苏布雷水电站左岸坝基工程地质问题研究

苏 星，胡金山，张青宇

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072)

0 前 言

苏布雷水电站位于科特迪瓦的西南部，该工程以发电为主，采用混合式开发，装机容量为270 MW，水工建筑物主要由大坝和引水发电系统组成(见图1)。

图1 苏布雷水电站枢纽布置

大坝包括土石坝和混凝土结构段。土石坝沿地势较高处修建，并延伸至厂房，坝型包括黏土心墙坝、土石混合坝、均质坝；溢洪道和进水口为嵌入大坝内的混凝土结构，既可挡水又兼具泄洪和引水功能。由于项目位于平原地区，大坝具有坝线较长、坝高较低矮的特征，其中主坝长达4.5 km、最大坝高20.5 m，坝线穿越多种地层、坝基地质条件较复杂。

1 坝址区的基本地质条件

苏布雷水电站枢纽区两岸地势平缓，高程在140～180 m之间，自然坡度一般小于10°，属典型的平原地貌。坝址处河床开阔，河面宽400～800 m且分布有多个“河心岛”。

坝址基岩主要为前寒武系的花岗岩、花岗片麻岩，岩石的单轴抗压强度大于60 MPa，属坚硬岩类。由于工程地处低纬度地区，高温多雨，岩石风化作用较强，根据风化程度总体可分为全～强风化层、弱风化岩体、微新岩体。其中，全～强风化层主要分布于主河床两岸岸坡，中上部由中粗颗粒的砂、风化团块组成，夹泥，底部多呈散体状的砾砂、风化岩块、岩屑等物质组成；弱风化岩体在厂房及河床部位裸露，厚度一般小于8 m，裂隙较发育，以镶嵌～次块状结构为主；微新岩体新鲜完整，裂隙弱发育，以块状结构为主。

坝址覆盖层为第四系松散堆积物，主要为残积土层和冲积砂层。残积土层多分布于两岸，主要为红褐色和褐色的黏土、砂质黏土，层厚度一般2～5 m，最大厚度达15 m。冲积砂层广泛分布于两岸及河心岛，主要由中细砂、粉土等组成，厚度一般小于3 m。

2 左岸坝基工程地质问题

电站溢洪道左岸土石坝总长度约690 m，坝线横跨两条岔河及1、2号河心岛(见图2)。由于坝基所处部位不同，地质条件差异较大，所面临的工程地质问题也有所不同。根据该段土石坝建基面岩土体结构类型的不同，可分为三类：左岸岸坡段坝基、主河床及岔河段坝基、河心岛段坝基。

图2 溢洪道左侧坝段平面布置

左岸岸坡段坝基为残积土层，承载、变形及渗透等方面均能满足设计要求，其主要工程地质问题为表层结构松散的中细砂层，由于其厚度不大，施工过程中采取了挖除处理。鉴于该段坝基工程地质问题相对简单，因此本文主要针对主河床及岔河段、河心岛段坝基进行详述。

2.1 主河床及岔河段坝基工程地质问题

主河床及两条岔河段的土石坝建基面为河床的裸露基岩，岩性为弱风化的花岗岩、花岗片麻岩，厚度约3～6 m，其下为微新岩体。河床表层的弱风化岩体普遍在垂直方向上具弱卸荷作用，总体较完整～完整性差，并以镶嵌结构为主，部分为次块状、碎裂结构。优势裂隙主要有3组，包括2组陡倾角裂隙、1组缓倾角裂隙：第1组近EW/S∠70°～80°；第2组N40°～60°W/SW∠70°～80°；第3组裂隙近水平向发育、缓倾下游。

该段大坝轴线走向近SN向，根据优势裂隙的产状可知：第1组陡倾角裂隙与大坝轴线近正交，第2组陡裂走向与坝轴线呈40°～60°夹角(见图3)。根据现场资料收集情况，第2组陡倾角裂隙发育数量最多，该组裂隙延伸长度一般2～10 m不等，部分约15 m以上。由于浅表层裂隙普遍微张～张开，充填泥沙或呈空腔状，其透水性较好，且优势方向陡倾角裂隙与坝轴线大角度相交并与垂直方向的弱卸荷缓倾角结构面组合贯通，对土石坝坝基防渗极为不利。

图3 主河床与坝轴线大角度相交的陡倾角裂隙

主河床及岔河段的裸露基岩在承载和变形方面可满足土石坝坝基要求，主要工程地质问题为坝基渗漏。根据前期各阶段钻孔压水试验成果，岩体透水率随埋深增大有明显降低的趋势。其中弱风化岩体的透水率多为3～15 Lu，部分大于50 Lu，总体呈弱～中等透水，属相对透水层。微新岩体从压水试验成果来看，除个别试验段的透水率达3 Lu外，普遍小于1 Lu，透水率建议参考值小于3 Lu，呈弱～微透水，属相对隔水层。因此，坝基为“透-隔”式渗漏模型(见图4)。

