安哥拉KK水电站高混凝土重力坝坝基综合勘察技术及建基岩体选择

李辰舟 苏传洋 刘 凯

(长江岩土工程有限公司，湖北 武汉 430010)

现阶段在国内外工程地质勘察工作中接触到的勘察方法种类较多[1]，主要包括地质测绘、物探、勘探、岩体测试等，在水利水电工程建设过程中，工程地质勘察工作需要面临更为复杂的地质环境，为了确保勘察工作的可靠性，需要运用多种勘察技术对同一区域的地质情况进行数据获取，通过对勘察数据信息的整合，可以有效提高工程地质勘察成果的真实性与可靠性[2]，如此才能提高地质勘察质量，从而为建基岩体的选择提供依据，进一步为水利水电工程建设提供有效的技术保证[3]。

目前国内外水利水电工程主要根据综合勘察技术成果，以岩体质量分级(带)为综合评价指标，根据岩体质量级别来选择合适的建基岩体。坝基岩体和开挖深度对大坝的安全和造价关系甚大，是坝工设计和施工中十分重要的问题[4]，对高混凝土重力坝而言，理想的建基岩体为Ⅰ类或Ⅱ类岩体[5]，想选择既技术可行又经济合理的理想建基岩体，就需要充分分析综合勘察成果[6]，细化岩体质量分级，根据不同坝高选择不同质量级别的岩体作为建基岩体。

本文以安哥拉KK水电站为例，对该电站坝基所采用的综合勘察技术进行论述，整理分析了综合勘察技术成果，根据岩性和岩体性状的差异，将坝基岩体细分为六个带，并叙述每个带的主要力学性质，根据带内岩体性状及力学性质的不同，对不同坝高对应的建基岩体进行选择，研究成果可供类似工程参考。

1 工程概述

该水电站位于非洲西南部，是某主干河流中段规划的第3级，枢纽布置中挡水建筑物采用一座主坝和两座副坝，均为碾压混凝土重力坝，在距主坝约1.8km上游左岸山体中，布置发电地下厂房。

为查明坝址区工程地质条件，对坝址各建筑物尤其是主坝的工程地质条件、主要工程地质问题进行论证和评价，在原有少量勘察资料的基础上，采用综合勘察技术方法和手段，在坝址区开展了工程地质测绘、物探、勘探、试验测试等工作，对其坝基地质条件进行研究及评价。

2 坝基综合勘察技术

2.1 地质测绘及调查

2.1.1 地质测绘

2.1.2 裂隙调查

勘察期间对工程区裸露基岩实施了大量裂隙调查，共统计裂隙735条，优势方向主要为NE、NW向，见图1。裂隙迹长一般小于8m，且以2～6m居多，大部分部位发育密度较稀，多充填钙质岩屑，裂面以稍起伏稍粗糙为主，部分平直稍粗糙。

图1 节理裂隙走向玫瑰花图

2.2 物探

2.2.1 剖面物探

根据任务要求和本区地震地质条件，本次物探剖面采用地震折射层析成像法[8]，每个排列采用24个检波器，道间距为5m，采样间隔0.125ms，记录长度为128ms。

根据物探剖面成果，岩体全强风化带地震波纵波速值800～2000m/s；弱风化带地震波纵波速值2000～3600m/s；微新状岩体地震波纵波速值3600～5400m/s，其中微新状碎裂岩地震波纵波速值3600～4600m/s，微新状片麻岩地震波纵波速值4200～5400m/s。

主坝左岸11条浅层地震物探剖面揭示，第四系覆盖层厚度一般0.5～2m，局部厚度达3.5m，全强风化层厚度一般1～3m，局部稍厚，可达5～6m；横河向5条浅层地震物探剖面揭示，河床部位覆盖层厚度一般2m左右，局部稍厚，约5m左右，部分区域弱风化基岩直接裸露；主坝右岸2条浅层地震物探剖面揭示，主坝右岸中低海拔地形较缓处及右岸河床附近，第四系覆盖层和全强风化层均较发育。

2.2.2 钻孔声波

钻孔声波测试是基于固体介质中弹性波传播理论，向介质发射声波，在一定的空间距离上接收被测介质的传播速度、振幅、频率等声波参数。勘察期间，选取部分钻孔开展了钻孔声波纵波速测试，受钻孔地下水位影响，声波测试均在微新状岩体中进行。

对声波测试结果进行统计分析显示：微新状岩体声波纵波速值4000～5900m/s，其中微新状片麻岩声波纵波速值一般5200～5900m/s，微新状碎裂岩声波纵波速值一般4000～5200m/s。

