烏東德水電站特高拱壩施工期壩基巖體質(zhì)量工程地質(zhì)評(píng)價(jià)

王吉亮，郝文忠，黃孝泉，許 琦，魏雨軍，周炳強(qiáng)，徐 磊

長(zhǎng)江三峽勘測(cè)研究院有限公司，武漢 430074

0 引言

建基巖體質(zhì)量好壞在高拱壩結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定保證中，尤其是在特高拱壩的長(zhǎng)期安全穩(wěn)定保證中起主要控制作用[1]。特高拱壩的大壩及基礎(chǔ)長(zhǎng)期承受上千萬(wàn)噸水荷載及復(fù)雜的滲流作用，各類物理和化學(xué)損傷過(guò)程會(huì)不斷發(fā)生、發(fā)展，當(dāng)損傷累積到一定程度時(shí)，如果遭遇到強(qiáng)震、強(qiáng)暴雨、近壩庫(kù)岸滑坡涌浪的沖擊等荷載，有可能導(dǎo)致大壩開(kāi)裂、基礎(chǔ)滑移以至整體失穩(wěn)破壞[2]。

自法國(guó)馬爾帕賽拱壩和意大利瓦依昂拱壩失事后，高拱壩穩(wěn)定性問(wèn)題一直是國(guó)內(nèi)外關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題[3]。拱壩建在基巖上，大壩是基巖的上部結(jié)構(gòu)，作為壩基的基巖，一方面需承受大壩本身的荷載，另一方面又要承受由大壩傳來(lái)的水壓力、泥沙壓力等，并傳向深部巖體。壩肩巖體在拱壩推力作用下不能產(chǎn)生壓裂破壞，同時(shí)不能產(chǎn)生過(guò)度的壓縮變形而導(dǎo)致大壩被拉裂[4]。拱壩，特別是特高拱壩，水荷載巨大，大壩傳遞至壩基的應(yīng)力水平高，對(duì)壩基巖體質(zhì)量要求可見(jiàn)一斑。對(duì)于可行性研究和招標(biāo)階段的大壩建基面，需在技施開(kāi)挖階段進(jìn)行檢驗(yàn)和復(fù)核，在施工期，及時(shí)全方位地對(duì)高壩基礎(chǔ)巖體的質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)極其關(guān)鍵[5]。

本文以金沙江烏東德水電工程為例，結(jié)合烏東德工程層狀地層的特點(diǎn)，從工程地質(zhì)條件研究入手，通過(guò)總結(jié)各級(jí)巖體工程地質(zhì)特征、聲波特征等，建立建基巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)開(kāi)挖揭露的建基巖體進(jìn)行質(zhì)量分級(jí)，以期為類似工程提供借鑒，亦為大型水電工程建基巖體質(zhì)量研究積累經(jīng)驗(yàn)。

1 工程概況與基本地質(zhì)條件

1.1 工程概況

在建烏東德水電站是金沙江下游河段4個(gè)梯級(jí)中的第一個(gè)梯級(jí)電站，為一等大(Ⅰ)型工程，工程開(kāi)發(fā)任務(wù)以發(fā)電為主，兼顧防洪。電站裝機(jī)容量10 200 MW，年發(fā)電量389.3億kWh。設(shè)計(jì)采用混凝土雙曲拱壩，拱壩壩頂高程988 m，建基面最低高程718 m，最大壩高270 m，屬特高拱壩[6-7]。

1.2 基本地質(zhì)條件

拱壩所處河段河流流向約160°SE。拱肩槽所處自然邊坡地形坡度一般為70°～80°，為懸坡地形。大壩建基面出露地層巖性為前震旦系中元古界落雪組第三段第一亞段(Pt2l3-1)厚層及中厚層灰?guī)r、厚層大理巖局部夾少量薄層及互層狀灰?guī)r；其次為落雪組第三段第二亞段(Pt2l3-2)厚層白云巖、中厚層夾互層灰?guī)r、中厚層石英巖；少量為落雪組第三段第三亞段(Pt2l3-3)互層夾薄層灰?guī)r。巖層產(chǎn)狀走向一般75°～108°、傾向165°～198°、傾角65°～86°，即近橫河向展布，陡傾下游偏右岸。斷層不發(fā)育，裂隙絕大多數(shù)短小，且以硬性結(jié)構(gòu)面為主。拱座巖體卸荷作用微弱，風(fēng)化作用不明顯，整體微新，巖溶總體不發(fā)育。

