老挝南俄4水电站坝址工程地质条件及坝型比选

任梦宁,杨聚利,任培琦

(1.机械工业勘察设计研究院有限公司,陕西 西安 710043; 2.西安理工大学,陕西 西安 710043)

老挝南俄4水电站坝址工程地质条件及坝型比选

任梦宁1,杨聚利1,任培琦2

(1.机械工业勘察设计研究院有限公司,陕西 西安 710043; 2.西安理工大学,陕西 西安 710043)

老挝南俄4水电站位于川圹省南俄河中游干流之上。初步确定坝型为混凝土面板堆石坝和碾压混凝土重力坝。根据坝址区工程地质条件,基本满足两种坝型的建设要求,对于坝基条件较为宽松的混凝土面板堆石坝,附属建筑物和施工场地的布置可满足要求,建筑材料也可满足建坝需求。碾压混凝土重力坝对坝基要求较高,建筑物的布置相对简单,建筑材料也可满足需求,但坝基存在数层泥质板岩,对坝基抗滑稳定不利,需进行相应的缺陷处理。

坝基条件;坝型比选;抗滑稳定;缺陷处理

老挝南俄4水电站位于川圹省南俄河中游干流之上。距首都万象390 km左右,距川圹省省会丰沙湾35 km左右。南俄河为老挝境内湄公河左岸的一级支流,全长430 km,流域面积约16 000 km2,河流蜿蜒曲折。规划阶段选定上坝址建设枢纽坝址。初步确定坝型为碾压混凝土重力坝和混凝土面板堆石坝进行比较。设计最大坝高74 m,水库总库容1.07×108m3,调节库容47.7×106m3,装机容量240 MW[1]。目前已有简易进场道路,交通较为便利。

1 地质概况

1.1 地形地貌

工程区位于云南高原南部,属于横断山脉的南缘部分。西部为老挝高原西北部的湄公河斜坡地带,地势北高南低,东部为老挝东北部高原及越南西部中山地貌,由北向南急剧降低,最低为湄公河流域。受构造影响同时还具有自西北向东南倾斜的特征。区内主要发育三级夷平面。其中Ⅱ级平面分布最广,海拔1 200～1 250 m,地形开阔平坦,普遍有红土发育,为典型的残积红土高原地貌。

坝址区位于南俄河中上游狭窄河谷段,班赛村以南7 km处。该处河水流向在坝轴线上游200 m左右处由SW向变成SE向,在坝轴线下游350 m左右处又转为SW向。坝轴线附近河道宽度20～30 m,河床高程约987 m,河水深度0.5～6.0 m。坝轴线附近河谷呈“U”型,两岸1 080 m高程以下地形基本对称,岸坡坡度40°～50°。高程1 080 m以上坡度20°左右。基岩在河床及两岸坡脚均有出露,在两岸溪沟处也局部出露。

坝轴线河谷两岸坡脚及河床中分布有大量崩积岩块堆积,崩积层下多为基岩出露。坝轴线下游左岸有少量河漫滩冲积堆积,长度50 m左右。右岸下游300 m处分布一级阶地,阶面高程983.0 m左右。山梁可见零星残留三级阶地。两岸坝肩植被茂盛。

1.2 地层岩性

坝址区出露地层主要有第四系(Q)坡积、冲洪积、崩积、泥盆系(D)砾岩、砂岩、泥质粉砂岩及泥质板岩等。

(4) 泥盆系(D),岩性为灰绿色—紫灰色巨厚层状砾岩、中厚层状砂岩夹薄层状泥质粉砂岩、紫红色泥板岩及灰岩。分布于坝轴线以上210 m至坝轴线以下330 m范围内。岩层产状N35°～55°E,NW∠60°。岩层倾向河谷上游。

1.3 地质构造与地震

工程区构造以差异性上升为特征,河流下切,新构造运动活跃,构造活动一直延至第四纪晚更新世,由于构造的影响使得库坝区基岩揉皱发育。坝址区均无区域构造形迹和大断裂通过。工作区相应地震烈度在0.3～4.7度,最高烈度情况下基岩峰值加速度为0.02～0.04g,参考相关抗震规范[2],可按Ⅵ度设防。

