某水電站壩基碎裂巖工程性狀及處理措施

鄧爭(zhēng)榮，吳樹(shù)良，閔 文，雷世兵，楊友剛

(長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院長(zhǎng)江巖土工程總公司，武漢 430010)

1 研究背景

碎裂巖是地質(zhì)歷史時(shí)期形成的一種脆性構(gòu)造巖［1］，其工程性狀會(huì)受所處不同的地質(zhì)環(huán)境影響而表現(xiàn)出差異。隨工程規(guī)模的不同，對(duì)其相應(yīng)利用的要求標(biāo)準(zhǔn)也不同。

某峽谷區(qū)擬建水電站最大壩高為200 m余，為碾壓混凝土重力壩。壩址發(fā)育有區(qū)域性斷裂，不屬于活動(dòng)斷裂，寬度為85～144 m，穿越大壩壩基部位，從工程地質(zhì)的實(shí)際意義出發(fā)，將其劃分為碎裂巖帶和軟弱構(gòu)造巖帶［2］。其中:碎裂巖帶約占區(qū)域性斷裂寬度的97.3%;將軟弱構(gòu)造巖帶視為 F41，F(xiàn)42斷層，為由構(gòu)造巖在地質(zhì)作用下經(jīng)軟化及部分泥化形成的泥化物(或夾碎石)組成的泥化帶，各自寬度小于4 m。

碎裂巖帶巖體與區(qū)域性斷裂帶兩側(cè)巖體性狀差別明顯，其微新?tīng)顜r體比區(qū)域性斷裂帶兩側(cè)微新?tīng)顜r體巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度平均值低60～68 MPa，相差較大，為了提供該水電站工程設(shè)計(jì)所需的工程地質(zhì)資料，查明其工程性狀成為該水電站工程勘察論證的重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容之一，同時(shí)，為了滿足工程大壩建基要求，需研究對(duì)應(yīng)的處理措施，其成果可供其它工程類似斷層碎裂巖性狀研究時(shí)參考。

2 工程地質(zhì)概況

某水電站由擋水建筑物、泄水建筑物、引水發(fā)電系統(tǒng)等主要建筑物組成，屬Ⅰ等大(1)型水電站工程。其中，擋水、泄水建筑物布置于主河床，設(shè)計(jì)為碾壓混凝土重力壩，擬正常蓄水位高出河床枯水位150 m余，壩頂高出正常蓄水位8.0 m，設(shè)計(jì)最大壩高200 m余。

水電站所在地區(qū)屬于構(gòu)造剝蝕中低山地貌區(qū)，山脈主要呈近南北向延伸，地勢(shì)總體上具有北高南低、東高西低的特點(diǎn)。主干河流自北向南流經(jīng)區(qū)內(nèi)，河谷呈較開(kāi)闊“V”字形，為峽谷區(qū)，河床地面高程為229～249 m，兩岸山體高聳，沖溝較為發(fā)育。區(qū)內(nèi)臨江山頂高程為1 000～1 500 m。

區(qū)內(nèi)地表大部分覆蓋第四系殘坡積層，由黏土夾母巖風(fēng)化碎屑或碎石組成，厚度一般為3～25 m，下伏基巖主要為中上元古界(Pt2－3)結(jié)晶變質(zhì)雜巖，僅局部出露。左岸基巖主要為斑狀變晶花崗片麻巖，局部為片巖(呈帶狀)和斷裂構(gòu)造巖;右岸基巖主要為花崗片麻巖。河床上覆第四系沖積層，由上部粉細(xì)砂—中細(xì)砂和下部砂礫卵石夾含漂石組成，厚度一般為11～50 m;下伏基巖為花崗片麻巖，局部為斷裂構(gòu)造巖。

該地區(qū)在大地構(gòu)造上處于岡底斯－念青唐古拉褶皺系(Ⅱ)伯舒拉嶺－高黎貢山褶皺帶(Ⅱ2)中的銅壁關(guān)褶皺束(Ⅱ32)。出露基巖片麻理或片理走向355°～15°，以主干河流河床左側(cè)近岸為界，左岸傾向近E，傾角65°～75°;河床及右岸傾向近W，傾角70°～80°。斷層和裂隙是地區(qū)內(nèi)主要構(gòu)造形跡。

