引汉济渭工程三河口水库拱坝坝基岩体质量特征与建基面优化选择

邢丁家，邢一豪

(陕西省水利电力勘测设计研究院，陕西 西安 710001)

0 引 言

引汉济渭工程是陕西省重大跨流域调水工程，跨越黄河、长江两大流域，横穿秦岭屏障。整个调水工程由三大部分组成，即黄金峡水利枢纽、三河口水利枢纽和秦岭输水洞。工程在汉江干流黄金峡和支流子午河分别修建水源工程黄金峡水利枢纽和三河口水利枢纽蓄水，经总长98.3 km的秦岭隧洞将水送至关中，解决西安、宝鸡、咸阳、渭南等沿渭河大中城市的生活、工业生产用水问题。其中三河口水库是引汉济渭工程重要水源之一，也是整个引汉济渭工程中具有较大水量调节能力的核心项目和调蓄中枢。三河口水库大坝为碾压混凝土拱坝，坝高约为145 m，总库容为7.1×108m3。工程初步设计阶段确定的河床建基面高程为501.0 m[1]，目前大坝已开工建设，两坝肩开挖已结束，当河床坝基开挖至高程506.0 m附近时，发现河床坝基的地质条件好于前期预测，为此提出对河床坝基岩体质量进行研究，分析评价建基面抬高的可行性，进一步优化设计，以期能减少坝基开挖量，降低工程造价，同时缩短工期。

有关建基面选择问题，罗荣等已做过大量研究工作[2-9]；为了更准确地评价坝基岩体质量，优选建基面，前人开展了大量已成高拱坝建基面的研究[10-17]。目前，选择建基面主要以岩体类别为依据，但岩体类别的确定往往指标偏少，有的甚至凭经验，导致划分出的岩体类别往往与实际有差别。很多研究成果主要以坝基岩体的风化程度来确定建基面[18]，特别是对拱坝过分强调了岩体的微新、完整性[19]，对岩体的各种工程特征及综合质量研究不够，致使选出的建基面往往偏深，不仅增加开挖量与工程费用，还拉长工期，给工程建设带来很多困难。尤其是工程前期，受各种条件制约，勘探工作深度有限，不能完全揭露岩体工程地质条件，导致这一问题更加突出。本文通过对引汉济渭工程三河口水库拱坝坝基开挖揭露的岩体重新进行勘探试验，新增加8个勘探孔，重点从工程地质角度评价坝基岩体质量与建基面选择的合理性。通过在勘探孔采用孔内电视、纵波波速及变形模量等测试方法，对坝基岩体风化特征、结构特征、纵波波速与变形模量关系等问题进行综合分析，特别是对坝基局部的断层破碎带及碎裂岩体能否利用等问题进行了分析研究，并对坝基岩体重新进行了岩体质量工程地质分类，以期选出符合实际的建基面，加快工程建设进度，节约工程投资。

1 工程地质概况

三河口水库大坝位于陕西省佛坪县境内汉江一级支流子午河中游峡谷段。由于两坝肩施工开挖已完成，本次研究对象主要是河床建基面的工程地质条件。河床坝基宽约为68 m，砂卵石覆盖层厚度为5.0～8.5 m，下伏基岩主要为下志留统梅子垭组(S1m)变质砂岩(Mss)，局部夹有大理岩[20]。变质砂岩呈浅灰色—灰褐色，矿物组成以长石、石英为主，次为云母及暗色矿物，具变余砂状结构、块状及层状构造。大理岩呈白色—浅灰白色，矿物组成以方解石为主，具粒状变晶结构、块状构造，多呈条带状出露，从左岸到右岸横穿河床，一般宽度为2 m左右(图1)。

坝基部位的地质构造主要为断层与裂隙两种类型。断层主要有F44、F45两条，大体从河床坝基的中下区域横穿河床，均为逆断层。F44产状为(220°～240°)∠(70°～75°)，断层带宽度为0.3～1.0 m，主要为灰黑色碎裂岩；F45产状为(240°～250°)∠(65°～70°)，断层带宽度为0.3 m，主要为灰黑色碎裂岩及少量断层泥。裂隙主要发育一组，产状为(170°～200°)∠(60°～70°)，宽度为1～3 mm，岩屑充填，延伸长度大于10 m。断层、裂隙规模不大，且断层横向展布，没有贯通上下游，对坝基影响较小。

