新疆精河下天吉水利樞紐壩址區(qū)巖體工程地質(zhì)特性研究

(黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，河南 鄭州 450003)

近年來(lái)，隨著我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施投資的不斷加大，復(fù)雜地質(zhì)條件下的水利工程也逐漸增多。在復(fù)雜地質(zhì)條件下修建水利工程，巖體的工程地質(zhì)特性往往對(duì)水利工程選型及布置產(chǎn)生重大影響，全面詳細(xì)地研究巖體的變形、力學(xué)特性，對(duì)復(fù)雜地質(zhì)條件下開展水利工程建設(shè)具有重要的實(shí)際意義。

本文以新疆精河下天吉水利樞紐為背景，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘察、室內(nèi)試驗(yàn)等，對(duì)壩址區(qū)巖體工程地質(zhì)特性進(jìn)行研究，所得結(jié)果對(duì)于選取壩址區(qū)巖體工程地質(zhì)參數(shù)、分析壩基和岸坡的變形及穩(wěn)定性、制定工程處理方案及工程施工具有一定的指導(dǎo)意義。

1 工程概況

下天吉水利樞紐工程位于新疆博爾塔拉蒙古自治州精河縣境內(nèi)的精河出山口500m處，距精河縣城27km，是一項(xiàng)以灌溉、工業(yè)供水為主，兼顧防洪的綜合性水利工程。下天吉水利樞紐工程受工程投資限制按兩期設(shè)計(jì)、分期實(shí)施。

下天吉水利樞紐一期工程為Ⅲ等中型工程。一期工程總庫(kù)容1290萬(wàn)m3，最大壩高71.5m，壩頂高程683.50m，壩頂長(zhǎng)度207m，壩頂寬度為10m。二期續(xù)建工程是在一期工程的基礎(chǔ)上進(jìn)行加高，最大壩高由71.5m增至93.5m，壩頂高程由683.50m增至705.50m。

2 工程地質(zhì)特征

工程區(qū)位于西天山北部，在大地構(gòu)造單元上屬博羅科努地槽褶皺帶南部的博羅科努山復(fù)背斜三級(jí)構(gòu)造單元。壩址區(qū)50年超越概率10%的地震動(dòng)峰值加速度為171.50gal，相對(duì)應(yīng)的地震烈度為Ⅷ度，工程區(qū)屬區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性較差地區(qū)。

壩址區(qū)河流呈“S”形展布，為不對(duì)稱河谷，谷底寬80m，河床20～30m。兩岸山體雄厚，岸坡陡峻，坡度30°～50°，發(fā)育有Ⅱ～Ⅳ級(jí)基座階地。

壩址區(qū)分布古生界泥盆系中統(tǒng)汗吉組的火山巖系，為火山-沉積碎屑巖類，主要巖性為粉砂巖、凝灰?guī)r、凝灰質(zhì)粉砂巖。由于時(shí)代較老，經(jīng)受歷次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，壩址區(qū)低序次結(jié)構(gòu)面較發(fā)育，巖體完整性較差。

壩址區(qū)斷層發(fā)育，出露斷層主要集中在左壩肩及其下游側(cè)岸坡，兩岸發(fā)育斷層44條，其中規(guī)模相對(duì)較大的斷層有18條。

3 壩址區(qū)巖體工程地質(zhì)特性綜述

壩址區(qū)出露的基巖為泥盆系中統(tǒng)汗吉尕組的火山碎屑-沉積巖系，巖性為砂質(zhì)凝灰?guī)r、凝灰質(zhì)粉砂巖、凝灰?guī)r、砂巖及粉砂巖，其巖體具有“雜、硬、碎、脆、裂”的工程地質(zhì)特性。

3.1 地質(zhì)成分復(fù)雜

壩址區(qū)巖石成分及成因復(fù)雜。據(jù)壩址區(qū)不同巖性巖石磨片(共24片)鑒定結(jié)果，其巖石由晶屑、巖屑及火山灰膠結(jié)物組成，一般具有凝灰結(jié)構(gòu)。火山灰膠結(jié)物含量約占30%～86%，以火山灰為主，含黏土質(zhì)物質(zhì)；巖屑主要由火山凝灰?guī)r、長(zhǎng)英質(zhì)砂巖、硅質(zhì)巖及泥質(zhì)巖組成；晶屑主要以石英、長(zhǎng)石為主，含白云母、輝石、電氣石等多種礦物。壩址區(qū)巖石成分復(fù)雜；壩址區(qū)巖石既有以火山爆發(fā)作用為主的火山碎屑巖(如凝灰?guī)r)，又有以沉積作用為主的沉積火山碎屑巖(如凝灰質(zhì)粉砂巖)，兼具有火山巖和沉積巖的特點(diǎn)，屬火山巖與沉積巖之間的過(guò)渡類型，其成因復(fù)雜。

3.2 抗壓強(qiáng)度高

室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果表明，壩址兩岸巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度為31.10～126MPa，屬中硬巖—堅(jiān)硬巖，單塊新鮮完整巖石多屬堅(jiān)硬巖(見圖1)。

圖1 壩址區(qū)巖體飽和單軸抗壓強(qiáng)度、飽和單軸抗拉強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)

3.3 巖石性脆易碎

壩址兩岸完整的巖塊或巖體經(jīng)敲擊等擾動(dòng)后呈塊狀剝落或破裂，呈碎塊狀；巖石抗壓強(qiáng)度一般為抗拉強(qiáng)度的6～10倍，泊松比為0.16～0.24，證明壩址區(qū)巖石性脆而易碎。

