非洲加纳布维水电站基本工程地质条件

陈奇珠,罗志刚

(西北勘测设计研究院,甘肃兰州 730050)

非洲加纳布维水电站基本工程地质条件

陈奇珠,罗志刚

(西北勘测设计研究院,甘肃兰州 730050)

布维水电站工程系加纳国内第二大水电工程。区内岩石坚硬,抗风化能力强,枢纽建筑物地段工程地质条件良好,工程区出露地层主要为下远古界Tarkwaianan统基岩地层及第四系松散堆积物。基岩岩性主要为中粒—粗粒砂岩。

布维;工程;基本工程;地质条件

1 工程概况[1]

布维(BU I)水电站工程位于加纳(Ghana)西部境内的黑沃尔特河(Black Volta River)上,系加纳国内第二大水电工程。电站永久建筑物主要包括:碾压混凝土(RCC)重力主坝,与主坝坝身结合的表孔溢洪道、电站进水口和压力引水钢管,左岸坝后式地面厂房及右岸的副坝1和副坝2。主坝坝顶高程185 m,正常蓄水位183 m时相应水库库容125.7×108m3,总装机3台,装机总容量为400 MW。副坝1(Bungasi Saddle Dam)为心墙堆石坝,最大坝高54 m;副坝2(Bui Camp Saddle Dam)为均质坝,最大坝高9 m。电站属Ⅱ等大(2)型工程。

2 地震活动性及地震动参数

1995年,由法国Coyne ETBellier公司完成本工程可行性研究阶段的工作,对工程区的地震风险性进行了评价。

通过对历史地震资料分析认为:加纳地震多发生在阿克拉(ACCRA)西部的阿克瓦平和近海岸线一带,布维工程处于相对稳定的地块,工程区地震活动主要受外围强震的影响,而发生历史强震的阿克拉地震带和近海岸线地震带距工程区大坝直线距离分别达330 km和375 km。根据1976年编制的加纳地震烈度区划图,布维工程不在地震活跃地带,外围强震波及到工程区的烈度较小。

最大可信地震震级(MCE)约7.3级。在工程区发生最大设计地震(MDE)时,基岩的水平加速度动峰值(PGA)低于0.01g,运行基本地震(OBE)(100年超越概率50%时的震级)等于最大设计地震(MDE),相应的运行基本地震(OBE)时地震水平加速度动峰值(PGA)<0.01g。

3 坝址区基本工程地质条件

3.1 地形地貌特征

坝址区位于黑沃尔特河布维峡谷的中段,峡谷段长约1.2 km。黑沃尔特河总体流向由NW向SE,坝址处河流方向为SE136°～144°。峡谷呈对称U型谷,两岸山体较雄厚,基岩裸露,岸坡顶远高于坝顶高程。平水期河水位为EL.102.16 m高程时,大坝轴线处河水面宽度约127 m,河水深度约为7.65 m。河道两侧冲积低阶地发育,阶地表面高出正常河水位约4～6 m。左岸阶地宽度约为50～100 m,坝轴线部位约为56 m;右岸阶地宽度约40～120 m,坝轴线部位约为66 m。

3.2 地层岩性

地层主要为下远古界Tarkwaianan统基岩地层,以及广泛分布于山麓地带、盆地、河谷和两侧岸坡上的第四系松散堆积物。

基岩岩性:主要为砂岩,枢纽区下游有砾岩夹砂岩分布。砂岩颜色呈灰白—浅粉色,其矿物组成主要为石英,约占80%,其余为云母、高岭石、赤铁矿和长石等,从粒径来看有细粒砂岩、中粒砂岩、粗砂岩以及砾岩夹砂岩。砂岩以中粒—粗粒结构为主,是构成枢纽建筑物地基的主要岩石,细粒砂岩在枢纽工程区分布较少。各种粒径的砂岩交错出现难以一一分开,实际工作中对砂岩和砾岩进行了区分,并把工程区的基岩岩性划分成两个大的单元,即砂岩单元(Ss)和砾岩夹砂岩(Scg+Ss)单元。前者分布在右岸下游大冲沟上游,后者分布在右岸下游大冲沟下游。

3.3 地质构造

主坝址区枢纽建筑物部位,岩层陡倾,基本为陡倾单斜构造,岩层产状为NE35°～72°SE∠62°～68°,平均产状为NE55°SE∠65°,陡倾向下游。坝址区发育断层较少,没有与布维河谷走向一致的顺河断层,仅有5条近NE走向延伸、与河谷近垂直的陡倾小规模断层发育,分别为F1、F2、F3、F4和F5。其中F2和F3切过枢纽建筑物地基,对局部地基的岩体完整性有影响,但影响有限;F1、F4和F5分别出露在枢纽建筑物上、下游较远处,对工程影响甚微。

