乌东德水电站拱坝坝基岩体松弛特征研究

王吉亮, 许 琦, 黄孝泉, 郝文忠, 杨 静, 魏雨军, 周炳强, 徐 磊

(长江三峡勘测研究院有限公司(武汉) ,湖北 武汉 430074)

乌东德水电站拱坝坝基岩体松弛特征研究

王吉亮, 许 琦, 黄孝泉, 郝文忠, 杨 静, 魏雨军, 周炳强, 徐 磊

(长江三峡勘测研究院有限公司(武汉) ,湖北 武汉 430074)

高拱坝巨大荷载直接面对的是坝基表层卸荷松弛岩体，研究坝基卸荷后松弛岩体的特征，合理评价其影响并提出处理建议是拱坝建设中的关键。基于乌东德坝基工程地质条件，在详细调查建基面的基础上，综合利用高清电视、单孔声波测试等方法,深入研究乌东德水电站坝基岩体开挖后岩体卸荷变形特征、卸荷松弛深度、卸荷松弛程度及卸荷松弛时间效应等特征。基于坝基岩体的卸荷松弛特征及卸荷作用的时间、空间分布规律,认为乌东德坝基岩体卸荷松弛主要为开挖卸载后低地应力条件下的回弹所致，主要表现为沿已有结构面的张开，松弛深度及松弛度在一定时间后趋于稳定，不影响边坡整体稳定性，且表层卸荷松弛岩体具有较好的可灌性和灌浆效果，不需二次清挖即可满足大坝建基岩体质量要求。

乌东德水电站；坝基岩体；卸荷松弛深度；松弛度；影响性评价

王思敬[1]认为工程开挖后，卸荷松弛是由于应力释放，工程边坡浅表部岩体沿已有结构面扩展、张开及错动，甚至有新的裂面产生，岩体向临空面方向发生卸荷回弹变形;同时李建林等[2]对其进行了较为系统的研究。黄润秋等[3]在系统研究西南区河谷应力场特征的基础上，就岩体的破裂机理进行了探讨，从而对岩体卸荷带进行了分区。中国已建的小湾、锦屏一级、拉西瓦水电站等高拱坝坝基以及三峡船闸高边坡均遇到了较为显著的卸荷松弛现象，众多学者采用地质调查、钻孔声波测试、变形监测、变形试验、压水试验、钻孔录像、钻孔弹模测试等方法对岩体开挖卸荷现象特征和表现出的规律进行研究，且对卸荷松弛机理力学机制进行探讨[4-8]。唐忠敏等[9]分析坝基岩体开挖后不同锚固措施的加固效果，并根据锚固措施的试验成果，对高地应力环境下坝基岩体不同开挖加固方案进行对比分析。杨静熙等[10]采用岩体松弛深度、松弛岩体开挖前后单孔声波衰减率对锦屏一级坝基进行岩体质量损伤分级评价研究。

本文在把握研究区工程地质条件的基础上，利用工程开挖面对坝基岩体卸荷变形特征进行详细调查，结合单孔声波及高清电视等手段，从岩体的卸荷松弛宏观特征、松弛深度、松弛程度及其时间效应演化特征对其进行深入系统研究，对其产生的影响进行定性和定量评价，为后续设计施工提供指导。

1 工程概况及基本地质条件

1.1 工程概况

在建乌东德水电站是金沙江下游河段4个梯级中的第一个梯级电站，工程开发任务以发电为主，兼顾防洪。电站装机容量10 200 MW，年发电量389.3亿kWh。设计采用混凝土双曲拱坝，拱坝坝顶高程988 m，坝基最低高程718 m，最大坝高270 m；左岸坝基顺河向宽度12～55 m，高程780 m以上采用半径向开挖，以下采用全径向开挖；右岸坝基顺河向宽度18～55 m，高程795 m以上采用半径向开挖，以下采用全径向开挖；河床坝基整体高程720 m，上游坝踵附近开挖至高程718 m，中间采用1∶5斜坡过渡。坝基边坡2015年4月开始下挖，至2016年12月开挖完成(见图1)。