以室內(nèi)試驗(yàn)成果為基礎(chǔ)，根據(jù)《水力發(fā)電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(GB50287-2006)[8]“附錄D巖土物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)取值”的規(guī)定，將巖石的密度和飽和單軸抗壓強(qiáng)度采用試驗(yàn)成果的算術(shù)平均值作為標(biāo)準(zhǔn)值；以現(xiàn)場(chǎng)剛性承壓板法試驗(yàn)值的平均值作為標(biāo)準(zhǔn)值，參考類似工程經(jīng)驗(yàn)，確定巖體變形模量參數(shù)；以抗剪斷峰值強(qiáng)度小值平均值作為標(biāo)準(zhǔn)值，參考國(guó)標(biāo)、同類工程經(jīng)驗(yàn)，綜合考慮壩址區(qū)地質(zhì)條件，確定巖體抗剪強(qiáng)度。建基巖體主要巖體物理力學(xué)參數(shù)取值見(jiàn)表1。

2 建基巖體質(zhì)量要求

烏東德壩址區(qū)抗震設(shè)防地震烈度為Ⅶ度，100 a超越概率2%時(shí)，基巖水平向地震動(dòng)峰值加速度為0.27g，基于拱梁分載反應(yīng)譜法所得大壩建基面動(dòng)靜疊加最大主壓應(yīng)力為11.41 MPa，要求建基巖體的質(zhì)量必須與之相適應(yīng)。拱壩基礎(chǔ)處理后應(yīng)滿足承載力、穩(wěn)定性、抗?jié)B性、耐久性和輪廓形狀的要求，在開(kāi)挖階段，建基面開(kāi)挖質(zhì)量和巖體質(zhì)量應(yīng)達(dá)到相應(yīng)要求[9]。

表1 建基巖體物理力學(xué)參數(shù)建議值

2.1 巖體質(zhì)量要求

1)拱壩建基巖體總體利用原則：壩基中下部挖除卸荷帶，建基面主要利用非卸荷巖體；中上部挖除弱卸荷帶，利用微卸荷巖體或非卸荷巖體。

2)河床建基面需挖除Ⅲ2級(jí)巖體，利用Ⅲ1級(jí)及以上巖體；兩岸建基面可部分利用Ⅲ級(jí)巖體。

3)對(duì)局部分布、性狀較差的不利結(jié)構(gòu)面，要求采取清基、切角、加強(qiáng)固結(jié)灌漿措施進(jìn)行處理，使之達(dá)到建基面巖體質(zhì)量要求。

2.2 巖體聲波波速要求

采用物探方法對(duì)建基巖體進(jìn)行鉆孔聲波測(cè)試，分析巖體完整性，定量評(píng)價(jià)巖體質(zhì)量，建基面巖體聲波要求見(jiàn)表2。

表2建基巖體聲波值驗(yàn)收要求

Table2Rockmassacousticvalueacceptancerequirementsoffoundationplane

巖體質(zhì)量分級(jí)波速均值/(m/s)保證率Ⅱ>5 200<4 700 m/s的不超過(guò)15%Ⅲ1>4 900<4 400 m/s的不超過(guò)10%

注：統(tǒng)計(jì)不包括松弛帶波速；僅單孔聲波。

3 建基巖體工程地質(zhì)特性

3.1 壩肩巖性分布

通過(guò)對(duì)開(kāi)挖揭露的壩肩巖體現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)編錄發(fā)現(xiàn)：左岸壩肩及右岸壩肩高程862 m以下建基巖體為前震旦系落雪組厚層灰?guī)r及厚層大理巖，少量為中厚層灰?guī)r等(圖1a，b)；右岸壩肩高程862 m以上為前震旦系會(huì)理群落雪組厚層白云巖、中厚層灰?guī)r、中厚層石英巖等(Pt2l3-2)(圖1c—h)。

3.2 壩基巖體結(jié)構(gòu)

壩址區(qū)裂隙及斷層總體上不發(fā)育，壩基附近亦是如此，因此，壩基巖體結(jié)構(gòu)主要受層面控制。據(jù)統(tǒng)計(jì)，大壩建基面出露的巖體以厚層狀為主，占85.2%，中厚層狀占8.52%，互層狀占2.43%，薄層狀占3.76%，極薄層狀和碎裂結(jié)構(gòu)僅沿一些結(jié)構(gòu)面不均勻出露，分別占0.03%和0.06%。

4 壩基巖體質(zhì)量分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

筆者根據(jù)《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50218-2014)[10]中巖體基本質(zhì)量的分級(jí)方法，以及《水力發(fā)電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(GB50287-2006)[8]中的有關(guān)規(guī)定，結(jié)合烏東德水電站巖體實(shí)際情況及各類原位試驗(yàn)及室內(nèi)試驗(yàn)，確定了壩基巖體質(zhì)量分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，見(jiàn)表3。