图4 主河床及岔河段“透-隔”式渗漏模型

2.2 河心岛坝基工程地质问题

左岸坝基横穿1、2号河心岛(见图2)，现以2号河心岛为例，对存在的主要工程地质问题进行分析说明。2号河心岛地势平缓，表层为厚度约2～3 m的覆盖层，覆盖层以下为弱风化～微新的基岩。覆盖层可细分为冲积砂层、残积土层及全强风化层(全强风化层与覆盖层的工程性状相似)，各层界线不明显，有混杂的现象出现。其中表层的冲积砂层厚1～0.5 m，中部的残积土层厚1～2.5 m，底部的全强风化砂层厚0.2～0.5 m(见图5)。从现场地质调查来看，河心岛中央残积土层厚度较大、冲积砂层较薄；靠近岔河与主河床的河心岛边缘处残积土层较薄、冲积砂层厚度较大，下伏基岩性状与主河床及岔河段相似。

图5 土石坝坝基岩土体典型断面

冲积层为中细砂层，结构松散，力学性状较差。残积土层的平均厚度约2 m，主要成分为黏土、粉质或砂质黏土，结构较密实，渗透系数建议值为1×10-5～1×10-6cm/s，呈微透水层，属相对隔水层，低坝地基或低地应力建筑物可以利用。全强风化层由于风化程度不均，中粗砂、风化团块及砾石、破碎岩块混杂，透水性较强，渗透系数建议值为1×10-2～1×10-4cm/s，呈中等透水层，与下伏的弱风化岩体构成透水层。微新岩体透水率较低，属相对隔水层。

由于冲积砂层结构松散，承载、变形不满足设计要求且厚度较薄，可对该层进行挖除处理后将大坝建基面置于相对密实的残积土层上。但由于残积土层平均厚度2 m且由于主河床及岔河的切割作用致使残积土层未能连续分布形成封闭的防渗铺盖，而下伏的全强风化层、浅表层弱风化岩体透水性较好，因此2号河心岛坝段的坝基渗漏模型为“隔-透-隔”式(见图6)。

图6 河心岛段“隔-透-隔”式渗漏模型

3 工程地质问题及相关处理方案

主河床及岔河段坝基的主要工程地质问题为坝基渗漏，坝基为“透-隔”式渗漏模型。为有效控制坝基渗漏，保证大坝安全，该段坝基的防渗处理采用了封闭式灌浆帷幕，灌浆孔深入相对隔水层，即微新岩体2 m，透水率按小于5 Lu进行控制。

左岸2号河心岛坝段的主要工程地质问题为：表层松散中细砂层承载及变形不能满足要求且存在下伏全强风化层和弱风化岩体的渗漏问题，以及全强风化层的渗透变形稳定问题，坝基的渗漏模型为“隔-透-隔”式。针对冲积的中细砂层承载变形问题，鉴于其厚度较小，现场采取了挖除处理。针对残积土层以下全强风化层和弱风化岩体的渗漏以及全强风化层的渗透变形稳定问题，为保证大坝永久安全，工程勘测人员提出了两条不同的建议处理方案：

方案(1)沿坝轴线对覆盖层(残积土层、全强风化层)开挖齿槽至弱风化基岩，在弱风化基岩面进行帷幕灌浆处理后以回填黏土修建防渗齿槽，防渗齿槽与大坝防渗体连接；方案(2)对大坝防渗体范围内的覆盖层进行整体开挖至弱风化基岩，在弱风化基岩面进行帷幕灌浆。

为了采取最优方案，对上述两个方案进行了比较。方案(1)的优点是开挖宽度为2～4 m的防渗齿槽，开挖量相对较少，经济性较好；缺点是开挖齿槽后需进行黏土的回填碾压，增加了地基的处理工艺，同时由于齿槽以外坝基的全强风化层未整体挖除，而全强风化层的透水性较好，其上部的残积土层厚度较小且分布不均，因此电站运行期间坝基在地下水浸泡及上部荷载长期作用下，性状不同的两层土体的力学性质将会发生劣化，可能导致坝基局部发生沉降或变形。方案(2)的优点是坝基范围内的覆盖层整体挖除后不利因素被彻底处理，保证了电站运行期间坝基的安全稳定；缺点是由于坝基宽度达60余米，开挖填筑量大，所需工程费用相对较大，经济性较差。经与业主科特迪瓦能源部及咨询方法国科因公司反复商讨后，施工期采取了方案(2)。

4 结 语

本文通过对苏布雷电站左岸主河床、岔河及河心岛段土石坝坝基的主要工程地质问题的分析及研究，在基于业主和咨询方重要诉求的基础上，有针对性地采取有效的工程措施进行处理。蓄水发电以来，左岸大坝坝基运行一切正常，在满足业主要求的前提下达到了工程设计质量要求，且经济合理、安全可靠。西非平原地区的水电工程多具有坝高较低，坝线较长，且以当地材料坝为主的特征。由于坝线较长，往往涉及到较复杂的坝基处理工程(如软土地基、坝基渗漏等)，而苏布雷电站坝基处理的成功经验可作为区内类似工程的借鉴与参考。