蘇阿皮蒂水電站工程地質(zhì)條件分析與問題處理

符新閣， 郭其峰， 楊金林

(黃河勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司 地質(zhì)院,河南 鄭州 450003)

蘇阿皮蒂(Souapiti)水電站位于幾內(nèi)亞的西部[1],是孔庫雷河(Konkoure)梯級開發(fā)中非常重要的一個(gè)梯級電站(圖1、照片1)，被譽(yù)為“西非三峽”[1]。蘇阿皮蒂水電站壩址位于流域中游河段,集水面積10 800 km2,多年平均流量328 m3/s。該電站設(shè)計(jì)校核洪水位213.56 m,正常蓄水位210 m,正常蓄水位對應(yīng)的總庫容約6.3×109m3,為大(1)型水庫。主要建筑物有碾壓混凝土重力壩、壩后廠房、泄水建筑及進(jìn)場公路橋梁等。壩頂高程215.5 m,最大壩高120.0 m,壩頂長度1 164 m。水電站混凝土總量約360×104m3。

圖1 工程位置圖

照片1 工程全貌圖

1 區(qū)域地質(zhì)與庫區(qū)地質(zhì)

1.1 區(qū)域地質(zhì)

工程區(qū)位于西非克拉通西緣,幾內(nèi)亞沿海早古生界沉降區(qū)?；讕r性主要為前寒武紀(jì)的花崗巖和數(shù)百米厚的奧陶系砂巖、頁巖。受后期造山運(yùn)動(dòng)影響,砂巖和砂質(zhì)頁巖地層多次被基性巖漿巖侵入滲透。區(qū)域內(nèi)普遍發(fā)育厚度不一的風(fēng)化殼,風(fēng)化殼上部鐵質(zhì)結(jié)核豐富,頂部形成厚度不一的“鐵帽”。工程區(qū)尚未發(fā)現(xiàn)大斷裂通過。

工程區(qū)抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)采用國際大壩委員會(huì)推薦使用的DBE(設(shè)計(jì)基準(zhǔn)地震)和MCE(最大可信地震)指標(biāo)。通過收集工程區(qū)300 km內(nèi)地震事件,計(jì)算得到蘇阿皮蒂水利樞紐工程區(qū)MCE值為0.15g,DBE值為0.10g;庫壩區(qū)地震基本烈度按Ⅶ度考慮。

1.2 庫區(qū)地質(zhì)

水庫屬于河谷盆地型水庫。庫岸植被發(fā)育,岸坡度較緩。庫區(qū)下游基巖岸坡地層巖性主要為古生代輝綠巖、奧陶系砂巖和泥質(zhì)粉砂巖,上游基巖岸坡地層巖性主要為中粗砂巖;覆蓋層岸坡為殘坡積土,上部多含結(jié)核,局部形成鐵帽。庫區(qū)無大的城鎮(zhèn)，無大面積農(nóng)田,主要地質(zhì)問題不突出,不再贅述。

2 壩址區(qū)工程地質(zhì)條件

2.1 地形地貌

工程區(qū)地貌上屬于低山丘陵區(qū)。河谷在壩址區(qū)近東西向展布。河谷相對開闊,形態(tài)呈不對稱的“U”形。河谷底寬200～350 m,其中河水面170～310 m。

2.2 地層巖性

壩址區(qū)出露地層巖性主要為古生代青灰色塊狀輝綠巖，奧陶系青灰色薄層與極薄層變質(zhì)砂巖、粉砂巖和第四系殘坡積、沖洪積物。依據(jù)揭露順序輝綠巖分為4層(H1、H2、H3、H4),砂巖、粉砂巖分為5層(S1、S2、S3、S4、S5)。輝綠巖和砂巖、粉砂巖呈類互層近水平狀分布,輝綠巖為河床壩段壩基巖體,砂巖為兩岸壩段壩基巖體。第四系殘坡積物主要分布于兩岸谷坡,沖洪積物主要為分布于河道及淺灘處的漂石、卵石及少量礫石。殘坡積物分4層,分別為：①腐殖土;②鐵帽(由富集結(jié)核膠結(jié)而成);③含結(jié)核土;④輝綠巖殘積土及砂巖粉砂巖殘積土,殘坡積層剖面為西非典型剖面(圖2)。

