超高堆石壩建基面抬高可行性論證

劉曉光

(盤錦河海土木工程咨詢有限公司，遼寧 盤錦 124010)

1 工程概況

某電站開發(fā)目的主要為發(fā)電，具有蓄水蓄能、分擔(dān)中下游防洪任務(wù)、改善航道枯水期航運(yùn)條件的功能和作用，經(jīng)濟(jì)效益顯著。電站控制流域面積65599km2，壩址處多年平均流量664m3/s，水庫(kù)正常蓄水位為2865m，相應(yīng)庫(kù)容101.54億m3，調(diào)節(jié)庫(kù)容65.60億m3，具有多年調(diào)節(jié)能力，電站裝機(jī)容量為3000MW，多年平均發(fā)電量110.62億kW.h。電站采用粘土心墻堆石壩，最大壩高293m，壩頂高程2873m，壩頂長(zhǎng)度650m。在大壩建設(shè)施工過(guò)程中，結(jié)合前期勘探資料和實(shí)際開挖至1700m高程附近的實(shí)測(cè)資料，河床11#～14#壩段2693m高程以下的巖體波速提高顯著，孔內(nèi)波速均在3500m/s以上，最高波速達(dá)到了4800m/s以上，因此判斷該高程以下的巖體質(zhì)量可滿足大壩建設(shè)要求，可將基建面高程由原來(lái)的2688m提高至2693m，在保證基巖巖體較少受施工爆破影響的同時(shí)節(jié)省工程資金。本文結(jié)合相關(guān)工程地質(zhì)資料，對(duì)壩基基巖的質(zhì)量進(jìn)行分析評(píng)價(jià)和研究，對(duì)壩基抬高的可行性做進(jìn)一步論證[1- 3]。

2 壩基巖體完整性分析

研究中對(duì)河床11#～14#壩段進(jìn)行了淺孔聲波測(cè)試，其中各壩段的典型孔測(cè)試結(jié)果見表1。由聲波測(cè)試結(jié)果可知，建基面以下的巖體的完整性整體較好，存在少量完整性差或較破碎巖體[5- 6]。通過(guò)聲波測(cè)試數(shù)據(jù)的分析，在淺孔聲波測(cè)試的檢測(cè)深度范圍內(nèi)，巖體的完整性隨著檢測(cè)深度的增加而趨好，而完整性較差的部位則主要集中于檢測(cè)孔孔口以下0～2m的范圍內(nèi)，在以下深度，也就是原設(shè)計(jì)方案中的建基面2688m高程部位的巖體完整性較好，僅局部構(gòu)造帶較為破碎[4]。

表1 各壩段典型鉆孔測(cè)試結(jié)果

3 巖體結(jié)構(gòu)基本特征分析

3.1 結(jié)構(gòu)面工程地質(zhì)特征

根據(jù)前期地質(zhì)調(diào)查結(jié)果，大壩壩址區(qū)的Ⅱ級(jí)結(jié)構(gòu)面僅有F2斷層，其可見的延伸長(zhǎng)度大于500m，產(chǎn)狀變化較大，其破碎帶內(nèi)的組成物主要為破碎巖和糜棱巖。該結(jié)構(gòu)面是壩址區(qū)唯一存在的Ⅱ級(jí)結(jié)構(gòu)面，但是在研究壩段的基礎(chǔ)部位并沒(méi)有出露。

在研究壩段的壩基開挖后存在的Ⅲ級(jí)結(jié)構(gòu)面主要是一系列的斷層，其走向主要為NW向，其次為NE向。由圖1—2所示，研究壩段壩基的Ⅲ級(jí)結(jié)構(gòu)面主要為大于60°的陡傾結(jié)構(gòu)面，其所占比例為92.59%，而傾角為40°～60°的中傾結(jié)構(gòu)面比例較小，僅為7.40%；此外，傾向?yàn)?90°～240°的結(jié)構(gòu)面占55.56%，在110°～160°的僅占18.51%。

圖2 Ⅲ級(jí)結(jié)構(gòu)面傾向分布特征

研究段壩基由大量的Ⅳ- Ⅴ級(jí)結(jié)構(gòu)面發(fā)育，主要表現(xiàn)為節(jié)理和裂隙，其走向以NW向?yàn)橹?，其次為NE向，這一分布特征與Ⅲ級(jí)結(jié)構(gòu)面類似。壩基中的Ⅳ- Ⅴ級(jí)結(jié)構(gòu)面主要以中陡傾角為主，其中小于30°的緩傾角裂隙僅占10.77%，大于60°的陡傾裂隙占23.72%，其余均為中傾裂隙。從裂隙方向來(lái)看，傾向?yàn)?20°～160°的裂隙占20.30%，220°～250°的占18.25%，250°～280°的裂隙占18.08%，在50°～80°的占9.71%，其余方向的為33.66%。

