某水庫(kù)面板堆石壩河床段趾板建基面抬高分析

孫紅義，馬 冰，劉 賀

（1.黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，鄭州 450003；2.水利部黃河流域水治理與水安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（籌），鄭州 450003）

面板堆石壩因其對(duì)各種地形及地質(zhì)條件具有較強(qiáng)的適應(yīng)性而被廣泛應(yīng)用， 是近年修建較多的擋水建筑物之一。根據(jù)混凝土面板堆石壩設(shè)計(jì)規(guī)范要求，以及國(guó)內(nèi)外同類壩型相關(guān)施工經(jīng)驗(yàn)，在施工初期，趾板地基覆蓋層開挖后， 可依據(jù)實(shí)際的地形地質(zhì)條件采取二次定線方式，調(diào)整和優(yōu)化趾板線位置。本工程依據(jù)實(shí)際揭露的地質(zhì)情況， 在滿足相關(guān)規(guī)范關(guān)于高壩趾板建基面要求的前提下， 本次河床段趾板基面優(yōu)化抬高很有必要，在縮短工期的同時(shí)，也節(jié)約工程投資。

1 工程概況

某在建水庫(kù)工程位于青海省海東市樂都區(qū)境內(nèi)，其主要開發(fā)任務(wù)以供水為主，同時(shí)兼顧防洪等。工程主要由攔河大壩、溢洪洞、放空（引水）洞等組成。水庫(kù)正常蓄水位2311 m，校核洪水位2312.84 m，總庫(kù)容1617 萬m3， 選定壩型為混凝土面板堆石壩，大壩壩頂高程2316 m，設(shè)計(jì)最大壩高97 m，壩頂長(zhǎng)度295 m，工程屬Ⅲ等工程，工程規(guī)模為中型［1］。

2 前期勘察設(shè)計(jì)成果

2.1 趾板基本地質(zhì)條件

大壩壩址區(qū)處的河谷較為狹窄， 總體呈“U”字形，趾板沿線左岸岸坡較陡，坡度一般40°～45°；右岸岸坡稍緩，坡度一般為30°～35°。壩址區(qū)兩岸山頂?shù)淖畲蟾叱碳s2389 m， 河谷谷底最低高程約2240 m，谷嶺相對(duì)高差150 m 左右，河谷底寬110～160 m。

壩址區(qū)構(gòu)造上位于大峽倒轉(zhuǎn)向斜西翼， 壩基巖層呈舒緩坡狀，產(chǎn)狀穩(wěn)定，壩址區(qū)地層簡(jiǎn)單，分布的地層巖性主要為：

（1）基巖為下震旦統(tǒng)湟源群東岔溝組變質(zhì)巖石英片巖（Z1d1-Sc），灰色、灰黑色，中厚層狀， 為左、右壩肩及壩基主要巖層。 其左岸巖層產(chǎn)狀為120°～176°∠20°～41°，右岸產(chǎn)狀為105°～176°∠14°～35°。

（2）第四系覆蓋層兩岸為坡、崩積物（Q4dl+col為1.0～2.0 m。河床沖洪積層（Q4al+pl），巖性以砂卵石為主， 覆蓋層厚度為5.3～24.0 m， 底部高程2227.2～2230.3 m，底部起伏較大。據(jù)壩注水試驗(yàn)成果，砂卵石滲透系數(shù)為4.24E-02～6.26E-04 cm/s， 屬?gòu)?qiáng)～中等透水性；河床覆蓋層下伏基巖，巖性較簡(jiǎn)單，巖相單一，為下震旦統(tǒng)湟源群東岔溝組變質(zhì)巖石英片巖。

趾板兩側(cè)岸坡大部分為基巖裸露， 局部過沖溝段沖洪積、坡積覆蓋，早期的勘察過程中通過符合規(guī)范要求的鉆孔、平硐、地球物理勘探和工程地質(zhì)測(cè)繪等手段，根據(jù)石英片巖的特性，對(duì)壩址區(qū)的兩側(cè)壩坡和河床基坑段的巖體風(fēng)化特征做出綜合評(píng)價(jià)。

2.2 趾板設(shè)計(jì)情況

根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求， 面板堆石壩的趾板基礎(chǔ)有條件時(shí)，宜將趾板建基面置于弱風(fēng)化巖體中［2］。壩址區(qū)河床覆蓋層總體較薄，地表2.0 m 以下基本屬于稍密至緊密狀，但考慮97 m 高混凝土面板堆石壩安全穩(wěn)定的重要性，趾板區(qū)向下游25 m 范圍內(nèi)覆蓋層全部挖除，河床趾板座在弱風(fēng)化上部基巖上，其余部位清除2.0 m 厚的表層土和松散體，基礎(chǔ)置于比較密實(shí)砂礫石層上。 兩岸趾板根據(jù)壩高建基在弱風(fēng)化上部至強(qiáng)風(fēng)化下部基巖上，壩殼范圍內(nèi)覆蓋層全部清除，并挖除強(qiáng)烈風(fēng)化的巖體及松動(dòng)巖塊， 并對(duì)趾板基礎(chǔ)進(jìn)行固結(jié)灌漿和帷幕灌漿。