圖2 壩址區(qū)壩軸線工程地質(zhì)剖面圖

2.3 地質(zhì)構(gòu)造

(1) 節(jié)理。壩址區(qū)主要發(fā)育3組優(yōu)勢節(jié)理：J1220°～260°∠70°～85°，J240°～70°∠75°～85°，J3280°～340°∠3°～5°。其中J1、J2為輝綠巖、砂巖共有,J3在輝綠巖內(nèi)發(fā)育,其產(chǎn)狀與砂巖層理基本一致。輝綠巖內(nèi)局部J1、J2表現(xiàn)為寬大裂隙。

(2) 斷層。工程區(qū)未發(fā)現(xiàn)大的斷層,小斷層較為發(fā)育,斷層傾向多為NWW向,傾角一般為80°～85°,斷層帶寬度一般為0.1～0.5 cm,帶寬最大為4 cm,斷距一般為3～5 cm,最大斷距10 cm。

(3) 緩傾結(jié)構(gòu)面。該工程特指輝綠巖巖體緩傾角結(jié)構(gòu)面。根據(jù)測繪資料,輝綠巖巖體緩傾角結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀一般為280°～340°∠1°～5°。緩傾角結(jié)構(gòu)面受風(fēng)化卸荷和水的影響,在強(qiáng)卸荷帶內(nèi),延續(xù)性很好,延展長度一般>30 m,造成上部巖體多脫離母巖,緩傾角裂隙面連通率為100%;微風(fēng)化弱卸荷帶內(nèi),一般深度為3～10 m,延伸長度一般為5～25 m,裂隙多閉合或微張,裂隙面多平直粗糙,見少量鈣膜充填,緩傾角裂隙面連通率為30%～50%,局部為50%～80%;微風(fēng)化微卸荷帶內(nèi),緩傾角延伸長度一般為2～8 m,局部為10～20 m,裂隙多閉合,裂隙連通率一般為10%～30%,局部為30%～50%。

(4) 泥化夾層。在砂巖、粉砂巖巖體中發(fā)育泥化夾層。根據(jù)探洞資料,泥化夾層主要分布于泥質(zhì)粉砂巖與砂巖接觸面的頂、底面，延伸長度一般為1.6～5.9 m,厚度一般為1～3 mm,最厚約5 mm。左岸揭露3條、右岸揭露5條泥化夾層,貫穿整個(gè)壩基;另有部分泥化夾層延伸長度幾米—十幾米不等(照片2、照片3)。泥化夾層的分布、形狀、延續(xù)性、起伏性、充填物、物理力學(xué)性質(zhì)主要受軟巖分布和構(gòu)造剪切雙重控制。泥化夾層類型為全泥型或泥夾碎屑型,粘粒平均含量約37.3%。泥化夾層的礦物成分以高嶺石、伊利石為主。

照片2 探洞PD01中軟弱夾層、泥化夾層

照片3 砂巖壩段開挖揭露的泥化夾層

2.4 物理地質(zhì)現(xiàn)象

(1) 巖體風(fēng)化卸荷特征。壩基巖體主要是輝綠巖、砂巖和泥質(zhì)粉砂巖,其風(fēng)化與巖性及構(gòu)造關(guān)系密切。輝綠巖整體上巖石致密,抗風(fēng)化能力強(qiáng)，強(qiáng)風(fēng)化層厚度一般為幾毫米—幾厘米不等,強(qiáng)卸荷深度一般為5～7 m。砂巖和泥質(zhì)粉砂巖強(qiáng)風(fēng)化厚度一般為3.6～7.0 m,最大約49.3 m。砂巖中存在隔層風(fēng)化現(xiàn)象,強(qiáng)卸荷深度一般為10～15 m。

(2) 巖體水蝕穴。壩址區(qū)河床基巖裸露,河心島較發(fā)育,水流湍急。受水流急速?zèng)_刷影響,河床基巖(輝綠巖)受水流沖蝕明顯,形成的水蝕穴規(guī)模大小不一,形狀各異,多呈甕型或漏斗型,水下可見最大水蝕穴規(guī)模為3～5 m左右,深達(dá)1 m以上。水蝕穴影響壩址區(qū)巖體的完整性和巖體質(zhì)量。