1.2 基本地质条件

拱坝所处河段河流流向约SE160°，两岸地形基本对称，陡峻，河谷狭窄，为典型“ V”型河谷。坝基所处自然边坡地形坡度一般70°～80°，为悬坡地形。

坝址区左岸第一主应力属低—中等地应力水平，量值较集中，为8.2～18.9 MPa，愈往山里高程愈低,埋深愈大，地应力量值总体上愈大，方位角较多集中在40°～80°和240°～280°；右岸岩体内第一主应力多属低地应力水平，量值较集中，一般为6.0～10.0 MPa，愈往山里高程愈低,埋深愈大,地应力量值总体上愈大，方位角无明显集中方向；河床范围最大主应力多属低—中等地应力水平，量值一般8.0～17 MPa，愈往下，地应力量值总体上愈大，在高程710 m以上地应力测试值皆为低应力。

左岸坝基地层岩性主要为厚层灰岩及厚层大理岩，少量为中厚层灰岩(Pt2l3-1)；右岸坝基主要为厚层灰岩、厚层大理岩(Pt2l3-1)，其次为中厚—厚层白云岩(Pt2l3-2-1、Pt2l3-2-3)、中厚层—厚层灰岩(Pt2l3-2-2、Pt2l3-2-5)、中厚层石英岩(Pt2l3-2-4)。岩层产状走向

70°～90°、倾向160°～180°、倾角70°～86°，即近横河向展布，陡倾下游偏右岸，层面多平直粗糙，多闭合无充填，少量附钙膜(钙质胶结)。左岸坝基边坡走向与层面夹角一般60°～90°，边坡结构为横向坡；右岸坝基边坡走向与层面夹角一般10°～50°，边坡结构总体为反向坡及斜向坡。区内断层不发育，裂隙绝大多数短小，主要结构面为层面，左岸坝基高程765～720 m局部坡段相对发育一组中—陡倾坡裂隙，河床坝基局部出露一组缓倾角裂隙。两岸坝基岩体质量优良，Ⅱ级约占90.9%，Ⅲ1级约占9.0%，Ⅲ2级岩体仅沿结构面分布，约占0.1%，见图1[11-12]。

图1 金沙江乌东德水电站坝基岩体质量分布图Fig.1 The rock mass distribution of Wudongde Hydropower Station dam foundation in the Jinsha River1.厚层白云岩;2.中厚层灰岩;3.中厚层石英岩;4.中厚层白云岩;5.厚层灰岩;6.厚层白云岩;7.厚层灰岩、大理岩;8.地层界线;9.Ⅱ级岩体;10.Ⅲ级岩体。

2 建基面表层松弛地质特征

基于坝基开挖后详细地质调查，坝基卸荷松弛主要受结构面控制，在不同边坡结构、不同裂隙发育特征部位，坝基岩体卸荷松弛特征不同，主要表现为沿裂隙面张开、沿层面张开及局部表层岩体产生新的裂纹。

2.1 沿中—陡倾坡外裂隙张开

左岸建基面高程765～720 m出露一组与拱肩槽边坡呈小夹角的 NNW向中—陡倾坡外裂隙，在开挖前处于闭合状态，部分为方解石胶结。在建基面开挖形成后，裂隙面回弹张开、宏观显现，裂隙张开宽度一般在1～3 mm，沿裂隙面张开的长度范围有限，一般长约1～3 m，且未见明显错动，见图2。

2.2 沿层面张开

右岸建基面高程855 m以上落雪组第三段第二亚段(Pt2l3-2)地层坡段，由于岩性复杂，局部沿层面溶蚀风化，层面间呈泥钙质胶结，且该坡段边坡结构为反向坡。开挖后岩体沿层面卸荷张开，层面张开宽度一般在1～3 mm，未见明显错动(见图3)。

图2 左岸坝基高程744 m表层岩体沿倾坡外裂隙张开Fig.2 The 744 m surface rock mass along the slope external cracks open in the left bank dam foundation