沿設(shè)計(jì)趾板控制線（“X”線）分為9 個(gè)控制點(diǎn)，其中X1 點(diǎn)和X9 點(diǎn)左右岸端點(diǎn)，其中X5～X6 點(diǎn)范圍內(nèi)為河床水平趾板段，其余段為兩岸斜坡趾板段。大壩兩側(cè)及河床段趾板均置于弱風(fēng)化上部， 即河床水平段趾板建基面高程為2219 m，大壩河床位置典型剖面如圖1。

圖1大壩趾板及下游基礎(chǔ)位置

3 施工階段趾板地質(zhì)條件分析

3.1 趾板基礎(chǔ)開挖情況

趾板建基面采用先左右岸、 后河床水平段的開挖方式進(jìn)行。 河床段水平趾板開挖至2226～2227 m高程時(shí)，基坑趾板范圍內(nèi)強(qiáng)風(fēng)化層已基本清除，根據(jù)開挖揭露情況，基坑巖體為弱風(fēng)化上部，初步判別可滿足趾板建基面需求，根據(jù)趾板建基面的設(shè)計(jì)要求，考慮到巖體受爆破開挖影響及局部存在節(jié)理裂隙密集帶影響，清除表層已松動(dòng)破碎或局部強(qiáng)風(fēng)化巖體，初步將河床水平段趾板建基面定為2225 m 高程。

3.2 建基面地質(zhì)條件

河床揭露的基巖巖性為石英片巖， 灰色、 灰黑色， 薄層～中厚層狀， 巖層產(chǎn)狀為125°～155°∠20°～35°。 通過現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)編錄對(duì)建基面結(jié)構(gòu)面進(jìn)行分析，依據(jù)統(tǒng)計(jì)情況，趾板及下游延伸段25 m 范圍內(nèi)主要發(fā)育陡傾狀剪節(jié)理， 產(chǎn)狀為330°～10°∠75°～80°，一般與巖體層面呈正交，形成對(duì)巖體的切割。延伸長(zhǎng)度從幾米到十幾米，節(jié)理面大部較平直，張開度一般為0.1～0.3 cm，無充填。

壩基范圍內(nèi)無較大斷裂構(gòu)造， 僅存在數(shù)條小斷層和節(jié)理密集破碎帶分布。斷層產(chǎn)狀以走向NE15°～60°和NW330°～355°兩組較為發(fā)育，斷層破碎帶寬度一般為10～40 cm，最寬為1.0 m，受后期構(gòu)造影響，斷層帶內(nèi)多石英脈充填， 兩側(cè)接觸面可見斷層角礫和碎屑，局部可見斷層泥，兩側(cè)伴隨發(fā)育伴生節(jié)理。

3.3 物探聲波測(cè)試

地質(zhì)雷達(dá)是一種便捷、經(jīng)濟(jì)、有效的探測(cè)地下結(jié)構(gòu)的淺層地質(zhì)勘察手段，具有分辨率高、高效無損、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)， 在探明壩基巖體是否存在裂隙、 破碎帶等不良地質(zhì)體走向和規(guī)模中有良好的效果［3］。在確定基巖完整性及松弛厚度方面，多采用聲波波速方法， 巖體縱波在經(jīng)過由爆破開挖和應(yīng)力釋放形成的破碎帶時(shí)，波速會(huì)產(chǎn)生急劇變化，從而可根據(jù)縱波速變化點(diǎn)來確定松弛度的厚度范圍［4］。

為了查明擬定新河床趾板建基面2225 m 高程及以下一定深度范圍內(nèi)巖體的特性， 及是否存在影響壩基穩(wěn)定的不良地質(zhì)現(xiàn)象， 在河床水平趾板段布置地質(zhì)雷達(dá)測(cè)試、鉆聲波測(cè)試孔進(jìn)行檢測(cè)，地質(zhì)雷達(dá)及波速監(jiān)測(cè)鉆孔布置如圖2。