坝址区主要发育四组典型裂隙:①陡倾角裂隙组(J1):近平行于层面走向发育,走向NE55°～75°,倾向SE(少数NW),倾角65°～85°;②近直立裂隙组(J2):垂直于层面走向发育,走向NW320°～355°,略平行于布维(Bui)峡谷方向延伸,倾向NE(或S W),倾角75°～90°;③中等倾角裂隙组(J3):近平行于层面走向发育,该组裂隙走向NE45°～75°,倾向SE,倾角35°～55°;④缓倾角走向裂隙组(J4):伴随陡倾角裂隙组(J2)发育,该组裂隙走向NW320°～350°,倾向NE(或S W),倾角12°～20°。这些裂隙宽度一般0.5～2.5 mm,多充填岩粉、岩屑等,裂面大多铁质浸染,平直较粗糙。其中第②组(J2)裂隙在整个坝址区形成控制趋势,裂隙发育间距一般60～200 cm,部分>200 cm,局部呈密集带发育,延伸长度多>20 m,尤其沿峡谷两岸裸露的基岩岸坡延伸距离很长,裂隙结构尚紧密,风化轻微,多沿岸坡悬崖形成明显的大光面,是工程潜在的渗漏通道,在帷幕设计时已采用与其大角度相交的斜孔进行帷幕灌浆处理。

3.4 水文地质条件

主坝址区地下水类型按其埋藏条件分为第四系冲积覆盖层孔隙性潜水和基岩裂隙水两大类。孔隙潜水分布在河床中粗粒砂层、岸边冲积阶地的松散堆积层中,由河水和基岩裂隙水补给,排泄于黑沃尔特河;基岩裂隙水赋存、运移于基岩裂隙及裂隙密集带或断层中,主要受大气降水补给,向河床排泄。

根据勘探钻孔的稳定水位观测资料:两岸阶地覆盖层孔隙性潜水的地下水位略高于河水位,基岩裂隙水地下水位远高于阶地孔隙性潜水水位,具有两岸基岩裂隙水补给河水的显著特性。左岸阶地覆盖层潜水位坡降为0.034,右岸为0.045;左岸岸坡外侧地下水位坡降为0.11,右岸为0.13;左岸岸坡里侧地下水位坡降为0.44,右岸为0.26。

据坝址区水质分析试验结果得知,河水、地下水和布维村井水水化学类型均属型,呈现很好的一致性,pH值为6.82～8.03,TDS值为64.9～234.0 mg/L,河水和孔隙性潜水均呈弱碱性,属淡水,对砼无侵蚀性,可以用做施工及生活用水。

通过对钻孔压水试验资料的分析和统计得出:两岸基岩的透水性较差,防渗深度不大,左岸和右岸以透水率(q)≤3 Lu为相对不透水层和帷幕防渗控制标准时,其防渗帷幕的控制深度分别为30 m和40 m,河床部位相对较深,透水率(q)≤3 Lu的控制深度为50 m,个别深部>3 Lu的试验段不影响坝基整体防渗。

3.5 岩体风化

根据坝址区钻孔、平硐地质编录的资料统计:左、右岸强风化层岩体垂直深度分别为0～2.8 m和0～2.9 m,深度有限,且多分布在EL.128 m高程以上,EL.128 m高程以下基本无强风化岩体;左岸中风化层深度2.8～12.45 m,右岸中风化深度2.9～13.5 m,河床基本无强风化,中风化深度0～11.5 m;微风化—新鲜岩体在左岸垂直埋深>12.45 m,右岸垂直埋深>13.5 m,河床垂直埋深>11.5 m。

3.6 物理地质现象

工程区没有滑坡、泥石流、变形体等不良地质灾害。因前述四组构造裂隙非常发育,其中两组陡倾角裂隙分别垂直(J1)和平行于河道(J2),一组中等倾角裂隙(J3),另一组为缓倾裂隙(J4),且前两组陡倾裂隙最为发育。由于受上述四组结构面的组合切割,使主坝区两岸倾倒、卸荷、崩塌等重力地质作用比较显著。在坝址区左岸和右岸均发育有崩坡积堆积体,主要由大块石、碎块石及坡积土等组成,顺河向延伸,在坝轴线上、下游均有分布,厚度在空间上变化较大,具有从坡顶到坡脚、从上游到下游逐步增大的趋势。左岸一般厚度3.0～9.3 m,最大厚度15.0 m;右岸分布厚度1.6～4.7 m,均呈散体状堆积。左岸崩坡积堆积体分布范围和规模较大于右岸,施工期需要对两岸水工建筑物有影响的这些崩坡积堆积物进行清理。

