石头峡水电站面板堆石坝趾板岩体质量评价及缺陷处理

林万胜, 郝建东, 郭秋霞

(青海省水利水电勘测设计研究院,青海 西宁 810008)

石头峡水电站面板堆石坝趾板岩体质量评价及缺陷处理

林万胜, 郝建东, 郭秋霞

(青海省水利水电勘测设计研究院,青海 西宁 810008)

石头峡水电站地处祁连山南麓,工程区属于高寒高烈度地区,地质构造复杂,新构造运动强烈,区域内地震频发,大坝为面板堆石坝,趾板基岩为前寒武系变质岩系,岩体经历多期构造运动,断裂构造发育。通过分析趾板岩体工程特性,评价趾板岩体质量,处理趾板存在的地质缺陷,使趾板岩体质量达到设计建基要求。目前坝后渗流堰观测数据及坝体渗流检测数据正常。

混凝土面板堆石坝;趾板;岩体质量;缺陷处理

石头峡水电站工程位于青海省大通河上游苏吉滩乡,距门源县浩门镇36 km,水库总库容9.85×108m3,电站装机90 MW,属Ⅱ等大(2)型工程,为“引大济湟”工程的龙头水库,具有为调水总干渠提供调水所需水量,保证调水所需兴利库容的作用,并兼有发电、防洪任务。

石头峡水电站大坝坝型为混凝土面板堆石坝,坝顶高程为3 091.30 m,坝长424 m,最大坝高114.5 m。大坝于2011年9月开工建设,2015年10月建成蓄水,2016年5月电站运行发电。为保证工程的正常运行对趾板岩体进行了评价,对其存在的地质缺陷进行了处理,处理后坝后渗流堰观测数据及坝体渗流检测数据正常。

1 基本地质条件

石头峡水电站位于青海省大通河上游苏吉滩乡,距门源县浩门镇36 km,电站枢纽区位于石头峡峡谷下段,河谷在平面上呈倒“Ω”型,河谷呈“U”型,两岸山体雄厚,河床宽50～80 m,河谷两岸冲沟较发育,地形完整性差,相对高差100～300 m,右岸基岩裸露坡度陡立,左岸大面积覆盖第四系堆积物,基岩零星出露坡度较缓。

坝址区第四系松散覆盖层厚度3～15 m,成因有冲积、坡积、坡洪积、崩积等,分布在两岸坡及冲沟一带,基岩为前寒武系斜长石英片岩、角闪石英片岩、斜长角闪石英片岩及花岗片麻岩,岩石坚硬,岩体呈块状—层状结构。

坝址区位于大坂山褶皱带与冷龙岭褶皱带之间的石头峡弱隆起区,区域性断裂未通过坝址区,但断裂构造复杂,有以F32代表的Ⅱ级结构面,其他为Ⅲ、Ⅳ级结构面,断层以NE向挤压结构面为主,NNE向次之[1]。

2 坝址岩体工程特性

2.1 岩石强度特征

坝址基岩岩性为前寒武系石英片岩、角闪石英片岩及花岗岩,根据多组钻孔岩芯抗压强度试验统计归纳:角闪石英片岩强风化饱和抗压强度15～30 MPa,弱风化岩石饱和抗压强度35～80 MPa;花岗片麻岩强风化饱和抗压强度38～46 MPa,弱风化岩石饱和抗压强度67～120 MPa;蚀变云母石英片岩饱和抗压强度20～27 MPa;断层带构造岩饱和抗压强度56～74 MPa,岩石强度具有差异性。

2.2 岩体构造特征

坝址区发育以F32、F83、F84、F133为代表的Ⅱ级结构面,以F151为代表的Ⅲ级结构面,Ⅳ级结构面主要为小断层,其中以NE向压扭结构面为主,NNE向次之;裂隙主要发育组数为NWW向及NEE向两组,以陡倾角裂隙为主,并少量发育缓倾角裂隙。断层及裂隙相互切割破坏了坝址岩体的完整性。

