苏阿皮蒂水电站工程地质条件分析与问题处理

2021-04-01符新阁郭其峰杨金林

资源环境与工程 2021年1期

符新阁，郭其峰，杨金林

(黄河勘测规划设计研究院有限公司地质院,河南郑州 450003)

苏阿皮蒂(Souapiti)水电站位于几内亚的西部[1],是孔库雷河(Konkoure)梯级开发中非常重要的一个梯级电站(图1、照片1)，被誉为“西非三峡”[1]。苏阿皮蒂水电站坝址位于流域中游河段,集水面积10 800 km2,多年平均流量328 m3/s。该电站设计校核洪水位213.56 m,正常蓄水位210 m,正常蓄水位对应的总库容约6.3×109m3,为大(1)型水库。主要建筑物有碾压混凝土重力坝、坝后厂房、泄水建筑及进场公路桥梁等。坝顶高程215.5 m,最大坝高120.0 m,坝顶长度1 164 m。水电站混凝土总量约360×104m3。

图1 工程位置图

照片1 工程全貌图

1 区域地质与库区地质

1.1 区域地质

工程区位于西非克拉通西缘,几内亚沿海早古生界沉降区。基底岩性主要为前寒武纪的花岗岩和数百米厚的奥陶系砂岩、页岩。受后期造山运动影响,砂岩和砂质页岩地层多次被基性岩浆岩侵入渗透。区域内普遍发育厚度不一的风化壳,风化壳上部铁质结核丰富,顶部形成厚度不一的“铁帽”。工程区尚未发现大断裂通过。

工程区抗震设计标准采用国际大坝委员会推荐使用的DBE(设计基准地震)和MCE(最大可信地震)指标。通过收集工程区300 km内地震事件,计算得到苏阿皮蒂水利枢纽工程区MCE值为0.15g,DBE值为0.10g;库坝区地震基本烈度按Ⅶ度考虑。

1.2 库区地质

水库属于河谷盆地型水库。库岸植被发育,岸坡度较缓。库区下游基岩岸坡地层岩性主要为古生代辉绿岩、奥陶系砂岩和泥质粉砂岩,上游基岩岸坡地层岩性主要为中粗砂岩;覆盖层岸坡为残坡积土,上部多含结核,局部形成铁帽。库区无大的城镇，无大面积农田,主要地质问题不突出,不再赘述。

2 坝址区工程地质条件

2.1 地形地貌

工程区地貌上属于低山丘陵区。河谷在坝址区近东西向展布。河谷相对开阔,形态呈不对称的“U”形。河谷底宽200～350 m,其中河水面170～310 m。

2.2 地层岩性

坝址区出露地层岩性主要为古生代青灰色块状辉绿岩，奥陶系青灰色薄层与极薄层变质砂岩、粉砂岩和第四系残坡积、冲洪积物。依据揭露顺序辉绿岩分为4层(H1、H2、H3、H4),砂岩、粉砂岩分为5层(S1、S2、S3、S4、S5)。辉绿岩和砂岩、粉砂岩呈类互层近水平状分布,辉绿岩为河床坝段坝基岩体,砂岩为两岸坝段坝基岩体。第四系残坡积物主要分布于两岸谷坡,冲洪积物主要为分布于河道及浅滩处的漂石、卵石及少量砾石。残坡积物分4层,分别为：①腐殖土;②铁帽(由富集结核胶结而成);③含结核土;④辉绿岩残积土及砂岩粉砂岩残积土,残坡积层剖面为西非典型剖面(图2)。

图2 坝址区坝轴线工程地质剖面图

2.3 地质构造

(1) 节理。坝址区主要发育3组优势节理：J1220°～260°∠70°～85°，J240°～70°∠75°～85°，J3280°～340°∠3°～5°。其中J1、J2为辉绿岩、砂岩共有,J3在辉绿岩内发育,其产状与砂岩层理基本一致。辉绿岩内局部J1、J2表现为宽大裂隙。

(2) 断层。工程区未发现大的断层,小断层较为发育,断层倾向多为NWW向,倾角一般为80°～85°,断层带宽度一般为0.1～0.5 cm,带宽最大为4 cm,断距一般为3～5 cm,最大断距10 cm。

