某水库面板堆石坝河床段趾板建基面抬高分析

孙红义，马 冰，刘 贺

（1.黄河勘测规划设计研究院有限公司，郑州 450003；2.水利部黄河流域水治理与水安全重点实验室（筹），郑州 450003）

面板堆石坝因其对各种地形及地质条件具有较强的适应性而被广泛应用， 是近年修建较多的挡水建筑物之一。根据混凝土面板堆石坝设计规范要求，以及国内外同类坝型相关施工经验，在施工初期，趾板地基覆盖层开挖后， 可依据实际的地形地质条件采取二次定线方式，调整和优化趾板线位置。本工程依据实际揭露的地质情况， 在满足相关规范关于高坝趾板建基面要求的前提下， 本次河床段趾板基面优化抬高很有必要，在缩短工期的同时，也节约工程投资。

1 工程概况

某在建水库工程位于青海省海东市乐都区境内，其主要开发任务以供水为主，同时兼顾防洪等。工程主要由拦河大坝、溢洪洞、放空（引水）洞等组成。水库正常蓄水位2311 m，校核洪水位2312.84 m，总库容1617 万m3， 选定坝型为混凝土面板堆石坝，大坝坝顶高程2316 m，设计最大坝高97 m，坝顶长度295 m，工程属Ⅲ等工程，工程规模为中型［1］。

2 前期勘察设计成果

2.1 趾板基本地质条件

大坝坝址区处的河谷较为狭窄， 总体呈“U”字形，趾板沿线左岸岸坡较陡，坡度一般40°～45°；右岸岸坡稍缓，坡度一般为30°～35°。坝址区两岸山顶的最大高程约2389 m， 河谷谷底最低高程约2240 m，谷岭相对高差150 m 左右，河谷底宽110～160 m。

坝址区构造上位于大峡倒转向斜西翼， 坝基岩层呈舒缓坡状，产状稳定，坝址区地层简单，分布的地层岩性主要为：

（1）基岩为下震旦统湟源群东岔沟组变质岩石英片岩（Z1d1-Sc），灰色、灰黑色，中厚层状， 为左、右坝肩及坝基主要岩层。 其左岸岩层产状为120°～176°∠20°～41°，右岸产状为105°～176°∠14°～35°。

（2）第四系覆盖层两岸为坡、崩积物（Q4dl+col为1.0～2.0 m。河床冲洪积层（Q4al+pl），岩性以砂卵石为主， 覆盖层厚度为5.3～24.0 m， 底部高程2227.2～2230.3 m，底部起伏较大。据坝注水试验成果，砂卵石渗透系数为4.24E-02～6.26E-04 cm/s， 属强～中等透水性；河床覆盖层下伏基岩，岩性较简单，岩相单一，为下震旦统湟源群东岔沟组变质岩石英片岩。

趾板两侧岸坡大部分为基岩裸露， 局部过冲沟段冲洪积、坡积覆盖，早期的勘察过程中通过符合规范要求的钻孔、平硐、地球物理勘探和工程地质测绘等手段，根据石英片岩的特性，对坝址区的两侧坝坡和河床基坑段的岩体风化特征做出综合评价。

2.2 趾板设计情况

根据相关规范要求， 面板堆石坝的趾板基础有条件时，宜将趾板建基面置于弱风化岩体中［2］。坝址区河床覆盖层总体较薄，地表2.0 m 以下基本属于稍密至紧密状，但考虑97 m 高混凝土面板堆石坝安全稳定的重要性，趾板区向下游25 m 范围内覆盖层全部挖除，河床趾板座在弱风化上部基岩上，其余部位清除2.0 m 厚的表层土和松散体，基础置于比较密实砂砾石层上。 两岸趾板根据坝高建基在弱风化上部至强风化下部基岩上，坝壳范围内覆盖层全部清除，并挖除强烈风化的岩体及松动岩块， 并对趾板基础进行固结灌浆和帷幕灌浆。

沿设计趾板控制线（“X”线）分为9 个控制点，其中X1 点和X9 点左右岸端点，其中X5～X6 点范围内为河床水平趾板段，其余段为两岸斜坡趾板段。大坝两侧及河床段趾板均置于弱风化上部， 即河床水平段趾板建基面高程为2219 m，大坝河床位置典型剖面如图1。

图1大坝趾板及下游基础位置

3 施工阶段趾板地质条件分析

3.1 趾板基础开挖情况

趾板建基面采用先左右岸、 后河床水平段的开挖方式进行。 河床段水平趾板开挖至2226～2227 m高程时，基坑趾板范围内强风化层已基本清除，根据开挖揭露情况，基坑岩体为弱风化上部，初步判别可满足趾板建基面需求，根据趾板建基面的设计要求，考虑到岩体受爆破开挖影响及局部存在节理裂隙密集带影响，清除表层已松动破碎或局部强风化岩体，初步将河床水平段趾板建基面定为2225 m 高程。

3.2 建基面地质条件

河床揭露的基岩岩性为石英片岩， 灰色、 灰黑色， 薄层～中厚层状， 岩层产状为125°～155°∠20°～35°。 通过现场地质编录对建基面结构面进行分析，依据统计情况，趾板及下游延伸段25 m 范围内主要发育陡倾状剪节理， 产状为330°～10°∠75°～80°，一般与岩体层面呈正交，形成对岩体的切割。延伸长度从几米到十几米，节理面大部较平直，张开度一般为0.1～0.3 cm，无充填。

