老撾色拉龍一級水電站河床壩基抗滑穩(wěn)定研究

冉 從 彥， 林 紅， 曲 海 珠

(中國電建集團成都勘測設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 610072)

1 概 述

重力壩的抗滑穩(wěn)定尤其是深層抗滑穩(wěn)定是保證大壩安全的一個重要條件，壩基內(nèi)經(jīng)常有各種形式的軟弱結(jié)構(gòu)面存在，當產(chǎn)狀有利于其上的壩體滑動時，便很容易形成大壩安全的控制因素，因此對于層狀巖體發(fā)育地區(qū)，須格外警惕大壩的深層抗滑穩(wěn)定問題[1]。

色拉龍一級水電站位于老撾中部的沙灣拿吉省色拉龍河下游河段，距離老撾首都萬象約568 km。電站壩址多年平均流量90.6 m3/s，水庫正常蓄水位215 m，庫容8.81億m3，定水頭46 m，裝機容量70 MW。電站為二等大(2)型，采用壩式開發(fā)，樞紐工程由混凝土擋水壩、溢流壩、引水系統(tǒng)、發(fā)電廠房等組成，攔河壩采用碾壓混凝土重力壩，壩頂總長度459 m，最大壩高67.5 m。

電站壩址位于東南亞侏羅、白堊系紅層地層中，該套地層為砂泥巖互層，具有形成年代晚，膠結(jié)程度差，黏土礦物含量豐富，親水性強、力學強度低、軟弱夾層發(fā)育等獨特的工程特性。諸多水電工程實踐表明，在紅層中修建大壩普遍存在軟弱夾層及緩傾結(jié)構(gòu)面帶來的壩基(深層)抗滑穩(wěn)定問題，這些問題已成為水電工程建設(shè)中的區(qū)域性地質(zhì)問題[2]。因此，必須加強對大壩壩基巖體工程地質(zhì)條件的勘察，尤其是對泥巖、泥質(zhì)粉砂質(zhì)等軟巖以及對層間擠壓帶、層面裂隙等緩傾角結(jié)構(gòu)面的埋藏分布、物理力學性質(zhì)等進行重點勘察，為大壩建基面選擇，地基處理方案及建設(shè)和運行期大壩穩(wěn)定評價提供基礎(chǔ)資料。

2 壩區(qū)基本地質(zhì)條件

2.1 地層巖性

色拉龍一級水電站壩址區(qū)兩岸分布第四系坡殘積土層，河床基巖裸露，按巖性組合特征可細分為4個巖組[3]。

(J1)：紫紅色中厚層泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖與灰色、淺紫紅色厚層砂巖互層夾紫紅色薄層泥巖，厚度大于20 m，分布于河床以下。

(J2)：灰色、淺紫紅色厚層至巨厚層砂巖夾紫紅色泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖及少量深灰色薄層泥巖，厚13～18 m，分布于河床以下。

(J3)：紫紅色中厚層泥質(zhì)粉砂巖與灰色、淺紫紅色厚層砂巖互層，夾紫紅色、青灰色薄層泥巖，厚23～27 m，分布于河床以下。

(J4)：灰色、淺紫紅色厚層至巨厚層砂巖夾紫紅色泥質(zhì)粉砂巖及少量紫紅色薄層泥巖，厚10～13 m，分布于兩岸坡底及河床表層。

2.2 地質(zhì)構(gòu)造

根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查，工程區(qū)構(gòu)造作用不明顯，壩址區(qū)未見斷層發(fā)育。鉆孔巖心揭示各巖層層面裂隙接觸膠結(jié)良好，無層間錯動帶發(fā)育跡象。巖層為單斜構(gòu)造，巖層產(chǎn)狀N20°～40°W/SW∠5°～15°。