3.4 節(jié)理裂隙發(fā)育

宏觀上，壩址區(qū)斷層、節(jié)理裂隙發(fā)育，將巖體切割成塊狀；微觀上，顯微鏡下巖石隱形節(jié)理裂隙、巖脈發(fā)育(觀察到節(jié)理裂隙、巖脈的薄片占83%)，進(jìn)一步將巖體切割成細(xì)小的碎塊。壩址區(qū)巖體擾動(dòng)后，易沿節(jié)理裂隙面發(fā)生破裂。

雖然壩址區(qū)單塊完整巖石室內(nèi)飽和抗壓強(qiáng)度較高，具有堅(jiān)硬巖的特點(diǎn)，但由于其巖體節(jié)理裂隙發(fā)育、巖體破碎，壩址區(qū)巖體總體表現(xiàn)為中硬巖的特性。

受壩址區(qū)巖體“雜、裂”等工程地質(zhì)特性的影響，巖石濕度對(duì)其抗壓強(qiáng)度影響較大，壩址區(qū)巖石軟化系數(shù)為0.36～0.99，其中軟化系數(shù)小于0.75的試件約占67%(見圖2)。

圖2 壩址區(qū)巖體軟化系數(shù)統(tǒng)計(jì)

4 壩址區(qū)巖體波速測(cè)試

為了解巖體風(fēng)化卸荷程度，在鉆孔和平洞內(nèi)做了波速測(cè)試。從測(cè)試結(jié)果中可以看出，水平方向上，從洞口向里，強(qiáng)風(fēng)化卸荷帶(卸荷為主)波速一般為1470～3000m/s，而弱風(fēng)化卸荷帶波速一般為2230～4120m/s，隨著巖體受風(fēng)化卸荷影響程度的降低，彈性波速逐漸變大，局部洞段受節(jié)理影響，波速略有降低；垂直方向上，鉆孔中強(qiáng)風(fēng)化卸荷帶(卸荷為主)波速一般為1586～3000m/s，弱風(fēng)化卸荷帶波速一般為3000～3500m/s，而微風(fēng)化卸荷帶波速一般大于3500m/s，隨著鉆孔深度增加，風(fēng)化卸荷作用減弱，波速逐漸增大，局部構(gòu)造發(fā)育部位波速會(huì)出現(xiàn)低值，至微風(fēng)化卸荷巖體，平均縱波速一般大于3500m/s。

從探洞和鉆孔波速測(cè)試來(lái)看，壩址區(qū)強(qiáng)風(fēng)化卸荷帶波速一般在2000m/s以下，部分波速在2000～3000m/s之間，說(shuō)明強(qiáng)風(fēng)化卸荷帶巖體整體較破碎，局部巖體完整性較好，其波速也相對(duì)較大。微風(fēng)化卸荷—弱風(fēng)化卸荷帶其平均波速一般在3000～4000m/s之間，波速總體偏低，分析其原因：一是受壩址區(qū)巖體隱形節(jié)理影響，壩址區(qū)巖石隱形節(jié)理發(fā)育導(dǎo)致巖體聲波傳導(dǎo)總體偏低；二是受壩址區(qū)巖體完整程度影響，壩址區(qū)構(gòu)造發(fā)育，受構(gòu)造活動(dòng)影響，巖體完整性較差，導(dǎo)致波速傳導(dǎo)降低。均為受構(gòu)造影響，符合“碎、裂”特點(diǎn)。例如，壩址區(qū)鉆孔在孔深130m范圍內(nèi)，巖芯多為碎塊狀、粉末狀，難以見到柱狀、長(zhǎng)柱狀巖芯，說(shuō)明巖體較破碎，而平洞在洞深100m范圍內(nèi)，洞壁一般節(jié)理較發(fā)育或呈碎裂狀，說(shuō)明壩址區(qū)巖體總體完整性較差，受其影響聲波測(cè)試時(shí)波速值偏低。

通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，同類巖體洞壁地震波測(cè)試結(jié)果普遍低于孔內(nèi)聲波測(cè)試結(jié)果，分析其原因：一是測(cè)試方法本身的差異；二是洞壁均不同程度地受到爆破影響，導(dǎo)致一定深度范圍內(nèi)巖體松動(dòng)，而鉆孔鉆進(jìn)中機(jī)械破壞對(duì)巖芯影響較大，對(duì)孔壁巖體影響較小，因此，鉆孔波速測(cè)試更能較為真實(shí)地反映巖體結(jié)構(gòu)的狀況。進(jìn)一步證明擾動(dòng)對(duì)區(qū)內(nèi)巖體的完整性影響較大。

5 結(jié) 論

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘察、室內(nèi)試驗(yàn)，下天吉壩址區(qū)巖體具有“雜、硬、碎、脆、裂”的工程地質(zhì)特性。在選取壩址區(qū)巖體的工程地質(zhì)參數(shù)、分析壩基和岸坡的變形及穩(wěn)定性、評(píng)價(jià)壩基及壩肩滲漏、制定工程處理方案等時(shí)，均應(yīng)充分考慮壩址區(qū)巖體“雜、硬、碎、脆、裂”的工程地質(zhì)特性，同時(shí)，施工時(shí)應(yīng)盡可能減少對(duì)岸邊坡巖體的擾動(dòng)。