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丰满新大坝地基工程地质条件及地质缺陷处理

2020-10-21邢国军谢福志

水科学与工程技术 2020年5期
关键词:坝段节理坝基

邢国军,谢福志,林 牧

(中水东北勘测设计研究有限责任公司,长春130021)

1 概况

丰满水电站位于吉林省吉林市上游16km松花江干流丰满峡谷口,其上游建有白山、红石水电站,坝址距上游白山水电站210km,下游建有永庆反调节水库。

丰满重建工程为一等大(1)型工程,在原大坝下游120m处新建一座大坝, 水库正常蓄水位263.50m,汛限水位260.50m, 死水位242.00m, 校核洪水位268.50m,总库容103.77亿m3。 新建电站安装6台单机容量为200MW的水轮发电机组,利用三期2台单机容量140MW的机组,总装机容量1480MW,多年平均发电量17.09亿kWh。

2 工程地质条件

丰满新建大坝为碾压混凝土重力坝,由左、右岸挡水坝段、 河床溢流坝段、 河床偏右的厂房坝段组成。 大坝基础最低建基高程175.00m, 坝顶高程269.50m,最大坝高94.50m,坝顶总长1068.00m。

大坝建基岩体为变质砾岩, 深灰色, 变余砾状结构,厚层状构造,变余层理产状为走向N25°~35°W,倾向NE∠25°~40°,岩质坚硬,具抗压强度高、弹性模量大、吸水率低等特点;建基岩体为弱风化~微风化,以块状~次块状结构为主;建基岩体工程地质条件总体较好。断层较发育,中陡倾角,走向与坝轴线大角度相交。

开挖揭示大坝坝基岩体以ⅡA、Ⅲ1A类为主,其中ⅡA,Ⅲ1A,Ⅳ1A,Ⅳ2A,Ⅴ类岩体占比分别为32.99%,51.34%,5.62%,9.78%和0.27%。Ⅳ1A类、Ⅳ2A类和Ⅴ类岩体主要分布在各断层两侧及F67断层破碎带(分布在29#坝段~32#坝段。 )

2.1 左岸挡水坝段

左岸挡水坝段桩号0+000.00~0+162.00m,1#坝段长16.00m,2#坝段~8#坝段各坝段长18.00m,9#坝段为溢流坝检修门库坝段,长度20.00m,左岸挡水坝段总长162.00m。 其中坝基桩号0+000m~0+124.00m段位于左岸山坡下部,地形较陡,坡度一般25°~35°,地面高程200~273m, 覆盖层主要为碎石混合土和块石, 厚度一般1~4m, 最厚约5.5m; 坝基桩号0+124.00~0+162.00m段地处河床, 地形平缓, 坡度5°~8°,地面高程190~195m,基岩多裸露。

组成坝基岩体为变质砾岩,弱风化岩厚度15m左右。 建基岩体纵波速3.2~5.88km/s,岩体完整性系数0.28~0.96,平均值为0.7,综合评定以较完整岩体~完整岩体,局部为完整性差岩体。

坝基主要分布有F3, F13,F23,F304条断层破碎带,除F3走向与坝轴线交角为25°~45°, 出露宽度为0.3~2.0m外, 其余断层走向与坝轴线交角较大为78°~85°,出露宽度(断层及影响带)介于1.0~2.6m之间。岩体节理裂裂隙走向NE的占71%, 走向NW的占29%;陡倾角(61°~89°) 占77%, 中等倾角 (31°~60°)占18%,缓倾角(0~30°)不足5%且延伸局限。 坝基主要为弱透水岩层(埋深一般20~80m),地下水位埋深5~35m,局部分布中等透水岩层透镜体。 相对隔水层埋深25~75m(按透水率小于1Lu控制)。

2.2 溢流坝段

溢流坝段桩号0+162.00~0+342.00m,10#坝段~19#坝段各坝段长18.00m,总长180.00m。

溢流坝段位于左岸河床, 地形平缓, 基岩多裸露,地面高程188~190m。 组成坝基岩体为变质砾岩,岩质较坚硬,弱风化岩厚度4~6m。 据物探声波测试资料,坝基弱风化岩体纵波速一般为3.85~5.91km/s,完整性系数0.41~0.97, 多属完整岩体~较完整岩体,局部为完整性差岩体。

