ類和Ⅲ1類巖體上;壩高在50～100m之間的壩段，大壩基礎(chǔ)置于Ⅲ2類巖體或Ⅲ3類巖體上;壩高低于50m的壩段僅壩肩個別壩段，大壩基礎(chǔ)置于Ⅲ3類或Ⅳ類巖體上。

壩基開挖階段，根據(jù)壩體結(jié)構(gòu)開挖壩段的要求，開挖各個壩段的壩基巖體類別及巖體質(zhì)量評價見表1，各壩段不同巖體類別百分比統(tǒng)計見表2。

根據(jù)表1和表2的壩基巖體類別的分布情況，對照建基面的確定原則可知，官地水電站壩基大于100m的部分壩段，開挖揭示出的巖體局部為Ⅲ2類，不滿足建基面的巖體要求。分析原因所在，局部為Ⅲ2類巖體的范圍大都是軟弱結(jié)構(gòu)面分布比較密集的部位，如8號壩段壩基開挖后揭示的巖體分類(見圖1)。從圖中可以看出，8號壩段壩趾處存在Ⅲ2類巖體，同時這個區(qū)域還存在 fx9－9、fx9－10、fx9－11等多組軟弱結(jié)構(gòu)面。這也充分反映官地水電站壩基風(fēng)化作用主要受構(gòu)造的控制的特點。

表1 開挖壩段巖體質(zhì)量總體評價

表2 各壩段不同巖體類別百分比統(tǒng)計 %

圖1 8號壩段開挖揭示的壩段巖體分類示意

對于局部不滿足建基要求的巖體，根據(jù)每個壩段的穩(wěn)定應(yīng)力計算分析結(jié)果，結(jié)合抗滑穩(wěn)定采取的措施，應(yīng)盡量減少壩基開挖，優(yōu)先考慮以處理措施代替深挖的思路。如8號壩段壩趾區(qū)的Ⅲ2類巖體的處理方案曾比較兩個方案:一是深槽方案，基本挖除Ⅲ2類巖體，深槽深度大概15m;二是淺挖方案，結(jié)合抗滑穩(wěn)定復(fù)核成果，挖除由開挖卸荷及爆破施工影響的弱風(fēng)化上部巖體，弱風(fēng)化下部巖體經(jīng)灌漿處理后作為壩基。若第二種方案成立的，勢必工程量減少，工期縮短。為此，對8號壩段進行了壩基穩(wěn)定應(yīng)力復(fù)核、深淺層抗滑穩(wěn)定復(fù)核及現(xiàn)場固結(jié)灌漿試驗。

通過穩(wěn)定應(yīng)力復(fù)核計算，在8號壩段壩趾區(qū)采取挖除6m深的Ⅲ2類巖體回填混凝土后，壩基的深淺層抗滑穩(wěn)定滿足要求。非線性有限元分析表明，壩基應(yīng)力值不高，分布亦較均勻。壩趾區(qū)經(jīng)加深加密固結(jié)灌漿后，巖體的灌后波速都大于或接近于設(shè)計要求的5 500m/s。采用淺挖方案，壩基只需開挖1 228m3，比深槽方案減少開挖1 000m3，減少了開挖量，更是避免了大面積二次開挖對壩基巖體造成的次生損害，投資節(jié)省，工期縮短。

4 結(jié)束語

重力壩壩基巖體是一個非常復(fù)雜的天然地質(zhì)體，是一個復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，影響壩基建基面選擇的不確定性因素很多。充分利用弱風(fēng)化巖體作為壩基，不僅出于技術(shù)上、經(jīng)濟上的考慮，還基于對巖體工程地質(zhì)特性的認識及壩基處理水平的提高，也合乎大壩基礎(chǔ)開挖的發(fā)展趨勢。隨著壩體結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化，筑壩技術(shù)的進步，基礎(chǔ)處理技術(shù)水平的提高，將大大改善巖體質(zhì)量。隨著測試手段的進步，理論研究的深入，實踐經(jīng)驗的豐富，重力壩壩基弱風(fēng)化巖體利用研究必將取得突破性進展。

［1］黃揚一，王造根.關(guān)于弱風(fēng)化巖體利用的認識與實踐［J］.人民長江，1995，26(6):33 －36.

［2］苗琴生.混凝土重力壩壩基處理［J］.水利水電勘測設(shè)計標準化，2000(2):75－98.

［3］國家電力公司華東勘測設(shè)計研究院.DL 5018－1999《混凝土重力壩設(shè)計規(guī)范》［S］.北京:中國電力出版社，2000.

［4］崔政權(quán).系統(tǒng)工程地質(zhì)導(dǎo)論［M］.北京:水利電力出版社，1992.

［5］王濤，吳旭彬，朱建民.重力壩建基面選擇的研究［J］.湖北水力發(fā)電，2004(3):30－32.