2.2.3 钻孔电视录像

钻孔电视录像是观测钻孔壁岩性及构造发育特征的一种测试方法，其原理是将摄像头和带有自动调节光圈的广角镜头装进防水承压舱里，拍摄孔壁四周及下部的全景图像，并通过电缆传送到地面监视器显示，同时记录整个检测过程的图像。通过观察钻孔全孔壁数字图像可划定岩性界线，确定软弱泥化夹层、断层、裂隙、破碎带等地质信息。

本次对坝址区26个钻孔中的10个钻孔进行了钻孔彩色电视录像，录像清晰记录了片麻岩及碎裂岩的情况，见图2。

图2 钻孔电视录像不同岩性代表性图像

2.3 勘探

2.3.1 钻孔

勘察期间主坝区共实施26个钻孔，其中斜钻孔16个，铅直钻孔10个。浅表第四系覆盖层及上部全强风化基岩采用单管合金钻具，当钻进至弱风化或微风化顶面以下一定深度后，使用配套绳索钻具取芯工艺，采用双管金刚石钻头钻具。按照钻探进度，现场地质专业技术人员对钻取岩芯进行描述，并统计第四系覆盖层岩芯每回次采取率，统计基岩岩芯每回次采取率，获得率和岩石质量指标(RQD)。

钻孔揭示岩体风化厚度见表1。

表1 钻孔揭示岩体风化厚度 单位：m

钻孔揭示各部位岩体风化带岩芯RQD结果统计见表2。

表2 钻孔不同岩体各风化带RQD结果统计

另外，右岸共12个钻孔揭露到地质测绘新发现的碎裂岩带，其中斜钻孔S507、S536揭穿碎裂岩带左侧边界，左侧边界沿河床左侧主河槽部位高程523～535m一线分布；钻孔S537揭穿碎裂岩带右侧边界，右侧边界大体上沿高程580～575m一线顺岸坡分布。碎裂岩带顺河流右岸及河床延伸，走向NW，总体倾向NE，倾角70°～80°，宽度150～190m。带内发育fb1、fb2断层，其中fb1分布在右岸低高程一带；fb2沿主河床分布，fb1、fb2断层物质组成为碎屑状碎裂岩及泥化物，称其为“泥化碎屑带”，宽度一般0.1～0.6m，局部以断面形式存在。泥化碎屑带两侧局部一定范围岩体破碎明显，形成影响带，其中fb1上盘影响带宽0.3～0.6m，下盘影响带宽0.3～0.4m；fb2仅见上盘影响带，最宽约2.6m，见图3。

图3 代表性岩芯照片

2.3.2 平洞

为进一步查明该碎裂岩带发育特征、边界条件及工程性状，在主坝右岸沿轴线高程538.1m位置实施一勘探平洞，平洞宽2.8m，高2.8m，洞身长70.76m。平洞内清楚揭示了碎裂岩的情况：洞身0～8m为全强风化碎裂岩；洞身8～28m为弱风化碎裂岩；洞身28～59.5m为微新状碎裂岩；59.5～70.76m为微新状片麻岩。洞身19.20～19.35m段发育泥化碎屑带(fb1)，宽度0.1～0.6m。平洞揭示的碎裂岩发育情况与钻孔揭示一致。

2.3.3 坑槽探

为查明工程区左、右岸覆盖层深度及碎裂岩带发育特征及边界位置，在主坝共实施5个坑槽探，坑槽探结果见表3。

表3 坑槽探结果统计

坑槽探揭示残坡积层零星分布于两岸山坡，厚度一般小于2.0m，物质组成主要为砾质土，崩坡积层分布于河流右岸坡麓一带，厚度一般2～7m，物质组成主要为碎块石土；坑槽探揭示碎裂岩顺河向发育，走向NW，总体倾向NE，倾角70°～80°，坝轴线位置右侧边界在高程580～575m一线顺岸坡分布。

2.4 测试

2.4.1 孔内压水试验

根据欧洲标准，压水试验以5.0m为一个试段，压水试验压力采用3个级别5个阶段顺次进行，各试验段最大试验压力随试段埋深的不同而不同[9]。

本次补充勘察阶段共进行钻孔压水试验267段，其中左岸97段、河床及右岸高程580m以下部位137段、右岸高程580m以上部位33段，均分布于微新状岩体内，钻孔压水试验结果见表4。

表4 钻孔压水试验结果统计

主坝区岩体透水率q<5Lu占总数的92%以上，绝大多数渗透性等级属弱—极微透水；局部受断层构造影响发育的破碎岩体部位，渗透性等级属中等—强透水，大多出现在碎裂岩带及fb1、fb2中。