坝基见F61,F62,F913条断层破碎带通过,F61和F62断层走向与坝轴线近于正交,中等倾角,出露宽度分别为1~3.4m和0.3~1.5m;F91断层走向与坝轴线交角较小,呈弧形延伸,陡倾角,宽度0.5~2.0m;断层破碎带经处理后可以满足建坝要求。 岩体节理裂裂隙走向NE的占65%,走向NW的占35%;陡倾角(61°~89°)占76%,中等倾角(31°~60°)占15%,缓倾角(0~30°)不足9%且延伸局限。 节理面多较平直, 间距一般30~50cm,多张开1~5mm。坝基除表部弱风化岩为中等透水岩体外, 微风化及新鲜岩石为弱~微透水岩体,相对隔水层(<1Lu)埋深一般为35~50m。

2.3 厂房坝段

厂房坝段(河床偏右)桩号0+342.00~0+510.00m,20#坝段~25#坝段各坝段长28.00m,总长168.00m。厂房坝段地形平缓,基岩多裸露,地面高程181~184m。

组成坝基岩体为变质砾岩,弱风化岩厚度一般14~17m。 据物探声波测试资料,坝基弱风化岩体纵波速一般为2.94~5.88km/s, 完整性系数0.24~0.96 , 以完整岩体~较完整岩体为主,局部为较完整~完整性差岩体。

坝基主要见有F63,F64,F65,F664条断层破 碎带通过,其走向与坝轴线近于正交,出露宽度分别为0.4~0.8m,2.1~2.6m,1~2m,5.7~6.3m,F63和F65为陡倾角断层,F64和F66为中等倾角断层。 岩体节理裂裂隙走向NE的占43%,走向NW的占57%;陡倾角(61°~89°)占65%,中等倾角(31°~60°)占27%,缓倾角(0°~30°)不足8%且延伸局限。 节理面多较平直, 间距一般10~80cm,多张开2~10mm。坝基多为弱透水岩体,相对隔水层(<1Lu)埋深一般为40~50m。

2.4 右岸挡水坝段

为右岸挡水坝段, 桩号0+510.00m~1+068.00m,26#坝段~56#坝段各坝段长18.00m,总长558.00m。 按大坝建基基础条件可分为四个分段阐述。

2.4.1 26#坝段~28#坝段

其中桩号0+510.00m~桩号0+546.00m 段坝坝基位于松花江右岸河床,地形平缓,河床基岩多裸露, 地面高程184~186m; 桩号0+546.00m~桩号0+564.00m段右岸阶地前缘, 前缘陡坎高出河床约10m,地形较平缓,坡度1°~7°,地面高程一般204m左右。坝基覆盖层为杂填土和碎石混合土等组成,厚度一般6~12m。 组成坝基岩体为变质砾岩,弱风化岩厚度一般0~4m。坝基岩体纵波速为3.70~5.88km/s,完整性系数0.38~0.96, 以完整岩体~较完整岩体为主,局部为较完整~完整性差岩体。

坝基断裂构造不发育,仅见局部节理密集带。 坝基多为弱透水岩体,相对隔水层(<1Lu)埋深一般为53~66m。

2.4.2 F67断层坝段(29#坝段~32#坝段)

桩号0+564.00m~桩号0+636.00m段坝基位于松花江右岸阶地,地形平缓,地面高程203.80~209.00m,地形较平缓,坡度3°~5°。 坝基覆盖层为杂填土和碎石混合土等组成,局部地段分布级配不良砂,厚度一般6~12m。

组成坝基岩体为变质砾岩, 坝址区Ⅰ级断层F67在本段通过。F67断层为坝基揭露的规模最大、性状最差的一条断层破碎带,与坝轴线近于正交。断层破碎带由多条断层组成,各断层宽度不一,总体走向N15°~50°W,倾向SW,倾角60°~85°。整个破碎带岩石破碎程度不均一,按其破碎情况大致可分断层泥化带、强烈挤压破碎带和挤压破碎带三个部分, 各带大体呈条带状分布,宽窄不一,变化复杂,多为渐变缺乏明显界线。

(1) 断层泥化带: 约占断层带统计总面积的3.58%,为断层中心带,开挖建基面范围内见有连续贯穿的断层泥化带2条,此外尚有零星分布的泥化团块、泥化条纹等,泥化带由灰~黄灰色泥夹岩屑组成,湿时具塑性。

