某水电站特高混凝土重力坝建基面选择

杨友刚, 邓争荣, 吴树良, 张少锋, 程方权, 尹　卫

(长江岩土工程总公司(武汉),湖北 武汉　430010)

0　引言

水电工程建设中对混凝土重力高坝而言,理想的建基岩体为Ⅰ类或Ⅱ类岩体[1]。但随着水电开发的不断推进,除已建和在建的水电站工程外,在水能资源蕴藏丰富的大江大河上进行可开发的水电工程,建设混凝土高坝,特别是200 m级及以上的混凝土特高坝,选择既技术可行、又经济合理的理想建基岩体的坝址愈加困难。

某水电站水库总库容约398亿m3,电站装机容量7 000 MW,为Ⅰ等大(1)型工程。枢纽工程由挡水建筑物、泄洪建筑物、引水发电系统等主要建筑物组成,其中,挡水建筑物设计为碾压混凝土重力坝,设计坝顶高程401 m,最大坝高241 m,两岸为非溢流坝段,中部河床部位为溢流坝段。由于该水电站坝址区工程地质条件复杂,建坝岩体受溶蚀风化、卸荷作用等因素影响,Ⅱ类岩体埋深大,利用其作为大坝建基岩体,虽然技术上更安全可靠,但是经济上不甚合理。因此,能否利用Ⅲ类岩体,以及如何利用Ⅲ类岩体,选择合适可行的大坝建基面,是本水电站工程需解决的重点关键技术问题之一。文中主要叙述建坝岩体地质特征、坝基岩体工程地质分类及主要物理力学性质、大坝建基面选择,研究成果可供类似工程参考。

1　工程地质概况

某水电站场址处于区域构造稳定性相对较好地区,近场区及场址区无活动断裂通过。工程场址50年超越概率10%基岩水平地震动峰值加速度为145.4 cm/s2,场址区地震基本烈度为Ⅶ度。

坝址区属于构造剥蚀中低山、河流侵蚀及局部岩溶地貌区,主干河流S江自NW-NNW流向SSE,与基岩地层走向近于正交,属横向河谷。河谷呈较狭窄的“V”型,岸坡地形陡峻,两岸临江坡顶高程550～600 m,河床高程188～228 m,枯水位211 m左右。

坝址区零散分布第四系崩(坡)积层、残坡积层和冲积层,其中第四系崩(坡)积层、残坡积层分布于岸坡,崩(坡)积层厚度5～40 m；残坡积层厚度3～10 m；第四系冲积层分布于河床,厚度15～32 m。基岩地层为古生界石炭系下统(C1s)浅变质岩,主要为变质碳酸盐岩,相间分布板岩、变质砂岩等变质碎屑岩。碳酸盐岩为结晶灰岩夹大理岩,多呈薄层夹中厚层。

基岩地层总体走向40°～70°,倾向SE(下游),倾角以50°～85°为主,低高程部位倾角陡,高高程部位倾角变缓。主要构造形迹为断层(含层间挤压构造带、裂隙性断层)和裂隙。

建坝岩体为结晶灰岩夹大理岩,属可溶岩。地表岩溶主要表现为溶沟、溶槽、溶缝、岩溶漏斗等,地下岩溶形态主要表现为溶缝(隙),尚未发现大规模岩溶系统。岩溶(溶蚀)强度总体上弱—中等,局部溶蚀较强。岩体溶蚀风化程度总体上可划分为强溶蚀、中等溶蚀、弱溶蚀、微溶蚀。可溶岩强溶蚀岩体铅直厚度及水平深度<10 m；中等溶蚀岩体铅直厚度<30 m；弱溶蚀岩体下限岸坡铅直深度一般<185 m、河床铅直深度一般<60 m。

坝址区地下水按赋存条件可划分为孔隙水和基岩裂隙水,主要接受大气降水的补给,以孔隙、裂隙及岩溶缝隙为径流通道向沟谷和S江河床运移,最终向S江排泄。基岩岩层中,变质碳酸盐岩层为相对透水层,变质碎屑岩层为相对隔水层,且相间分布,属横向河谷层状水文地质结构。相对隔水层两岸地下水埋深相对较浅,一般<55 m,相对透水层岩体地下水在其各自层间运移、排泄的通道顺畅,地下水位低平,埋深大。

坝址区河谷为狭窄横向谷,两岸岸坡地形陡峻,碳酸盐岩岩体卸荷作用明显。根据其卸荷程度,将其划分强卸荷带、弱卸荷带,其中弱卸荷带可进一步划分为弱卸荷上带、弱卸荷下带。强卸荷带水平深度一般15～40 m；弱卸荷上带水平深度一般50～85 m；弱卸荷下带水平深度一般65～110 m。

2　建坝岩体地质特征

建坝岩体为薄层夹中厚层结晶灰岩夹大理岩[2-3],岩层陡倾下游,坝址可利用建坝层位水平宽度400～500 m,能满足大坝方案布置需要。但河谷岸坡地形陡峻,建坝岩体卸荷拉张作用明显,加之属可溶岩,岩体溶蚀风化作用明显。岩体受到溶蚀风化及卸荷等影响后,岩体强度降低,抗变形能力减弱,完整程度变差。以下重点论述建坝岩体溶蚀风化及卸荷特征。