圖2 河床趾板物探布置及要斷層分布

3.3.1 地質(zhì)雷達(dá)波

沿河床水平趾板“X”線布置一條雷達(dá)測(cè)線， 雷達(dá)測(cè)線從右岸 （X6）到左岸（X5）方向，雷達(dá)測(cè)線成果如圖3。根據(jù)雷達(dá)圖像顯示， 在2 m 左右有一明顯反射界面，建基面2 m 以下介質(zhì)較均一， 沒有發(fā)現(xiàn)明顯反射界面。 這是由于河床水平趾板建基面受大面積爆破開挖及開挖后應(yīng)力釋放影響， 在建基面淺層2 m 左右的范圍內(nèi)形成一個(gè)松弛帶， 趾板建基面巖體松弛界線近平行于建基表面。

圖3 地質(zhì)雷達(dá)測(cè)線成果

3.3.2 鉆孔波速測(cè)試

沿水平趾板板軸線布置5 個(gè)鉆孔，孔深6～8 m，在孔內(nèi)進(jìn)行聲波測(cè)試，各孔測(cè)試成果如表1。對(duì)鉆孔孔內(nèi)聲波測(cè)試結(jié)果分析可得： 在鉆孔檢測(cè)深度范圍內(nèi)，河床趾板建基面2225 m 高程以下大部分巖體完整性為完整～較完整， 部分巖體完整性為較破碎。巖體的完整性隨著檢測(cè)深度的增加而趨于完整， 這與巖體完整性發(fā)育的空間分布規(guī)律類似。 而較破碎巖體的部位則主要集中于檢測(cè)孔孔口以下1.6～2.4 m的范圍內(nèi)，這是由于在建基面開挖過程中，受爆破擾動(dòng)、開挖卸荷及構(gòu)造密集帶的影響造成的，這亦與地質(zhì)雷達(dá)測(cè)試結(jié)果相吻合。

表1 河床趾板建基面巖體鉆孔波速測(cè)試成果

3.4 建基面巖體工程質(zhì)量分類

河床水平段趾板（X5～X6）建基面2225m 高程，石英片巖（Z1d1-Sc）成層產(chǎn)出，屬于中厚層狀結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)面中等發(fā)育， 壩基地基承載力為2.5～3.5 MPa，可滿足壩基最大壓應(yīng)力要求。 壩址區(qū)石英片巖巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度Rb＞60MPa，屬于堅(jiān)硬巖。表面松弛帶內(nèi)巖體波速Vp為2500～3200 m/s，巖體較破碎；松弛帶以下巖體波速Vp為3500～4900 m/s， 巖體完整性差～完整。

巖體強(qiáng)度較高，抗滑、抗變形性受結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度控制，根據(jù)對(duì)建基面結(jié)構(gòu)面的統(tǒng)計(jì)分析，該處主要發(fā)育陡傾角結(jié)構(gòu)面，斷層帶內(nèi)多石英脈充填，對(duì)壩基變形和抗滑穩(wěn)定影響較小。

通過工程地質(zhì)條件類比，根據(jù)GB 50487—2008《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》中壩基巖體工程地質(zhì)分類， 總體評(píng)價(jià)河床趾板建基面巖體質(zhì)量以AIII2為主， 部分存在受爆破及節(jié)理裂隙密集帶為AIV1級(jí)巖體。 由于面板堆石壩因其對(duì)各種地形及地質(zhì)條件具有較強(qiáng)的適應(yīng)性特點(diǎn)， 對(duì)影響壩基巖體變形和穩(wěn)定的斷層、節(jié)理密集帶、裂隙、巖體松弛帶等，通過清除及固結(jié)灌漿等工程措施予以有效改善，專門處理后，可作為趾板地基［5］。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）河床段水平趾板（X5～X6）2225 m 高程及以下的基巖巖體完整性為完整～較完整，部分巖體完整性為較破碎。巖體以中厚層結(jié)構(gòu)為主，堅(jiān)硬巖，強(qiáng)度高，可滿足大壩建設(shè)要求。

（2）河床段趾板建基面受爆破擾動(dòng)、開挖卸荷及構(gòu)造密集帶的影響， 在建基面以下2 m 左右的范圍內(nèi)巖體較破碎，形成一個(gè)松弛帶，在固結(jié)灌漿和帷幕灌漿后，可滿足大壩建基要求。

（3）研究壩段2225 m 高程的建基面總體巖體質(zhì)量以AIII2為主，工程地質(zhì)條件良好，局部存為AIV1級(jí)巖體，斷層、裂隙、松弛帶等缺陷，專門處理后，可作為趾板地基。

（4）河床段趾板的建基面高程由原設(shè)計(jì)的2219 m高程抬升至2225 m 高程是可行的，河床趾板建基面抬高6 m 后，趾板“X”線由原設(shè)計(jì)位置向下游平移8.4 m， 減少大量石方開挖和回填， 節(jié)約大量工程投資，縮短建設(shè)工期。