2.3 岩体风化特征

坝址基岩岩性主要为角闪石英片岩、花岗岩等坚硬岩石,抗风化能力较强,但坝址区地处高寒高海拔区,断裂构造发育,风化程度与构造密切相关。根据坝址20个钻孔统计,岩体强风化厚度一般3～6 m,岩芯呈碎块状,在断层带达10～13 m,呈碎裂—散体状。

2.4 岩体卸荷特征

坝址岸坡陡峻,根据坝址两岸勘探平硐揭露情况,在右岸平硐内8 m处发育卸荷裂隙,裂隙张开3～5 mm,充填泥,卸荷裂隙多呈高倾角切割岸坡,倾向岸外。左岸平硐进口段发育顺坡裂隙,产状NW350°SW∠64°,卸荷作用表面张开0.5～2 cm,卸荷带水平宽度6 m左右。

2.5 岩体完整性

根据钻孔岩芯RQD统计,左岸趾板基岩中RQD<50%的占30%～48.8%,主要分布在强风化带及断层带中,RQD>50%占51%～70%,主要分布在弱风化岩层中;河谷段基岩岩芯RQD<50%占41%～82%,主要分布在断裂带;右岸趾板基岩中RQD<50%的占55.6%～82%,主要分布在基岩强风化带及断层带中,RQD>50%占18%～44%,主要分布在弱风化岩层中。

钻孔波速测试统计:弱风化岩体纵波速度2 310～3 830 m/s,强风化岩体纵波速度1 710～2 530 m/s,断层破碎带及岩体蚀变带纵波速度1 440～2 630 m/s[1-2]。

2.6 岩体透水性

坝址区基岩岩性有角闪石英片岩、花岗岩、石英片岩,均属于坚硬岩石,岩体透水性主要受断层、裂隙发育程度及风化程度的影响。

根据钻孔压水试验成果,岩体最大透水率79.5 Lu,处于卸荷带及裂隙密集带,20～50 Lu段次主要分布在强风化层及断层带中。左岸岩体透水性以弱透水为主,局部分布中等及微透水层,3 Lu界限在基岩面以下约40 m。河床段岩体透水性以弱透水为主,局部分布有中等及微透水层,3 Lu界限在基岩以下约40～50 m。右岸岩体透水性以弱透水为主,局部分布中等及微透水层,3 Lu埋深线约25～35 m。表1为趾板岩体透水率统计成果表。

表1 趾板岩体透水率成果表(单位:%)Table 1 Water permeability of rock mass of toe slab

3 趾板岩体质量评价

3.1 趾板建基面选择

趾板建基面基岩岩性主要有角闪石英片岩、石英片岩、角闪片岩、花岗岩等,强风化岩体、卸荷带及断层带完整性差、透水性强、稳定性差,均达不到设计要求,不宜作为趾板持力层,趾板建基面岩体应达到弱风化上部标准,岩体纵波速度应>2 500 m/s。

3.2 趾板基岩风化卸荷

趾板基岩岩性主要有石英片岩、角闪片岩、花岗岩等,基岩强风化层,裂隙发育,呈碎块—碎裂结构,完整性差,厚度3～6 m;卸荷岩体表部松动张开,充填泥,岩体呈块状—碎块状结构。

3.3 趾板岩体构造

趾板宽度7～9 m,总长557 m,基岩片理产状以河床中部F32断层带为界,向左坝肩区走向NE45°～50°NW∠65°～70°,向右坝肩区走向NW310°～330°SW∠35°～45°。趾板范围共揭露25条断层,其产状左岸及河床段以NE25°～52°NW∠68°～86°为主,右岸以NE21°～87°NW∠26°～86°及NE21°～87°NW∠26°～84°为主。另外1～2 m的断层6条,断层构造岩以蚀变岩块、角砾、糜棱岩及断层泥为主,断层影响带以石英片岩碎裂即不规则小节理、裂隙密布呈现,一般宽度在2 m左右。

F32断层:F32是趾板范围最大的断裂带,分布于河床段桩号0+318.72～0+340.92 m,揭露宽度22.2 m,断层走向NE55°左右NW∠63°左右。断层带充填灰白色蚀变岩、花岗岩岩块、角砾、蚀化泥质,整体较密实,无胶结成岩,从断层充填物及上下盘痕迹反映,经历多次构造运动。对断层带蚀变岩进行现场及室内试验:天然干密度平均2.34～2.23 g/cm3;颗分试验,蚀变岩主要以角砾为主、占72%,砂砾占17%,粉粘质占11%,不均匀系数211,属较差级配;透水率3～5 Lu,属弱透水层,纵波波速1 400～2 100 m/s。图1为趾板地质剖面图,表2为趾板岩体断层特征表,图2为左右岸节理玫瑰花图[2-3]。

