引漢濟(jì)渭工程三河口水庫拱壩壩基巖體質(zhì)量特征與建基面優(yōu)化選擇

邢丁家，邢一豪

(陜西省水利電力勘測設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安 710001)

0 引 言

引漢濟(jì)渭工程是陜西省重大跨流域調(diào)水工程，跨越黃河、長江兩大流域，橫穿秦嶺屏障。整個調(diào)水工程由三大部分組成，即黃金峽水利樞紐、三河口水利樞紐和秦嶺輸水洞。工程在漢江干流黃金峽和支流子午河分別修建水源工程黃金峽水利樞紐和三河口水利樞紐蓄水，經(jīng)總長98.3 km的秦嶺隧洞將水送至關(guān)中，解決西安、寶雞、咸陽、渭南等沿渭河大中城市的生活、工業(yè)生產(chǎn)用水問題。其中三河口水庫是引漢濟(jì)渭工程重要水源之一，也是整個引漢濟(jì)渭工程中具有較大水量調(diào)節(jié)能力的核心項(xiàng)目和調(diào)蓄中樞。三河口水庫大壩為碾壓混凝土拱壩，壩高約為145 m，總庫容為7.1×108m3。工程初步設(shè)計(jì)階段確定的河床建基面高程為501.0 m[1]，目前大壩已開工建設(shè)，兩壩肩開挖已結(jié)束，當(dāng)河床壩基開挖至高程506.0 m附近時(shí)，發(fā)現(xiàn)河床壩基的地質(zhì)條件好于前期預(yù)測，為此提出對河床壩基巖體質(zhì)量進(jìn)行研究，分析評價(jià)建基面抬高的可行性，進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)，以期能減少壩基開挖量，降低工程造價(jià)，同時(shí)縮短工期。

有關(guān)建基面選擇問題，羅榮等已做過大量研究工作[2-9]；為了更準(zhǔn)確地評價(jià)壩基巖體質(zhì)量，優(yōu)選建基面，前人開展了大量已成高拱壩建基面的研究[10-17]。目前，選擇建基面主要以巖體類別為依據(jù)，但巖體類別的確定往往指標(biāo)偏少，有的甚至憑經(jīng)驗(yàn)，導(dǎo)致劃分出的巖體類別往往與實(shí)際有差別。很多研究成果主要以壩基巖體的風(fēng)化程度來確定建基面[18]，特別是對拱壩過分強(qiáng)調(diào)了巖體的微新、完整性[19]，對巖體的各種工程特征及綜合質(zhì)量研究不夠，致使選出的建基面往往偏深，不僅增加開挖量與工程費(fèi)用，還拉長工期，給工程建設(shè)帶來很多困難。尤其是工程前期，受各種條件制約，勘探工作深度有限，不能完全揭露巖體工程地質(zhì)條件，導(dǎo)致這一問題更加突出。本文通過對引漢濟(jì)渭工程三河口水庫拱壩壩基開挖揭露的巖體重新進(jìn)行勘探試驗(yàn)，新增加8個勘探孔，重點(diǎn)從工程地質(zhì)角度評價(jià)壩基巖體質(zhì)量與建基面選擇的合理性。通過在勘探孔采用孔內(nèi)電視、縱波波速及變形模量等測試方法，對壩基巖體風(fēng)化特征、結(jié)構(gòu)特征、縱波波速與變形模量關(guān)系等問題進(jìn)行綜合分析，特別是對壩基局部的斷層破碎帶及碎裂巖體能否利用等問題進(jìn)行了分析研究，并對壩基巖體重新進(jìn)行了巖體質(zhì)量工程地質(zhì)分類，以期選出符合實(shí)際的建基面，加快工程建設(shè)進(jìn)度，節(jié)約工程投資。