坝址附近发育中、高倾角断层和挤压面,以Ⅲ、Ⅳ级结构面为主,根据本工程规模及地层特征,对坝址枢纽区分布及揭示的结构面,依据规模大小,对工程的影响程度进行分级。Ⅲ级结构面长50～500 m,宽0.2～1.0 m;Ⅳ级结构面长度<50 m,宽0.05～0.2 m,表现形式为断层(F)和挤压带(G)。出露及揭示断层19条,挤压带4条。其中F1、F1′断层于坝轴线下游85 m处右岸相交,F1宽1.0～2.0 cm,F1′宽1.0～1.5 m;F2断层位于坝轴线下游240 m处,影响带宽度50～90 m;F3、F3′断层位于坝轴线下游190～230 m处,宽0.3～0.9 m;F4断层于F2断层下游100 m处,于右岸与F2′相交,两断层宽0.5～1.0 m;F5、F5′断层分别位于坝轴线上游85 m处左岸和70 m处右岸,宽0.2～1.0 m;长度一般50～200 m,产状一般N40°W、SW;N25°E,NW,主要由角砾岩和断层泥等组成。F6～F15断层为F2断层的派生小断层,长度一般<10 m,宽度0.03～0.6 m,对坝基无影响。坝轴线两岸平硐揭示F101-1、F101-2、F102-1产状N5°E～N40°W,SW,宽度0.25～1.0 m,由断层泥和挤压片状岩、糜棱岩等组成。

挤压带G2、G4分别位于坝轴线上游右岸引水洞进口附近,由挤压片状岩、透镜体及少量糜棱岩等组成,带内岩体挤压破碎明显,局部强烈挤压后呈片理化。产状N30°～40°E,倾向NW,倾角43°～70°,宽6～15 m;G3产状N5°W,倾向SW,倾角75°,分布右岸平硐内,宽约16 m;G5产状N40°E,倾向NW,倾角58°,位于坝轴线下游,断层F3、F3′之间通过,宽1.1～1.5 m,规模较小。

1.4 物理地质现象

坝址区物理地质现象主要表现为崩塌、风化卸荷等地质作用。灰岩条带地层中存在溶蚀、溶洞等现象,规模小。

1.5 水文地质特征

坝址地下水类型为基岩裂隙水和第四系孔隙水。水源补给以大气降水及残坡积孔隙水为主。水位埋深受地形坡度与裂隙发育深度控制。基岩裂隙水以潜流形式向河谷排泄,补给地表水。

2 坝址区工程地质条件

坝址区清除覆盖层后,坝基岩性由泥盆系中统(D2)灰绿色—灰紫色砾岩、砂岩、粉砂岩组成,夹3～5层紫红色泥板岩,薄层—中厚层状,一般真厚度0.5～6.8 m。左坝肩PD103平硐揭示最大水平厚度达8.3 m。主要分布在坝轴线上下游及其两岸,岩层产状为N35°～55°E,NW∠60°～80°,倾向上游。如图1所示。岩石风化强烈,两岸全、强风化层较厚。

坝基砂岩、砾岩干抗压强度73.3～115 MPa,湿抗压强度一般为40.9～65.9 MPa,软化系数为0.56～0.57,属中硬—坚硬岩,如表1。泥质板岩为极软岩。

图1 坝址坝轴线地质剖面图Fig.1 Geological profile of the dam site axis1.冲积层:孤石混泥卵砾石、砂;2.坡积层:碎石质粘土混块石;3.崩积层:块石夹碎石;4.石炭系—二叠系;5.砂岩、砾岩;6.泥岩;7.实测、推测断层编号及产状;8.实测、推测岩层界线及产状;9.全风化岩体底界线;10.强风化岩体底界线;11.透水岩体下带顶界线。

表1 岩石(室内)物理力学试验成果汇总表Table 1 Summary of rock(indoor) physical mechanics test results

坝址枢纽区地下水位垂直埋深一般为2.4～33 m。其中,坝址左岸地下水水位一般2.4～20 m;右岸因山坡较陡,岩体节理裂隙发育,水位埋深受地形坡度与裂隙发育深度控制。右岸一般3.6～33 m。弱风化及微风化岩体渗透性均以弱透水上带(10>q≥5 Lu)为主。

3 坝型比选

勘察阶段初步选定混凝土面板堆石坝和碾压混凝土重力坝两种坝型[3]。

3.1 混凝土面板堆石坝

设计坝顶高程1 045.0 m,最大坝高71.0 m,坝顶长度210.0 m,正常蓄水位1 040.0 m,死水位1 025.0 m,正常蓄水位以下库容80.4×106m3,调节库容47.7×106m3,装机容量240 MW(3×80 MW),电站引用流量109.4 m3/s,电站加权平均水头283 m,电站额定水头255 m。枢纽工程附属建筑物为导流洞、冲沙洞、溢洪道。

