英布鲁水电站坝基软岩特性及关键工程地质问题

2011-07-24袁宏利边建峰韩治国

水利水电工程设计 2011年4期

袁宏利边建峰韩治国赵秋

英布鲁水电站工程位于刚果共和国境内刚果河一级支流莱菲尼河下游,其坝基分布有一套巨厚的白垩系陆相沉积砂岩,系由不同厚度含有薄层、中厚及厚层沉积层理结构的胶结不良软弱砂岩组成,岩层产状近水平,无构造断裂、褶皱和裂隙发育。坝基软弱砂岩、强透水性及其渗流稳定问题以及当地筑坝材料的填筑特性,是工程3大关键地质问题。

1 软弱砂岩的工程地质特性

1.1 软弱砂岩的物质组成

英布鲁坝基软弱砂岩主要矿物成分为石英,含有少量长石等。中、细砂颗粒均匀,磨圆度好,多呈孔隙式点接触弱胶结,长石多已风化,孔隙内可见高岭土团粒,局部胶结物中含有少量硅质。岩石孔隙发育,质地疏松。结构破坏后,在松散砂状态下,孔隙内的高岭土物质呈白色絮状胶体析出并沉淀,含量为1.46%～2.15%。

软弱砂岩物性指标 (见表1)表明,其成岩程度很低。其特殊之处在于,砂岩干燥后并不发生整体崩解,而且吸水率还稍有降低；砂岩干燥浸水后表面砂粒脱落现象明显,达3.64%～4.32%,属于不可逆的弱中等胶结砂岩。化学分析其易溶盐含量低,为HCO-3-Ca2+型。由于地下水具有较强的水交替作用和弱酸性,为长石颗粒的高岭石化作用提供了条件。而CaCO3含量低(0.13%～1.65%),致使砂岩的钙质胶结作用微弱。矿物鉴定结果也表明,砂岩孔隙内的高岭土团粒即是其结构破坏后粒径小于0.074 mm的白色析出物,为弱结晶的高岭石。其中普遍含有分散的石英细粒,系高岭石形成过程中产生的自生石英。砂岩中普遍缺少长石,其原因是长期在弱酸性地下水交替环境下,原砂岩中少量长石已转化(蚀变)为高岭石{Al2Si2O5(OH)4}。其中的蛋白石脱水后转化为石英,此外,还有微量方解石 (CaCO3)。

表1 砂岩胶结程度及化学分析结果

1.2 岩体结构及质量特征

软弱砂岩孔隙发育,其连续沉积厚度巨大,由厚度普遍在1～2 m以上的近水平岩层组成。岩层近水平层面节理和交错层理面节理构成了坝基岩体主要的一组结构面,形成特有的孔隙-层面节理岩体介质。

考虑坝基岩体工程地质特性,将其自下而上分为3层,即①由薄层沉积层理构成的层状软弱砂岩(K2i-l),总体表现为强透水性；②由中层—厚层沉积层理构成的厚层状软弱砂岩 (K2i-2),呈中等—强透水性,渗透性相对较均匀；③由薄层沉积层理构成的层状软弱砂岩 (K2i-3),呈中等—强透水性,渗透性不均匀。

按坝基岩体结构的差异,可分为三大层两种类型,其中,第②层沉积层理较厚,胶结程度和完整性相对较好；第①、③层沉积层理薄,胶结程度和完整性相对较差。第③层软弱砂岩顶部为全—强风化层,一般厚5～8 m,呈风化砂状,沉积层理结构已不明显；而中下部岩体风化程度微弱；第②、①层软弱砂岩岩体新鲜。三大层砂岩在物质组成、胶结形式上基本相同,岩体组成相对较均匀,局部地段三层间的界线不明显,呈逐渐过渡状态。

依据岩体结构特征及其工程地质特性,可将坝基工程岩体质量等级划分为两大类3个亚类(见表2)。

表2 坝基工程岩体质量分级表

1.3 岩体物理力学特性

坝基岩体干密度在2.0 g/cm3左右,孔隙率在25%左右,单轴抗压强度一般小于5 MPa,具有高孔隙率、低密度的特征,相应的抗压强啡也较低；但岩体相应的变形模量指标并不低,一般在1 GPa左右,并且弹模和变模指标相差较小,反映出岩体的 “脆性”特征。抗剪试验表明此类岩体具有较高的抗剪强度；而载荷试验也反映,在工程要求的试验压力下,岩体均处于弹性变形状态,表现出较高的承载力和抗变形能力。此外,声波速度与岩体质量之间具有较好的相关性。基于岩体质量特征及其物理力学特性,给出表3所列设计参数建议指标。

表3 坝基岩体物理力学性质指标建议值表

1.4 岩体渗透特性

工程所在巴泰凯高原区广泛分布着巨厚的砂性土及白垩系软弱砂岩地层,其透水性和含水条件较好。巨厚砂岩沉积不存在理论上的隔水层,而且砂岩结构疏松,孔隙非常发育,实际上是一种以孔隙为主的 (n=25%)含有层面节理的孔隙-层面节理介质,无论从岩体质量抑或是其渗透性来看,都可认为是一种相对均匀的岩体,亦即整个巨厚砂岩沉积层是一个统一的孔隙地下水系统 (单元)。

地下水赋存状态主要表现为孔隙潜水和孔隙-层面节理潜水两种形式。砂岩成岩程度差,孔隙及层面节理发育,成为地下水的良好储存和径流介质；不同层位或不同地段的软弱砂岩,其岩体透水性存在一定差异,尤其是岩层在水平方向和垂直方向上存在的渗透各向异性,造成地下水在局部地段形成层间微弱承压现象。坝基砂岩三大层位的划分表明其在渗透性上存在一定差异,但进一步划分至更小层位,即更细的沉积层理结构层次上,其差异已不明显,亦即岩层不存在相对 “透水层”和 “隔水层”。其 “渗透性差异”现象与通常的“承压水”概念有所不同。