根據(jù)現(xiàn)場統(tǒng)計，壩址區(qū)主要出露2組裂隙，一組為層面裂隙及順層裂隙(多發(fā)育于泥質(zhì)粉砂巖、泥巖中)，其產(chǎn)狀為N20°～40°W/SW∠5°～15°；一組為陡傾構(gòu)造裂隙(多發(fā)育于厚層砂巖中)，其產(chǎn)狀為近EW/N∠75°～85°。

2.3 巖體風化

壩址區(qū)地層軟硬相間，各種巖石抗風化能力不一，各地層的風化差異大。砂巖的抗風化能力強，風化深度淺；泥質(zhì)粉砂巖和粉砂質(zhì)泥巖次之；泥巖抗風化能力最差。各巖性的風化程度除了在深度上有差異外，在砂巖、泥巖互層部位，沿泥巖地層易產(chǎn)生風化凹槽。

強風化巖體主要發(fā)育在兩岸岸坡，河床部位因水流沖刷作用，強風化巖石已經(jīng)被沖蝕，表部暴露的均為弱風化巖體。

3 河床壩段地質(zhì)條件

色拉龍一級水電站左岸壩段(1～9號)及右岸壩段(16～23號)由于壩高普遍不高，且均置于基巖上，工程地質(zhì)問題不突出。筆者主要分析河床高壩段(10～15號)的工程地質(zhì)問題。

3.1 壩基巖體質(zhì)量

河床壩段壩基設(shè)計開挖高程約155～160 m，壩基部位出露灰白色砂巖(J4)，為中硬巖，巖體微新～弱風化，多呈厚層狀～巨厚層狀，巖體完整，未見斷層或擠壓破碎帶出露，順層裂隙發(fā)育少，層面裂隙產(chǎn)狀N20°～35°W/SW∠5°～10°，多閉合，裂面微起伏粗糙，新鮮，干燥，巖體為Ⅲ類。

3.2 緩傾結(jié)構(gòu)面發(fā)育情況

工程所在區(qū)域為相對穩(wěn)定地塊，根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查、鉆孔勘探、開挖揭示以及壩基巖體質(zhì)量檢測，均表明壩址區(qū)內(nèi)無斷裂發(fā)育，亦未見小斷層和層間擠壓破碎帶等軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)育，壩基部位發(fā)育的結(jié)構(gòu)面以層面及裂隙為主。

在前期勘察實施的共900余米的鉆孔巖芯中，巖心破裂面以近水平裂隙發(fā)育為主(圖1)，幾乎未見陡傾裂隙(傾角大于60°)出露。

圖1 典型鉆孔巖心裂隙發(fā)育情況

開挖揭示亦表明壩基巖體內(nèi)裂隙以緩傾層面裂隙及順層裂隙發(fā)育為主，陡傾裂隙少量發(fā)育，并存在隨壩基巖體埋深的增加(風化程度的減弱)陡傾及隨機裂隙相應減少的現(xiàn)象。

根據(jù)施工期31個灌漿檢查孔的孔內(nèi)影像資料，共統(tǒng)計緩傾角(<30°)裂隙219條，中等傾角(30°～60°)裂隙16條，陡傾角裂隙幾乎未見。

3.3 結(jié)構(gòu)面類型

根據(jù)鉆孔巖芯、開挖揭示及壩基檢測孔內(nèi)圖像，不同巖性間無明顯的沉積間斷軟弱面、擠壓錯動跡象，對于層面裂隙而言，多膠結(jié)良好，見圖2。

圖2 孔內(nèi)影像揭示不同巖性的接觸情況

順層裂隙多為剛性接觸，無充填，多表現(xiàn)為顯化裂隙兩側(cè)尖滅為紋理(圖3)。陡傾裂隙局部出露，總體為剛性結(jié)構(gòu)面。

圖3 孔內(nèi)影像揭示的典型順層裂隙性狀

3.4 結(jié)構(gòu)面粗糙度

根據(jù)國際力學學會的建議，對結(jié)構(gòu)面的起伏粗糙度可采用Bardon等提出的典型剖面進行劃分[4]。

在施工開挖期間，針對部分長大順層裂隙進行了實測(圖4)。結(jié)合大壩下游側(cè)齒槽開挖揭示(圖5)，參考Bardon等提出的10條標準剖面(圖6)進行起伏粗糙度劃分。綜合分析認為，壩址區(qū)順層裂隙粗糙度以平直粗糙(3級)為主。壩址區(qū)其他裂隙，多延伸較短，亦多以平直粗糙為主。

