官地水电站重力坝坝基利用弱风化岩体的实践

常祖平，童 伟，高晓梅，刘 洋

(中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，四川成都 610072)

1 前 言

重力坝坝基岩体是存在于一定环境中的地质体，其形成和发展经受过地质历史时期各种内外动力地质作用的改造和影响。岩体风化是重力坝坝基存在的主要工程地质问题之一，风化的程度一般自地表向深部衰减，但并无截然划分的界限［1］。但对重力坝坝基而言，弱风化岩体的利用恰当与否，直接涉及到建基面的选择及开挖深度的确定，从而影响工程的安全与经济性。

2 关于重力坝坝基岩体利用的认识

重力坝坝基岩体利用的确认涉及的专业较多，影响因素较复杂，不仅与工程地质的实际状况、工程规模与建筑物型式等客观条件有关，同时也与设计人员水平、岩体力学的测试技术水平及施工开挖工艺等主观条件相关。有人统计了前苏联、美国、法国等12个国家46座混凝土坝的基岩开挖量VR与混凝土量VC的比值关系，其中比值在50% 以下有33座，占工程总数的71%;大于100%者仅5座，占工程总数的11%;一般坝基开挖量为混凝土量的20%～50%较多。我国对部分混凝土重力坝也作了类似的统计，开挖量所占比例较大，均超过50%［2］。随着工程地质查勘技术的提高，岩石力学的发展和坝工技术的进步，对重力坝坝基岩体的利用标准和开挖深度的认识已有明显的变化，总的趋势是对坝基岩体质量的要求有所放宽，尽量减少坝基开挖，优先考虑以处理措施代替深挖［3］。

工程实践表明，不同风化程度的岩体具有不同的工程地质性质。弱风化带是一个由工程性质较差的碎裂结构到较好的块状结构岩体的过渡带，其上下部仍有较大差别。一般弱风化带下部岩体中结构体呈“硬性接触”，裂隙交接处为半坚硬棱角状，岩体强度受裂隙面粗糙度和起伏差影响，而且可以通过一定的工程处理措施提高其力学强度。

弱风化带的特点是未风化岩体在铅直方向上连续分布，裂隙两侧风化蚀变带的形变效应主要表现在未风化岩体的侧向形变方面［4］。因此弱风化带的总体形变受控于未风化岩体形变，而渗流条件受控于风化蚀变带。所以弱风化带岩体能否作为坝基，控制条件首先应该是渗流条件而不是形变条件，只要防渗条件得到满足，弱风化带岩体是可以利用的。

通过大量工程实践和理论研究，坝基风化岩体的利用研究已经取得了一定的经验和成果，特别是弱风化带岩体的利用。如三峡大坝已部分利用弱风化下部岩体;二滩工程直接利用弱风化下部岩体，弱风化中部岩体适当处理后利用，弱风化上部岩体经加固处理后局部利用［5］。

3 官地电站坝基弱风化岩体利用实践

3.1 工程概况

官地水电站位于四川省凉山彝族自治州西昌市和盐源县交界的打罗村境内，是雅砻江卡拉至江河口河段水电规划五级开发方式的第三个梯级电站，电站主要任务是发电，水库正常蓄水位1 330.00m，总库容7.6亿m3，装机容量2 400MW。挡水建筑物为碾压混凝土重力坝，最大坝高168m。官地水电站工程等别为I等工程，工程规模为大(1)型，大坝为Ⅰ级建筑物。

坝址区地质条件主要有以下特点:

(1)区域地壳相对稳定，地震基本烈度为Ⅷ度。

(2)岩质坚硬。枢纽区基岩主要由二叠系上统玄武岩、角砾集块熔岩(P2β51)，中～厚层状角砾集块熔岩，灰绿色，坚硬，角砾集块结构，块状构造。岩质坚硬，平均湿抗压强度170MPa，弹性模量80～100GPa。

(3)断裂构造发育。坝址区呈单斜构造，岩层总体产状近SN/W∠75°～85°，为横向河谷。因受多期构造运动的影响，坝区断裂构造极为发育，主要表现为断层、错动带及节理裂隙系列。

3.2 坝基岩体风化特征

官地水电站枢纽区主要为坚硬的玄武岩，岩石自身抗风化能力较强，风化作用主要沿节理裂隙、构造错动带及断层扩展，以裂隙式风化或夹层状风化为主要特点，在浅部如有断层发育或裂隙密集带，风化作用强烈，多呈全强风化。风化作用在空间上很不均一，但总体而言，由表及里，岩体风化由强变弱，风化夹层出现的机率减小。

河床基岩风化较弱，仅局部存在强风化层夹层，其中全强风化下限垂直深度5.30m;弱风化上段下限垂直埋深5～36m;弱风化下段下限垂直埋深5～41.7m。坝区岸坡下部左岸局部可见强风化，其下限水平深度17.8m，弱风化上段下限20～29.3m，弱风化下段下限45～48m:右岸仍在局部段见强风化，下限水平深度约25m，弱风化上段下限变化大，为6～97m，弱风化下段下限18～106m。岸坡中部左岸全强风化下限水平深度10.5～23m，弱风化上段下限36～60m，弱风化下段下限61～109m;右岸全强风化下限水平深度16～30m，弱风化上段下限18～79m，弱风化下段下限36～79m。岸坡上部左岸全强风化下限水平深度0～52.3m，弱风化上段下限36～77.5m，弱风化下段下限43～105m;右岸全强风化下限水平深度10～20m，弱风化上段下限38.3～91.5m，弱风化下段下限38.3～127.5m。