區(qū)內(nèi)巖體全強(qiáng)風(fēng)化帶，主干河流左岸厚度一般小于16 m，局部達(dá)19～29 m;右岸厚度一般小于15 m，局部達(dá)20～33 m;河床中部一般無(wú)分布，兩側(cè)近岸邊厚5～28 m。巖體弱風(fēng)化帶，主干河流左岸厚度一般小于10 m，且多小于5 m，局部達(dá)15～29 m;右岸厚度一般小于8 m，且亦多小于5 m，局部達(dá)10～29 m;河床中部一般無(wú)分布，僅局部厚1～16 m。

區(qū)內(nèi)地下水按賦存條件(含水介質(zhì)特性)可分為第四系覆蓋層松散堆積體孔隙水、基巖裂隙水。主干河流是區(qū)內(nèi)地下水的最低排泄基準(zhǔn)面。區(qū)內(nèi)地下水主要接受大氣降水的補(bǔ)給，以孔隙、裂隙為其徑流通道，向溝谷和主干河流河床運(yùn)移，最終以分散形式向主干河流排泄。

3 碎裂巖工程性狀

水電站壩址的區(qū)域性斷裂，先期發(fā)育F41，F(xiàn)42斷層，水平間距25～85 m，并在各自兩側(cè)形成較寬的破碎帶，經(jīng)后期熱液重結(jié)晶再膠結(jié)成巖，形成碎裂巖帶(圖1)，寬度合計(jì)約83～140 m;斷層后期活動(dòng)程度相對(duì)較輕，僅在主斷面處形成寬度小于4 m的軟弱構(gòu)造巖帶，為由泥化物(或夾碎石)組成的泥化帶。

圖1 壩址區(qū)碎裂巖帶及F41，F(xiàn)42斷層分布圖Fig.1 Distribution of cataclasite zone and F41＆ F42 faults at the dam site area

3.1 分布及規(guī)模

碎裂巖帶以走向NNE20°左右順主干河流左岸近岸及河床左側(cè)展布，邊界總體傾向W，傾角82～88°。在壩基范圍內(nèi)分布于左岸非溢流壩14#—18#壩段，其中壩軸線一帶分布高程為240～295 m(圖2)，寬度約86 m;壩趾一帶分布高程為220～285 m，寬度約92 m;至附近下游一帶，碎裂巖帶展布于河床左側(cè)，分布高程為215～230 m，寬度約100 m左右。

圖2 大壩軸線碎裂巖與F41，F(xiàn)42斷層分布工程地質(zhì)剖面圖Fig.2 Engineering geology profile of the cataclasite and fault F41＆F42distribution along the dam axis

F41，F(xiàn)42斷層走向 5°～ 25°，總體傾向 W，傾角72°～85°。在壩基范圍內(nèi)分布于左岸非溢流壩15#—19#壩段。據(jù)鉆孔及平洞揭示，壩基范圍內(nèi)斷層軟弱構(gòu)造巖帶:F41寬度0～2.1 m，局部呈破裂面;F42寬度0.9 ～2.0 m。

F42斷層下盤(pán)(東側(cè))發(fā)育有影響帶，由較破碎的碎裂巖構(gòu)成，分布于左岸非溢流壩15#—16#壩段，寬度一般為1.5～3.9 m，其中壩軸線處約3.9 m、壩中處2.7 ～3.0 m、壩趾處約1.5 m。

3.2 礦物成份

碎裂巖礦物成分以鉀長(zhǎng)石、斜長(zhǎng)石、石英為主，少量黑云母、絹云母、綠泥石、高嶺石、方解石等［3］。其中，鉀長(zhǎng)石含量10% ～40%、斜長(zhǎng)石含量24% ～34%、石英含量18% ～26%，長(zhǎng)石合計(jì)含量43% ～72%;長(zhǎng)石、石英累計(jì)含量68% ～92%;其它礦物合計(jì)含量8%～32%。

3.3 物理力學(xué)性質(zhì)

壩址微新?tīng)钏榱褞r鉆孔芯樣室內(nèi)巖石物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)成果統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1;平洞現(xiàn)場(chǎng)原位力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)成果統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2。以試驗(yàn)(測(cè)試)成果為基礎(chǔ)，考慮試樣(件)實(shí)際的地質(zhì)條件及其工程地質(zhì)代表性，提出碎裂巖巖體工程地質(zhì)類別及主要物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)建議值見(jiàn)表3。

表1 壩址微新?tīng)钏榱褞r室內(nèi)物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)成果統(tǒng)計(jì)表Table 1 Test results of indoor physico-mechanical properties of slightly weathered＆fresh cataclasite at the dam site

表2 壩址碎裂巖平洞現(xiàn)場(chǎng)原位力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)成果統(tǒng)計(jì)表Table 2 Test results of in-situ mechanical properties of cataclasite in adit at the dam site