高程506.0 m坝基岩体以微风化为主，局部受断层影响残存少量强风化与弱风化岩体。经取样测试，各类岩石的主要物理力学指标见表1。物探测试其强风化岩体的弹性波纵波波速(Vp)为1 000～2 500 m·s-1，弱风化岩体的纵波波速为2 500～3 800 m·s-1，微风化岩体的纵波波速为3 800～5 500 m·s-1。坝基岩体整体完整性较好。

图1 引汉济渭工程三河口水库坝基高程506.0 m岩体工程地质编录图Fig.1 Engineering Geological Record Map of Dam Foundation of Sanhekou Reservoir for Hanjiang-to-Weihe River Water Diversion Project at the Elevation of 506.0 m

2 坝基岩体质量特征

根据岩体风化特征，结合设计要求，初步设计阶段建议将建基面置于微风化岩体中，建基面高程501.0 m，开挖深度13～15 m。施工过程中，当开挖到高程506.0 m附近时(开挖深度10 m左右)，坝基岩体以弱—微风化为主，大部分岩体纵波波速大于3 300 m·s-1，岩石饱和抗压强度大于60 MPa，具有优良的地质条件。为此，本文提出对河床坝基岩体质量进行深入研究，分析建基面抬高可行性，节约工程投资。

2.1 风化特征

工程前期对岩体风化划分偏保守，主要根据肉眼鉴定。《水利水电工程地质勘察规范》(GB 50487—2008)对岩体风化带划分也主要考虑岩体纵波波速[21]。本文依据坝基钻孔资料及孔内纵波波速测试结果，利用纵波波速、岩石质量指标(RQD)及肉眼观察等综合分析判断，对坝基岩体进行了更加合理的风化分带(表2)。

表2 坝基岩体风化分带Tab.2 Weathering Zonation of Dam Foundation Rock Mass

由表2可知，坝基开挖到高程506.0 m时岩体绝大部分为微风化，受裂隙及断层影响，局部少量岩体为弱风化。测试结果表明，随着开挖深度的增加，岩体风化程度逐渐减弱，若继续向下开挖1 m左右，弱风化上带岩体基本全部挖除，弱风化下带岩体残留范围和厚度变得很小，主要分布在坝基右侧下游边界，且纵波波速较高，对坝基整体影响不大。依据高拱坝建基面选择原则，确定建基面应以微风化-新鲜为主，开挖1 m左右后建基面岩体的风化程度基本满足建基面选择要求。

2.2 结构及完整性

本工程设计要求坝基岩体整体纵波波速一般不小于4 300 m·s-1。开挖结果表明，高程506.0 m以下坝基岩体以厚层状、块状结构为主，岩体普遍较完整。厚层状及块状结构岩体孔内纵波波速测试显示，岩体纵波波速呈上部低、下部高的规律，高程506.0 m附近岩体纵波波速低于4 300 m·s-1，但高程504.5 m以下纵波波速均大于4 300 m·s-1，完整性系数(KV)普遍大于0.7，可见高程504.5 m以下岩体完全满足设计要求，其代表性钻孔(ZK4)测试结果见图2。

图2 厚层状及块状岩体纵波波速与高程的关系Fig.2 Relationship Between Longitudinal Wave Velocity and Elevation of Thick Layer and Massive Rock Mass

坝基局部断层及裂隙发育段为镶嵌结构及碎块状结构岩体[22]，裂隙发育，纵波波速波动较大，特别是高程496.0～498.0 m受断层F45影响，岩体纵波波速较低，其代表性钻孔(ZK5)测试结果见图3。局部镶嵌结构及碎块状结构岩体在坝基中所占比例仅为19%，面积不大。分析认为，局部镶嵌结构及碎块状结构岩体裂隙发育，可灌性较好，固结灌浆后其强度会有所提高。根据类似工程的灌浆统计资料[23]，此类岩体固结灌浆后，其纵波波速可提高30%左右，其强度与完整性提高较明显，虽没有达到设计要求(纵波波速4 300 m·s-1)，但由于其所占比例很小，根据其对应的物理力学指标，经设计分析计算结果满足大坝稳定要求。

图3 碎块状岩体纵波波速与高程的关系Fig.3 Relationship Between Longitudinal Wave Velocity and Elevation of Broken Rock Mass