3.2 壩基巖體結(jié)構(gòu)特征

利用上節(jié)獲得的波速檢測(cè)資料，對(duì)研究壩段建基面上部巖體結(jié)構(gòu)進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果顯示，研究壩段建基面上部巖體結(jié)構(gòu)整體較差，主要表現(xiàn)為互層鑲嵌狀結(jié)構(gòu)。對(duì)建基面以下的巖體結(jié)構(gòu)進(jìn)行評(píng)價(jià)，獲得的巖體結(jié)構(gòu)類型評(píng)價(jià)結(jié)果見表2。由表格中的結(jié)果可知，研究壩段的巖體結(jié)構(gòu)隨著深度的增加而趨于完好，這與巖體完整性發(fā)育的空間分布規(guī)律類似。具體而言，在2698～2700m高程的巖體主要表現(xiàn)為中厚層狀、次塊狀結(jié)構(gòu)；在2696～2698m高程的巖體主要為大面積厚層狀到整體結(jié)構(gòu)巖體；2694～2696m高程為大面積厚層狀結(jié)構(gòu)巖體；在2686～2688m高程均為厚層狀結(jié)構(gòu)巖體。

表2 各壩段建基面下巖體結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)成果

4 巖體力學(xué)特征分析

4.1 巖體力學(xué)性質(zhì)

施工現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查顯示，研究壩段壩基主要出露巖石為燕山期正長(zhǎng)巖以及侏羅紀(jì)變質(zhì)砂巖、泥質(zhì)粉巖。通過(guò)試驗(yàn)室試驗(yàn)測(cè)定，上述三類巖石的力學(xué)性質(zhì)見表3。由表格中的結(jié)果可知，研究壩段壩基出露巖石僅為堅(jiān)硬巖類，抗風(fēng)化、軟化性能好，強(qiáng)度高，吸水率低，完全可以滿足大壩建設(shè)要求。

表3 壩基巖體力學(xué)參數(shù)試驗(yàn)結(jié)果

圖3 壩基變形模量測(cè)試結(jié)果(左起分別為11#、12#、13#和14#壩段測(cè)試均值)

4.2 巖體變形特征分析

為了研究壩基巖石的變形特征，在每個(gè)研究壩段各設(shè)置3個(gè)深度為10m的巖體彈性模量檢測(cè)鉆孔，共12個(gè)檢測(cè)鉆孔，每個(gè)壩段的檢測(cè)結(jié)果均值如圖3所示。由圖中的結(jié)果可知，研究壩段壩基的淺表松弛層厚度約1～3m，變形模量為4.5～6.5GPa，而松弛層下巖體的變形模量為6.5～12.0GPa，僅有局部斷層帶或裂隙發(fā)育密集部位變形模量的值較低?？傮w而言，壩基巖體具有較強(qiáng)的抵抗變形能力，受爆破與構(gòu)造帶擾動(dòng)影響有限。對(duì)于壩基中存在的斷層和裂隙缺陷，可以通過(guò)清撬和固結(jié)灌漿等工程措施予以有效改善。

5 壩基巖體質(zhì)量分級(jí)

關(guān)于巖體質(zhì)量分級(jí)，GB50287—2006《水力發(fā)電工程地質(zhì)勘查規(guī)范》中提出的主要參考指標(biāo)為巖體的結(jié)構(gòu)、巖體完整性以及強(qiáng)度。電站設(shè)計(jì)階段的地質(zhì)研究報(bào)告顯示，壩址區(qū)的基巖主要受構(gòu)造、巖漿入侵以及淺表生改造等因素的影響，裂隙發(fā)育，巖芯破碎、RQO值較低。但在原位條件且無(wú)較大擾動(dòng)的情況下，巖體的完整性較好，波速較高而滲透性較低。上述巖體特征在我國(guó)西南地區(qū)的諸多大型水電工程中類似情況較多[7- 11]。因此，基于相關(guān)規(guī)范和類似工程中基巖質(zhì)量分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見表4。按照表4所列的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合波速檢測(cè)資料綜合分析，研究壩段2693m高程的巖體質(zhì)量以Ⅲ1為主，占81.5%，Ⅲ2級(jí)巖體次之，占9.4%，Ⅱ巖體占9%，僅有局部存在的大于20cm的斷層帶為Ⅳ級(jí)巖體。

表4 壩基巖體質(zhì)量分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

6 結(jié)論

(1)研究壩段2693m高程的基巖巖體以中厚層結(jié)構(gòu)為主，局部存在薄層狀結(jié)構(gòu)，出露巖石僅為堅(jiān)硬巖類，抗風(fēng)化、軟化性能好，強(qiáng)度高，吸水率低，完全可以滿足大壩建設(shè)要求。

(2)研究壩段壩基的淺表松弛層厚度約1～3m，變形模量為4.5～6.5GPa，而松弛層下巖體的變形模量為6.5～12.0GPa，僅有局部斷層帶或裂隙發(fā)育密集部位變形模量的值較低?？傮w而言，壩基巖體具有較強(qiáng)的抵抗變形能力，受爆破與構(gòu)造帶擾動(dòng)影響有限。

(3)研究壩段2693m高程的巖體質(zhì)量以Ⅲ1為主，占81.5%，Ⅲ2級(jí)巖體次之，占9.4%，Ⅱ巖體占9%，僅有局部存在的大于20cm的斷層帶為Ⅳ級(jí)巖體，工程地質(zhì)條件良好。

基于上述結(jié)論，研究壩段的建基面高程可以提升至2693m高程，在固結(jié)灌漿和帷幕灌漿后可以滿足大壩建基要求。