3.1.1 建筑物特征

(1) 趾板。混凝土面板堆石坝趾板全长342.4 m。从左岸坝肩经河床至右岸坝肩,根据岩性特征可分左岸坡积堆积斜坡段、左岸坡脚基岩出露段、河床段、右岸坡脚基岩出露段、右岸坡积堆积斜坡段5部分。两岸堆积斜坡覆盖层厚度1～5 m,下部为强风化基岩,层厚5.0～10 m。两岸坡脚弱风化基岩裸露。河床覆盖层厚度3 m左右,下部为强—弱风化基岩。

防渗帷幕线深度一般左岸40～50 m,右岸45～60 m,河床47 m左右;坝肩防渗帷幕深度一般左岸80～95 m,右岸55～62 m。如防渗帷幕的底板按q>5 Lu,则趾板线防渗帷幕线深度一般左岸17～26 m,右岸25～47 m,河床17～19 m;坝肩防渗帷幕深度左岸一般36～80 m,右岸29～45 m。

(2) 导流洞、冲沙洞、溢洪道分别布置于枢纽区右岸,各硐室洞身段基及建基面基本位于弱风化基岩中。位于地下水位以下,施工方便。

3.1.2 建筑材料

工程区出露有较大范围的灰岩,经加工后可作为筑坝材料和混凝土骨料。勘察阶段初步选择Ⅰ、Ⅱ号料场为坝址用料;Ⅰ号料场位于上坝址右岸孟喷村北边,Ⅱ号料场位于上坝址上游0.8 km的左岸,料场位置如图2所示。物理力学指标如表1。

图2 料场位置示意图Fig.2 Location of the yard

3.1.3 主要工程地质问题

坝基无较大的断裂带通过,坝基岩体基本质量级别为Ⅲ级,次为Ⅳ级。

(1) 岩体风化。坝址区两岸岩体风化较深。全风化岩体垂直深度3.1～18.6 m,强风化岩体深度一般5.5～24.3 m,局部达42.3 m,弱风化岩体深度一般8.4～68 m;河床部位以弱风化岩体为主,冲积层厚2～6 m,弱风化岩体底界垂直埋深1.0～10.5 m,如表2。两岸受构造影响,局部存在深部隔层风化现象,两岸水平向强风化厚4.5～21.20 m,如表3。

坝基岩体承载力可满足坝基要求,进行相应的防渗处理和加固后,可作为建基岩体。

表2 钻孔岩体风化深度汇总表Table 2 Drilling rock body weathering depth summary table

表3 平硐风化带深度统计表Table 3 Adit entry weathering zone depth statistical table

(2) 坝基渗漏及绕坝渗漏。坝址区不存在临谷和绕坝渗漏问题。以坝基渗漏为主,防渗若按q≤5 Lu考虑,趾板防渗深度11～49 m,轴线17～58 m;按q≤3 Lu考虑,趾板防渗深度则为4～60 m,轴线40～96 m。

3.2 碾压混凝土重力坝

设计坝顶高程1 045 m,最大坝高74 m,坝顶长度240 m,正常蓄水位1 040 m,死水位1 025 m,水库总库容1.07×108m3,调节库容47.7×106m3,电站引用流量109.4 m3/s,电站加权平均水头283 m,电站额定水头255 m。该坝型可采用分段、分期倒流,坝顶溢洪,枢纽工程附属建筑物仅设导流底孔。

(1) 坝基变形及抗滑稳定。坝基开挖后,两坝肩位于弱风化岩体上,岩性以砾岩、砂岩为主;受构造、挤压带、风化及地下水等影响,坝肩岩体相对破碎,多呈碎裂结构,力学指标较低。河床部位坝基主要位于弱—微风化岩体上,弱风化较薄,两岸坝基基本为弱风化岩体。

坝基河床段岩为弱—微风化的砂岩、砾岩,以Ⅲ级岩体为主,局部结构面发育,为Ⅳ、Ⅴ级岩体。左右坝肩为弱风化砂岩,属Ⅳ类岩体,局部夹3～5处紫红色泥板岩,且埋深不一,不利于坝基变形稳定及抗滑稳定,必须进行专门处理。建议河床段岩体抗剪强度f=0.7,左、右坝肩岩体抗剪强度f=0.6,泥板岩及断层破碎带抗剪强度f=0.35。