(3) 缓倾结构面。该工程特指辉绿岩岩体缓倾角结构面。根据测绘资料,辉绿岩岩体缓倾角结构面产状一般为280°～340°∠1°～5°。缓倾角结构面受风化卸荷和水的影响,在强卸荷带内,延续性很好,延展长度一般>30 m,造成上部岩体多脱离母岩,缓倾角裂隙面连通率为100%;微风化弱卸荷带内,一般深度为3～10 m,延伸长度一般为5～25 m,裂隙多闭合或微张,裂隙面多平直粗糙,见少量钙膜充填,缓倾角裂隙面连通率为30%～50%,局部为50%～80%;微风化微卸荷带内,缓倾角延伸长度一般为2～8 m,局部为10～20 m,裂隙多闭合,裂隙连通率一般为10%～30%,局部为30%～50%。

(4) 泥化夹层。在砂岩、粉砂岩岩体中发育泥化夹层。根据探洞资料,泥化夹层主要分布于泥质粉砂岩与砂岩接触面的顶、底面，延伸长度一般为1.6～5.9 m,厚度一般为1～3 mm,最厚约5 mm。左岸揭露3条、右岸揭露5条泥化夹层,贯穿整个坝基;另有部分泥化夹层延伸长度几米—十几米不等(照片2、照片3)。泥化夹层的分布、形状、延续性、起伏性、充填物、物理力学性质主要受软岩分布和构造剪切双重控制。泥化夹层类型为全泥型或泥夹碎屑型,粘粒平均含量约37.3%。泥化夹层的矿物成分以高岭石、伊利石为主。

照片2 探洞PD01中软弱夹层、泥化夹层

照片3 砂岩坝段开挖揭露的泥化夹层

2.4 物理地质现象

(1) 岩体风化卸荷特征。坝基岩体主要是辉绿岩、砂岩和泥质粉砂岩,其风化与岩性及构造关系密切。辉绿岩整体上岩石致密,抗风化能力强，强风化层厚度一般为几毫米—几厘米不等,强卸荷深度一般为5～7 m。砂岩和泥质粉砂岩强风化厚度一般为3.6～7.0 m,最大约49.3 m。砂岩中存在隔层风化现象,强卸荷深度一般为10～15 m。

(2) 岩体水蚀穴。坝址区河床基岩裸露,河心岛较发育,水流湍急。受水流急速冲刷影响,河床基岩(辉绿岩)受水流冲蚀明显,形成的水蚀穴规模大小不一,形状各异,多呈瓮型或漏斗型,水下可见最大水蚀穴规模为3～5 m左右,深达1 m以上。水蚀穴影响坝址区岩体的完整性和岩体质量。

2.5 水文地质条件

(1) 地下水类型。坝址区地下水类型主要分为基岩裂隙水和第四系松散堆积层孔隙水两种类型。

(2) 岩土体透水性特征。根据坝址区钻孔压水试验资料，坝基岩体总体上属于弱—微透水，但受节理裂隙影响处,岩体透水率较大。

(3) 水的腐蚀性。勘察成果显示,坝址区地表水(河水)和地下水对混凝土具有一般酸性弱腐蚀、重碳酸型中等腐蚀，而对钢筋混凝土结构中的钢筋具有微腐蚀性，对钢结构具有弱腐蚀性。

3 坝基岩体工程地质分类

苏阿皮蒂水电站坝基岩体主要为辉绿岩、砂岩与泥质粉砂岩,坝基岩体工程地质分类采用以水利分类法(GB 50487—2008)为主,RMR分类法及GSI分类法为辅的分类方法。综合岩体性质、地质构造、岩体结构、风化卸荷、岩体强度等资料,将辉绿岩分为Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ三类,将砂岩、泥质粉砂岩分为Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ三类,其中Ⅳ类分为Ⅳ1、Ⅳ22个亚类。分类标准见表1。