2.5 水文地質(zhì)條件

(1) 地下水類型。壩址區(qū)地下水類型主要分為基巖裂隙水和第四系松散堆積層孔隙水兩種類型。

(2) 巖土體透水性特征。根據(jù)壩址區(qū)鉆孔壓水試驗(yàn)資料，壩基巖體總體上屬于弱—微透水，但受節(jié)理裂隙影響處,巖體透水率較大。

(3) 水的腐蝕性?？辈斐晒@示,壩址區(qū)地表水(河水)和地下水對混凝土具有一般酸性弱腐蝕、重碳酸型中等腐蝕，而對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋具有微腐蝕性，對鋼結(jié)構(gòu)具有弱腐蝕性。

3 壩基巖體工程地質(zhì)分類

蘇阿皮蒂水電站壩基巖體主要為輝綠巖、砂巖與泥質(zhì)粉砂巖,壩基巖體工程地質(zhì)分類采用以水利分類法(GB 50487—2008)為主,RMR分類法及GSI分類法為輔的分類方法。綜合巖體性質(zhì)、地質(zhì)構(gòu)造、巖體結(jié)構(gòu)、風(fēng)化卸荷、巖體強(qiáng)度等資料,將輝綠巖分為Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ三類,將砂巖、泥質(zhì)粉砂巖分為Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ三類,其中Ⅳ類分為Ⅳ1、Ⅳ22個(gè)亞類。分類標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 壩基巖體工程地質(zhì)分類標(biāo)準(zhǔn)

4 壩址區(qū)主要工程地質(zhì)問題

4.1 壩基抗滑穩(wěn)定性

(1) 河床壩段。河床壩段壩基巖體為輝綠巖,輝綠巖巖體發(fā)育緩傾角軟弱結(jié)構(gòu)面,傾向?yàn)镹NE向,傾角為2°～3°,層厚一般為8～50 cm。上部結(jié)構(gòu)面多為碎屑夾泥型,下部逐漸變?yōu)闊o膠結(jié)硬性結(jié)構(gòu)面,連通性較好。緩傾角結(jié)構(gòu)面構(gòu)成控制性滑移面(圖3)。對于因多組結(jié)構(gòu)面組合導(dǎo)致的巖體破碎,施工時(shí)一般予以挖除;對于巖體較完整但緩傾角結(jié)構(gòu)面發(fā)育的壩段,通過抗滑穩(wěn)定計(jì)算選擇相應(yīng)的處理措施(如在適當(dāng)部位設(shè)置齒槽等)。根據(jù)壩基檢查孔資料,檢查孔揭露巖體破碎部位按照抗滑穩(wěn)定計(jì)算不通過的地方,設(shè)置齒槽進(jìn)行置換。

圖3 河床壩段緩傾角結(jié)構(gòu)面

(2) 左、右壩肩壩段。壩肩壩基巖體主要為砂巖和泥質(zhì)粉砂巖互層地層。砂巖、泥質(zhì)粉砂巖為薄層、極薄層狀,層理產(chǎn)狀為280°～340°∠1°～5°,平均間距約0.05～0.1 m,層理極發(fā)育,泥質(zhì)粉砂巖發(fā)育泥質(zhì)條帶。砂巖與泥質(zhì)粉砂巖接觸部位多見泥化夾層,泥化夾層具有明顯的水平錯(cuò)動(dòng)特征,厚度一般為0.5～5 cm,連續(xù)性好,產(chǎn)狀與層理面產(chǎn)狀一致。軟弱夾層(泥質(zhì)粉砂巖)軟化系數(shù)一般為0.30～0.75,具有遇水軟化、失水干縮的特征。砂巖和泥質(zhì)粉砂巖層理結(jié)構(gòu)面及泥化夾層為兩岸壩基巖體滑移的控制性結(jié)構(gòu)面[2]。為此,通過抗滑穩(wěn)定計(jì)算,不滿足規(guī)范要求采用齒槽進(jìn)行置換。

4.2 壩基、壩肩滲漏

根據(jù)鉆孔壓水試驗(yàn)資料，壩基、壩肩巖體整體上以弱透水和微透水為主。巖體透水性受節(jié)理裂隙控制,但總體表現(xiàn)為由地表向深部巖體透水性逐漸漸弱的趨勢。為防止壩基滲漏,降低揚(yáng)壓力,壩下設(shè)置兩道止水帷幕及兩排排水帷幕,壩肩帷幕向外延伸銜接地下水位。