2.4.2 孔内膨胀仪试验

膨胀仪测试按照国际岩石力学学会[10]和美国材料协会规程的建议方法[11]进行，在坝址区8个钻孔中测试了33个测点，其中24个片麻岩测点，9个碎裂岩测点，测试结果见表5。

表5 孔内微新状岩体变形试验结果统计

2.4.3 室内岩石物理力学性质及裂隙直剪强度试验

在该区钻孔中采取微新状岩石及岩体裂隙面芯样，进行了室内岩石物理力学性质试验，试验项目包括物理性质、单轴抗压强度、变形模量及弹性模量、声波波速、裂隙面直剪强度等，综合分析剔除异常值后，岩石物理力学性质结果统计见表6、表7。

表6 室内微新状岩石物理性质试验结果统计

表7 室内微新状岩石主要力学性质及声波波速试验结果统计

本工程岩体裂隙室内直剪试验方法采用单点平推法，试验时对每一个微新状岩体裂隙面芯样施加5级法向应力，得到不同法向应力下剪应力值。根据试验结果，对各试验结果按裂隙面类型(稍起伏稍粗糙和平直稍粗糙)进行分类统计，分别采用最小二乘法拟合[12]，试验各试样正应力与剪应力拟合曲线见图4。

图4 正应力与剪应力拟合曲线

根据最小二乘法拟合所得结果，低限值时：稍起伏稍粗糙型裂隙面抗剪强度参数黏聚力C=0.30MPa，摩擦系数f=1.02；平直稍粗糙型裂隙面抗剪强度参数黏聚力C=0.11MP，摩擦系数f=0.70。

2.4.4 平洞内原位试验

平洞内分别选取弱风化碎裂岩、微新状碎裂岩、微新状片麻岩各一段，采用刚性承压板法测试原位岩体铅直向变形模量，试验结果见表8。

表8 岩体变形模量与弹性模量测试结果

平洞内分别选取弱风化碎裂岩、微新状碎裂岩、微新状片麻岩各一段，开展原位岩体以及混凝土与岩体接触面直剪强度试验，试验结果见表9、表10。

表9 岩体直剪试验结果

表10 混凝土与岩体接触面直剪试验结果

2.5 地质分析

图5 主坝工程地质平面图

根据室内及原位试验成果，微新状片麻岩夹透镜状斜长角闪岩，岩质坚硬，单轴饱和抗压强度130MPa，重度27.6kN/m3，微新状岩体钻孔取芯RQD平均值一般大于75%，钻孔声波纵波波速Vp一般5200～5900m/s，岩体渗透性以微透水为主。微新状碎裂岩单轴饱和抗压强度70MPa，重度26.3kN/m3，微新状岩体钻孔取芯RQD平均值一般30%～55%，钻孔声波纵波波速Vp一般4000～5200m/s，岩体渗透性以弱透水—微透水为主。

3 坝基工程地质分带及地质力学性质

3.1 工程地质分带

根据区内已完成的勘探地质资料及试验成果，经工程地质分析研究，按照岩体风化程度(W)、岩石饱和单轴抗压强度(σcs)、岩体破碎程度(F)、透水率(q)、岩芯采取率(CMR)、岩石质量指标(RQD)、岩体声波纵波波速(Vp)七个指标的不同，将主坝区坝基岩体分为ZG1、ZG2、ZG3共三个带，其中ZG1、ZG2、ZG3根据岩性和岩体性状差异再分为两个亚带，岩体工程地质分带特征指标见表11。

表11 岩体工程地质分带特征指标

3.2 RMR分类

RMR分类系统由Bieniawski[13]于1973年提出并经多次修订，该分类系统由6个指标构成，包括岩块强度(点荷载强度或单轴抗压强度)R1、岩石质量指标(RQD)R2、结构面间距R3、结构面状况R4、地下水条件R5、结构面方向R6。根据野外实测资料，按照标准对各指标参数评分进行RMR值计算，并划分岩体类别。RMR值计算式如下：

RMR=R1+R2+R3+R4+R5+R6

(1)

根据本次勘察地质资料，对主坝区岩体各带(亚带)进行RMR值评分，结果见表12。

表12 各带(亚带)RMR评分值

3.3 地质力学参数

据区内完成的孔内岩体测试成果、室内岩石物理力学性质、岩体裂隙面室内直剪强度试验成果，结合类似工程岩性一致同类岩体物理力学性质参数成果经验，提出其主要物理力学性质参数地质建议值，见表13。