1 工程地質(zhì)概況

三河口水庫大壩位于陜西省佛坪縣境內(nèi)漢江一級支流子午河中游峽谷段。由于兩壩肩施工開挖已完成，本次研究對象主要是河床建基面的工程地質(zhì)條件。河床壩基寬約為68 m，砂卵石覆蓋層厚度為5.0～8.5 m，下伏基巖主要為下志留統(tǒng)梅子埡組(S1m)變質(zhì)砂巖(Mss)，局部夾有大理巖[20]。變質(zhì)砂巖呈淺灰色—灰褐色，礦物組成以長石、石英為主，次為云母及暗色礦物，具變余砂狀結(jié)構(gòu)、塊狀及層狀構(gòu)造。大理巖呈白色—淺灰白色，礦物組成以方解石為主，具粒狀變晶結(jié)構(gòu)、塊狀構(gòu)造，多呈條帶狀出露，從左岸到右岸橫穿河床，一般寬度為2 m左右(圖1)。

壩基部位的地質(zhì)構(gòu)造主要為斷層與裂隙兩種類型。斷層主要有F44、F45兩條，大體從河床壩基的中下區(qū)域橫穿河床，均為逆斷層。F44產(chǎn)狀為(220°～240°)∠(70°～75°)，斷層帶寬度為0.3～1.0 m，主要為灰黑色碎裂巖；F45產(chǎn)狀為(240°～250°)∠(65°～70°)，斷層帶寬度為0.3 m，主要為灰黑色碎裂巖及少量斷層泥。裂隙主要發(fā)育一組，產(chǎn)狀為(170°～200°)∠(60°～70°)，寬度為1～3 mm，巖屑充填，延伸長度大于10 m。斷層、裂隙規(guī)模不大，且斷層橫向展布，沒有貫通上下游，對壩基影響較小。

高程506.0 m壩基巖體以微風(fēng)化為主，局部受斷層影響殘存少量強(qiáng)風(fēng)化與弱風(fēng)化巖體。經(jīng)取樣測試，各類巖石的主要物理力學(xué)指標(biāo)見表1。物探測試其強(qiáng)風(fēng)化巖體的彈性波縱波波速(Vp)為1 000～2 500 m·s-1，弱風(fēng)化巖體的縱波波速為2 500～3 800 m·s-1，微風(fēng)化巖體的縱波波速為3 800～5 500 m·s-1。壩基巖體整體完整性較好。

圖1 引漢濟(jì)渭工程三河口水庫壩基高程506.0 m巖體工程地質(zhì)編錄圖Fig.1 Engineering Geological Record Map of Dam Foundation of Sanhekou Reservoir for Hanjiang-to-Weihe River Water Diversion Project at the Elevation of 506.0 m

2 壩基巖體質(zhì)量特征

根據(jù)巖體風(fēng)化特征，結(jié)合設(shè)計(jì)要求，初步設(shè)計(jì)階段建議將建基面置于微風(fēng)化巖體中，建基面高程501.0 m，開挖深度13～15 m。施工過程中，當(dāng)開挖到高程506.0 m附近時(shí)(開挖深度10 m左右)，壩基巖體以弱—微風(fēng)化為主，大部分巖體縱波波速大于3 300 m·s-1，巖石飽和抗壓強(qiáng)度大于60 MPa，具有優(yōu)良的地質(zhì)條件。為此，本文提出對河床壩基巖體質(zhì)量進(jìn)行深入研究，分析建基面抬高可行性，節(jié)約工程投資。

2.1 風(fēng)化特征

工程前期對巖體風(fēng)化劃分偏保守，主要根據(jù)肉眼鑒定?！端姽こ痰刭|(zhì)勘察規(guī)范》(GB 50487—2008)對巖體風(fēng)化帶劃分也主要考慮巖體縱波波速[21]。本文依據(jù)壩基鉆孔資料及孔內(nèi)縱波波速測試結(jié)果，利用縱波波速、巖石質(zhì)量指標(biāo)(RQD)及肉眼觀察等綜合分析判斷，對壩基巖體進(jìn)行了更加合理的風(fēng)化分帶(表2)。

表2 壩基巖體風(fēng)化分帶Tab.2 Weathering Zonation of Dam Foundation Rock Mass

由表2可知，壩基開挖到高程506.0 m時(shí)巖體絕大部分為微風(fēng)化，受裂隙及斷層影響，局部少量巖體為弱風(fēng)化。測試結(jié)果表明，隨著開挖深度的增加，巖體風(fēng)化程度逐漸減弱，若繼續(xù)向下開挖1 m左右，弱風(fēng)化上帶巖體基本全部挖除，弱風(fēng)化下帶巖體殘留范圍和厚度變得很小，主要分布在壩基右側(cè)下游邊界，且縱波波速較高，對壩基整體影響不大。依據(jù)高拱壩建基面選擇原則，確定建基面應(yīng)以微風(fēng)化-新鮮為主，開挖1 m左右后建基面巖體的風(fēng)化程度基本滿足建基面選擇要求。