总体上官地水电站坝址区岩体风化高程效应比较明显，随高程的增加风化作用加强，深度增大。风化作用除受地形、岩性及水文地质条件的影响外，主要受构造的控制。根据官地电站岩体风化特征可将其划分为五种类型，即全强风化、弱风化上段、弱风化下段、微风化～新鲜岩体以及风化夹层。

3.3 坝基岩体的分类

结合官地水电站坝基岩体的风化、卸荷的实际特征，为了充分利用坝基弱风化岩体，对坝基岩体分为5类，其中Ⅲ类岩体分为3个亚类，全强风化岩体、强卸荷的弱风化上段岩体为Ⅴ类;弱卸荷的弱风化上段岩体为Ⅳ类;弱卸荷、弱风化下段岩体夹次生夹泥为Ⅲ3类;弱卸荷、弱风化下段岩体为Ⅲ2类、无卸荷的弱风化下段为Ⅲ1类;微新岩体一般为Ⅱ类。

3.4 坝基利用岩体的选择

根据重力坝设计规范［4］的要求，结合官地水电站坝址区风化卸荷特征，在满足坝体结构稳定应力的要求下，充分利用弱风化带岩体以减少开挖量，确定建基面的开挖原则为:坝高超过100m的坝段将大坝基础置于Ⅱ类和Ⅲ1类岩体上;坝高在50～100m之间的坝段，大坝基础置于Ⅲ2类岩体或Ⅲ3类岩体上;坝高低于50m的坝段仅坝肩个别坝段，大坝基础置于Ⅲ3类或Ⅳ类岩体上。

坝基开挖阶段，根据坝体结构开挖坝段的要求，开挖各个坝段的坝基岩体类别及岩体质量评价见表1，各坝段不同岩体类别百分比统计见表2。

根据表1和表2的坝基岩体类别的分布情况，对照建基面的确定原则可知，官地水电站坝基大于100m的部分坝段，开挖揭示出的岩体局部为Ⅲ2类，不满足建基面的岩体要求。分析原因所在，局部为Ⅲ2类岩体的范围大都是软弱结构面分布比较密集的部位，如8号坝段坝基开挖后揭示的岩体分类(见图1)。从图中可以看出，8号坝段坝趾处存在Ⅲ2类岩体，同时这个区域还存在 fx9－9、fx9－10、fx9－11等多组软弱结构面。这也充分反映官地水电站坝基风化作用主要受构造的控制的特点。

表1 开挖坝段岩体质量总体评价

表2 各坝段不同岩体类别百分比统计 %

图1 8号坝段开挖揭示的坝段岩体分类示意

对于局部不满足建基要求的岩体，根据每个坝段的稳定应力计算分析结果，结合抗滑稳定采取的措施，应尽量减少坝基开挖，优先考虑以处理措施代替深挖的思路。如8号坝段坝趾区的Ⅲ2类岩体的处理方案曾比较两个方案:一是深槽方案，基本挖除Ⅲ2类岩体，深槽深度大概15m;二是浅挖方案，结合抗滑稳定复核成果，挖除由开挖卸荷及爆破施工影响的弱风化上部岩体，弱风化下部岩体经灌浆处理后作为坝基。若第二种方案成立的，势必工程量减少，工期缩短。为此，对8号坝段进行了坝基稳定应力复核、深浅层抗滑稳定复核及现场固结灌浆试验。

通过稳定应力复核计算，在8号坝段坝趾区采取挖除6m深的Ⅲ2类岩体回填混凝土后，坝基的深浅层抗滑稳定满足要求。非线性有限元分析表明，坝基应力值不高，分布亦较均匀。坝趾区经加深加密固结灌浆后，岩体的灌后波速都大于或接近于设计要求的5 500m/s。采用浅挖方案，坝基只需开挖1 228m3，比深槽方案减少开挖1 000m3，减少了开挖量，更是避免了大面积二次开挖对坝基岩体造成的次生损害，投资节省，工期缩短。

4 结束语

重力坝坝基岩体是一个非常复杂的天然地质体，是一个复杂的非线性系统，影响坝基建基面选择的不确定性因素很多。充分利用弱风化岩体作为坝基，不仅出于技术上、经济上的考虑，还基于对岩体工程地质特性的认识及坝基处理水平的提高，也合乎大坝基础开挖的发展趋势。随着坝体结构设计的优化，筑坝技术的进步，基础处理技术水平的提高，将大大改善岩体质量。随着测试手段的进步，理论研究的深入，实践经验的丰富，重力坝坝基弱风化岩体利用研究必将取得突破性进展。

［1］黄扬一，王造根.关于弱风化岩体利用的认识与实践［J］.人民长江，1995，26(6):33 －36.

［2］苗琴生.混凝土重力坝坝基处理［J］.水利水电勘测设计标准化，2000(2):75－98.

［3］国家电力公司华东勘测设计研究院.DL 5018－1999《混凝土重力坝设计规范》［S］.北京:中国电力出版社，2000.

［4］崔政权.系统工程地质导论［M］.北京:水利电力出版社，1992.

［5］王涛，吴旭彬，朱建民.重力坝建基面选择的研究［J］.湖北水力发电，2004(3):30－32.