图6 坝基岩体物探测试孔布置图Fig.6 Geological exploration arrangement diagram of the dam foundation rock mass1.物探测试孔;2.物探长观孔。

图3 右岸坝基沿层面卸荷松弛张开Fig.3 The right bank dam foundation along the level unloading slacken out

2.3 沿缓倾角裂隙张开

河床坝基局部出露一组缓倾NW裂隙，该组裂隙产状305°～325°∠16°～29°，面起伏粗糙，见1 mm厚方解石。受该组裂隙的影响，建基面表层主要沿裂隙松弛张开1～2 mm，见图4。

图4 河床坝基沿缓倾裂隙松弛张开Fig.4 The riverbed dam foundation along flat fractures slacken out

2.4 产生新的裂纹

发生在右岸建基面高程855 m以下落雪组第三段第一亚段(Pt2l3-1)新鲜完整—较完整厚层灰岩、大理岩中。在开挖爆破作用下，应力与能量释放造成新的拉裂产生，一般短小，起伏呈波痕状，见图5。

3 坝基岩体卸荷松弛特征研究

鉴于乌东德水电站工程地质条件的复杂性，本文在宏观地质调查的基础上，结合坝基边坡物探测试资料，综合开展开挖后坝基岩体卸荷松弛特征研究。

3.1 物探测试孔布置

两岸坝基边坡每10 m高差为一开挖梯段，以控制整个坝基为原则，根据揭露地质条件，每一梯段布置5～7个钻孔进行物探测试，局部视地质条件加密，孔深20 m，钻孔方向垂直建基面。共完成417个孔物探测试，其中左岸坝基190个，右岸坝基195个，河床坝基22个；在左岸坝基高程978 m、946 m、915 m、885 m、856 m、827 m高程分别选取一个为长期观测孔，编号为ZCG-3～ZCG-8共6个，在右岸坝基高程946 m、916 m、886 m、856 m、826 m高程分别选取一个为长期观测孔，编号为YGC-3～YGC-7共5个，见图6。

图5 左岸坝基岩体产生新裂纹Fig.5 New cracks in the left bank dam foundation

3.2 坝基岩体松弛深度

钻孔实测声波反应岩体真实的弹性波特征，而钻孔电视可直接、准确、详尽观察和记录到钻孔孔壁各种地质信息。在同一孔下，结合钻孔电视，在排除局部溶蚀风化或断层影响的前提下，开挖以后松弛带以内岩体相对于未卸荷岩体声波波速应当相差较大，声波曲线出现明显的转折，且后续声波变化趋于稳定，因此，本文以声波曲线转折点作为松弛带深度的划分点，见图7。

按照上述方法，确定每个孔的松弛深度，绘制坝基岩体松弛深度等值线图，见图8。

左岸坝基岩体卸荷松弛深度一般0.6～1.0 m；右岸坝基岩体松弛深度一般约为0.6～1.2 m；河床坝基松弛深度一般0.8～1.8 m。

左岸坝基岩体卸荷松弛最深为3.2 m，位于左岸

图7 单孔声波揭露岩体卸荷松弛曲线Fig.7 Single hole acoustic wave exposes rock mass unloading relaxation curve

图8 坝基岩体松弛深度分布等值线图Fig.8 Contour depth distribution of the dam foundation rock mass1.0.6 m深度等值线;2.1.0 m深度等值线;3.1.6 m深度等值线;4.2.0 m深度等值线。

坝基高程744 m，主要受坡段765～720 m中—陡倾坡外结构面的影响；右岸坝基岩体松弛深度最深为2.6 m，位于右岸坝基高程905 m，主要受局部层面偏转与边坡近平行所致；河床坝基松弛深度最深2.8 m，主要受一组缓倾角裂隙影响。

坝基整体处于中—低应力水平，坝基岩体松弛深度整体较小；但随边坡结构、结构面发育特征及开挖形态不同而呈现出差异性，右岸边坡结构为反向坡、斜向坡，左岸为横向坡，右岸松弛深度整体略大于左岸；而左岸坝基高程765～720 m段受一组顺坡向、倾坡外裂隙影响，其卸荷松弛深度明显大于左岸其他坡段；右岸坝基高程855 m以上为反向坡，卸荷松弛深度略大于右岸其他坡段；河床坝基1∶5斜坡过渡段,由于现场开挖施工不当,开挖后形态不平整，松弛深度略大于两岸坝基，在缓倾角裂隙出露部位更加明显。