表1 坝基岩体工程地质分类标准

4 坝址区主要工程地质问题

4.1 坝基抗滑稳定性

(1) 河床坝段。河床坝段坝基岩体为辉绿岩,辉绿岩岩体发育缓倾角软弱结构面,倾向为NNE向,倾角为2°～3°,层厚一般为8～50 cm。上部结构面多为碎屑夹泥型,下部逐渐变为无胶结硬性结构面,连通性较好。缓倾角结构面构成控制性滑移面(图3)。对于因多组结构面组合导致的岩体破碎,施工时一般予以挖除;对于岩体较完整但缓倾角结构面发育的坝段,通过抗滑稳定计算选择相应的处理措施(如在适当部位设置齿槽等)。根据坝基检查孔资料,检查孔揭露岩体破碎部位按照抗滑稳定计算不通过的地方,设置齿槽进行置换。

图3 河床坝段缓倾角结构面

(2) 左、右坝肩坝段。坝肩坝基岩体主要为砂岩和泥质粉砂岩互层地层。砂岩、泥质粉砂岩为薄层、极薄层状,层理产状为280°～340°∠1°～5°,平均间距约0.05～0.1 m,层理极发育,泥质粉砂岩发育泥质条带。砂岩与泥质粉砂岩接触部位多见泥化夹层,泥化夹层具有明显的水平错动特征,厚度一般为0.5～5 cm,连续性好,产状与层理面产状一致。软弱夹层(泥质粉砂岩)软化系数一般为0.30～0.75,具有遇水软化、失水干缩的特征。砂岩和泥质粉砂岩层理结构面及泥化夹层为两岸坝基岩体滑移的控制性结构面[2]。为此,通过抗滑稳定计算,不满足规范要求采用齿槽进行置换。

4.2 坝基、坝肩渗漏

根据钻孔压水试验资料，坝基、坝肩岩体整体上以弱透水和微透水为主。岩体透水性受节理裂隙控制,但总体表现为由地表向深部岩体透水性逐渐渐弱的趋势。为防止坝基渗漏,降低扬压力,坝下设置两道止水帷幕及两排排水帷幕,坝肩帷幕向外延伸衔接地下水位。

4.3 坝基岩体强度及变形特性

河床坝基岩体主要为块状辉绿岩,质地坚硬,强度高。坝肩岩体为砂岩、粉砂岩,砂岩坚硬,强度高；粉砂岩强度较低,且软化系数偏高。总体而言,坝基岩体强度及变形性能满足重力坝要求,但辉绿岩与砂岩、粉砂岩接触坝段及宽大裂隙发育的辉绿岩坝段存在不均匀变形问题,一般通过掏挖、回填及加筋处理。

4.4 边坡稳定性

(1) 河床基坑开挖边坡。河床基坑开挖后,形成不同高度的临时边坡。临时侧向开挖边坡由覆盖层和基岩岩体构成,其中覆盖层边坡在雨水、外力扰动下稳定问题较突出。由于河床基坑边坡不高,不稳定体一般不大。

(2) 坝肩边坡。坝肩上部为覆盖层边坡,下部为基岩边坡。在左岸基岩边坡,砂岩、粉砂岩层理产状为280°～340°1°～5°,层理倾向坡外,呈顺向坡。辉绿岩发育缓倾角裂隙,与砂岩、粉砂岩层理基本一致,呈顺向坡。砂岩、粉砂岩及辉绿岩皆发育2组陡倾裂隙。上述3组结构面相互切割,易形成不稳定楔形体。右岸边坡基本上与左岸边坡对称分布,左岸岸坡走向近东西向,基岩边坡为逆向坡,整体上边坡稳定性相对右岸较好,但由于局部存在缓倾角裂隙,同样可能出现楔形柱体破坏。对于覆盖层边坡,一般采用放缓坡比和植草处理;对于基岩边坡一般采用系统、随机锚杆及表面混凝土喷护处理。另外,边坡上部作截水处理,边坡上作排水处理。

