新疆小山口水电站工程坝基岩石特性分析与工程措施研究

2010-05-12王保国

电网与清洁能源 2010年8期

王保国

（中国水电十五局，西安 710065）

1 工程地质状况概述

新疆小山口水电站坝址地理坐标：东经85°49′，北纬42°13′，位于天山南麓，距离和静县城约70 km。工程规模为中型，等别为三等，电站设计装机容量49.5 MW。主要建筑物为大坝、表孔溢洪道、坝后电站和尾水渠等。大坝为重力坝与混凝土面板堆石坝混合坝型，总长度1158 m，重力坝段最大坝高46.6 m，面板坝段最大坝高37.6 m。

坝址区分布的地层为新生界第三系中新统N1t地层及第四系堆积物。N1t岩性以泥岩、砂质泥岩为主，局部与砂岩呈互层状，夹砂砾岩。岩体较完整，岩层分布连续，为中厚层状，岩层产状310°～320°NE∠6°～8°，向左岸下游方向倾斜，节理不发育，岩层倾角平缓，坝址区岩石属软岩地层，岩体较完整，构造变动不大，结构面不发育。各种岩层面多为胶结结构面，其层间咬合力较好，在厚层状泥岩中可见有少量的与地层产状一致的节理分布。

N1t地层岩体属软质岩石，饱和抗压强度2.58～2.96 MPa，强度低，抗滑、抗变形性能差，岩石质量指标RQD=35%～50%，根据《水利水电工程地质勘察规范》GB50287-99中附录D（岩土物理力学性质参数表D.0.3）结合附录L（坝基岩体工程地质分类），综合分析认为小山口水电站坝基岩体应属CⅣ～CⅤ类。

2 泥岩、砂岩的物理力学特性

工程初期，设计单位对小山口水电站工程坝基经过地质勘察，对N1t地层泥岩、砂岩岩石特性进行化学分析后，得出的结论见表1。

表1 坝址N1 t岩性特征表

在坝轴线附近进行了多点钻孔，对弱风化到新鲜基岩不同深度进行岩芯取样，经过室内试验得出的成果:砂质泥岩强度低，为软岩，水理性质不良。弱风化岩石饱和状态下抗压强度为1.23～2.58 MPa，软化系数0.28～0.29，抗剪强度C=0.04～0.30 MPa,φ=29°～31.5°；新鲜岩石饱和状态下抗压强度为1.13～2.96 MPa，软化系数0.22～0.3，抗剪强度C=0.03～0.35 MPa，φ=29°～32°。

3 基岩开挖施工措施优化

针对砂质泥岩抗剪强度低、水理性质差和软化系数大等特点，我们经过试验，放弃了传统的钻孔爆破施工工法，在面板坝段趾板基础石方明挖时大胆尝试纯机械开挖方法，获得成功。因此，我们对原施工组织设计基岩开挖工程措施进行了优化，采用反铲裂石器钩松泥岩，反铲装车运输，将19万m3的岩石全部采用纯机械法开挖完成，与传统钻孔爆破方法比较，在施工安全、质量、进度等方面都具有较大的优势，在施工成本控制方面也获得较大的效益。开挖过程中，特别强调做好排水工作，即在基坑上下游首先开挖排水沟，将地下渗水引至开挖线以外的龙头坑，确保岩石开挖工作干地施工（见图1）。

抗风化性能差、抗水性弱的特点，开挖后必须及时采取比较严格的保护措施，本工程采取的措施是：在设计建基面喷射厚度5cm的一级配混凝土，标号C30。在建基面验收之前，应及时排除低洼处的渗水，避免岩石崩解泥化，造成二次开挖清理。