坝基范围内无较大断裂构造， 仅存在数条小断层和节理密集破碎带分布。断层产状以走向NE15°～60°和NW330°～355°两组较为发育，断层破碎带宽度一般为10～40 cm，最宽为1.0 m，受后期构造影响，断层带内多石英脉充填， 两侧接触面可见断层角砾和碎屑，局部可见断层泥，两侧伴随发育伴生节理。

3.3 物探声波测试

地质雷达是一种便捷、经济、有效的探测地下结构的浅层地质勘察手段，具有分辨率高、高效无损、抗干扰能力强等特点， 在探明坝基岩体是否存在裂隙、 破碎带等不良地质体走向和规模中有良好的效果［3］。在确定基岩完整性及松弛厚度方面，多采用声波波速方法， 岩体纵波在经过由爆破开挖和应力释放形成的破碎带时，波速会产生急剧变化，从而可根据纵波速变化点来确定松弛度的厚度范围［4］。

为了查明拟定新河床趾板建基面2225 m 高程及以下一定深度范围内岩体的特性， 及是否存在影响坝基稳定的不良地质现象， 在河床水平趾板段布置地质雷达测试、钻声波测试孔进行检测，地质雷达及波速监测钻孔布置如图2。

图2 河床趾板物探布置及要断层分布

3.3.1 地质雷达波

沿河床水平趾板“X”线布置一条雷达测线， 雷达测线从右岸 （X6）到左岸（X5）方向，雷达测线成果如图3。根据雷达图像显示， 在2 m 左右有一明显反射界面，建基面2 m 以下介质较均一， 没有发现明显反射界面。 这是由于河床水平趾板建基面受大面积爆破开挖及开挖后应力释放影响， 在建基面浅层2 m 左右的范围内形成一个松弛带， 趾板建基面岩体松弛界线近平行于建基表面。

图3 地质雷达测线成果

3.3.2 钻孔波速测试

沿水平趾板板轴线布置5 个钻孔，孔深6～8 m，在孔内进行声波测试，各孔测试成果如表1。对钻孔孔内声波测试结果分析可得： 在钻孔检测深度范围内，河床趾板建基面2225 m 高程以下大部分岩体完整性为完整～较完整， 部分岩体完整性为较破碎。岩体的完整性随着检测深度的增加而趋于完整， 这与岩体完整性发育的空间分布规律类似。 而较破碎岩体的部位则主要集中于检测孔孔口以下1.6～2.4 m的范围内，这是由于在建基面开挖过程中，受爆破扰动、开挖卸荷及构造密集带的影响造成的，这亦与地质雷达测试结果相吻合。

表1 河床趾板建基面岩体钻孔波速测试成果

3.4 建基面岩体工程质量分类

河床水平段趾板（X5～X6）建基面2225m 高程，石英片岩（Z1d1-Sc）成层产出，属于中厚层状结构，结构面中等发育， 坝基地基承载力为2.5～3.5 MPa，可满足坝基最大压应力要求。 坝址区石英片岩岩石单轴饱和抗压强度Rb＞60MPa，属于坚硬岩。表面松弛带内岩体波速Vp为2500～3200 m/s，岩体较破碎；松弛带以下岩体波速Vp为3500～4900 m/s， 岩体完整性差～完整。

岩体强度较高，抗滑、抗变形性受结构面发育程度控制，根据对建基面结构面的统计分析，该处主要发育陡倾角结构面，断层带内多石英脉充填，对坝基变形和抗滑稳定影响较小。

通过工程地质条件类比，根据GB 50487—2008《水利水电工程地质勘察规范》中坝基岩体工程地质分类， 总体评价河床趾板建基面岩体质量以AIII2为主， 部分存在受爆破及节理裂隙密集带为AIV1级岩体。 由于面板堆石坝因其对各种地形及地质条件具有较强的适应性特点， 对影响坝基岩体变形和稳定的断层、节理密集带、裂隙、岩体松弛带等，通过清除及固结灌浆等工程措施予以有效改善，专门处理后，可作为趾板地基［5］。

4 结语

（1）河床段水平趾板（X5～X6）2225 m 高程及以下的基岩岩体完整性为完整～较完整，部分岩体完整性为较破碎。岩体以中厚层结构为主，坚硬岩，强度高，可满足大坝建设要求。

（2）河床段趾板建基面受爆破扰动、开挖卸荷及构造密集带的影响， 在建基面以下2 m 左右的范围内岩体较破碎，形成一个松弛带，在固结灌浆和帷幕灌浆后，可满足大坝建基要求。

（3）研究坝段2225 m 高程的建基面总体岩体质量以AIII2为主，工程地质条件良好，局部存为AIV1级岩体，断层、裂隙、松弛带等缺陷，专门处理后，可作为趾板地基。

（4）河床段趾板的建基面高程由原设计的2219 m高程抬升至2225 m 高程是可行的，河床趾板建基面抬高6 m 后，趾板“X”线由原设计位置向下游平移8.4 m， 减少大量石方开挖和回填， 节约大量工程投资，缩短建设工期。