2.2 結(jié)構(gòu)及完整性

本工程設(shè)計(jì)要求壩基巖體整體縱波波速一般不小于4 300 m·s-1。開挖結(jié)果表明，高程506.0 m以下壩基巖體以厚層狀、塊狀結(jié)構(gòu)為主，巖體普遍較完整。厚層狀及塊狀結(jié)構(gòu)巖體孔內(nèi)縱波波速測試顯示，巖體縱波波速呈上部低、下部高的規(guī)律，高程506.0 m附近巖體縱波波速低于4 300 m·s-1，但高程504.5 m以下縱波波速均大于4 300 m·s-1，完整性系數(shù)(KV)普遍大于0.7，可見高程504.5 m以下巖體完全滿足設(shè)計(jì)要求，其代表性鉆孔(ZK4)測試結(jié)果見圖2。

圖2 厚層狀及塊狀巖體縱波波速與高程的關(guān)系Fig.2 Relationship Between Longitudinal Wave Velocity and Elevation of Thick Layer and Massive Rock Mass

壩基局部斷層及裂隙發(fā)育段為鑲嵌結(jié)構(gòu)及碎塊狀結(jié)構(gòu)巖體[22]，裂隙發(fā)育，縱波波速波動較大，特別是高程496.0～498.0 m受斷層F45影響，巖體縱波波速較低，其代表性鉆孔(ZK5)測試結(jié)果見圖3。局部鑲嵌結(jié)構(gòu)及碎塊狀結(jié)構(gòu)巖體在壩基中所占比例僅為19%，面積不大。分析認(rèn)為，局部鑲嵌結(jié)構(gòu)及碎塊狀結(jié)構(gòu)巖體裂隙發(fā)育，可灌性較好，固結(jié)灌漿后其強(qiáng)度會有所提高。根據(jù)類似工程的灌漿統(tǒng)計(jì)資料[23]，此類巖體固結(jié)灌漿后，其縱波波速可提高30%左右，其強(qiáng)度與完整性提高較明顯，雖沒有達(dá)到設(shè)計(jì)要求(縱波波速4 300 m·s-1)，但由于其所占比例很小，根據(jù)其對應(yīng)的物理力學(xué)指標(biāo)，經(jīng)設(shè)計(jì)分析計(jì)算結(jié)果滿足大壩穩(wěn)定要求。

圖3 碎塊狀巖體縱波波速與高程的關(guān)系Fig.3 Relationship Between Longitudinal Wave Velocity and Elevation of Broken Rock Mass

2.3 強(qiáng)度與變形特征

本次取樣測試除少量斷層破碎帶外，壩基巖石飽和抗壓強(qiáng)度均在65～108 MPa之間，大于60 MPa，屬堅(jiān)硬巖，巖體強(qiáng)度普遍較高。對于大壩變形分析所需要的關(guān)鍵參數(shù)——巖體變形模量[24]，本文根據(jù)鉆孔內(nèi)的測試結(jié)果及前期勘察時(shí)勘探孔內(nèi)的原位試驗(yàn)，對不同類別巖體測出的變形模量及其對應(yīng)的縱波波速進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，建立了巖體變形模量與縱波波速關(guān)系(圖4)。圖4中擬合線判定系數(shù)為0.760 4，說明兩者相關(guān)性較好，擬合出的巖體變形模量(E0)與縱波波速關(guān)系式為E0=1.124 8e0.000 6Vp。由此可知，巖體縱波波速越高，其變形模量越大，在壩基巖體中只要測出某一高程的縱波波速，就可以求出其對應(yīng)的巖體變形模量，解決了開挖現(xiàn)場不便測試變形模量的難題，從而較快地提出不同類別巖體的變形模量參數(shù)。