2.1　溶蚀风化特征

建坝岩体风化主要表现为溶蚀风化,岩溶的发育受岩性及结构面影响明显,总体上大理岩的溶蚀程度强于结晶灰岩；岩溶发育的方向主要受层面及构造结构面控制；岩溶发育强度总体上由浅部向深部逐渐减弱，由近岸向远岸深部逐渐减弱。根据地表调查、钻孔及勘探平洞揭露可溶岩裂隙溶蚀率、溶蚀结构面间距、溶蚀宽度、岩体波速、透水率等,将建坝岩体溶蚀风化程度划分为强溶蚀、中等溶蚀、弱溶蚀及微溶蚀[4-6],其工程地质特征见表1。钻孔及平洞揭示不同溶蚀风化程度岩体主要指标特征见表2。

表1　建坝岩体溶蚀风化程度划分工程地质特征

表2　建坝岩体溶蚀风化程度钻孔、平洞主要指标特征

由表可知,建坝岩体微溶蚀埋深较大,弱溶蚀岩体比微溶蚀岩体RQD、纵波速明显降低,且其裂隙溶蚀率明显提高,溶蚀结构面间距明显变小,透水率明显增大。综合分析认为,建坝岩体岩溶(溶蚀)强度总体上弱—中等,局部溶蚀较强。

2.2　卸荷特征

坝址河谷岸坡地形陡峻,建坝岩体卸荷作用明显。根据地表调查、钻孔及勘探平洞揭露的卸荷岩体中顺坡向结构面间距、卸荷裂隙间距、岩体块度、岩体声波纵波速、透水性等,可将建坝谷坡岩体划分为强卸荷带、弱卸荷带,其中弱卸荷带可进一步划分为弱卸荷上带、弱卸荷下带。其岩体卸荷带划分工程地质特征见表3。根据平洞、钻孔及物探资料综合分析,建坝谷坡岩体卸荷带平洞、钻孔主要指标特征见表4。

表3　建坝谷坡岩体卸荷带划分工程地质特征

表4　建坝谷坡岩体卸荷带平洞、钻孔主要指标特征统计

由表可知,建坝谷坡岩体卸荷带水平埋深较大,卸荷带岩体较未卸荷岩体RQD、声波纵波速值明显降低,且其顺坡向结构面间距、岩体块度明显减小,透水率明显增大。建坝谷坡岩体卸荷水平深度具备随高程降低而减小的变化特征,但地形两面临空的谷坡部位其水平深度会相对增大。

根据勘探及试验研究,建坝岩体受溶蚀风化及卸荷作用影响后,岩石饱和单轴抗压强度25～65 MPa,以中硬岩为主,岩体纵波速2 800～5 000 m/s,岩体主要呈薄层夹中厚层状结构,结构面中等发育、局部发育,岩体完整性系数0.35～0.72。岩体的溶蚀风化及卸荷皆具有随深度(铅直深度或水平深度)增大而明显减弱的趋势,亦即其岩石强度、工程性状分别随深度增加而提高、变好。根据钻孔、平洞等勘探揭示,受溶蚀风化和卸荷作用影响较小或未受影响的岩体,铅直埋深较大,左岸岸坡部位74～173 m，河床部位40～75 m，右岸岸坡部位62～185 m。

3　坝基岩体工程地质分类及主要物理力学性质

3.1　工程地质分类

根据本水电站建坝岩体溶蚀风化、卸荷特征,并结合岩石(体)物理力学性质、岩体完整程度、结构面状况等,对坝基岩体进行工程地质分类,分类原则为[5-6]：

(1)岸坡部位：强卸荷带岩体及中等溶蚀岩体为ⅣB类；弱卸荷上带岩体为Ⅲ2B类；弱溶蚀岩体埋深一般比弱卸荷带下限埋深大,弱卸荷下带及弱溶蚀岩体为Ⅲ1B类；微溶蚀且受弱卸荷影响岩体为Ⅲ1A类；微(未)溶蚀且未卸荷岩体为ⅡA类。

(2)河床部位：河床部位岩体主要受溶蚀风化影响,浅表弱溶蚀偏中等溶蚀程度岩体为Ⅲ1B类,以下弱溶蚀岩体为Ⅲ1A类,微(未)溶蚀岩体为ⅡA类。

(3)岩体中局部存在囊状溶蚀风化加强现象,主要呈中等溶蚀程度,将其岩体类别划分为ⅣB类。

坝基岩体工程地质分类特征见表5。

3.2　主要物理力学性质

按照坝基岩体工程地质分类,以室内岩石物理力学性质试验成果、岩体及结构面现场原位力学性质试验成果为基础,据工程地质类比,将坝基岩体主要物理力学性质参数建议值列于表6。

