依蘭晨光電站搶險的工程地質(zhì)分析研究

劉 刊，龐 博，史海燕，紀(jì) 南

(中水東北勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司，吉林 長春 130062)

1 概述

晨光電站位于牡丹江下游依蘭縣晨光村，距牡丹江與松花江匯合口10 km?？刂屏饔蛎娣e為36 700 km2，多年平均流量為252 m3/s。

晨光水電站始建于1978年，1983年建成并投入運(yùn)行。電站樞紐由自由溢流壩、沖砂閘、副壩等攔河工程和進(jìn)水閘、引水渠、前池、發(fā)電廠房、尾水渠等引水發(fā)電工程組成。自由溢流壩為過水過冰土石壩，原設(shè)計長度為588 m，堰頂高程為101.00 m。由于1991年洪水南側(cè)副壩局部被沖毀，溢流壩又加長72 m，總長為為660 m，最大壩高為6.9 m。1996年為了改善由于上游蓮花電站投入運(yùn)行后給晨光電廠運(yùn)行帶來的影響，同時為了增加晨光電站發(fā)電量，將攔河壩堰頂高程由原來的101.00 m加高到101.60 m，為澆筑混凝土。2019年10月12日，泄洪沖砂閘突然倒塌，因此，需要對電站進(jìn)行搶險指導(dǎo)工作。

2 區(qū)域地質(zhì)穩(wěn)定性分析

2.1 地層巖性

區(qū)內(nèi)第四系地層廣泛分布于高平原區(qū)、階地區(qū)和漫灘區(qū)，低山丘陵區(qū)零星分布，地層及巖性主要有：

① 下元古界二疊系黑龍江群(Pt1)：片巖、大理巖等；② 二疊系土門嶺組(P1t)：角巖、砂巖；③ 侏羅系太安屯組(J2t)：板巖、凝灰?guī)r；④ 白堊系淘淇河組(Klt)：砂礫巖、泥頁巖；⑤ 第三系達(dá)連河組(E2-3d)：砂巖、砂礫巖；⑥ 第四系上更新統(tǒng)(Q3)、全新統(tǒng)(Q4)：亞粘土、砂、砂礫石。

區(qū)內(nèi)侵入巖廣泛分布在低山丘陵區(qū)，多以巖基狀產(chǎn)出，其次為巖株或巖脈狀。工程區(qū)內(nèi)侵入巖可劃分為元古代、華力西晚期、燕山早期、燕山晚期四個亞旋回。

2.2 地質(zhì)構(gòu)造與地震

工程區(qū)位于新華夏系第二隆起帶中部，老爺嶺隆起區(qū)和張廣材嶺隆起區(qū)之間，據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料證實(shí)，工程區(qū)發(fā)育的構(gòu)造形跡主要有巴彥—虎頭斷裂帶、倭肯河—松木河斷裂帶、牡丹江斷等裂帶、依蘭—舒蘭斷裂帶、勃利弧形斷裂帶、蘇哈山旋卷構(gòu)造、岔林河斷裂帶等。

根據(jù)1975年區(qū)域地震臺網(wǎng)觀測，場址100 km范圍內(nèi)記錄有10個地震，表明近場地震活動較為頻繁，但經(jīng)能量統(tǒng)計對場址影響不大，并且震級較小，大部分為2.4～4.7級，僅發(fā)生過1次6.4級地震，但震源深度為580 km，屬于深源地震，對地面建筑影響不大。初步認(rèn)為本地區(qū)區(qū)域構(gòu)造是基本穩(wěn)定的。

根據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》(GBl 8306—2015)[1]工程區(qū)的基本地震動峰值加速度為0.20 g；地震動反應(yīng)譜特征周期為0.35 s，對應(yīng)的地震基本烈度為Ⅷ度(見圖1)。

圖1 依蘭晨光電站地震動峰值加速度動參數(shù)示意

3 工程地質(zhì)條件及評價

3.1 地層巖性

1) 人工填土(Qs)

回填土：雜色，濕，密實(shí)。主要成分為礫石，含量約占70%，其余為粘土；礫石成分為砂巖，弱風(fēng)化狀態(tài)，磨圓較好。為現(xiàn)圍堰主要填筑料，厚度為10 m。

低液限粉土：灰色—灰黑色，濕，可塑，手捻有砂感；分布于左岸階地上的表部，厚度一般為1.0～1.5 m。

級配不良砂：黃色，稍濕，中密結(jié)構(gòu)，粒徑較均勻，具層理，層中夾有粘性土條帶。分布于左岸階地上，最大厚度3.5 m。

含細(xì)粒土礫：黃褐色，分選一般，磨圓較好。礫石含量約為50%，粒徑一般為10～60 mm；卵石含量約10%，粒徑一般為60～100 mm；卵礫石成份為砂巖等，其余為粘土和砂。壩址區(qū)及廠房均有分布，厚度一般為3.0～7.0 m。

