沅水桃源水電站壩基巖體質(zhì)量控制與分析

■曾俊才

（中南勘測設(shè)計研究院　湖南　長沙　410014）

沅水桃源水電站壩基巖體質(zhì)量控制與分析

■曾俊才

（中南勘測設(shè)計研究院湖南長沙410014）

壩基巖性為主要為泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、粉砂巖并夾有少量石膏薄層。工程地質(zhì)條件一般，經(jīng)過壩基開挖，主要工程地質(zhì)問題均已揭露；開挖過程中根據(jù)揭露的工程地質(zhì)條件，通過對閘壩基礎(chǔ)巖體采取了一系列的巖體質(zhì)量控制及處理措施，保證了建基巖體質(zhì)量滿足設(shè)計要求。

壩基巖體質(zhì)量控制聲波檢測工程處理

1　前言

桃源水電站為低水頭徑流式電站，位于湖南省常德市桃源縣城附近的沅水干流上，是沅水干流最末一個水電開發(fā)梯級，壩址位于桃源縣城，上接凌津灘水電站尾水，上游距凌津灘水電站約38km，為一槽蓄型水庫。本工程開發(fā)任務(wù)以發(fā)電為主，兼顧航運、旅游等綜合利用。水庫正常蓄水位39.50m，相應(yīng)庫容1.28億m3，電站裝機(jī)180MW，多年平均發(fā)電量為7.93億KW·h，本樞紐工程等級為二等，工程規(guī)模為大(2)型，樞紐主要由泄洪閘、土石副壩、電站廠房、船閘等建筑物組成，樞紐布置從左至右依次布置左岸接頭土石壩段、左槽14孔泄洪閘、雙洲土石副壩、船閘、電站廠房、右槽11孔泄洪閘、右岸接頭土石壩段，壩頂總長1286m，本文以右槽11孔泄洪閘壩基礎(chǔ)1#～12#壩段開挖巖體為例進(jìn)行論述。

2　壩基巖體質(zhì)量控制與分析

2.1建基面驗收標(biāo)準(zhǔn)

綜合現(xiàn)有大壩設(shè)計技術(shù)要求，對于建基巖體的利用和開挖后的驗收可歸結(jié)為對工程巖體質(zhì)量的要求，即巖體應(yīng)具有足夠的承載力、較高的變形模量和較好的抗?jié)B性，建基巖體質(zhì)量應(yīng)能滿足作為建筑物基礎(chǔ)的要求，或者經(jīng)過固結(jié)灌漿等改良措施后達(dá)到質(zhì)量要求。

針對第一系紅層巖體的物理力學(xué)性狀及開挖措施，為防止巖體開挖暴露后的風(fēng)化、遇水崩解軟化作用，建基面地質(zhì)驗收標(biāo)準(zhǔn)為：

（1）建基面巖體應(yīng)為弱風(fēng)化以下巖體；

（2）表面無浮土、虛渣、松動塊體和干縮崩解層及泥質(zhì)；

（3）無失水干縮裂縫或浸水軟化現(xiàn)象；

（4）巖石含水量為天然狀態(tài)，即含水量不大于10%；

（5）聲波速度應(yīng)大于2200m/s；

（6）建基面沿層面發(fā)育零星分布的薄層石膏應(yīng)清除干凈

（7）避免斜坡梯度的明顯變化，避免有反坡面、直立或近直立的巖石表面。

2.2巖體質(zhì)量分析

壩（閘）基礎(chǔ)泥巖、粉砂質(zhì)泥巖其力學(xué)強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)面發(fā)育情況及風(fēng)化特性等甚為相近，同等風(fēng)化狀態(tài)下巖體基本質(zhì)量無明顯差異，粉砂質(zhì)泥巖與泥巖視為一種均質(zhì)巖體。

依據(jù)GB50218-94《工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)》，結(jié)合前期勘探資料、巖石室內(nèi)試驗成果及施工地質(zhì)編錄成果、聲波測試成果等對壩（閘）基巖體基本質(zhì)量進(jìn)行分析論述。

施工階段主要進(jìn)行的是聲波檢測，并對右槽泄洪閘壩7#～11#段取得完整的聲波檢測資料，這些資料可以代表右槽泄洪閘1#～12#壩段的實際情況，依據(jù)聲波資料進(jìn)行分析如下：

現(xiàn)場檢測獲得的資料主要為巖體波速值 (建基面下深度5m范圍），為了利用多參數(shù)評價建基面巖體的質(zhì)量，引入巖體完整性系數(shù)(Kv)、裂隙系數(shù)（LS）、風(fēng)化系數(shù)（β）來評價建基面巖體的完整性和風(fēng)化程度。