(2)强烈挤压破碎带:约占断层带统计总面积的13.73%,沿断层泥化带两侧分布,宽度变化较大,一般1.0~9.0m,节理间距多小于10cm,破碎带内岩体多被压碎成数厘米大小较软的碎裂岩,节理多张开,无充填或泥质充填,局部有绿泥石化、高岭土化现象,受构造影响强烈。

(3) 挤压破碎带: 约占断层带统计总面积的82.69%,由断层挤压破碎带和断层影响带组成,二者犬牙交错、穿插分布,界线不清,难以准确划分,总体上以断层影响带较完整岩体为主, 比例大于三分之二,原岩(变质砾岩)结构基本未发生变化;挤压破碎带见数十条倾角较陡的小断层, 节理间距一般介于10~30cm, 岩石多破碎呈10~30cm大小的较软弱岩块,节理多张开,无充填或泥质、钙质充填,未胶结。

F67断层坝段(29#坝段~32#坝段)坝基Ⅲ1A类岩体占面积比11.25%,Ⅳ1A类岩体占面积比63.75%,Ⅳ2A类岩体占面积比21.73%,Ⅴ类岩体占面积比3.27%。

2.4.3 F67断层影响坝段(33#坝段~36#坝段)

桩号0+636.00m~桩号0+708.00m。本段坝基位于坝址右岸阶地,地形较平缓,坡度1°~7°,地面高程209~217m。 坝基覆盖层为杂填土和碎石混合土,局部地段分布级配不良砂,厚度20~24m。 组成坝基岩体为变质砾岩, 弱风化岩厚度15~20m, 局部可达40m。 坝基岩体纵波速为3.70~5.88km/s,完整性系数0.38~0.96,属完整性差岩体~较完整岩体。

坝基发育有F68,F92,F93和F964条断层破碎带。断层F68和断层F96与坝轴线交角为46°;断层F92与坝轴线交角为60°;F68,F92,F96均为陡倾角断层; 断层F93呈弧形延伸,与坝轴线交角为14°~34°,倾角中等~陡倾角。

坝基岩体与断层破碎带平行的节理裂隙亦极为发育,节理裂隙以65°~75°的陡倾角节理为主,间距一般20~40cm,节理多张开1~2mm,部分为泥质或岩屑所充填,节理裂隙相互切割,岩体破碎。

坝基多为弱透水岩体,局部为中等透水岩体,相对隔水层(<1Lu)埋深一般为60~80m,地下水位埋深一般14~20m。

2.4.4 37#坝段~56#坝段

桩号0+708.00m~桩号1+068.00m。 其中桩号0+708.00m~桩号0+888.00m段坝址右岸阶地,地形较平缓,坡度1°~7°,地面高程一般217~240m,坝基覆盖层为杂填土和碎石混合土等组成, 局部地段分布级配不良砂,厚度一般8.5~33m;桩号0+888.00m~桩号1+068.00m段位右岸山坡,地形较平缓,坡度一般10°~20°,地面高程一般240~280m,坝基覆盖层为碎石混合土,厚度一般2~6m,局部可达10m。 坝基岩体为变质砾岩,弱风化岩厚度一般14~17m,局部可达30m。坝基岩体纵波速一般为3.47~5.89km/s, 完整性系数0.33~0.96,多属较完整岩体~完整性差岩体,部分为完整岩体~较完整岩体,局部为破碎~较破碎岩体。

坝基主要见有F75,F77,F78,F92,F94和F956条断层破碎带通过,F75,F77和F95断层其走向与坝轴线大角度相交;断层F92与坝轴线交角为60°;断层F94与坝轴线交角为35°, 为中等倾角; 断层F78与坝轴线近于平行;F75,F77,F78,F92和F955条为陡倾角断层。 F75,F77,F78,F92,F94和F956 条 断 层 出 露 宽 度 分 别 为0.1 ~0.5,0.5 ~1.0,1.0,0.1~2.9,1.5和4.4m。坝基节理裂隙以65°~80°陡倾角为主,间距一般20~60cm,节理多张开1~2mm,部分为泥质或岩屑所充填。