表3 壩址碎裂巖巖體工程地質(zhì)類別及主要物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)建議值Table 3 The engineering geology types of rockmass and the recommended values of main physico-mechanical properties of cataclasite at the dam site

3.4 工程特性

壩址碎裂巖全強(qiáng)風(fēng)化帶厚度一般為5～15 m。在大壩軸線一帶，其下限高程為235～277 m;在壩趾一帶，其下限高程為230～263 m;在附近下游一帶，其下限高程一般為205～223 m。

壩址碎裂巖弱風(fēng)化帶厚度一般小于10 m。在大壩軸線處，其下限高程為235～268 m;在壩趾一帶，其下限高程為225～260 m;在附近下游一帶，其下限高程一般為203～220 m。

壩基碎裂巖全強(qiáng)風(fēng)化帶鉆孔巖芯多呈碎屑、砂土狀及少量碎塊狀，RQD(巖石質(zhì)量指標(biāo))為0;弱風(fēng)化帶鉆孔巖芯主要呈碎塊狀，少量柱狀，RQD平均值一般為9%～27%;微新?tīng)顜r體鉆孔巖芯多呈長(zhǎng)10～30cm柱狀，RQD平均值多為53% ～82%。

微新?tīng)钏榱褞r室內(nèi)試驗(yàn)巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度平均值約64 MPa。據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，碎裂巖全強(qiáng)風(fēng)化帶巖體聲波縱波速為1 905～2 856 m/s;弱風(fēng)化帶巖體聲波縱波速為2 941～3 735 m/s;微新?tīng)顜r體聲波縱波速多為3 915～4 906 m/s，其中鄰近微風(fēng)化上限為20～30 m范圍內(nèi)巖體聲波縱波速為3 603～4 500 m/s。

碎裂巖弱風(fēng)化帶巖體透水率為0.5～35.4 Lu，平均值一般為2～8 Lu，以弱透水為主;微新?tīng)顜r體透水率多為0.60 ～ 9.89 Lu，平均值一般為0.61 ～4.98 Lu，屬微透水—弱透水。

碎裂巖全強(qiáng)風(fēng)化帶巖體呈散體結(jié)構(gòu)，巖體基本質(zhì)量屬Ⅴ類;弱風(fēng)化帶巖體呈碎裂結(jié)構(gòu)，巖體基本質(zhì)量屬Ⅳ類;微新?tīng)顜r體大部分呈次塊狀結(jié)構(gòu)，巖體基本質(zhì)量屬Ⅲ類［4］。

F42斷層下盤(pán)影響帶較破碎碎裂巖，微新?tīng)顜r體RQD為12% ～42%，聲波縱波速平均值為2 947～3 980 m/s，巖體主要呈塊裂結(jié)構(gòu)，巖體基本質(zhì)量屬Ⅳ類。

4 碎裂巖壩基建基面選擇與處理措施

4.1 建基面選擇

該水電站大壩最大壩高為200 m余碾壓混凝土重力壩，對(duì)建基巖體質(zhì)量要求高。碎裂巖全強(qiáng)風(fēng)化帶、弱風(fēng)化帶巖體工程地質(zhì)類別分別屬于Ⅴ類、Ⅳ2B類［5］，不能作為壩基建基巖體利用，需予以挖除;微新?tīng)钏榱褞r主要呈次塊狀結(jié)構(gòu)，其強(qiáng)度雖與兩側(cè)微新?tīng)罨◢徠閹r及斑狀變晶花崗片麻巖強(qiáng)度有較大差異，但巖體工程地質(zhì)類別屬于Ⅲ1B類，RQD、聲波縱波速、強(qiáng)度及變形模量等指標(biāo)基本滿足建壩要求，可以作為壩基巖體利用;F42斷層下盤(pán)影響帶較破碎碎裂巖巖體工程地質(zhì)類別屬于Ⅳ1B類，需與其它局部性狀較差的地段均采取適當(dāng)?shù)奶幚泶胧┖笠詽M足要求。

4.2 處理措施及效果

碎裂巖及F41，F(xiàn)42斷層部位壩段的建基面選擇在微新?tīng)顜r體上，對(duì)F41，F(xiàn)42斷層和F42斷層下盤(pán)影響帶進(jìn)行置換混凝土塞處理，并加強(qiáng)固結(jié)灌漿和帷幕灌漿［6］措施后，可達(dá)到預(yù)期效果，能滿足建壩要求。