3.3 坝基岩体松弛程度

为量化岩体卸荷松弛程度，明确其物理意义，引入松弛度指标反映岩体松弛程度[7]。根据坝基岩体松弛深度，分别统计卸荷松弛带及非松弛岩体声波值。两岸坝基松弛带内岩体的声波起伏较大，主要分布在3 000～5 000 m/s之间;非松弛岩体的声波较稳定，主要分布在5 000～6 200 m/s之间;河床坝基略高，主要分布在5 400～6 200 m/s之间。左岸松弛岩体声波均值为4 281 m/s，非松弛岩体声波均值为5 575 m/s，松弛度约23%;右岸坝基松弛岩体声波均值为4 304 m/s，非松弛岩体声波均值为5 570 m/s，松弛度约23%;河床坝基松弛岩体声波均值为4 049 m/s，非松弛岩体声波均值为5 630 m/s，松弛度约28%(图9-图10)。

图9 左岸坝基岩体声波统计直方图Fig.9 Acoustic statistical histogram of rock mass in the left bank dam foundation

3.4 坝基岩体卸荷松弛时间效应研究

利用长观孔间隔进行声波测试以研究坝基岩体松弛深度及松弛程度随边坡开挖时间的演变规律，长观孔数据显示：

(1) 岩体松弛深度随时间稍有加深，加深约0.2～0.6 m，在约2—3个月后基本稳定。由于左岸坝基受施工影响，检测通道长时间未完成，第二次检测滞后，类比其他长观孔，发现左岸4#、6#长观孔(ZCG4、ZCG6)松弛持续时间较长，这与第二次检测时间滞后有关(图12-图13)；

图10 右岸坝基岩体声波统计直方图Fig.10 Acoustic statistical histogram of rock mass in the right bank dam foundation

图11 河床坝基岩体声波统计直方图Fig.11 Acoustic statistical histogram of rock mass in the riverbed dam foundation

图12 左岸坝基岩体松弛深度时间关系图Fig.12 Time relational diagram of relaxation depth of rock mass in the left bank dam foundation

(2) 松弛带岩体声波平均波速为4 100～4 900 m/s，由于坝基边坡不设置系统锚喷支护，随时间推移，受边坡下挖、爆破影响，松弛带内岩体声波波速略有降低(图14-图15)。

图13 右岸坝基岩体松弛深度时间关系图Fig.13 Time relational diagram of relaxation depth of rock mass in the right bank dam foundation

图14 左岸松弛带岩体平均波速时间关系图Fig.14 Time-dependent diagram of mean velocity in the left bank relaxation zone rock mass

图15 右岸松弛带岩体平均波速时间关系图Fig.15 Time-dependent diagram of mean velocity in the right bank relaxation zone rock mass

4 建基面岩体卸荷松弛影响评价

由于乌东德坝基整体处于中低应力水平，卸荷松弛主要表现为沿已有结构面张开及在较完整岩体中受爆破影响产生新的裂纹。地质调查及长观资料显示，边坡卸荷松弛深度及松弛度在一定时间后趋于稳定，未进入时效变形阶段；两岸松弛深度多<1.2 m，松弛岩体声波平均值>4 200 m/s，松弛度约为23%；河床坝基受开挖形态及施工影响，松弛度为28%。地质宏观判断认为两岸坝基岩体的卸荷松弛仅建基面表层局部可能与原有结构面切割形成松动岩块，这在开挖阶段已基本清除，卸荷松弛不影响两岸边坡整体稳定性。