3) 基巖：白堊系下統(tǒng)淘淇河組(Klt)

泥巖：黑色，礦物成分主要為粘土礦物及少量石英，用小刀刻劃見劃痕，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造。全風(fēng)化厚度4～6 m，主要為土狀、碎塊狀(見圖2～5)。

圖2 鉆孔ZK01示意

圖3 鉆孔ZK08示意

圖4 鉆孔ZK02示意

圖5 鉆孔ZK05示意

砂巖：灰黑色，礦物成分主要為石英，次為云母、少量粘土礦物，巖質(zhì)較堅(jiān)硬，砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造。全風(fēng)化厚度為4～6 m，主要為土狀、碎塊狀(見圖6)。

基巖面起伏不大，出露高程為91～94 m。在區(qū)域地質(zhì)圖查巖層產(chǎn)狀為N70°W，傾向SW，傾角為70°。

圖6 鉆孔ZK03全風(fēng)化狀態(tài)砂巖示意

3.2 地質(zhì)構(gòu)造

現(xiàn)場未見基巖出露，根據(jù)鉆孔揭露見斷層發(fā)育，詳述如下：

f1：寬度約為20 cm，組成物為斷層泥夾碎裂巖，在ZK01鉆孔中出露；鉆進(jìn)過程中水位陡降且不返水(見圖7)。

f4：寬度約為40 cm，組成物為斷層泥夾碎裂巖，在ZK03鉆孔中出露；

f5：寬度約為20 cm，組成物為斷層泥夾碎裂巖、片狀巖，在ZK03鉆孔中出露(見圖8)。

圖7 鉆孔ZK01斷層示意

圖8 鉆孔ZK03斷層示意

3.3 水文地質(zhì)

1) 地表水

地表水主要為江水、降雨徑流及圍堰滲透徑流，地下水主要為覆蓋層孔隙潛水和基巖裂隙水。

江水及降雨徑流，主要接受河床兩側(cè)徑流和雨水補(bǔ)給，以潛水蒸發(fā)和側(cè)向徑流方式排泄為主。工程區(qū)附近松花江寬約為700 m，多年平均流量為252 m3/s。

現(xiàn)由上游圍堰坡角處見水滲流進(jìn)入基坑，在沖砂閘前后一直有水匯聚，通過下游圍堰或基底向下游排泄。此滲流滲水量穩(wěn)定，基坑內(nèi)水位無明顯浮動，當(dāng)汛期徑流量增大，隨著圍堰上下游河道水位的升高，基坑涌水量將顯著增大，設(shè)計時應(yīng)考慮基坑排水問題?；佑克F(xiàn)狀情況如圖9所示。

圖9 基坑涌水情況(2019年12月)

2) 地下水

主要為覆蓋層孔隙潛水和基巖裂隙水。

覆蓋層孔隙潛水主要分布在漫灘區(qū)，含水層巖組以級配不良砂、礫為主，潛水水位埋深為2.0～5.0 m，于江水位基本持平。主要接受大氣降水入滲和地下水的側(cè)向徑流補(bǔ)給，以潛水蒸發(fā)和側(cè)向徑流方式排泄為主。

基巖裂隙水賦存于巖石孔隙裂隙中，分布不均，受巖石風(fēng)化孔隙、裂隙的發(fā)育程度控制；主要補(bǔ)給源為江水入滲，富水性差異較大，排泄于河谷階地漫灘之中。

3) 水質(zhì)分析

分別對地表水和地下水取樣進(jìn)行水質(zhì)分析。水化學(xué)類型均為HCO3·CL—K·Na，根據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(GB 50487—2008)[2]，工程區(qū)環(huán)境水對混凝土為重碳酸型弱腐蝕性、環(huán)境水對鋼筋混凝土中的鋼筋無腐蝕(見表1～2)。

表1 環(huán)境水對混凝土的腐蝕性評價成果[2-5]

表2 環(huán)境水對鋼筋混凝土中鋼筋的腐蝕性評價成果

3.4 不良地質(zhì)現(xiàn)象

根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查，未見明顯滑坡、泥石流等不良地質(zhì)現(xiàn)象。

