喀麦隆曼维莱水电站场区工程地质特征

2017-11-13徐建闽王进城胡剑锋

水利水电工程设计 2017年3期

关键词：辉绿岩片麻岩场区

胡宁徐建闽王进城胡剑锋

喀麦隆曼维莱水电站场区工程地质特征

胡宁徐建闽王进城胡剑锋

曼维莱水电站位于非洲中部喀麦隆恩特姆河上，特殊的工程地质环境，造就了场区含铁质结核残积土、全风化层深厚、基岩差异风化和球状风化等典型的工程地质特征。

曼维莱水电站深厚全风化层工程地质特征

1 区域地质概况

工程区属高原地带，地势北高南低，海拔高程340～700 m。

基岩主要由变质程度不同的下元古界恩特姆组(Pt1N)构成，并受到不同程度混合岩化和花岗岩化作用的影响。主要岩性为混合岩、花岗片麻岩以及变质的泥灰质沉积岩、砂岩、菱镁矿等。并有后期的花岗岩、花岗闪长岩、辉绿岩等侵入。第四系堆积物分布广泛，按成因可分为冲积、坡积、残积湖积等类型。

喀麦隆南部地区是刚果稳定地块的组成部分，区域内地质构造总体呈NE走向，主要表现为NE-SW向的褶皱及断裂。坝址下游发育一条规模较大的区域性断裂(恩特姆断裂)，距坝址最近约500 m。该断裂晚更新世以来没有活动迹象。

大气降水是区内地下水和地表径流的主要补给来源。孔隙潜水主要分布于恩特姆河的阶地及河滩的中细砂层中，而构成基底的变质岩体透水性总体较弱，裂隙水主要赋存于节理密集带、断层破碎带中。

区内物理地质作用以风化为主，崩塌、滑坡、泥石流等地质灾害不发育。从区域地质构造特征及地震活动性分析，场址位于较稳定的地块上。根据有关资料，OBE(运行基本地震)为0.03g，MDE(最大设计地震)及MCE(最大可靠地震)均取0.06g。

2 场区工程地质

2.1 地形地貌

曼维莱水电站场区地形舒缓起伏，表现为矮丘、宽谷相邻的丘陵地貌形态，地表覆盖有茂密的热带雨林。场区地势总体北高南低，地面高程一般380～433 m，相对高差多小于30 m。

坝址区恩特姆河流向先由NE-SW折为SE-NW，而后又转为NE-SW，并在坝址及其以下河段分成多条支流。坝址以下，恩特姆河河段坡降增大，水流湍急，并在多处形成瀑布或跌水，坝址区河床地面高程382～385 m，地面厂房尾水渠汇入恩特姆河处地面高程降至330 m。坝址区发育有3个较大的河心岛，受其影响，水面宽度由坝址上游的400～500 m，减少至40～60 m，仅在左、右两岸溢洪道位置，水面宽度在110～120 m。

坝址区恩特姆河两岸，阶地不发育，在坝址右岸下游侧有两条支流发育，分别为NDJO＇O河以及BIWOME＇河。

2.2 地层岩性与岩、土体物理力学特性

2.2.1 土层及其物理力学特性

残积土层在天然状态下多呈可塑状或硬塑状，第四系残积土多属黏土或粉质黏土，因土质不均一，试验成果离散度较高。总体而言，具有高液限(48.4%～73.3%，平均60.2%)、高塑性(塑性指数Ip=17.0～37.7)、高孔隙比(0.76～1.2，平均1.002)、中等-高压缩性(av=0.22～0.95 MPa-1)、弱渗透性(k=8.62×10-4～1.10×10-5cm/s)等工程特性。土体饱和后的压缩系数明显增大，压缩模量降低，这与残积土的高黏粒含量、高塑性、高孔隙比等物理特性一致。试验指标的差异主要由于不同部位土体颗粒组成的不均一性(如黏粒、砂砾含量的差异)所致。

2.2.2 岩石(体)及其物理力学特性

下元古界恩特姆组(Pt1N)花岗片麻岩，浅灰-青灰色，呈变晶中细晶或中粗晶结构、块状构造，片麻理发育，矿物成分以长石、石英以及角闪石、辉石、云母为主，岩质坚硬。辉绿岩呈黑灰色或灰绿色，多以岩脉产出，细晶结构为主，块状构造，矿物定向排列不明显，与花岗片麻岩侵入接触部位少见蚀变现象。

花岗片麻岩岩块单轴饱和抗压强度在35.6～111.3 MPa之间，平均79.9 MPa；辉绿岩岩块饱和抗压强度在59.6～114.0 MPa之间，平均81.3 MPa，场区岩石以坚硬岩为主。岩石的干、湿抗压强度差异明显，花岗片麻岩和辉绿岩的软化系数平均值分别为0.65和0.71。

受片麻理发育影响，岩石力学强度具有较强的各向异性，因岩块受力方向与片麻理交角不同，表现出不同的强度指标，致使试验指标的离散度较高(最低35.6 MPa，最高可达193.2 MPa)。当试件受力方向与片麻理近平行或小角度时，试件的破坏面往往沿片麻理方向发展，此时的试验值相对较低；而当试件受力方向与片麻理大角度相交时，试件的破坏面往往呈不规则展布，其试验指标相对较高。