4 建基岩体选择

大坝设计坝顶高程633m，最大坝高108rn。根据对综合勘察成果的分析研究，结合大坝工程要求和各类岩体对不同坝高的适宜性，对大坝建基岩体选择认识如下：ZG3-1带全强风化层岩体不能用作高混凝土重力坝建基岩体，须予以挖除。ZG1-1带微新状片麻岩岩体，是混凝土重力坝良好的建基岩体。主坝坝基580m高程以下(4～24坝段)对应坝高60～108m， ZG1-2带微新状碎裂岩，岩体性状虽然不如ZG1-1带微新状片麻岩，但其岩体性状及力学性质满足建坝要求，因此可选择ZG1-1带和ZG1-2带岩体作为建基岩体；580m高程以上(1～3、25～33坝段)，对应坝高6～60m，可根据ZG3-1带全强风化层岩体厚度视情况选择ZG1-1带微新状岩体或ZG2-1带弱风化岩体作为建基岩体。坝基fb1、fb2断层泥化碎屑带性状极差，不能直接用作主坝建基岩体。坝基岩体工程地质分带平面图见图6，主坝工程地质剖面示意见图7。

图6 坝基岩体工程地质分带平面图

图7 主坝工程地质剖面示意图

本水电站大坝建基岩体主要为ZG1-1和ZG1-2带岩体，少量为ZG2-1带岩体。大坝建基岩体中ZG1-1、ZG1-2和ZG2-1带岩体分别占坝基总面积的51.7%、41.1%、7.2%；在大坝轴线上，ZG1-1、ZG1-2和ZG2-1带岩体分布长度分别占坝轴线总长的61.6%、28.2%、10.2%。

主坝坝基碎裂岩带分布于右岸高程580m以下至河床中部，以次块状及镶嵌状结构为主，裂隙为较发育；碎裂岩带内发育有fb1、fb2断层泥化碎屑带及其影响带；碎裂岩带两侧其余部位均为片麻岩，间夹透镜状斜长角闪岩，呈块状结构，裂隙发育程度为轻微发育—中等发育。碎裂岩与两侧片麻岩微新状岩体变形模量差异明显；fb1、fb2断层泥化碎屑带变形模量极低，并与两侧碎裂岩岩体变形模量差异显著，坝基存在不均匀变形问题，尤其是fb1、fb2断层泥化碎屑带及其影响带，可能会产生有害变形，应进行相应处理。此外，坝基碎裂岩带中发育有fb1、fb2断层泥化碎屑带，渗透性等级属中等透水—弱透水。fb1、fb2断层泥化碎屑带性状软弱，在长期渗流作用下，可能会产生渗透变形。

5 结 论

通过整理分析综合勘察技术成果，对坝基地质条件进行复核评价，得到以下结论：

a.通过综合勘察，新发现在主坝区顺河流右岸及河床发育碎裂岩带，碎裂岩带走向NW，总体倾向NE，倾角70°～80°，宽度150～190m。同时查明碎裂岩带内发育fb1、fb2断层泥化碎屑带，宽度一般0.1～0.6m，局部以断面形式存在。泥化碎屑带两侧发育影响带， fb1上盘影响带宽0.3～0.6m，下盘影响带宽0.3～0.4m；fb2仅见上盘影响带，最宽约2.6m。

b.根据综合勘察技术成果，根据岩体性质的不同，将坝基岩体分为ZG1、ZG2、ZG3共三个带，其中ZG1、ZG2、ZG3根据岩性和岩体性状差异再分为两个亚带，并对每个带(亚带)进行RMR评分，根据区内完成的试验成果，结合类似工程岩性一致同类岩体物理力学性质参数成果经验，提出其主要物理力学性质参数地质建议值，供设计参考采用。

c.根据带内岩体性状及力学性质的不同，对不同坝高对应的建基岩体进行选择，主坝坝基580m高程以下(4～26坝段)对应坝高60～108m，可选择ZG1-1带和ZG1-2带微新状岩体作为建基岩体；580m高程以上(1～3、26～33坝段)可视情况选择ZG1-1带微新状岩体或ZG2-1带弱风化岩体作为建基岩体。另外，碎裂岩与两侧片麻岩交界位置及断层泥化碎屑带位置，坝基存在不均匀变形的可能，应进行相应处理；坝基碎裂岩带中fb1、fb2断层泥化碎屑带，可能会产生渗透变形，应予以处理。

坝基岩体分类及坝建基岩体的选择对大坝安全和造价至关重要，运用地质测绘及调查、物探、勘探、原位测试、室内试验等综合勘察技术手段，通过整理分析综合勘察技术成果，对坝基岩体进行分带，根据带内岩体性状及力学性质的不同，对不同坝高对应的建基岩体进行选择，其研究方法及成果可供类似工程参考。