4.3 壩基巖體強(qiáng)度及變形特性

河床壩基巖體主要為塊狀輝綠巖,質(zhì)地堅(jiān)硬,強(qiáng)度高。壩肩巖體為砂巖、粉砂巖,砂巖堅(jiān)硬,強(qiáng)度高；粉砂巖強(qiáng)度較低,且軟化系數(shù)偏高。總體而言,壩基巖體強(qiáng)度及變形性能滿足重力壩要求,但輝綠巖與砂巖、粉砂巖接觸壩段及寬大裂隙發(fā)育的輝綠巖壩段存在不均勻變形問題,一般通過掏挖、回填及加筋處理。

4.4 邊坡穩(wěn)定性

(1) 河床基坑開挖邊坡。河床基坑開挖后,形成不同高度的臨時(shí)邊坡。臨時(shí)側(cè)向開挖邊坡由覆蓋層和基巖巖體構(gòu)成,其中覆蓋層邊坡在雨水、外力擾動(dòng)下穩(wěn)定問題較突出。由于河床基坑邊坡不高,不穩(wěn)定體一般不大。

(2) 壩肩邊坡。壩肩上部為覆蓋層邊坡,下部為基巖邊坡。在左岸基巖邊坡,砂巖、粉砂巖層理產(chǎn)狀為280°～340°1°～5°,層理傾向坡外,呈順向坡。輝綠巖發(fā)育緩傾角裂隙,與砂巖、粉砂巖層理基本一致,呈順向坡。砂巖、粉砂巖及輝綠巖皆發(fā)育2組陡傾裂隙。上述3組結(jié)構(gòu)面相互切割,易形成不穩(wěn)定楔形體。右岸邊坡基本上與左岸邊坡對稱分布,左岸岸坡走向近東西向,基巖邊坡為逆向坡,整體上邊坡穩(wěn)定性相對右岸較好,但由于局部存在緩傾角裂隙,同樣可能出現(xiàn)楔形柱體破壞。對于覆蓋層邊坡,一般采用放緩坡比和植草處理;對于基巖邊坡一般采用系統(tǒng)、隨機(jī)錨桿及表面混凝土噴護(hù)處理。另外,邊坡上部作截水處理,邊坡上作排水處理。

(3) 右岸松散堆積體。近壩庫區(qū)右岸壩肩輝綠巖巖體發(fā)育一寬大裂隙,受地形影響,寬大裂隙兩側(cè)差異風(fēng)化明顯,靠河床側(cè)卸荷、風(fēng)化強(qiáng)烈形成深厚松散堆積體,物質(zhì)成分為含孤石殘坡積土[3]。該堆積體前緣高程為SMK200～210 m,后緣最高高程約SMK258 m,坡度約23°。沿高程線200 m處延伸長度約280 m,面積約2.1×104m2。為節(jié)約開挖方量,放坡較陡(約1∶1)。通過計(jì)算,堆積體現(xiàn)狀處于穩(wěn)定狀態(tài),但局部穩(wěn)定系數(shù)不滿足規(guī)范要求,設(shè)計(jì)采用加筋處理。

4.5 廠房工程地質(zhì)

(1) 基坑邊坡穩(wěn)定性。基坑開挖后形成近50 m的高邊坡,其中巖質(zhì)邊坡高度約20 m,覆蓋層高度約30 m。對于覆蓋層邊坡,一般采用放緩坡比和植草處理;基巖邊坡一般采用系統(tǒng)、隨機(jī)錨桿及表面混凝土噴護(hù)處理。另外,邊坡上部作截水處理,邊坡上作排水處理。

(2) 基坑涌水。廠房建基面開挖高程SMK90 m,比河水位及地下水低20.7～31.3 m,存在基坑涌水問題。施工期涌水量不太大,處理順利。

4.6 副壩工程地質(zhì)

副壩位于河流左岸主壩上游約1.5 km,為主壩上游第一支溝與主壩下游第一支溝之間埡口處，埡口處沿兩支溝之間山脊最低高程約SMK213.0 m。設(shè)計(jì)壩高約5.0 m,為均質(zhì)土壩。壩址覆蓋層厚8～17 m,其下為輝綠巖。壩址覆蓋層剖面為西非典型剖面,由上至下分為4層：①腐殖土;②鐵帽;③含結(jié)核土;④殘積土。鐵帽強(qiáng)度高,弱透水;殘積土強(qiáng)度低,但埋深大;含結(jié)核土頂部局部出現(xiàn)強(qiáng)透水。壩基坐落于鐵帽層,經(jīng)分析計(jì)算,抗滑穩(wěn)定、滲透穩(wěn)定符合規(guī)范要求。