2.2.3 岩、土体地球物理特性

综合物探表明：(1) 第四系棕黄色粉质黏土，具有低波速(地震纵波速度一般为300～500 m/s)、相对高电阻率(实测视电阻率值一般为1 300～2 000 Ω·m)的物性特征；(2) 第四系棕红色残积黏土以及全风化层，具有相对低波速(地震纵波速度一般为500～1 000 m/s)、低电阻率(实测视电阻率值一般为600～1 100 Ω·m)的物性特征；(3)沼泽区地层，具有低波速(地震纵波速度一般为200～300 m/s)、低电阻率(实测视电阻率值一般为100～400 Ω·m)的物性特征；(4)下元古界花岗片麻岩和辉绿岩，具有高波速(地震纵波速度一般为3 000～5 000 m/s)、高电阻率(实测视电阻率值一般为1 300～5 000 Ω·m)的物性特征。

孔内岩体声波测试结果显示，强风化花岗片麻岩的声波纵波速度为1 520～4 900 m/s，平均值为2 520 m/s；动弹性模量为3.46～52.24 GPa，平均值为10.15 GPa；完整性系数为0.05～0.55，平均值为0.13；风化系数为0.23～0.74，平均值为0.37；总体上属破碎岩体。弱风化花岗片麻岩的声波纵波速度为1 680～5 440 m/s，平均值为4 540 m/s；动弹性模量为4.35～66.66 GPa，平均值为43.17 GPa；完整性系数为0.06～0.67，平均值为0.47；风化系数为0.25～0.82，平均值为0.68；总体上属完整性差岩体。微风化-新鲜的花岗片麻岩和辉绿岩的声波纵波速度为3 120～6 940 m/s，平均值为5 970 m/s；动弹性模量为18.17～117.03 GPa，平均值为82.72GPa；完整性系数为0.22～1，平均值为0.81；风化系数为0.47～1，平均值为0.90；总体上属完整-较完整岩体。微风化-新鲜的花岗片麻岩的声波纵波速度为3 120～6 940 m/s，平均值为5 960 m/s；微风化-新鲜的辉绿岩的声波纵波速度为3 420～6 750 m/s，平均值为6 310 m/s。

从以上测试结果分析，场区岩体声波速度总体上高于一般岩体，即便是弱风化岩体，其声波波速平均值也可达4 540 m/s。随岩体风化程度减弱，其声波速度提升明显，相对低速孔段，主要出现在风化强烈或节理相对发育部位。岩块声波测试与钻孔岩体声波测试结果未表现出明显的差异，表明场区岩体完整性总体较好，结构面发育较弱，而且处于相对挤密状态。

2.2.4 岩石质量指标(RQD)

场区钻孔岩芯RQD统计结果，强风化岩体RQD值为6.5%～27.5%，平均16.2%，属于极差；弱风化岩体RQD值为8.8%～98.2%，平均56.1%，属于较差；微新岩体RQD值18.6%～97.7%，平均80.7%，属于较好。

2.2.5 岩体的透水性

从场区钻孔压水试验成果来看，弱风化岩体透水率在1～7 Lu，微新岩体透水率则多小于5 Lu，二者均属弱透水层。个别节理集中发育孔段，其透水率可达16.33 Lu。

2.3 地质构造

受NE向恩特姆断裂影响，场区岩体可见次级断层和节理密集带发育，其延伸方向多与岩石片麻理近平行或小角度相交，走向NE30°～40°为主，倾角多在50°～60°之间。

2.4 水文地质

大气降水是区内地下水和地表径流的主要补给来源。场区地下水类型有两种，即孔隙潜水和基岩裂隙水。

孔隙潜水主要埋藏于恩特姆河及其支流河滩的中细砂层中，主要接受大气降水和地表水的补给，顺地势向河床下游缓慢径流，其动态季节变化明显，地下水位与地表水水位变化密切相关。

基岩裂隙水可进一步分为两类，一是埋藏于基岩表层的风化裂隙潜水，该层水分布不连续，主要埋藏于地势相对低洼且基岩埋深较浅的区段，接受大气降水或地表水补给，顺基岩面向低洼处缓慢径流，除河心岛地段，总体水量不丰，动态变化明显；其埋深主要受控于上覆土层厚度及其下伏基岩面起伏变化情况，一般几十厘米至数米不等，若其补给区较远，而上覆残积黏土土层厚度较大时，可具有一定的承压性。另一种基岩裂隙水则埋藏与基岩下部结构面相对发育的区段，在空间上呈带状展布，各含水构造之间一般没有水力联系，且富水性和地下水位差异很大，其补给区一般较远，主要接受大气降水和地表水的补给，当其与地表水发生水力联系时，则水量颇丰，局部揭露具有承压性。水质分析显示地表水的pH值范围在5.7～5.8之间，地下水的pH值范围在6.1～6.6之间，具有弱酸性。

2.5 物理地质现象

区内物理地质作用主要以风化为主，崩塌、滑坡、泥石流等地质灾害不发育。

场区岩体主要为花岗片麻岩以及后期侵入的少量辉绿岩，岩石矿物成分以长石、石英以及角闪石、辉石和云母为主。由于花岗片麻岩岩体球状风化作用以及不同岩体的抗风化力不同(辉绿岩抗风化力明显强于花岗片麻岩)，场区岩体差异风化现象及其明显且普遍存在。

根据钻孔揭露情况，低洼地段基岩表层岩体多呈弱风化状，而且弱风化带厚度仅在2～5 m之间，其下微风化-新鲜岩体坚硬完整；在丘陵顶部及其旁侧山坡，表层残积黏土之下则埋藏有深厚的全风化层，最大厚度可达15～17 m；场区强风化层厚度不大，小者仅几十厘米，大者约6 m。