(2) 边坡稳定问题。坝址左岸地形坡度一般30°～45°,高程部位坡度相对较缓,地形较完整;右岸地形坡度一般35°～60°,坝址下游侧右岸地形完整性较差。总体上地形较陡,坝基开挖可能会形成较高边坡。

坝址分布的砾岩、砂岩风化强烈,全、强风化岩体底界埋深5.5～24.3 m,岩体完整性差;泥板岩等夹层强度低,层理发育,多为薄层状—中厚层状结构,遇水易软化。使边坡岩体完整性差,强度降低,亦不利于边坡稳定,坝基左右坝肩发育有多条Ⅲ级结构面的断层和挤压带,造成岩体破碎,力学指标降低。

同时,坝址枢纽区两岸岩体卸荷强烈,因此,两岸开挖边坡稳定条件较差。左岸坝基开挖边坡最大坡高约127 m,永久边坡最大高度约49 m,边坡总体为NW走向,倾SW;右岸坝基开挖边坡最大坡高约141 m,永久边坡最大高度约63 m,边坡总体NW走向,倾NE。

通过坝址区两种坝型对比,混凝土面板堆石坝对坝基和建筑材料要求相对宽泛,强风化岩体通过固结灌浆后可作为坝基利用,同时,不存在高边坡处理问题。筑坝材料储量和质量可满足填筑要求,混凝土粗细骨料可采用人工骨料,防渗要求可相对降低,防渗量减少。对于碾压混凝土重力坝,坝基需置于弱化岩体之上,开挖量增加,且两岸易形成较高的人工边坡,需后期进行治理。防渗要求相应提高。对坝基变形和抗滑稳定有更高的要求,对泥质板岩夹层和软弱结构面等地质缺陷需进行相应的缺陷处理。总之,根据坝址的工程地质条件基本可满足两种坝型的建设条件,但须进行必要的分析论证。

4 结束语

坝基工程地质条件和水文地质条件,是决定大坝坝基抗滑稳定和坝基渗漏的主要因素。因此,对坝基岩体的工程地质评价与分析,对坝型的选择至关重要。本文通过对两种坝型的比较,认为坝址区对两种坝型的建设均适宜。如选择重力坝,则必须郑重处理坝址的地质缺陷。

[1] 任梦宁,杨聚利,郭宝京.老挝南俄4水电站工程地质勘察报告[R].西安:机械工业勘察设计研究院有限公司,2016.

[2] 中华人民共和国住房和城乡建设部,中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.建筑抗震设计规范:GB50011—2010[S].北京:中国建筑工业出版社,2016.

[3] 中华人民共和国水利部.碾压式土石坝设计规范:SL 274—2001[S].北京:中国水利水电出版社,2001.

(责任编辑：陈姣霞 李雯)

Comparison of Dam Site Engineering Geological Condition and Dam Type ofNam Ngum 4 Hydropower Station in Laos

REN Mengning1,YANG Juli1,REN Peiqi2

(1.ChinaJikanResearchInstituteofEngineeringInvestigationsandDesign,Co.,Ltd,Xi’an,Shanxi710043; 2.Xi’anUniversityofTechnology,Xi’an,Shanxi710043)

Nam Ngum 4 Hydropower Station is located at the middle of the Nam Ngum River,in Xieng Khuang Province,Laos.It is determined that the dam is a concrete face rockfill dam and a roller compacted concrete gravity dam.According to the engineering geological conditions of the dam site,the construction requirements of the two dams are basically satisfied.For the relatively loose base of the concrete foundation rockfill dam,ancillary buildings,construction site layout and construction materials to meet the needs of dam construction.Roller compacted concrete gravity dam has a high demand for dam foundation,the layout of the building is relatively simple,and the building material can meet the demand.But there are several layers of muddy slate dam foundation,which is harmful to anti-sliding stability of the dam foundation,and need to carry out the corresponding defect treatment.

dam foundation condition; dam type selection; anti-sliding stability; defect treatment

P642

A

1671-1211(2017)05-0585-05

2017-04-28;改回日期2017-08-17

任梦宁(1966-),男,高级工程师,工程地质专业,从事工程地质工作。E-mail:renmengning@126.com

数字出版网址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.P.20170824.1748.028.html数字出版日期2017-08-24 17:48

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2017.05.016