2 坝基岩体利用及工程处理措施

2.1 建基面选择与清基标准

土坝段坝基岩体一般胶结程度较差,岩层表部风化程度较高,强透水性及其可能发生的渗透变形破坏是最主要的工程地质问题。土坝段清除了上部全—强风化软弱砂岩,建基面位于完整第③层砂岩(见表2),实测纵波速度值一般大于1 700 m/s。而混凝土坝段从坝工结构要求上已大部分置于第②大层砂岩,岩体质量较好,关键是避免人为因素在岩体渗透变形破坏方面产生影响,建基面验收实测纵波速度值一般大于2 000 m/s。

2.2 坝基渗流控制

现场和室内渗透试验结果及地质分析认为,由于岩体具有中等—强透水性,除②层软弱砂岩和③层中下部软弱砂岩等具有一定的抗渗透破坏能力外,包括③层上部5～8 m全—强风化岩体、③层中部部分软弱砂岩在内的岩 (土)体,均可能存在不同程度的渗透破坏问题。坝体填筑后,可将运行状态的包括坝体和坝基岩体在内的 “工程-地质体”概化成一个 “二元渗透结构”地质模型 (图1)。从坝基岩体质量特性及渗透地质模型看,分布高程位于275～260 m之间的第②层软弱砂岩垂向透水性相对较弱,若考虑垂直防渗措施,帷幕下限应不低于高程265 m。高程260 m以下第①层软弱砂岩属强透水性,并且与库水联系较弱,因此,不宜揭穿第②层进入该层。

由于软弱砂岩结构较均匀并且颗粒之间处于弱胶结状态,其破坏形式一般为处于临空面时发生的溯源方向的流土破坏,基坑开挖过程中边坡渗水形成的孔洞以及钻孔涌水造成的孔壁坍塌等破坏,均属于此类现象。

图1 坝体填筑后 “工程-地质体”概化渗透模型

为确定坝基防渗设计方案,就坝基设置不同深度帷幕对坝体和坝基渗漏量及渗流比降的影响进行了分析计算。从结果看:防渗帷幕对坝基渗流影响很小；坝基设置不同深度的帷幕对渗漏量及出逸比降影响很小；考虑坝体及坝基材料渗透各向异性后,在相同的上、下游水位条件下,坝体及坝基内渗流场有所变化。

基于宏观水文地质条件及渗流分析认为,坝基岩体实际上不存在明显相对弱或不透水的边界,因此,垂直防渗深度即使达到1倍坝高以上,仍然是“悬挂的”,其效果还不如将②层考虑成 “相对弱透水层”。为充分利用坝基岩体水文地质特性,在渗流控制工程措施上,应加强坝基上游水平防渗,加大渗径,可不设置垂直防渗或仅设置进入第②层上部的垂直防渗帷幕,并取消下游排水措施。

2.3 坝基岩体灌浆特性

对于坝基岩体防渗灌浆的可行性及其效果,通过灌浆试验的进一步验证,得出如下结论:坝基岩体属孔隙介质,从透水性角度看,岩体孔隙率高达25%,透水性较强；但从水泥灌浆的角度看,岩体孔隙则较小,结构较紧密,浆液扩散半径非常小,采用普通水泥灌浆方法将不能达到防渗目的。另一方面,由于开挖卸荷回弹、地下水向基坑临空面渗流作用以及人为作用等因素,坝基浅部岩体局部产生层面裂隙,因此,坝基固结灌浆措施是必要的,其在强化浅部岩体完整性的同时,也有利于提高被扰动岩体的抗渗变能力。

3 坝体填筑材料的试验研究

考虑当地材料、现场施工条件和工程造价,将上游为林中空地土料 (距坝址7 km)、下游为坝基开挖砂料的二分区土坝结构调整为三分区结构,即上游和下游坝体为坝址附近土料或坝基开挖砂料,心墙和上游坝体的底部为林中空地 (防渗)土料,从而大大减少了林中空地土料的填筑用量,降低了雨季对防渗土料施工的影响。当地材料坝所用林中空地 (防渗)土料、坝基开挖砂料及左岸砂类土料填筑特性如下:

(1)林中空地土料粒径多集中在0.05～0.2 mm区域,黏粒含量11.3%～17.9%,为轻壤土或砂壤土。天然含水率9.7%～16.5%,较最优含水率高2%～3%。含水率控制在9%～13%,铺料厚度40 cm和50 cm分别碾压8遍和10遍后,最大干密度可达到1.95 g/cm3,其物理力学指标可满足设计要求。

(2)坝基开挖砂料粒径多集中在0.075～0.5 mm区域,偏细,为级配不良的中细砂。含水率控制在7%～12%,铺料厚度60 cm碾压8遍后,最大干密度可达到1.85 g/cm3,除颗粒偏细外,其它指标满足设计要求,但不适于坝体水下区域。

(3)左岸砂类土料粉粒含量0.20%～5.80%,黏粒含量1.2%～2.5%,粒径多集中在0.1～0.5、2～20 mm两个区域,为含细粒土砂,可替代大部分坝基开挖砂料,除渗透性偏弱外,其它指标满足质量要求。

针对上述不同材料特性,进行分区设计:防渗土料用于心墙和上游坝体的底部,左岸砂类土料用于上游区和下游区水下部分,坝基开挖砂料用于下游区水上部分。为提高上游区左岸砂类土料的透水性,利用透水性较好的坝基开挖砂料设置适当的水平排水层。这样,分区使用的土料均能满足设计要求。各土料物理力学参数建议值见表4。