圖4 巖體變形模量與縱波波速的關(guān)系Fig.4 Relationship Between Deformation Modulus and Longitudinal Wave Velocity of Rock Mass

壩基高程504.5 m以下巖體測出的縱波波速普遍在3 000～5 300 m·s-1之間，依據(jù)巖體變形模量與縱波波速的關(guān)系式可以得出其對應(yīng)的變形模量一般為8～25 GPa，強(qiáng)度較高，可滿足大壩變形設(shè)計(jì)要求。

2.4 質(zhì)量評價(jià)

基于高程506.0 m以下壩基巖體的風(fēng)化特征、結(jié)構(gòu)及完整性、強(qiáng)度及變形特征等指標(biāo)，依據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(GB 50487—2008)[21]，并結(jié)合類似工程經(jīng)驗(yàn)，對高程506.0 m以下壩基巖體質(zhì)量進(jìn)行工程地質(zhì)分類(表3)。

表3 壩基巖體質(zhì)量工程地質(zhì)分類Tab.3 Engineering Geology Classification for Dam Foundation Rock Mass Quality

由表3可以看出，壩基巖體在高程504.5 m以下整體質(zhì)量明顯優(yōu)于在高程504.5 m以上的。高程504.5 m以下AⅡ類巖體所占比例大于80%，基本無強(qiáng)風(fēng)化巖體，局部AⅢ類及以下類別的巖體所占比例不大，經(jīng)處理后可滿足壩基設(shè)計(jì)要求。

圖5 建基面優(yōu)化示意圖Fig.5 Sketch Map for Optimization of Foundation Plane

3 大壩建基面選擇及壩基處理建議

根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范及設(shè)計(jì)要求，引漢濟(jì)渭工程三河口水庫拱壩建基面選擇標(biāo)準(zhǔn)為：建基面應(yīng)以AⅡ類巖體為主，縱波波速不低于4 300 m·s-1；允許局部有AⅢ類巖體，但需要固結(jié)灌漿處理；少量BⅣ類巖體不能利用，需挖除置換處理。依據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)，高程504.5 m以下壩基巖體整體強(qiáng)度高，完整性好。其中，大部分為AⅡ類巖體，可直接作為建基面；AⅢ類巖體固結(jié)灌漿處理后，亦可作為建基面；BⅣ類巖體所占比例不大，挖除置換處理后，可滿足壩基要求。由此可見，選擇高程504.5 m為建基面較合理(圖5)。

建基面確定后，還應(yīng)對局部少量不符合要求的巖體進(jìn)行處理。本工程壩基AⅡ類巖體是良好的天然地基，不需要進(jìn)行特殊處理，可以直接作為壩基巖體；局部AⅢ類巖體受裂隙發(fā)育影響，縱波波速稍低，但巖體強(qiáng)度較高，通過固結(jié)灌漿可以進(jìn)一步提高其強(qiáng)度與完整性，對該類巖體建議進(jìn)行固結(jié)灌漿處理[25-26]；BⅣ類巖體所占比例很少，主要為構(gòu)造破碎帶，其強(qiáng)度、縱波波速均較低，不能作建基面，必須挖除置換，建議開挖深度應(yīng)大于其出露寬度，挖除后及時(shí)回填混凝土，處理后的地基應(yīng)進(jìn)行檢測，確保滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié) 語

通過對引漢濟(jì)渭工程三河口水庫拱壩壩基開挖揭露的巖體重新進(jìn)行勘探試驗(yàn)，依據(jù)勘探試驗(yàn)結(jié)果對壩基巖體進(jìn)行了詳細(xì)的風(fēng)化分帶，對巖體的結(jié)構(gòu)及完整性、強(qiáng)度及變形特征等工程特性進(jìn)行了分析研究，建立了巖體變形模量與縱波波速關(guān)系(E0=1.124 8e0.000 6Vp)，解決了開挖現(xiàn)場不便測試變形模量的難題。同時(shí)對壩基巖體質(zhì)量進(jìn)行了工程地質(zhì)分類，優(yōu)選出合理的建基面，使大壩建基面高程由原來的501.0 m抬升至504.5 m，減少了壩基開挖與混凝土澆筑量，縮短了工期，節(jié)約了工程投資。