3.4 岩体波速测试

趾板开挖结束后,对基岩面进行波速测速,测试统计成果:纵波波速值基岩强风化中下部在1 500～2 000 m/s,强弱风化界面在1 600～2 300 m/s,弱风化上部在2 300～3 000 m/s、中部在3 000～3 500 m/s、下部在3 500 m/s以上,断层角砾、节理、裂隙密集区在1 200～2 100 m/s、断层泥质在1 000 m/s以下[2]。

图1 趾板开挖地质剖面图Fig.1 Geological section of excavation of toe slab

表2 趾板岩体断层特征表Table 2 Fault characteristics of rock mass of toe slab

位置走向/(°)倾向倾角/(°)断层特征主要代表断层左岸(A-C)NE25～52NW68～86宽0.1～2m充填角砾岩,个别夹泥F185、F83、F87、f1、f3、f4EE48SE75宽1～2m充填锈黄色角砾岩,夹泥F84NW350SW380.1～0.3m充填锈黄色角砾f2河谷水平段(C-D)NE15～56NW65～79F32宽10～15m,最大宽度22m由灰白色蚀变岩、构造片状岩、糜棱岩等组成,压扭性F32、f5、f6NE30SE69宽0.5m充填锈黄色角砾f18NW330SW40宽0.3m充填锈黄色角砾f19右岸(D-F)NE21～87NW26～84宽0.1～0.6m,充填角砾岩、糜棱岩等,锈黄色f7、f1、f13、f17NE15～47ES60～880.5～3m充填糜棱岩、角砾,压扭性F151、f8、f10、f18NW291～350SW40～640.1～0.5m充填锈黄角砾,张性f9、f12、f14、f16

图2 左右岸节理玫瑰花图Fig.2 Rose diagram of left and right joint

3.5 建基面岩体质量分级及评价

岩体工程质量分级是一个单因素到多因素综合评价的过程,根据坝址区岩体的完整性、风化卸荷特征、岩体波速等特点,依据《水利水电工程地质勘察规范》(GB 50487—2008)、《工程岩体分级标准》(GB/T 50218—2014)将坝址区岩体分为四级,即Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级[4-5]。

根据岩体纵波波速、岩石强度、岩体风化程度,结合实际节理、裂隙发育情况以及地下水对岩体蚀化程度,对趾板建基面基岩进行岩体质量评价。根据统计Ⅲ类岩体占总长83.8%,Ⅳ类岩体占总长12.1%,断层带及其影响带占总长4.1%。表4为趾板建基面岩体质量分类表[5-6]。

4 趾板建基面缺陷处理

趾板建基面地质缺陷主要包括断层破碎带及强风化岩体、裂隙密集带、卸荷带的超挖部分,这些缺陷对大坝产生的不良影响有:①局部应力集中和不均匀沉陷,使趾板发生开裂变形;②构成渗漏通道,产生集中渗漏、管涌,易发生渗透变形,影响大坝稳定,需要进行相应的处理。

4.1 趾板建基面断层处理

4.1.1 F32断层带处理

F32断层是趾板分布最大的断裂带,在趾板范围内呈弯曲状,出露宽度不一,呈上宽下窄状,沿趾板X线桩号0+318.72～0+340.92 m,宽度22.2 m,断层走向NE55°左右NW∠63°左右。断层带充填灰白色蚀变岩、花岗岩岩块、角砾、蚀化泥质,该断层属于Ⅴ类岩体,规模大,力学性能较差,稳定性差,存在沉降变形及渗透变形问题,需要特殊处理。

F32断层带在趾板出露宽度为22.2 m,采取向左右两侧各加宽1.5 m、以1∶0.3坡比深挖5～2 971.8 m高程,回填C20混凝土;趾板下游沿断层方向延伸15 m,断层带两边各加宽1.5 m范围、增加0.5 m厚C20混凝土盖板,并进行固结灌浆处理,灌浆深度为8.0～12.0 m。