4 坝址区岩体质量特性及岩体工程分级

结合现场试验及室内实验资料,采用中国规范和国际通用的RMR分类方法对布维电站的岩体工程质量进行了分级。其基本岩体质量特性和分级结果见表1。

表1 坝区岩体工程质量分级结果Table 1 Engineering quality classification of rock mass in dam area

5 枢纽建筑物地段工程地质条件及评价

5.1 主坝坝基工程地质条件及评价

(1)左岸坝基 左岸坝基裂隙发育中等,岩体完整性好,岩石中—微风化,强度高,岩质坚硬,灌浆帷幕深度按3 Lu线控制(约30 m)。根据坝基岩体质量分级结果,大坝建基岩体均属Ⅲ-Ⅱ级岩体。Ⅱ级岩体为微风化岩体,属于优良坝基岩体;Ⅲ级岩体为中风化岩体,中风化表部岩体适当挖除(一般1～2 m),中、下部岩体经适当固结灌浆处理可作为坝基岩体;局部存在的强风化Ⅳ级岩体,属不可利用基岩,全部挖除。

(2)河床坝基 河床坝基裂隙发育,岩体完整性中等,岩石中—微风化,强度高,岩质坚硬,灌浆帷幕深度按3 Lu线控制(约50 m)。根据坝基岩体质量分级结果,大坝建基岩体均属Ⅲ-Ⅱ级岩体。Ⅱ级岩体为微风化岩体,属于优良坝基岩体;Ⅲ级岩体为中风化岩体,中风化表部岩体适当挖除(一般3～5 m),中、下部岩体经适当固结灌浆处理可作为坝基岩体;河床区不存在强风化Ⅳ级岩体。

河道中心为一宽约40 m、深度平均约13 m的深槽。槽底基岩顶板高程为EL.78.81 m,覆盖层深度15.7 m,河槽两侧受J2组裂隙切割形成台阶状陡坎与两岸相接。深槽左侧基岩顶板高程为EL.92.23 m,覆盖层深度2.3 m;右侧基岩顶板高程为EL.89.85 m,覆盖层深度4.6 m。施工中应全部挖除河床覆盖层,河槽及其上部表层卸荷及松动岩体,亦应做3～5 m的开挖,即可作为坝基建基面。

(3)右岸坝基 右岸坝基裂隙发育,岩体完整性中等,岩石中—微风化,强度高,岩质坚硬,灌浆帷幕深度按3 Lu线(约40 m)控制;根据坝基岩体质量分级结果,大坝建基岩体均属Ⅲ-Ⅱ级岩体。Ⅱ级岩体为微风化岩体,属于优良坝基岩体;Ⅲ级岩体为中风化岩体,中风化表部岩体可适当挖除(一般2～3 m),中、下部岩体经适当固结灌浆处理可作为坝基岩体;局部存在的强风化带Ⅳ级岩体,属不可利用基岩,全部挖除。

5.2 厂房和尾水渠工程地质条件及评价

发电引水管道与坝体结合,其地质条件与左岸坝基一致。

电站坝后式厂房布置在距坝轴线下游84～108 m之间的左岸阶地上。厂房区建基岩体为中—粗粒砂岩,其上为阶地冲积覆盖层,平均厚度6.0～7.2 m,基岩面相对平整,平均高程EL.100.5 m。岩石单轴干抗压强度72～104 MPa,单轴饱和抗压强度50～87 MPa,岩质坚硬,透水率最大值6.36 Lu,最小值1.4 Lu,均值3.48 Lu,属弱透水岩体,钻孔查明中风化岩体深度5.1～14 m,阶地平面风化较浅,山坡底部较深。厂基大部分置于Ⅱ级岩体,岩石强度高,岩体完整,满足地基稳定和承载的要求。

厂基开挖清除上部阶地覆盖层后,下部基岩开挖最大深度约40 m。边坡开挖后形成高度不大,方向与岩层走向基本直交,利于左、右两侧边坡的稳定,局部由于受平行于开挖面的垂直或高倾角裂隙影响对边坡稳定不利,施工过程中及时采取了有效的处理措施。