巖體完整性系數(shù)(Kv)：Kv＝(Vpm/Vpr)2

式中Vpm為巖體聲波速度，Vpr為巖石聲波速度

裂隙系數(shù)（LS）：是表征巖體裂隙發(fā)育程度的系數(shù)，可表示為：

式中VPr為無裂隙完整巖石的聲波速度，VPm為有裂隙巖體的聲波速度

根據(jù)巖體完整性系數(shù)和風(fēng)化系數(shù)可將巖體分為二級。

其中：Vp新為新鮮巖體的聲波速度，根據(jù)風(fēng)化系數(shù)可將巖體分為四級。

根據(jù)初設(shè)階段實測資料，認(rèn)為其最大值(取加權(quán)平均值)可代表本區(qū)完整巖體的波速Vp，因此在計算完整性系數(shù)Kv時，聲波速度Vp取2800m/s，新鮮巖體的聲波速度Vp新取3500m/s。

由于受結(jié)構(gòu)面發(fā)育，爆破層含水程度的影響，整個建基面巖體聲波波速度變化區(qū)間較大，一般為2226～2950m/s，極少數(shù)裂隙、松動(爆破影響)的區(qū)段波速低于2200m/s。一般完整巖體聲波波速值高，爆破破壞或巖體結(jié)構(gòu)面的增多或巖體加劇，均會使巖體聲波速度降低，聲波速度較低部位測試結(jié)束后已作相應(yīng)處理。

利用波速對巖體強(qiáng)度參數(shù)評價，按照壩基巖體風(fēng)化對應(yīng)的波速劃分巖體的類型基本為Ⅳ類，為此根據(jù)給定的選擇值建立的fg～Vp、cg～Vp、f～Vp、c～Vp的相關(guān)方程分別為：

f=0.23Vp+0.04796（r=0.993）

c=0.46Vp-0.86（r=0.997）

fg=0.2286Vp+0.0353（r=0.998）

cg=0.3591Vp-0.61（r=0.993）

上式中：f為巖體抗剪斷摩擦系數(shù)；c巖體抗剪斷內(nèi)聚力（Mpa）；fg為混凝土與巖石抗剪斷摩擦系數(shù)；cg為混凝土與巖石抗剪斷內(nèi)聚力（Mpa）；Vp為巖體波速（m/s）；r為相關(guān)系數(shù)。

將壩基巖體平均波速2.613km/s代入上面的各公式中，其對應(yīng)的強(qiáng)度參數(shù)為：

f=0.66、c=0.34、fg=0.63、cg=0.33

上述結(jié)果表明，參數(shù)強(qiáng)度高于建議值，本工程設(shè)計采用0.40～0.5Mpa的承載力仍有一定的安全裕度。

根據(jù)初步確定聲波波速評價建基面巖體質(zhì)量、風(fēng)化程度及完整性：右槽泄洪閘壩段聲波平均值介于2554～2735 m/s，為弱風(fēng)化巖體，Kv平均值范圍值為0.7～0.8，巖體較完整～完整，巖體基本質(zhì)量指標(biāo)（BQ值）平均值為289～310，巖體質(zhì)量為Ⅳ1～Ⅳ2類，總體上聲波波速特征應(yīng)是Ⅳ1類巖體高于Ⅳ2類巖體，但由于受結(jié)構(gòu)面、風(fēng)化程度、爆破等綜合影響，局部波速偏低；開挖完成后對建基面巖體進(jìn)行聲波測試，結(jié)果表明平均聲波速度2613m/s。

綜上所述，聲波測試及其最終成果表明，壩基依托的巖體其Vp值均能保證在2200m/s以上，就其力學(xué)屬性上應(yīng)屬于Ⅳ類工程巖體，局部囊狀風(fēng)化以及爆破影響嚴(yán)重部位根據(jù)實際情況進(jìn)行了處理，即現(xiàn)在開挖形成的建基面是能夠滿足大壩的建壩需求；由此可見，借助聲波檢測獲得的波速資料，結(jié)合現(xiàn)場地質(zhì)編錄成果來評價建基面巖體的質(zhì)量，從而為建基面的驗收提供科學(xué)依據(jù)，一期工程建基巖體的檢測成果證明上述方法是可行的、有效的。