表3 趾板岩体工程质量分级Table 3 Engineering quality classification of rock mass of toe slab

表4 趾板建基面岩体质量分类表Table 4 Rock quality classification of foundation surface of toe slab

4.1.2 宽度1～2 m左右的断层处理

F151、f11、F84、F83、f4、F87断层带宽在2 m左右,依规范按主带1.5倍宽、1.5～2倍深人工结合半机械开挖齿槽,清洗干净后回填C20混凝土。

4.2 建基面超挖区处理

趾板建基面强风化岩体、裂隙密集带、卸荷带分布范围占总长12.1%,主要分布在桩号0+152.4～0+161.9 m、0+417.5～0+454.3 m、0+576.9～0+586.9 m,开挖中出现了超挖现象,超挖深度达1～3 m,采用C20混凝土找平到设计高程。

5 结语

石头峡水电站大坝坝高114.5 m,坝型为面板堆石坝,坝址区断裂构造发育,趾板建基面以弱风化角闪石英片岩为主,岩体完整性较好,强度较高,岩体质量属坚硬岩AⅢ类,满足趾板建基要求,但仍然有部分岩体达不到设计要求,存在地质缺陷。对于出现的地质缺陷需要采取不同的处理措施使趾板岩体质量达到设计要求,为高寒高海拔地区构造复杂岩体地基处理积累经验。 水库于2015年7月底正式下闸蓄水,年底水位达到3 067 m,其间坝后量水堰水量基本稳定在6 L/s左右,水量与库水位呈近水平直线相关,趾板预埋监测仪显示稳定。

[1] 青海省水利水电勘测设计研究院.青海省门源县石头峡水电站初步设计工程地质勘察报告[R].西宁:青海省水利水电勘测设计研究院,2009.

[2] 南京水利科学研究院.青海省石头峡水电站工程蓄水安全鉴定报告[R].南京:南京水利科学研究院,2015.

[3] 青海省水利水电勘测设计研究院工程勘察分院.石头峡水库坝基F32断层工程地质专门勘察报告[R].西宁:青海省水利水电勘测设计研究院,2012.

[4] 中华人民共和国住房和城乡建设部.水利水电工程地质勘察规范:GB50487—2008[S].北京:中国计划出版社,2008.

[5] 中华人民共和国住房和城乡建设部.工程岩体分级标准:GB/T50218—2014[S].北京:中国计划出版社,2014.

[6] 彭土标,袁建新,王慧明,等.水力发电工程地质手册[M].北京:中国水利水电出版社,2011.

(责任编辑：陈姣霞)

Rock Mass Quality Evaluation and Defect Treatment of Toe Slab ofFace Rockfill Dam in Shitouxia Hydropower Station

LIN Wansheng, HAO Jiandong, GUO Qiuxia

(QinghaiSurveyandDesignInstituteofWaterConservancyandHydropower,Qinghai,Xining810008)

Shitouxia Hydropower Station is located in the south of Qilian Mountain,the area of project belongs to the alpine and high intensity area,which is complex geological structure,regional earthquakes frequently,and strong neotectonic movement.The dam is a face rockfill dam,and the bedrock of toe slab belongs to precambrian metamorphic rocks. The multi-stage tectonic movement and fracture structure development is experienced by rock mass.In this paper,the engineering characteristics of toe rock mass are analyzed; the quality of toe plate rock mass is evaluated.The geological defects of toe slab are handled,to ensure the toe slab quality to meet the design requirements of foundation rock mass. Since then,observation data of flow weir and seepage detection data are normal of dam in currently.

concrete face rockfill dam; toe slab; rock mass quality; defect treatment

2017-06-15;改回日期:2017-07-05

林万胜(1963-),男,高级工程师,水文地质与工程地质专业,从事水利水电工程地质勘察工作。E-mail:lws603@126.com

TV223.3

A

1671-1211(2017)04-0380-05

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2017.04.005

数字出版网址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20170620.1504.044.html 数字出版日期:2017-06-20 15:04