(3) 右岸松散堆积体。近坝库区右岸坝肩辉绿岩岩体发育一宽大裂隙,受地形影响,宽大裂隙两侧差异风化明显,靠河床侧卸荷、风化强烈形成深厚松散堆积体,物质成分为含孤石残坡积土[3]。该堆积体前缘高程为SMK200～210 m,后缘最高高程约SMK258 m,坡度约23°。沿高程线200 m处延伸长度约280 m,面积约2.1×104m2。为节约开挖方量,放坡较陡(约1∶1)。通过计算,堆积体现状处于稳定状态,但局部稳定系数不满足规范要求,设计采用加筋处理。

4.5 厂房工程地质

(1) 基坑边坡稳定性。基坑开挖后形成近50 m的高边坡,其中岩质边坡高度约20 m,覆盖层高度约30 m。对于覆盖层边坡,一般采用放缓坡比和植草处理;基岩边坡一般采用系统、随机锚杆及表面混凝土喷护处理。另外,边坡上部作截水处理,边坡上作排水处理。

(2) 基坑涌水。厂房建基面开挖高程SMK90 m,比河水位及地下水低20.7～31.3 m,存在基坑涌水问题。施工期涌水量不太大,处理顺利。

4.6 副坝工程地质

副坝位于河流左岸主坝上游约1.5 km,为主坝上游第一支沟与主坝下游第一支沟之间垭口处，垭口处沿两支沟之间山脊最低高程约SMK213.0 m。设计坝高约5.0 m,为均质土坝。坝址覆盖层厚8～17 m,其下为辉绿岩。坝址覆盖层剖面为西非典型剖面,由上至下分为4层：①腐殖土;②铁帽;③含结核土;④残积土。铁帽强度高,弱透水;残积土强度低,但埋深大;含结核土顶部局部出现强透水。坝基坐落于铁帽层,经分析计算,抗滑稳定、渗透稳定符合规范要求。

4.7 天然建筑材料

苏阿皮蒂水电站大坝为重力坝,混凝土总量约360×104m3。勘察阶段选定了1号石料场(左岸)和2号石料场(右岸),两处料场均位于坝址下游,开采条件较好,储量和质量均满足规范要求。施工时选取1号石料场,料场距大坝不足2 km,与砂石系统短距离衔接，有用料岩性为辉绿岩,质量好、储量足。

5 几点思考

5.1 关于国际工程的特殊性

目前,国际工程具有特殊性,不可能像国内一样分阶段步步推进,有些程序哪怕是必要的程序,要么简化，要么省略。前期时间紧迫,投入有限,很多风险没有揭露;后期受合同周期限制,勘察建设周期往往比国内紧凑得多,很多问题在勘察阶段来不及深入讨论及思考,施工期又要求现场及时作出决断。上述问题倒逼工程师不但要具备较全面的经典理论知识,还要具有前瞻性、全面性的现场判断能力，许多地质情况不能做到定量化,但必须作出较全面的定性判断,对大的地质风险尽量做到充分估计。

5.2 水电工程地质勘察的共性

地质工作的直接对象是大自然,大自然同时又是工程对象。从工程角度看,工程建设不免存在安全、质量及投资风险。水电工程相对其他工程来说,具有投资大、规模大、建设周期长等特点;相应地,要求地质勘察(设计)工作分阶段步步推进。从工程建设角度看,地质勘察工作就是一步步揭露风险的过程;从工程地质角度看,地质勘察工作就是建立模型、修正模型及预测模型的过程。

5.3 关于地质问题分类评价

如前述,工程中不可避免地会存在这样那样的地质问题。这些地质问题性质是不同的,总体上可以分为两类,其一是安全问题,如抗滑稳定、边坡稳定等;其二是功能问题,如渗漏等。不同的水工建筑面临的问题也不同,如挡水建筑物(大坝堤防)面临的安全问题伴随勘察、施工和运行全过程;输水隧洞面临的安全问题主要在勘察、施工期,运行期主要面临功能问题(即无法输水)。两类地质问题性质概念明确,性质不同,应区别对待。对于安全问题,必须有红线意识。安全问题与功能问题界线有时并不明确,且会互相转化。要做精品工程,任何问题都应认真对待,不但要保证工程安全,还要满足功能要求，要有整体意识,更要有工匠精神。