坝基多为弱透水岩体,相对隔水层(<1Lu)埋深一般为30~85m,地下水位埋深一般15~25m。

3 存在地质缺陷及处理措施

3.1 断层及破碎带构成的软弱破碎的软基处理措施

坝基揭露的断层及断层破碎带有21条, 出露宽度一般0.2~6.0m不等, 其中F67断层破碎带的规模最大,宽度达40~62m。 断层及断层破碎带导致局部坝基岩体较破碎、完整性差、强度低,压缩变形大,易使坝基产生不均匀变形,引起不利的应力分布,导致坝体开裂,需要处理。 综合处理措施如下:

(1)断层及断层破碎带开挖。对坝基出露的断层及断层破碎带进行二次槽挖, 槽挖深度根据断层破碎带宽度B(断层中心带+两侧影响带)以及断层倾角(以45°为界分为陡倾角和缓倾角断层) 等的不同合理取值,两侧开挖坡比不陡于1∶0.5。其中,对B≤0.5m的陡倾角断层适当掏挖。

(2)混凝土塞。对二次槽挖部位回填混凝土形成混凝土塞,使混凝土回填基础与岩体形成组合地基,同时坝体传来的荷载通过混凝土塞体均匀传向两侧坚硬岩石, 以达到均匀坝体应力和减少坝体不均匀沉降的目的。回填混凝土采用三级配微膨胀混凝土,其中B≤0.5m的陡倾角断层采用二级配。

宽度小于等于0.5m的陡倾角断层掏挖后回填混凝土不配筋, 不设锚杆; 缓倾角断层塞及宽度超过0.5m的陡倾角断层塞顶面坝体内全配筋防裂; 缓倾角断层塞及宽度超过1m的陡倾角断层塞底面配筋承载,两侧壁设置锚杆。

倾角大于45°的陡倾角断层处理典型断面如图1~图3; 倾角小于45°的陡倾角断层处理典型断面如图4。

图1 B=3~6m处理典型断面

图2 B=1~3m处理典型断面

图3 B=0.5~1m处理典型断面

图4 缓倾角断层处理典型断面

3.2 左岸挡水坝段

断层破碎带、 节理密集带和破碎岩体通过部位为Ⅳ2A类岩体占6.6%(面积比)。

(1)由于左岸边坡走向与岩层走向近于平行,为顺向坡,岩层层面与走向NE、NW两组节理构成不利结构面组合,施工开挖形成临空面以后,开挖边坡稳定性差, 故坝基开挖时对局部存在边坡稳定问题的部位进行了锚喷支护。

(2)左岸挡水坝段陡倾角断层有F3,F13,F30和F234条,均规模较小,对出露较宽部位进行了二次槽挖,回填混凝土形成混凝土塞, 以达到均匀坝体应力和减少坝体不均匀沉降的目的。

3.3 溢流坝段

断层破碎带通过部位为Ⅳ2A类岩体 (占面积比1.2%)。施工中将早期施工的三条沟槽内松散物全部挖除至基岩,并采用并回填三级配微膨胀混凝土塞进行处理。

陡倾角断层F91进行了二次槽挖,采用直径22mm锚杆,1.5m×1.5m间排距梅花形布置,入岩深度2.5m;配筋布置形式: 主钢筋采用φ25@25, 分布筋采用φ16@25(主钢筋采用φ28@25,分布筋采用φ20@25),贴紧岩面布置,回填混凝土形成混凝土塞,以达到均匀坝体应力和减少坝体不均匀沉降的目的; 断层F61和F62开挖后采用三级配常态微膨胀混凝土回填形成混凝土塞。

3.4 厂房坝段

断层破碎带、 节理密集带和破碎岩体通过部位为Ⅳ2A类岩体(占面积比12.7%)。

陡倾角断层F91进行了二次槽挖, 采用φ22mm锚杆,1.5m×1.5m间排距梅花形布置,入岩深度2.5m;配筋布置形式: 主钢筋采用φ25@25, 分布筋采用φ16@25(主钢筋采用φ28@25,分布筋采用φ20@25),贴紧岩面布置,回填混凝土形成混凝土塞,以达到均匀坝体应力和减少坝体不均匀沉降的目的; 陡倾角断层F63规模较小,对出露较宽部位进行了二次槽挖,回填混凝土形成混凝土塞。