坝基卸荷松弛带内岩体没有软弱物充填，本身具有较好的可灌性和良好的灌浆处理效果。根据目前部分河床坝基已完成的灌浆结果，灌后表层3 m岩体声波平均值均>5 200 m/s，提高比例为7.3%～18.5%；<4 500 m/s的低波速区由灌前的26.2%～39.3%，降低到5%以内；灌前声波值越低，提高比例越高，灌浆效果越明显，灌后岩体声波已满足设计要求，不需要进行二次清挖，见表1。

表1 部分坝段表层0～3 m岩体灌浆前后声波特征表Table 1 Characteristics of sound waves before and after grouting of 0～3 m rock mass in part of dam section

5 结论

(1) 乌东德拱坝坝基范围内整体为中—低应力水平，岩体储存应变能力较低。岩体松弛主要由开挖卸荷回弹引起，受结构面影响，表现为沿已有结构面的张开，在完整岩体表层产生爆破微裂纹，而未出现诸如“板裂”、“折断”这类强烈卸荷变形破裂现象。

(2) 坝基岩体整体具有相似性，但部分坡段地质结构具有不均匀性，加之坝基边坡开挖体型的复杂性，坝基边坡不同高程之间，松弛特征既有共同性,也存在差异性。受边坡结构影响，松弛深度左岸整体略小于右岸；坝基局部受倾坡外或缓倾裂隙影响，其松弛深度明显大于其他区域。两岸松弛程度基本相当，河床松弛度略大于两岸。

(3) 随着时间增加，表层岩体的松弛深度有增大的趋势，但在一定时间后趋于稳定；受边坡下挖、爆破影响，松弛带内岩体波速随时间推移略有降低现象，但卸荷松弛深度及松弛度未进入时效变形阶段。

(4) 乌东德坝基岩体松弛不影响边坡整体稳定性,松弛带岩体结构面没有软弱物充填，本身具有较好的可灌性和良好的灌浆处理效果，已完成灌浆成果表明，松弛带内岩体灌后平均值>5 200 m/s，<4 500 m/s比例<5%，满足设计要求，不需要进行二次清挖。

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(责任编辑：费雯丽)

Study on Rock Mass Relaxation Characteristics of Arch DamFoundation of Wudongde Hydropower Station

WANG Jiliang, XU Qi, HUANG Xiaoquan, HAO Wenzhong, YANG Jing, WEI Yujun, ZHOU Bingqiang, XU Lei

(ThreeGorgesGeotechnicalConsultantsCo.,Ltd.,Wuhan,Hubei430074)

The huge load of the high arch dam is directly facing the dam foundation surface unloading relaxation rock,the study of dam foundation unloading relaxation rock characteristics,the reasonable impact evaluation and the proposed construction of arch dam construction are the key engineering geological problems.Based on the geological conditions of Wudongde dam foundation,and the detailed geological survey of the foundation surface,the paper deeply studies the unloading deformation characteristics,unloading relaxation depth,degree,time and spatial effect,and so on,after the dam foundation rock mass excavation of the Wudongde Hydropower Station by using the high-definition television and single-hole acoustic wave test.It is concluded that the unloading relaxation of the Wudongde dam foundation is mainly due to the rebound after excavation and unloading under low geostress conditions.It is mainly manifested as the opening of the existing structural plane,the relaxation depth and slackness become stable after a certain time,which is the normal unloading and relaxation deformation of the rocky high slope without affecting the overall slope stability,and the surface unloading relaxation rock mass has good irrigation and grouting effect,without secondary excavation,riverbed foundation has been completed local grouting results also verify this conclusion.The research results provide scientific basis for the relaxation rock engineering,speed up the construction progress,reduce the project investment,enrich the practice of high arch dam foundation engineering,and have important reference to similar projects.

Wudongde Hydropower Station; dam foundation rock mass; unloading slack depth; degree of relaxation; impact evaluation

2017-06-27;改回日期:2017-07-21

王吉亮(1982-),男,高级工程师,博士,地质工程专业,从事水利水电工程勘察工作。E-mail:39128518@qq.com

TV642.4; TV223

A

1671-1211(2017)04-0364-07

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2017.04.002

数字出版网址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20170713.1703.004.html 数字出版日期:2017-07-13 17:03