图1 纯机械法泥岩开挖现场

4 混凝土与基岩之间结合面工程措施

1）为了获取混凝土与岩石之间的抗剪强度参数，为混凝土重力坝抗滑计算和面板坝段趾板混凝土抗滑计算提供依据，专门进行了2组混凝土/岩石原位抗剪断试验。试验采用直剪平推法，推力方向平行于河流，试验混凝土块采用三级配，灌筑法浇筑，强度标号为C20。试验最大压力由设计提供，饱水均在20 d以上。另外做了2组混凝土/岩体原位抗剪(断)试验，与砼/岩石原位抗剪断试验进行比较。试验采用直剪平推法，推力方向平行于河流，工程应力0.6 MPa，由设计专业提供，饱水均在20 d以上。

根据试验成果，结合坝址岩体结构形式，岩体弹、变模取0.72 MPa下试验值，并取0.85的折减系数折减后作为建议值；混凝土/岩体的抗剪强度取比例极限强度为标准值，岩体/岩体的抗剪强度取屈服强度为标准值，混凝土/岩体的抗剪断强度取试验值的峰值强度值；岩体/岩体的抗剪断强度取屈服强度为标准值，取0.80的折减系数作为建议值。由此提出坝址区岩体物理力学指标地质建议值见表2，泥岩、砂质泥岩弱风化～新鲜岩石饱和状态承载力建议取350～500 kPa。

表2 坝址岩石(砂质泥岩)物理力学性指标建议值

2）经过计算，面板坝趾板混凝土与基岩之间的抗剪强度不足以抵抗面板混凝土向上游方向的水平推力，因此，采取的工程措施是：在趾板混凝土与岩石之间增加了部分抗剪锚杆，锚杆直径25 mm，纵向设5排，间排距均为1.8 m，长度4.5 m，插入基岩3.8 m，梅花形布置。见图2。

图2 趾板混凝土锚杆和灌浆位置

3）增加接触灌浆：为了增强趾板混凝土与岩石的整体性，设计单位采取了趾板固结灌浆的方法，在趾板上下游各设1排固结灌浆孔，中间1排帷幕灌浆孔。

在固结灌浆的压水试验时，现场发现压力表显示没有压力，压入的水大多从趾板混凝土的上又冒了出来。我们分析原因是：与趾板混凝土接触的泥岩见水后泥化，与混凝土之间不能紧密结合，形成了渗漏通道。假若不能将混凝土与基岩地结合面用灌浆的方法封闭，那么固结灌浆工作将难以进行。因此，经过与设计、监理工程师等现场研究，决定增加接触灌浆这道工序，使趾板混凝土与基岩之间结合成为整体，封闭结合部渗漏通道。

分析研究后，接触灌浆的程序为：首先钻孔50 ～80 cm，钻入趾板混凝土以下10 ～20 cm，然后采用1：3的浓浆对基岩接合面进行分阶段接触灌浆，每灌入30 min，待凝1 h，再灌浆30 min，直至再次灌浆时压力表上能显示0.18 ～0.2 MPa的灌浆压力结束，然后，待凝1 d后再进行固结灌浆。

试验证明：增加接触灌浆工序后，固结灌浆时压力可以上升到试验确定的0.2 MPa的要求，能够顺利达到固结灌浆的目的。

5 混凝土重力坝溢流坝段抗滑工程措施

经过饱和状态的抗剪断试验，微风化泥岩比例极限φ′=31·时C′=0.056 MPa，屈服强度φ′=35°时C′=0.093 MPa，峰值强度φ′=38°时C′=0.156 MPa；抗剪强度φ=34°时C=0.146 MPa。

经过重力坝抗滑稳定性计算，非溢流坝段安全稳定性系数足够，溢流坝段由于与基岩接触面相对较小，加上坝顶溢流时水流震动对坝体形成的动荷载使抗滑稳定安全系数接近下限。因此，设计单位经过反复研究论证，决定在溢流坝段底部增加25个钢筋锚墩桩，直径120 cm，每根锚墩桩内布置32根Φ25的HRB335型钢筋，弥补重力坝混凝土与泥岩基础抗剪强度较低的不足，见图3。