3.5 右岸挡水坝段

(1)26#坝段~28#坝段坝基小断层通过部位为Ⅳ2A类岩体(占面积比2.0%)。 断层规模较小对出露较宽部位进行了二次槽挖,回填混凝土形成混凝土塞。

(2)F67断层坝段(29#坝段~32#坝段)坝基的Ⅳ类岩体占面积比85.48%,Ⅴ类岩体占面积比3.27%。 岩体为完整性差~较完整。主要工程地质问题为坝基不均匀变形及渗漏、渗透破坏、抗滑稳定问题。 为满足抗滑稳定,在坝段上游和下游均采用倒梯形刻槽。其中上游倒梯形刻槽29#坝段,30#~31#坝段,32#坝段的宽度26m,深度分别为4,6,8m;下游倒梯形刻槽宽度26m,深度4m。 槽内回填坝体标号混凝土并与坝块混凝土形成整体,满足抗滑稳定要求;对断层泥化带通过部位采用局部倒梯形刻槽,深度不小于宽度,并回填三级配微膨胀混凝土塞进行处理, 宽度≤0.5m的陡倾角断层采用二级配混凝土塞进行处理; 同时加深了固结灌浆的处理措施。

(3)F67断层影响坝段(33#坝段~36#坝段)断层破碎带通过部位为Ⅳ2A类岩体(占面积比15.8%)。

坝基断裂构造发育, 破碎带岩体多具有岩质软弱、强度低、易变形和渗透稳定性差等特点,对坝基岩体抗滑稳定和渗透稳定带来极为不利影响, 岩体抗滑、 抗变形性能受结构面及其破碎物之间的胶结情况所控制, 建基面混凝土/岩体抗剪断参数较一般的Ⅲ1A类岩体低, 需要进行特殊处理,33#坝段~36#坝段下游增设了深度为4m的齿槽, 提高了坝基面的抗滑稳定安全裕度。 陡倾角断层F68进行了二次槽挖,采用直径22mm锚杆,1.5m×1.5m间排距梅花形布置,入岩深度2.5m;配筋布置形式:主钢筋采用φ25@25,分布筋采用φ16@25(主钢筋采用φ28@25,分布筋采用φ20@25),贴紧岩面布置,回填混凝土形成混凝土塞,以达到均匀坝体应力和减少坝体不均匀沉降的目的;中陡倾角断层F92,F93和F96规模较小, 对出露较宽部位进行了二次槽挖,回填混凝土形成混凝土塞,回填混凝土采用三级配微膨胀混凝土。

(4)右岸挡水坝段(37#坝段~56#坝段)断层及断层破碎带通过部位为Ⅳ1A类岩体和Ⅳ2A类岩体占面积比分别为1.84%和6.64%。

F75,F77,F78,F92,F94和F956条断层出露宽度变化较大, 对出露较宽大于0.05m的部位进行了二次槽挖,回填混凝土形成混凝土塞。 坝基出露的断层及断层破碎带经处理后满足建坝要求。

4 结语

(1)一般(指宽度小于6m)断层及断层破碎带宽度小于等于0.5m的陡倾角断层掏挖后回填混凝土不配筋,不设锚杆;缓倾角断层塞以及宽度超过0.5m的陡倾角断层塞顶面坝体内全配筋防裂; 缓倾角断层塞以及宽度超过1m的陡倾角断层塞底面配筋承载,两侧壁设置锚杆。

(2)F67断层坝段基础处理总体处理方案为采用回填混凝土+上、下游齿槽方案,并加强(固结、帷幕灌浆)处理措施。

(3)F67断层影响坝段基础处理总体处理方案为采用回填混凝土+下游齿槽方案,并加强(固结灌浆)处理措施。

(4)F68断层通过坝段基础处理总体处理方案为采用二次槽挖,两侧壁设置锚杆,塞底面配筋承载,回填混凝土方案,并加强固结灌浆处理措施。

(5)自水库蓄水以来,安全监测大坝整体发生向下游方向的水平位移,变化范围在-3.58~10.51mm之间; 坝体最大沉降2.46mm, 向下游倾斜最大角度27.08″,各坝段沉降变形基本稳定。 坝踵建基面相对于最深处的变形在-3.10~0.59mm之间, 坝址建基面相对于最深处的变形在-3.21~-0.40 mm之间。 目前坝基变形基本稳定,无异常发展趋势;坝体坝基各横缝、接缝、裂缝变形蓄水以来变幅均较小,无异常发展趋势。

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