除表中的巖體外，在壩基局部結(jié)構(gòu)面附近，分布少量順結(jié)構(gòu)面、窄條狀、寬度僅10～20 cm的Ⅲ2級(jí)薄層狀白云巖或微風(fēng)化狀、膠結(jié)較好的碎裂巖，其聲波速度一般為4 200～4 800 m/s，均值約為4 500 m/s。

5 壩基巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)

5.1 各級(jí)巖體聲波特征

在拱壩建基面開(kāi)挖過(guò)程中，根據(jù)揭露地層巖性、巖體結(jié)構(gòu)的不同專門布置聲波檢測(cè)孔，孔深20 m，兩岸壩肩共布置385個(gè)孔，高程上每10 m一排，水平間距5～10 m，河床建基面布置有22個(gè)孔。通過(guò)分析這些鉆孔的聲波檢測(cè)成果，將不同巖體質(zhì)量的巖體對(duì)應(yīng)的聲波進(jìn)行統(tǒng)計(jì)可知：

a. Pt2l3-1厚層灰?guī)r；b. Pt2l3-1厚層大理巖；c. Pt2l3-2-1厚層白云巖；d. Pt2l3-2-2厚層灰?guī)r；e. Pt2l3-2-3厚層白云巖；f. Pt2l3-2-4中厚層石英巖；g. Pt2l3-2-5中厚層灰?guī)r；h. Pt2l3-2-6厚層白云巖。圖1 研究區(qū)主要巖性Fig.1 Main lithology in the research area

巖體質(zhì)量分級(jí)代表性巖體單軸飽和抗壓強(qiáng)度/MPa卸荷狀態(tài)巖體結(jié)構(gòu)完整程度巖體特征聲波速度/(m/s)Ⅱ1微新?tīng)詈駥踊規(guī)r、大理巖90～100非卸荷厚層狀完整—較完整巖體微新、堅(jiān)硬;結(jié)構(gòu)面以層面為主,裂隙輕度發(fā)育;層面間距一般0.5～1.0 m;巖體結(jié)構(gòu)為厚層狀;層面多平直粗糙、閉合無(wú)充填;裂隙多附鈣膜;局部沿結(jié)構(gòu)面溶蝕風(fēng)化5 200～6 200Ⅱ2微新?tīng)钪泻駥踊規(guī)r、大理巖、石英巖80～90非卸荷中厚層狀較完整巖體微新,堅(jiān)硬;結(jié)構(gòu)面以層面為主,裂隙輕度發(fā)育;層面間距一般0.3～0.5 m;巖體結(jié)構(gòu)為中厚層狀;層面多平直粗糙、閉合無(wú)充填;裂隙多附鈣膜;局部沿結(jié)構(gòu)面溶蝕風(fēng)化5 000～6 000微新?tīng)詈駥影自茙rA類角礫巖60～80非卸荷厚層狀較完整巖體微新,堅(jiān)硬;結(jié)構(gòu)面以層面為主,裂隙不發(fā)育—輕度發(fā)育(白云巖中微裂隙發(fā)育);層面間距一般大于0.5 m;巖體結(jié)構(gòu)為厚層狀或整體狀結(jié)構(gòu);層面多平直粗糙、閉合無(wú)充填或充填1～5 mm的方解石細(xì)脈、石英細(xì)脈;裂隙多附鈣膜;局部沿結(jié)構(gòu)面溶蝕風(fēng)化Ⅲ1微新?tīng)罨?、薄層灰?guī)r中厚層白云巖60～80非卸荷互層狀等較完整—完整性較差巖體微新,堅(jiān)硬;結(jié)構(gòu)面以層面為主,裂隙輕度發(fā)育(白云巖中微裂隙發(fā)育);層面間距主要為0.1～0.3 m(灰?guī)r)或0.3～0.5 m(白云巖);巖體結(jié)構(gòu)主要為互層狀等;層面多平直粗糙、閉合無(wú)充填;裂隙多附鈣膜;局部沿結(jié)構(gòu)面溶蝕風(fēng)化4 800～6 000

圖2 巖體聲波統(tǒng)計(jì)直方圖Fig.2 Rock mass acoustic value statistical histogram

Ⅱ級(jí)巖體較完整，均一性較好，聲波速度主要分布在5 000～6 200 m/s，平均值約5 625 m/s，波速較穩(wěn)定—穩(wěn)定，局部低值主要受結(jié)構(gòu)面影響(圖2a)。兩岸壩基Ⅱ級(jí)巖體聲波值小于4 700 m/s的約占3.5%(表4)。

