超高堆石坝建基面抬高可行性论证

刘晓光

(盘锦河海土木工程咨询有限公司，辽宁 盘锦 124010)

1 工程概况

某电站开发目的主要为发电，具有蓄水蓄能、分担中下游防洪任务、改善航道枯水期航运条件的功能和作用，经济效益显著。电站控制流域面积65599km2，坝址处多年平均流量664m3/s，水库正常蓄水位为2865m，相应库容101.54亿m3，调节库容65.60亿m3，具有多年调节能力，电站装机容量为3000MW，多年平均发电量110.62亿kW.h。电站采用粘土心墙堆石坝，最大坝高293m，坝顶高程2873m，坝顶长度650m。在大坝建设施工过程中，结合前期勘探资料和实际开挖至1700m高程附近的实测资料，河床11#～14#坝段2693m高程以下的岩体波速提高显著，孔内波速均在3500m/s以上，最高波速达到了4800m/s以上，因此判断该高程以下的岩体质量可满足大坝建设要求，可将基建面高程由原来的2688m提高至2693m，在保证基岩岩体较少受施工爆破影响的同时节省工程资金。本文结合相关工程地质资料，对坝基基岩的质量进行分析评价和研究，对坝基抬高的可行性做进一步论证[1- 3]。

2 坝基岩体完整性分析

研究中对河床11#～14#坝段进行了浅孔声波测试，其中各坝段的典型孔测试结果见表1。由声波测试结果可知，建基面以下的岩体的完整性整体较好，存在少量完整性差或较破碎岩体[5- 6]。通过声波测试数据的分析，在浅孔声波测试的检测深度范围内，岩体的完整性随着检测深度的增加而趋好，而完整性较差的部位则主要集中于检测孔孔口以下0～2m的范围内，在以下深度，也就是原设计方案中的建基面2688m高程部位的岩体完整性较好，仅局部构造带较为破碎[4]。

表1 各坝段典型钻孔测试结果

3 岩体结构基本特征分析

3.1 结构面工程地质特征

根据前期地质调查结果，大坝坝址区的Ⅱ级结构面仅有F2断层，其可见的延伸长度大于500m，产状变化较大，其破碎带内的组成物主要为破碎岩和糜棱岩。该结构面是坝址区唯一存在的Ⅱ级结构面，但是在研究坝段的基础部位并没有出露。

在研究坝段的坝基开挖后存在的Ⅲ级结构面主要是一系列的断层，其走向主要为NW向，其次为NE向。由图1—2所示，研究坝段坝基的Ⅲ级结构面主要为大于60°的陡倾结构面，其所占比例为92.59%，而倾角为40°～60°的中倾结构面比例较小，仅为7.40%；此外，倾向为190°～240°的结构面占55.56%，在110°～160°的仅占18.51%。

图2 Ⅲ级结构面倾向分布特征

研究段坝基由大量的Ⅳ- Ⅴ级结构面发育，主要表现为节理和裂隙，其走向以NW向为主，其次为NE向，这一分布特征与Ⅲ级结构面类似。坝基中的Ⅳ- Ⅴ级结构面主要以中陡倾角为主，其中小于30°的缓倾角裂隙仅占10.77%，大于60°的陡倾裂隙占23.72%，其余均为中倾裂隙。从裂隙方向来看，倾向为120°～160°的裂隙占20.30%，220°～250°的占18.25%，250°～280°的裂隙占18.08%，在50°～80°的占9.71%，其余方向的为33.66%。

3.2 坝基岩体结构特征

利用上节获得的波速检测资料，对研究坝段建基面上部岩体结构进行评价，结果显示，研究坝段建基面上部岩体结构整体较差，主要表现为互层镶嵌状结构。对建基面以下的岩体结构进行评价，获得的岩体结构类型评价结果见表2。由表格中的结果可知，研究坝段的岩体结构随着深度的增加而趋于完好，这与岩体完整性发育的空间分布规律类似。具体而言，在2698～2700m高程的岩体主要表现为中厚层状、次块状结构；在2696～2698m高程的岩体主要为大面积厚层状到整体结构岩体；2694～2696m高程为大面积厚层状结构岩体；在2686～2688m高程均为厚层状结构岩体。

表2 各坝段建基面下岩体结构评价成果

4 岩体力学特征分析

4.1 岩体力学性质

施工现场调查显示，研究坝段坝基主要出露岩石为燕山期正长岩以及侏罗纪变质砂岩、泥质粉岩。通过试验室试验测定，上述三类岩石的力学性质见表3。由表格中的结果可知，研究坝段坝基出露岩石仅为坚硬岩类，抗风化、软化性能好，强度高，吸水率低，完全可以满足大坝建设要求。

表3 坝基岩体力学参数试验结果

图3 坝基变形模量测试结果(左起分别为11#、12#、13#和14#坝段测试均值)

4.2 岩体变形特征分析

为了研究坝基岩石的变形特征，在每个研究坝段各设置3个深度为10m的岩体弹性模量检测钻孔，共12个检测钻孔，每个坝段的检测结果均值如图3所示。由图中的结果可知，研究坝段坝基的浅表松弛层厚度约1～3m，变形模量为4.5～6.5GPa，而松弛层下岩体的变形模量为6.5～12.0GPa，仅有局部断层带或裂隙发育密集部位变形模量的值较低。总体而言，坝基岩体具有较强的抵抗变形能力，受爆破与构造带扰动影响有限。对于坝基中存在的断层和裂隙缺陷，可以通过清撬和固结灌浆等工程措施予以有效改善。

5 坝基岩体质量分级

关于岩体质量分级，GB50287—2006《水力发电工程地质勘查规范》中提出的主要参考指标为岩体的结构、岩体完整性以及强度。电站设计阶段的地质研究报告显示，坝址区的基岩主要受构造、岩浆入侵以及浅表生改造等因素的影响，裂隙发育，岩芯破碎、RQO值较低。但在原位条件且无较大扰动的情况下，岩体的完整性较好，波速较高而渗透性较低。上述岩体特征在我国西南地区的诸多大型水电工程中类似情况较多[7- 11]。因此，基于相关规范和类似工程中基岩质量分级标准见表4。按照表4所列的分级标准，结合波速检测资料综合分析，研究坝段2693m高程的岩体质量以Ⅲ1为主，占81.5%，Ⅲ2级岩体次之，占9.4%，Ⅱ岩体占9%，仅有局部存在的大于20cm的断层带为Ⅳ级岩体。

表4 坝基岩体质量分级标准

6 结论

(1)研究坝段2693m高程的基岩岩体以中厚层结构为主，局部存在薄层状结构，出露岩石仅为坚硬岩类，抗风化、软化性能好，强度高，吸水率低，完全可以满足大坝建设要求。

(2)研究坝段坝基的浅表松弛层厚度约1～3m，变形模量为4.5～6.5GPa，而松弛层下岩体的变形模量为6.5～12.0GPa，仅有局部断层带或裂隙发育密集部位变形模量的值较低。总体而言，坝基岩体具有较强的抵抗变形能力，受爆破与构造带扰动影响有限。

(3)研究坝段2693m高程的岩体质量以Ⅲ1为主，占81.5%，Ⅲ2级岩体次之，占9.4%，Ⅱ岩体占9%，仅有局部存在的大于20cm的断层带为Ⅳ级岩体，工程地质条件良好。

基于上述结论，研究坝段的建基面高程可以提升至2693m高程，在固结灌浆和帷幕灌浆后可以满足大坝建基要求。