沖砂閘左側(cè)砌石擋土墻，高約為9 m，水下部分約為2 m。擋墻現(xiàn)已出現(xiàn)裂縫、變形，裂縫長約為15～20 m，寬度為5～20 cm，平行多條，墻后大部分地區(qū)出現(xiàn)不同程度塌陷。其中墻后在下游側(cè)見塌陷坑，長約為15 m，寬為4 m，深為4 m。沖砂閘倒塌后，在左側(cè)壩肩見塌陷坑，長約為15 m，寬為10 m，深為3 m，塌陷坑附近見多條水平裂縫。推測原因?yàn)閾鯄Φ撞繚B透破壞，細(xì)顆粒流失，地基形成空腔、骨架，地基不穩(wěn)發(fā)生變形、塌陷(見圖10)。

圖10 沖砂閘左側(cè)擋墻裂縫示意

3.5 物理力學(xué)性質(zhì)

1) 取樣試驗(yàn)

在鉆孔中取巖樣4組進(jìn)行物理力學(xué)試驗(yàn)，取強(qiáng)風(fēng)化砂巖樣1組做點(diǎn)荷載試驗(yàn)，取全風(fēng)化泥巖原狀樣1組進(jìn)行分析試驗(yàn)，取粗粒土樣5組進(jìn)行顆粒分析實(shí)驗(yàn)。試驗(yàn)成果見表3。

表3 巖石物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)成果[5-9]

2) 原位力學(xué)測試

在覆蓋層和全風(fēng)化基巖中進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)貫入和動力觸探試驗(yàn)，試驗(yàn)成果見表4。

表4 含細(xì)粒土礫標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)成果

含細(xì)粒土礫為密實(shí)狀態(tài)，在地震動峰值加速度為0.05g時不會液化。

3) 滲透測試

在基巖中進(jìn)行注水和壓水試驗(yàn)，試驗(yàn)成果見表5～6。由表5～6可以看出，全—強(qiáng)風(fēng)化基巖滲透系數(shù)主要為i×10-4cm/s，中等透水[3]。高程77～80 m之下巖體透水率開始小于5 Lu，曲線類型一般A(層流)和C(擴(kuò)張)型[10-12]。

表5 全—強(qiáng)風(fēng)化基巖注水試驗(yàn)成果[6-8]

表6 弱風(fēng)化基巖壓水試驗(yàn)成果[4-6]

3.6 工程地質(zhì)問題及評價

原沖砂閘已經(jīng)沖毀，圍堰內(nèi)較平坦，地面高程為95.5～97.5 m。下游消力池混凝土翹起、變形，沖砂閘左側(cè)砌石擋土墻出現(xiàn)裂縫、變形，擋土墻后見塌陷坑。

地表為砌石、混凝土板及近期沖積的淤泥和砂，厚度為1～3 m；之下為原始覆蓋層，主要為含細(xì)粒土礫，厚度為1～4 m，承載力建議值0.4 MPa?；鶐r為泥巖和砂巖，全風(fēng)化厚度為3～6 m，承載力建議值0.65 MPa；強(qiáng)風(fēng)化基巖承載力建議值1.0 MPa，為良好的持力層[6-8]。

未見緩傾角結(jié)構(gòu)面，壩基較穩(wěn)定。覆蓋層在地震動峰值加速度為0.05g時不會液化[13]。

現(xiàn)由上游圍堰坡角處一直見水滲流進(jìn)入基坑，設(shè)計時應(yīng)考慮基坑排水[12-13]?；鶐r表部巖體破碎，透水率較高，5 Lu線位于高程80 m附近。可能發(fā)生滲透穩(wěn)定問題，設(shè)計時應(yīng)考慮防滲處理。

表7 粗粒土滲透破穩(wěn)定評價

4 結(jié)語

1) 工程區(qū)的地震動峰值加速度為0.20g；地震動反應(yīng)譜特征周期為0.35 s，對應(yīng)的地震基本烈度為Ⅷ度。

2) 本區(qū)標(biāo)準(zhǔn)凍土深度為1.8～2.0 m。

3) 地下水和地表水的水化學(xué)類型為重碳酸型水(HCO3·CL—K·Na)，對混凝土為弱腐蝕性，對鋼筋混凝土中的鋼筋無腐蝕。

4) 沖砂閘現(xiàn)基礎(chǔ)主要位于含細(xì)粒土礫上，厚度為1～4 m，承載力建議值為0.4 MPa?；鶐r為泥巖和砂巖，全風(fēng)化狀態(tài)厚度為3～6 m，承載力建議值為0.65 MPa；強(qiáng)風(fēng)化基巖承載力建議值為1.0 MPa，為良好的持力層。

5) 沖砂閘的含細(xì)粒土礫層為主要的滲透破壞通道，破壞類型主要以流土型為主，允許水力比降建議值J允許=0.15?；鶐r表部巖體破碎，透水率較高，5 Lu線位于高程80 m附近。設(shè)計時應(yīng)考慮防滲處理。