尾水渠沿左岸冲积阶地开挖,自尾水闸门起始坡比1∶3、延伸长48 m的反坡,至EL.99.10 m高程结束。阶地覆盖层平均厚6.0～7.2 m,主要有粘土质砂和粉土组成;下部基岩岩性为中—粗粒砂岩,岩面地势平坦,平均高程EL.100.5 m。岩石单轴干抗压强度92～168 MPa,单轴饱和抗压强度69～110 MPa,岩质坚硬,透水率最大值15.33 Lu,最小值0.66 Lu,均值3.93 Lu,属弱透水岩体。钻孔查明中风化岩体深度12.45 m。基础无突出工程地质问题。

5.3 工程开挖边坡稳定性工程地质条件及评价

(1)基岩人工开挖边坡:本工程根据层面裂隙和建筑物轴线的组合关系,将基岩边坡分为三种基本类型,即横向坡、逆向坡和顺向坡。

①两岸坝肩及厂房顺河向边坡(横向坡):岩体层理走向近垂直河道,有利于两岸顺河向开挖边坡的稳定。J1组和J3组裂隙走向也基本与河道垂直,不控制边坡开挖。顺河向近垂直的J2组裂隙和缓倾角J4组裂隙的存在,控制边坡开挖坡角,边坡变形主要以沿J2组裂隙的卸荷和倾倒变形为主,即时锚固是必要的加固措施。

②两岸坝肩及厂房下游边坡(逆向坡):主要受层面和J1组裂隙控制,边坡变形主要以沿层面和J1组裂隙的卸荷和倾倒变形为主,开挖过程中针对此进行了及时有效的加固措施。

③两岸坝肩上游边坡(顺向坡):主要受J1组、J3组裂隙和层面裂隙控制,边坡变形以沿层面和J1组裂隙的单面滑动或J1组与J3组组成的双面滑动为主,有轻微卸荷、倾倒变形。

(2)覆盖层边坡:覆盖层边坡主要由崩坡积物、阶地碎石土等组成,受其厚度限制,一般开挖坡高不超过15 m,基本没有边坡稳定问题。

6 天然建筑材料

本工程需用混凝土骨料毛料约120×104m3,副坝心墙料及围堰防渗土料约14×104m3。工程区内缺乏天然砂砾石料,堆块石料及土料储量丰富,质量好,运距近,开采运输条件方便。经详查优选土料产地2处,计算有用总储量达874.6×104m3。堆块石、人工骨料重点选用右岸UQ319料场,有用储量总计384.2×104m3。

试验研究表明:土料均为非分散性土,除粘粒含量、塑性指数偏低外,其他各项指标基本符合要求,可作为防渗土料。但因天然含水量与最优含水量之间的差值较大,需人工加水至最优含水量。块石料岩石强风化不深,大多呈中风化,深部岩石新鲜完整,岩块的整体强度能够得到保证,砂岩的洛杉矶磨耗损失值满足要求,可以作为堆(块)石、混凝土人工骨料的料源。

7 结语

加纳布维水电站区域稳定条件好,工程区不处在地震活跃地带,外围强震波及到工程区的烈度较小,基岩的水平加速度动峰值(PGA)低于0.01g。枢纽各建筑物基础岩体完整性好,岩石呈中—微风化,强度高,岩质坚硬。开挖边坡无突出边坡稳定问题。土料、堆(块)石、混凝土人工骨料储量丰富,质量好,满足要求。该工程整体工程地质条件良好。

[1] 西北勘测设计研究院.加纳布维(BU I)水电站工程最终设计报告[R].西安:西北勘测设计研究院,2009.

(责任编辑:于继红)

Basic Engineering Geological Conditions of BUI Hydropower Station

CHEN Qizhu,LUO Zhigang
(Hydrochina X ibei Engineering Corporation,Lanzhou,Gansu730050)

BU I hydropower station is the second largest project in Ghana.Rock in the project area is hard,whose antiweathering ability is strong.Engineering geological conditions of the main hydro structures are good.The for mationswhich have been exposed in the project area include rocks of Proterozoic era Tarkwaianan along with the Quaternary loose deposits.Bedrock ismedium-coarse grained sandstone.

BU I;project;basic engineering;geological conditions

TV741

A

1671-1211(2010)05-0466-04

2010-07-01;改回日期:2010-08-30

陈奇珠(1973-),男,高级工程师,水文地质与工程地质专业,从事工程地质工作。E-mail:CQZQS@163.com