4.7 天然建筑材料

蘇阿皮蒂水電站大壩為重力壩,混凝土總量約360×104m3。勘察階段選定了1號石料場(左岸)和2號石料場(右岸),兩處料場均位于壩址下游,開采條件較好,儲量和質(zhì)量均滿足規(guī)范要求。施工時(shí)選取1號石料場,料場距大壩不足2 km,與砂石系統(tǒng)短距離銜接，有用料巖性為輝綠巖,質(zhì)量好、儲量足。

5 幾點(diǎn)思考

5.1 關(guān)于國際工程的特殊性

目前,國際工程具有特殊性,不可能像國內(nèi)一樣分階段步步推進(jìn),有些程序哪怕是必要的程序,要么簡化，要么省略。前期時(shí)間緊迫,投入有限,很多風(fēng)險(xiǎn)沒有揭露;后期受合同周期限制,勘察建設(shè)周期往往比國內(nèi)緊湊得多,很多問題在勘察階段來不及深入討論及思考,施工期又要求現(xiàn)場及時(shí)作出決斷。上述問題倒逼工程師不但要具備較全面的經(jīng)典理論知識,還要具有前瞻性、全面性的現(xiàn)場判斷能力，許多地質(zhì)情況不能做到定量化,但必須作出較全面的定性判斷,對大的地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)盡量做到充分估計(jì)。

5.2 水電工程地質(zhì)勘察的共性

地質(zhì)工作的直接對象是大自然,大自然同時(shí)又是工程對象。從工程角度看,工程建設(shè)不免存在安全、質(zhì)量及投資風(fēng)險(xiǎn)。水電工程相對其他工程來說,具有投資大、規(guī)模大、建設(shè)周期長等特點(diǎn);相應(yīng)地,要求地質(zhì)勘察(設(shè)計(jì))工作分階段步步推進(jìn)。從工程建設(shè)角度看,地質(zhì)勘察工作就是一步步揭露風(fēng)險(xiǎn)的過程;從工程地質(zhì)角度看,地質(zhì)勘察工作就是建立模型、修正模型及預(yù)測模型的過程。

5.3 關(guān)于地質(zhì)問題分類評價(jià)

如前述,工程中不可避免地會(huì)存在這樣那樣的地質(zhì)問題。這些地質(zhì)問題性質(zhì)是不同的,總體上可以分為兩類,其一是安全問題,如抗滑穩(wěn)定、邊坡穩(wěn)定等;其二是功能問題,如滲漏等。不同的水工建筑面臨的問題也不同,如擋水建筑物(大壩堤防)面臨的安全問題伴隨勘察、施工和運(yùn)行全過程;輸水隧洞面臨的安全問題主要在勘察、施工期,運(yùn)行期主要面臨功能問題(即無法輸水)。兩類地質(zhì)問題性質(zhì)概念明確,性質(zhì)不同,應(yīng)區(qū)別對待。對于安全問題,必須有紅線意識。安全問題與功能問題界線有時(shí)并不明確,且會(huì)互相轉(zhuǎn)化。要做精品工程,任何問題都應(yīng)認(rèn)真對待,不但要保證工程安全,還要滿足功能要求，要有整體意識,更要有工匠精神。

6 主要結(jié)論

(1) 蘇阿皮蒂水電站工程區(qū)區(qū)域穩(wěn)定性較好，工程區(qū)MCE值為0.15g,DBE值為0.10g，地震基本烈度按Ⅶ度考慮。

(2) 庫岸植被發(fā)育，岸坡度較緩，庫區(qū)主要地質(zhì)問題不突出。

(3) 壩址區(qū)存在的工程地質(zhì)問題為壩基抗滑穩(wěn)定性、壩基滲漏、壩基巖體變形及邊坡穩(wěn)定性等。在現(xiàn)有技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件下,這些問題都可解決?？傊?修建高混凝土重力壩是適宜的。