4.2.1 挖槽回填混凝土塞

對(duì)于壩基下F41，F(xiàn)42斷層及F42斷層下盤(pán)影響帶適當(dāng)挖除，并回填混凝土塞，槽挖和混凝土置換斷面為梯形，置換最大寬度按不小于需處理寬度的1.5倍控制。F41斷層混凝土置換深度為5 m，置換底寬為4 m，坡比為1∶0.6;F42斷層混凝土置換深度為5 m，置換底寬考慮其影響帶后確定為5 m，坡比為1∶0.6。F41，F(xiàn)42斷層在壩基范圍內(nèi)全部進(jìn)行置換，并往上下游各延伸1.5倍塞高的長(zhǎng)度。

大壩建成運(yùn)行后，混凝土塞在以大壩自重應(yīng)力為主的作用下處于受壓狀態(tài)，能始終與巖體結(jié)合良好，有效地承受和傳遞荷載［7］至軟弱巖帶兩側(cè)巖體，可與承載巖體成為有機(jī)聯(lián)合的整體發(fā)揮效應(yīng)。

4.2.2 加強(qiáng)固結(jié)灌漿

對(duì)壩基范圍的碎裂巖、F42斷層下盤(pán)影響帶及F41，F(xiàn)42斷層帶進(jìn)行加強(qiáng)固結(jié)灌漿處理，采用全面積固結(jié)灌漿，孔排距2 m×2 m，孔深15～30 m，最大孔深按建基巖面以下巖體聲波縱波速偏低最大下限范圍擬定。

固結(jié)灌漿能使包括軟弱巖帶在內(nèi)的巖體工程性狀如均勻性、完整程度、強(qiáng)度、滲透性會(huì)顯著改善［8］。灌漿后，聲波縱波速變化范圍大大減小，一般可比灌前提高10%～25%;完整性系數(shù)可比灌前提高約20% ～50%;變形模量可比灌前提高100%～200%;滲透性減弱，透水率可比灌前降低85% ～95%。

4.2.3 加強(qiáng)帷幕灌漿

為滿足F41，F(xiàn)42斷層部位壩基防滲要求，對(duì)碎裂巖及F41，F(xiàn)42斷層部位的帷幕加深加密，采用4排等深孔設(shè)置，平均孔深為120.5 m，排數(shù)和孔深根據(jù)巖體透水率按防滲要求、滲流穩(wěn)定需要確定?？紤]除F41，F(xiàn)42斷層部位及F42斷層下盤(pán)影響帶外，建基巖體滲透性屬微透水—弱透水巖體，在帷幕后采取排水措施，設(shè)置單獨(dú)的排水廊道以增加帷幕與排水幕間的滲透比降;設(shè)置排水孔，并在孔內(nèi)安裝保護(hù)設(shè)施。

帷幕灌漿及其強(qiáng)烈影響范圍滲透性在灌漿后會(huì)明顯減弱達(dá)到設(shè)計(jì)防滲標(biāo)準(zhǔn)(透水率不大于1 Lu)以內(nèi)，并可由灌前透水率離散程度較大改變?yōu)楣嗪鬂B透性趨于均質(zhì);建基巖體除F41，F(xiàn)42斷層部位及F42斷層下盤(pán)影響帶在帷幕灌漿后能夠有效地防止產(chǎn)生過(guò)大的滲透流量和流速，明顯減小壩基揚(yáng)壓力外，其余微透水－弱透水巖體中帷幕灌漿雖既不能使?jié)B流量有實(shí)際意義的減小，也不能有效降低揚(yáng)壓力，但采取的排水措施可完成降低揚(yáng)壓力的任務(wù)［9］。

5 結(jié)語(yǔ)

碎裂巖帶是本擬建水電站壩址區(qū)域性斷裂的主體組成部分，穿越大壩河床近岸壩基，壩基范圍內(nèi)寬度約86～92 m，微新?tīng)顜r體與其兩側(cè)微新?tīng)顜r體強(qiáng)度有較大差異，對(duì)大壩地基穩(wěn)定等起著重要的作用;其微新?tīng)顜r體除F42斷層下盤(pán)影響帶較破碎巖體工程地質(zhì)類別屬于Ⅳ1B類外，其余巖體工程地質(zhì)類別屬于Ⅲ1B類，質(zhì)量指標(biāo)基本滿足建壩要求，可以作為壩基巖體利用，采取適當(dāng)?shù)奶幚泶胧┌ㄍ诓刍靥罨炷寥?、加?qiáng)固結(jié)灌漿和帷幕灌漿后，能滿足建壩要求。

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