3　工程地質(zhì)問題處理及評價

主要工程地質(zhì)問題：壩基軟化變形、抗滑穩(wěn)定、滲透變形。

閘壩基礎(chǔ)巖性為下第三系（E1）泥巖、粉砂質(zhì)泥巖，少量粉砂巖，為內(nèi)陸湖相碎屑巖沉積，由于其古地理環(huán)境的不穩(wěn)定性，巖性巖相變化大，在這些巖層中，對閘壩基起控制作用的為泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、粉砂巖，成巖作用差，波速低，巖性軟弱，不均一，屬其軟弱類巖石，巖石的孔隙率大，為16%左右，天然容重與干容重差值也較大，力學(xué)強(qiáng)度低，泥巖類黏粒含量高，其脹縮性為弱～中等，天然狀態(tài)下弱風(fēng)化泥巖、粉砂質(zhì)泥巖濕抗壓強(qiáng)度為3Mpa～8Mpa，巖體縱波速度為2200～2800m/s，弱風(fēng)化粉砂泥巖濕抗壓強(qiáng)度為6Mpa～10 Mpa，巖體縱波速度為2800～3200 m/s，變形模量為1GPa～3GPa，巖體質(zhì)量分級為Ⅳ1～Ⅳ2類；由于泥巖具有遇水軟化、失水干裂和膨脹性的特性，施工過程中，如保護(hù)不及時或措施不當(dāng)，巖體將很快產(chǎn)生風(fēng)化和軟化，從而降底巖體強(qiáng)度而導(dǎo)致承載力不足，在工程荷載作用下，軟化的泥巖會產(chǎn)生大的變形和壓致破壞，從而影響建筑物基礎(chǔ)穩(wěn)定。

建基面基礎(chǔ)要求置于弱風(fēng)化以上巖體，開挖后建基巖體多為弱風(fēng)化巖體，極少量微風(fēng)化巖體，聲波速度大于2200m/s，對干縮松動或浸水軟化的巖體進(jìn)行了徹底清除，局部強(qiáng)風(fēng)化的囊狀風(fēng)化體或槽形風(fēng)化體采取深挖回填混凝土措施，保證了巖體強(qiáng)度達(dá)到弱風(fēng)化以上巖體的強(qiáng)度，通過采取抽排、堵水措施，防止基坑積水或基礎(chǔ)浸水影響，使建基巖體基本上保持了天然含水狀態(tài)；氣溫變化將影響泥巖的風(fēng)化及變形，經(jīng)驗收達(dá)到建基面要求時，及時進(jìn)行了混凝土澆筑覆蓋。

閘壩基持力層中未發(fā)現(xiàn)有泥化夾層的連續(xù)軟弱結(jié)構(gòu)面，雖NW向節(jié)理較發(fā)育，雖延伸長，多閉合或微張，或充填石膏，膠結(jié)好，且為陡傾角，局部少量發(fā)育的緩傾解節(jié)理，延伸短且連續(xù)性差，附泥膜或充填石膏，經(jīng)分析壩段巖體中無不利組合結(jié)構(gòu)體或形成潛在貫穿性的軟弱結(jié)構(gòu)面，影響抗滑穩(wěn)定主要來自于混凝土與巖體接觸面，由于泥巖本身抗剪強(qiáng)度低，混凝土與泥巖接觸面有可能發(fā)生泥化從而影響抗滑穩(wěn)定性，通過進(jìn)行鋼筋錨固并固結(jié)灌漿處理措施，能滿足設(shè)計抗滑穩(wěn)定要求。

控制壩基軟巖滲漏條件為粉砂巖中構(gòu)造裂隙與泥巖中含易溶巖的化學(xué)溶蝕，當(dāng)石膏層遭受溶蝕后形成孔隙或空洞與構(gòu)造裂隙相連形成滲漏通道，增加透水性；壩基巖體基本處于小于5Lu的滲漏水平級，采取防滲處理后，壩基巖體基本上不存在滲漏問題。

4　結(jié)論

由于壩基軟巖的存在，給桃源水電站工程的建設(shè)帶來了一定的困難，在施工過程中，針對樞紐壩基軟巖的特點，采取了預(yù)留保護(hù)層、限制爆破、限時保護(hù)層開挖、基坑排水等措施，盡量減少對基巖的擾動破壞，使之保持天然狀態(tài)，通過聲波檢測評價巖體質(zhì)量，為壩基驗收提供科學(xué)依據(jù)，在壩基軟巖的處理方面，取得了比較好的效果，保證了工程質(zhì)量。

[1]宮正.水利大壩混凝土安全監(jiān)測控制措施研究 [J].內(nèi)蒙古水利.2016(03)

[2]任杰,蘇懷智,陳蘭,許焱鑫.基于POT模型的大壩位移預(yù)警指標(biāo)實時估計 [J].水力發(fā)電.2016(04)

TV74[文獻(xiàn)碼]B

1000-405X（2016）-9-495-2