圖4 部分實測順層裂隙起伏情況圖

圖5 大壩下游齒槽典型順層裂隙起伏情況

圖6 JRC與典型裂隙剖面模型圖

3.5 結(jié)構(gòu)面連通率

對于層面裂隙而言，從其地質(zhì)沉積成因分析，就有限的壩址區(qū)范圍而言，其連通率確定為100%。

對于順層裂隙，其多不連續(xù)延伸，兩側(cè)多尖滅為紋理，連續(xù)段延伸長度不等(3～20 m均有出露)，現(xiàn)場根據(jù)10～12號壩段齒槽編錄情況(巖性為J2砂巖，該段齒槽邊墻上出露一條斷續(xù)延伸、相對長于順層裂隙，依該斷面上統(tǒng)計結(jié)果分析，在砂巖巖體內(nèi)，順層裂隙線連通率多小于70%。

對于陡傾裂隙，根據(jù)現(xiàn)場編錄，在各壩段該組裂隙較為發(fā)育部位確定統(tǒng)計窗口(帶寬2 m，順水流方向)，經(jīng)采用投影法對其線連通率進行統(tǒng)計，統(tǒng)計結(jié)果見表1。

3.6 結(jié)構(gòu)面物理力學特征

通過開挖揭示及灌漿檢查孔各種資料的分析，對河床壩基各類結(jié)構(gòu)面的工程地質(zhì)特征進行總結(jié)，經(jīng)工程類比，參考有關(guān)規(guī)范，提出壩基部位緩傾角結(jié)構(gòu)面主要抗剪參數(shù)建議值(表2)。

3.6.1 層面裂隙.

產(chǎn)狀N20°～40°W/SW∠5°～15°，其傾角總

表1 壩基順河向陡傾裂隙線連通率統(tǒng)計表

體上隨高程降低而趨緩，多發(fā)育于不同巖層(性)接觸部位，同一巖層內(nèi)不發(fā)育，為沉積原生結(jié)構(gòu)面，由于工程所在區(qū)域上未經(jīng)歷明顯的構(gòu)造作用，層面裂隙多膠結(jié)緊密，力學性狀良好，現(xiàn)場多通過兩側(cè)巖性及顏色的變化來確定，在壩址區(qū)有限范圍上可視為完全連通。

表2 壩基結(jié)構(gòu)面抗剪強度地質(zhì)建議值

3.6.2 順層裂隙

產(chǎn)狀同前，層內(nèi)發(fā)育，多斷續(xù)延伸，兩側(cè)多尖滅為層理，分析認為其主要由早期沉積層理，經(jīng)后期輕微構(gòu)造作用或卸荷等物理作用形成。該組裂隙面多平直～微起伏、新鮮、無充填物質(zhì)、剛性接觸。根據(jù)現(xiàn)場統(tǒng)計，其余砂巖巖體內(nèi)線連通率60～70%，在泥質(zhì)粉砂巖等巖體內(nèi)線連通率小于50%。

3.6.3 陡傾裂隙

近EW/N∠75°～85°，局部出露，間距30～50 cm，延伸長度多1 m左右。該組裂隙發(fā)育范圍與建基巖體天然埋深(風化程度)相關(guān)，次之與巖性相關(guān)，在壩基部位表現(xiàn)為在兩岸高程部位的低壩段壩基內(nèi)較發(fā)育，而在低高程的高壩段壩基部位少有發(fā)育。