Ⅲ1級(jí)巖體較完整—完整性差，聲波速度主要分布在4 800～6 000 m/s，平均值約5 200 m/s，波速較穩(wěn)定，局部低值主要受結(jié)構(gòu)面影響(圖2b)。兩岸壩基Ⅲ1級(jí)巖體中聲波值小于4 400 m/s的約占7.1%(表5)。

5.2 建基巖體質(zhì)量分布

在可研階段，以勘探平洞、鉆孔揭露的巖體情況和物探聲波資料為基礎(chǔ)對(duì)建基面巖體質(zhì)量進(jìn)行劃分，成果見(jiàn)圖3a。Ⅱ級(jí)巖體占建基面的96.5%，Ⅲ1級(jí)巖體占建基面的3.5%。

根據(jù)前述壩基巖體質(zhì)量分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)分析確定后統(tǒng)計(jì)知，在施詳階段：烏東德水電站高拱壩建基巖體質(zhì)量?jī)?yōu)良，主要為Ⅱ級(jí)巖體，占建基面的90.9%；少量為Ⅲ1級(jí)巖體，占9.0%(圖3b)；極少量的Ⅲ2級(jí)巖體沿結(jié)構(gòu)面呈窄條裝分布，占0.1%。

施工期揭露建基面巖體質(zhì)量?jī)?yōu)良，與可研階段成果對(duì)比，高度吻合。

5.3 各壩段巖體質(zhì)量分布

通過(guò)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)壩段巖體質(zhì)量以Ⅱ級(jí)為主，9—11壩段均為Ⅱ級(jí)巖體，5、14、15壩Ⅲ1級(jí)巖體稍多(表6)。高高程壩段拱壩推力較小，對(duì)壩肩巖體質(zhì)量要求相對(duì)偏低，建基巖體質(zhì)量總體與壩基受力條件匹配。

圖3 建基面巖體質(zhì)量分布圖Fig.3 Rock mass quality distribution of foundation surface

5.4 建基巖體質(zhì)量空間分布

根據(jù)大壩建基面實(shí)際開(kāi)挖揭露的巖體質(zhì)量，結(jié)合施工期物探檢測(cè)聲波成果，加上預(yù)可和可研階段的勘察資料，壩基不同高程、不同水平向深度的巖體質(zhì)量空間分布特征見(jiàn)圖4。

表4 建基面Ⅱ級(jí)巖體聲波特征值分布

表5 建基面Ⅲ1級(jí)巖體聲波特征值分布

表6 各壩段巖體質(zhì)量頻率統(tǒng)計(jì)

a.右岸高程988 m；b.左岸高程988 m；c.右岸高程855 m；d.左岸高程855 m；e. 高程723 m。圖4 各高程平切圖Fig.4 Sliced figure of each elevation

從圖4可以看出，建基巖體質(zhì)量與建基面出露巖體質(zhì)量總體一致，巖體質(zhì)量具有較好的連續(xù)性與均勻性，有利于承受拱壩推力。

6 結(jié)論

1)烏東德水電站高拱壩建基面巖體質(zhì)量?jī)?yōu)良，Ⅱ級(jí)巖體占絕大多數(shù)，占90.9%，少量Ⅲ1級(jí)巖體，占9.0%，極少量的Ⅲ2級(jí)巖體沿結(jié)構(gòu)面呈窄條裝分布，占0.1%，與可研勘察成果高度吻合。

2)建基面開(kāi)挖后，建基面及聲波檢測(cè)成果中均未見(jiàn)到天然岸坡的卸荷特征；河床建基面總體為Ⅱ級(jí)巖體，少量為Ⅲ1級(jí)巖體，兩岸建基面少量為Ⅲ級(jí)巖體。滿足建基面質(zhì)量要求。

3)壩基Ⅱ級(jí)巖體聲波平均值5 625 m/s，小于4 700 m/s的約占3.5%；壩基Ⅲ1級(jí)巖體平均值約5 200 m/s，波速較穩(wěn)定，聲波值小于4 400 m/s的約占7.1%。滿足建基面巖體聲波值驗(yàn)收要求。

4)建基面巖體質(zhì)量分布和平切圖巖體質(zhì)量分布顯示，建基巖體質(zhì)量分布較均勻，僅高高程壩基受力相對(duì)較低部位巖體質(zhì)量略差，為Ⅲ1級(jí)，建基巖體可較好承受拱座推力。