表5　坝基岩体工程地质分类特征

表6　坝基岩体工程地质类别及主要物理力学性质参数建议值

4　大坝建基面选择

在工程实践中,就岩体本身而言,建基面选择需实际考虑的因素比较单一,比如建基岩体卸荷作用不明显,主要考虑岩体风化,或者岩体风化作用弱,主要考虑岩体卸荷等情况,大坝建基岩体的选择相对简单且更容易。然而,该水电站建坝岩体溶蚀风化及卸荷作用均明显,且微(未)溶蚀及未卸荷岩体埋深皆大,因此,必须将此两因素同时考虑,彼此兼顾,才能选择合适可行的大坝建基面。

根据对建坝岩体溶蚀风化、卸荷特征研究及坝基岩体工程地质分类,并结合大坝工程要求、技术经济等综合分析,对该水电站大坝建基面选择认识如下：

(1)微(未)溶蚀且未卸荷ⅡA类岩体,是本特高混凝土重力坝理想的建基岩体,但是,该类岩体埋深大,左岸岸坡部位74～173 m、河床部位40～75 m、右岸岸坡部位62～185 m。利用该类岩体作为建基岩体,虽然技术上更安全可靠,但是经济上不甚合理,因此,研究受溶蚀风化及卸荷作用影响的Ⅲ类岩体的利用问题,并选择合适可行的大坝建基面,是本工程需解决的重点关键技术问题之一。

(2)根据不同类别岩体对不同坝高的适宜性,弱卸荷下带及岸坡部位弱溶蚀Ⅲ1B类为主岩体、河床部位Ⅲ1A类岩体可以作为大坝建基岩体,但需考虑基础加固处理措施。

(3)对于坝高相对较小的部位,岸坡弱卸荷上带和浅表弱溶蚀下部Ⅲ2B类岩体,经基础加固处理后,可考虑予以利用。

(4)岸坡强卸荷带和中等溶蚀ⅣB类岩体,不宜作为大坝建基岩体。

(5)大坝建基Ⅲ类岩体中局部分布的透镜状中等溶蚀ⅣB类岩体,对大坝变形等不利,需采取掏挖置换混凝土等工程处理措施。

大坝设计坝顶高程401 m,最大坝高241 m。根据以上大坝建基面选择认识,结合大坝工程要求和各类岩体对不同坝高的适宜性,可得出大坝建基面选择[7]：河床部位高程211 m以下,建基面可置于Ⅲ1A类岩体上,对应坝高190～241 m,建基面最低高程160 m；两岸岸坡部位建基高程211～331 m间,建基面可置于Ⅲ1B类岩体上,对应坝高70～190 m；两岸岸坡部位建基高程331～401 m间,建基面可置于Ⅲ2B类岩体上,对应坝高<70 m。

本水电站大坝建基面河床溢流坝段部位岩体主要为Ⅲ1A类,少量为ⅣB类岩体；岸坡非溢流坝段部位岩体主要为Ⅲ1B类,坝端与岸坡连接部位少量为Ⅲ2B类岩体。大坝建基面中Ⅲ1A类、Ⅲ1B类、Ⅲ2B类、ⅣB类岩体面积分别占坝基总面积的58.9%、37.6%、2.4%、1.1%；在大坝轴线上,Ⅲ1A类、Ⅲ1B类、Ⅲ2B类岩体分布长度分别占坝轴线总长的32.8%、60.1%、7.1%(图1)。

图1　坝基岩体工程地质分类平(剖)面图

大坝建基岩体中,Ⅲ类岩体浅部经基础加固处理,局部分布的透镜状Ⅳ类岩体经掏挖置换混凝土等工程处理措施后,设计对该水电站坝基稳定应力进行了分析计算,据结果,各工况下坝基稳定能满足设计及规范要求[7-8],具备建设200 m级特高混凝土重力坝的条件。

5　结语

通过对某水电站特高混凝土重力坝建坝岩体工程地质和大坝建基面选择研究,可以得出以下几点结论：

(1)ⅡA类岩体埋深大,利用其作为建基岩体,虽然技术上更安全可靠,但是经济上不甚合理,需研究Ⅲ类岩体利用问题。

(2)大坝河床部位高程211 m以下,建基面置于Ⅲ1A类岩体上,对应坝高190～241 m,建基面最低高程160 m；两岸岸坡部位建基高程211～331 m间,建基面置于Ⅲ1B类岩体上,对应坝高70～190 m；两岸岸坡部位建基高程331～401 m间,建基面置于Ⅲ2B类岩体上,对应坝高<70 m。

(3)建基岩体中,Ⅲ类岩体浅部经基础加固处理,局部分布的透镜状Ⅳ类岩体经掏挖置换混凝土等工程处理措施后,坝基稳定应力分析结果表明,能满足设计及规范要求,具备建设200 m级特高混凝土重力坝的条件。

(4)本水电站碾压混凝土重力坝最大坝高241 m,选择合适可行的Ⅲ类为主的岩体作为大坝建基面,实现技术上可行,经济上合理,有着非常的工程意义,研究成果可供类似工程参考。

参考文献：

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