4 壩基抗滑穩(wěn)定評價

4.1 滑移模式

色拉龍一級水電站壩基表層滑動受壩基混凝土與下部巖體間接觸面的抗剪強度控制[5]。

壩基深部巖體內(nèi)無小斷層、層間擠壓破碎帶等控制性的不利軟弱結(jié)構(gòu)面分布，但壩基巖體內(nèi)的層面裂隙及順層裂隙緩傾下游，可構(gòu)成潛在的底滑面，對壩基抗滑穩(wěn)定存在不利影響。

河床壩段壩基及淺表巖體為完整的厚層-巨厚層砂巖(J4)，Ⅲ類巖體，厚度約5～10 m，其下分布的J3層為泥質(zhì)粉砂巖與砂巖互層，該層巖體類別以Ⅳ類為主，根據(jù)該部位建基面、齒槽及檢查孔揭示，出露的結(jié)構(gòu)面包括：(1)J4層與J3層之間分布的層面裂隙；(2)J4層內(nèi)的順層裂隙不發(fā)育，根據(jù)齒槽揭示，可確定為1條，分布高程152 m左右；(3)J3層內(nèi)的順層裂隙，較發(fā)育，根據(jù)檢查孔揭示，其間距約50～70 cm。壩基巖體內(nèi)其他裂隙不發(fā)育，則河床壩段的滑移模式為以緩傾下游的層面裂隙及順層裂隙構(gòu)成相對控制的底滑面，在下游側(cè)由Ⅲ類、Ⅳ類巖體內(nèi)剪出而形成雙滑面組合模式，其滑動模式示意圖見圖7。

4.2 抗滑穩(wěn)定評價

色拉龍一級水電站工程區(qū)位于區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定地塊，壩基部位無確定性的軟弱結(jié)構(gòu)面分布(如斷層、順層擠壓帶等)。壩基巖體內(nèi)分布的結(jié)構(gòu)面以層面裂隙及順層裂隙為主，其中，層面裂隙膠結(jié)良好，順層裂隙剛性接觸且斷續(xù)延伸，結(jié)構(gòu)面力學性狀相對較好。

圖7 河床壩段典型雙滑面深層滑移模式

河床壩段無控制性的橫河向及順河向陡傾軟弱切割面，少量發(fā)育的順河向陡傾裂隙連通性差，潛在的深層滑移模式結(jié)構(gòu)面組合多不完備，滑動塊體在側(cè)向及后緣(上游)存在較強的約束作用，總體認為本工程抗滑穩(wěn)定地質(zhì)條件相對較好。在開展壩基抗滑穩(wěn)定分析計算時，需充分考慮該工程結(jié)構(gòu)面發(fā)育特點，選用合適的計算和評價方式。

5 結(jié) 語

色拉龍一級水電站河床高壩段整體置于J4層厚層砂巖上，屬于Ⅲ類巖體，具備較好的建基條件。河床壩基地質(zhì)構(gòu)造簡單，無斷層、層間擠壓帶等軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)育，但巖體中層面裂隙、順層裂隙等緩傾角結(jié)構(gòu)面較發(fā)育。通過鉆孔取芯、孔內(nèi)成像、現(xiàn)場實測等手段，查明了層面裂隙順層裂隙的分布深度及特征。層面裂隙膠結(jié)愈合良好，100%連通；順層裂隙為剛性結(jié)構(gòu)面，裂隙面起伏狀態(tài)以平直粗糙為主，其線連通率多小于70%。

河床壩段無控制性的橫河向及順河向陡傾切割面，少量發(fā)育的順河向陡傾裂隙連通性差，潛在的深層滑移模式結(jié)構(gòu)面組合多不完備，滑動塊體在側(cè)向及后緣(上游)存在較強的約束作用，總體認為該工程抗滑穩(wěn)定地質(zhì)條件相對較好。