2.3 强度与变形特征

本次取样测试除少量断层破碎带外，坝基岩石饱和抗压强度均在65～108 MPa之间，大于60 MPa，属坚硬岩，岩体强度普遍较高。对于大坝变形分析所需要的关键参数——岩体变形模量[24]，本文根据钻孔内的测试结果及前期勘察时勘探孔内的原位试验，对不同类别岩体测出的变形模量及其对应的纵波波速进行统计分析，建立了岩体变形模量与纵波波速关系(图4)。图4中拟合线判定系数为0.760 4，说明两者相关性较好，拟合出的岩体变形模量(E0)与纵波波速关系式为E0=1.124 8e0.000 6Vp。由此可知，岩体纵波波速越高，其变形模量越大，在坝基岩体中只要测出某一高程的纵波波速，就可以求出其对应的岩体变形模量，解决了开挖现场不便测试变形模量的难题，从而较快地提出不同类别岩体的变形模量参数。

图4 岩体变形模量与纵波波速的关系Fig.4 Relationship Between Deformation Modulus and Longitudinal Wave Velocity of Rock Mass

坝基高程504.5 m以下岩体测出的纵波波速普遍在3 000～5 300 m·s-1之间，依据岩体变形模量与纵波波速的关系式可以得出其对应的变形模量一般为8～25 GPa，强度较高，可满足大坝变形设计要求。

2.4 质量评价

基于高程506.0 m以下坝基岩体的风化特征、结构及完整性、强度及变形特征等指标，依据《水利水电工程地质勘察规范》(GB 50487—2008)[21]，并结合类似工程经验，对高程506.0 m以下坝基岩体质量进行工程地质分类(表3)。

表3 坝基岩体质量工程地质分类Tab.3 Engineering Geology Classification for Dam Foundation Rock Mass Quality

由表3可以看出，坝基岩体在高程504.5 m以下整体质量明显优于在高程504.5 m以上的。高程504.5 m以下AⅡ类岩体所占比例大于80%，基本无强风化岩体，局部AⅢ类及以下类别的岩体所占比例不大，经处理后可满足坝基设计要求。

图5 建基面优化示意图Fig.5 Sketch Map for Optimization of Foundation Plane

3 大坝建基面选择及坝基处理建议

根据现行规范及设计要求，引汉济渭工程三河口水库拱坝建基面选择标准为：建基面应以AⅡ类岩体为主，纵波波速不低于4 300 m·s-1；允许局部有AⅢ类岩体，但需要固结灌浆处理；少量BⅣ类岩体不能利用，需挖除置换处理。依据该标准，高程504.5 m以下坝基岩体整体强度高，完整性好。其中，大部分为AⅡ类岩体，可直接作为建基面；AⅢ类岩体固结灌浆处理后，亦可作为建基面；BⅣ类岩体所占比例不大，挖除置换处理后，可满足坝基要求。由此可见，选择高程504.5 m为建基面较合理(图5)。

建基面确定后，还应对局部少量不符合要求的岩体进行处理。本工程坝基AⅡ类岩体是良好的天然地基，不需要进行特殊处理，可以直接作为坝基岩体；局部AⅢ类岩体受裂隙发育影响，纵波波速稍低，但岩体强度较高，通过固结灌浆可以进一步提高其强度与完整性，对该类岩体建议进行固结灌浆处理[25-26]；BⅣ类岩体所占比例很少，主要为构造破碎带，其强度、纵波波速均较低，不能作建基面，必须挖除置换，建议开挖深度应大于其出露宽度，挖除后及时回填混凝土，处理后的地基应进行检测，确保满足设计要求。

4 结 语

通过对引汉济渭工程三河口水库拱坝坝基开挖揭露的岩体重新进行勘探试验，依据勘探试验结果对坝基岩体进行了详细的风化分带，对岩体的结构及完整性、强度及变形特征等工程特性进行了分析研究，建立了岩体变形模量与纵波波速关系(E0=1.124 8e0.000 6Vp)，解决了开挖现场不便测试变形模量的难题。同时对坝基岩体质量进行了工程地质分类，优选出合理的建基面，使大坝建基面高程由原来的501.0 m抬升至504.5 m，减少了坝基开挖与混凝土浇筑量，缩短了工期，节约了工程投资。