喀麥隆Mekin水電站壩址區(qū)工程地質(zhì)問(wèn)題及處理建議

任夢(mèng)寧

(機(jī)械工業(yè)勘察設(shè)計(jì)研究院，陜西西安 710043)

喀麥隆Mekin水電站壩址區(qū)工程地質(zhì)問(wèn)題及處理建議

任夢(mèng)寧

(機(jī)械工業(yè)勘察設(shè)計(jì)研究院，陜西西安 710043)

喀麥隆Mekin水電站位于喀麥隆南部省境內(nèi)，處于西南部的剛果克拉通穩(wěn)定地塊西北邊緣地帶。壩址區(qū)主要由第四系堆積物及新元古代云母長(zhǎng)英質(zhì)變晶糜棱巖組成。通過(guò)對(duì)壩址區(qū)工程地質(zhì)勘察，提出了工程地質(zhì)處理建議，同時(shí)確定了壩基抗滑穩(wěn)定的主要因素是受壩基巖體的抗剪強(qiáng)度所控制，而非混凝土與巖體的抗剪 (斷)強(qiáng)度。

壩基特性;滲漏;抗滑穩(wěn)定;處理建議

1 工程概況

Mekin水電站［1］位于喀麥隆南部省境內(nèi)，屬梅約梅薩娜行政區(qū)內(nèi)的德加河(Dja)流域，位于Dja、Lobo及Sabe河交匯處下游1.5 km的Mekin村旁，距首都雅溫德約200 km，為熱帶雨林區(qū)，植被茂密。該水電站是以發(fā)電為主，兼有內(nèi)陸?zhàn)B魚、旅游和灌溉等綜合利用的水利樞紐工程;主要由樞紐區(qū)、輸電線路、進(jìn)場(chǎng)公路等組成。總庫(kù)容為2.10×108m3，電站總裝機(jī)為1.50×104kW;Mekin水電站水庫(kù)為大(2)型水利樞紐工程。擬建壩址分為主壩和副壩，主壩總長(zhǎng)710.00 m，最大壩高17.3 m;副壩全長(zhǎng)295.00 m，位于主壩左側(cè)山體凹口。主副壩均采用礫石土斜墻砂礫壩，壩頂高程615.20 m，壩頂寬4.00 m。

2 壩址區(qū)的基本地質(zhì)條件

2.1 地質(zhì)概況

河谷地形開闊平緩，平面呈“S”形發(fā)育，海拔高程604.0～621.5 m。副壩位于主壩左岸東南方向分水嶺處，距德加河(Dja)310 m，海拔高程610.0 ～630.0 m，壩址區(qū)左右岸坡較緩，為德加河二級(jí)階地沖積堆積的壤土、含礫壤土及砂礫石層覆蓋。河流呈東向西，比降0.1‰ ～0.18‰。

壩址區(qū)勘察范圍內(nèi)的地層按巖土的工程地質(zhì)特征可劃分為九個(gè)工程地質(zhì)層，七個(gè)亞層。分別為①壤土、②碎石土、③-1細(xì)砂、③-2粉砂、③-3砂壤土、④-1砂壤土、④-2砂礫石及粉細(xì)砂互層、⑤-1壤土、⑤-2含礫壤土、⑥砂礫石層、⑧云母長(zhǎng)英質(zhì)變晶糜棱巖、⑨石英長(zhǎng)石巖脈。

喀麥隆大部分領(lǐng)土位于古老的非洲基底之上，在地質(zhì)上可分為受不同造山事件影響的兩個(gè)地質(zhì)單元——?jiǎng)偣死?、中非造山帶。工程區(qū)處在喀麥隆西南部的剛果克拉通穩(wěn)定地塊西北邊緣地帶，區(qū)內(nèi)沒(méi)有發(fā)生造山運(yùn)動(dòng)。

壩區(qū)地質(zhì)構(gòu)造比較簡(jiǎn)單，巖層產(chǎn)狀:傾向300°～330°，傾角20°～35°，巖體片理發(fā)育。兩壩區(qū)經(jīng)地質(zhì)調(diào)查及勘察未發(fā)現(xiàn)斷層。

壩區(qū)地下水按照含水層巖性組成和埋藏條件可分為以下兩種類型:

(1)孔隙潛水 埋藏于漫灘，一、二級(jí)階地下部堆積的砂礫石層中，水位高程受季節(jié)影響變幅較大，該層地下水受大氣降水、河水影響較大。

(2)基巖裂隙潛水 主要分布于河流周邊基巖全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化、卸荷帶內(nèi)，系無(wú)壓層間水，地下水位受降雨量影響明顯，含水層富水性相對(duì)較好，為當(dāng)?shù)鼐用袢诵箫嬘盟饕础?/p>

河水對(duì)混凝土具中等腐蝕性，對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋、鋼結(jié)構(gòu)具弱腐蝕性;地下水基本無(wú)腐蝕性。

2.2 巖土工程地質(zhì)特性

壩基地層由松散覆蓋層和基巖組成，其中松散覆蓋層可分為4個(gè)工程地質(zhì)單元層，分別為③層全新統(tǒng)沖洪積堆積(Q4al+pl)粉細(xì)砂、粉土及砂壤土，砂壤土屬高壓縮性土;④層全新統(tǒng)沖積堆積(Q41al)砂壤土、細(xì)砂與礫石互層，砂壤土屬中壓縮性土;⑤層上更新統(tǒng)沖積(Q32al)壤土及含礫壤土，均屬中壓縮性土;⑥層上更新統(tǒng)沖積(Q31al)礫石層。

根據(jù)壩址區(qū)的勘探試驗(yàn)資料分析，壩基巖體上部透水率 q=10.0～96.2 Lu，屬中等透水，中等透水巖體厚約15.0 m;下部巖體q＜5 Lu，可視作相對(duì)隔水層。壩址區(qū)云母長(zhǎng)英質(zhì)變晶糜棱巖，呈厚層狀，弱風(fēng)化飽和單軸抗壓強(qiáng)度平均值Rb=28.87 MPa，軟化系數(shù)平均值kr=0.81，為較軟巖。長(zhǎng)石石英巖脈為堅(jiān)硬巖，硬脆，強(qiáng)度高，其飽和單軸抗壓強(qiáng)度Rc=164 MPa。巖石的物理力學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)如表1。

表1 巖石物理力學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表Table 1 Statistical table of physical and mechanical indexes of rock

根據(jù)《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》GB50218—94［2］，強(qiáng)風(fēng)化云母長(zhǎng)英質(zhì)變晶糜棱巖巖體的縱波速度Vp≤1 750 m/s，完整系數(shù)Kv=0.32，基本質(zhì)量級(jí)別Ⅴ級(jí);弱風(fēng)化云母長(zhǎng)英質(zhì)變晶糜棱巖體的縱波速度Vp=3 390 m/s，完整系數(shù)Kv=0.57，基本質(zhì)量指標(biāo)(BQ)=279，巖體級(jí)別為Ⅳ級(jí);弱風(fēng)化長(zhǎng)石石英巖脈巖體的縱波速度Vp≤4 500 m/s，完整系數(shù)Kv=0.70，基本質(zhì)量指標(biāo)(BQ)=514，基本質(zhì)量級(jí)別Ⅱ級(jí)。巖體物理力學(xué)指標(biāo)建議值如表2。

表2 巖體力學(xué)指標(biāo)參數(shù)建議值Table 2 Suggested values of mechanical property of rock mass

3 壩基工程地質(zhì)問(wèn)題及評(píng)價(jià)

壩基左右岸覆蓋層厚度較大，均為第四系全新統(tǒng)堆積層，存在的工程地質(zhì)問(wèn)題主要有振動(dòng)液化、滲漏、壓縮及滲透破壞等。

3.1 振動(dòng)液化

本區(qū)地震地面峰值加速度(50年超越概率10%)為40～80 gal(0.041 ～0.082 g)。地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期值為0.35 s，相應(yīng)的地震基本烈度為Ⅵ度。根據(jù)中國(guó)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50011—2001［3］的判定標(biāo)準(zhǔn)，可不考慮地震液化問(wèn)題，但由于③-2層、④-2層范圍較大，埋藏淺，結(jié)構(gòu)松散，建議予以挖除。

3.2 壩基滲漏

依據(jù)壩基滲漏量計(jì)算公式計(jì)算，壩基滲漏總量:主壩為 6 863.5 m3/d，副壩為 1 044.6 m3/d?？梢?，壩基滲漏量為7 908.1 m3/d，年滲漏量約為300萬(wàn)m3，約占河流年來(lái)水量(1 036.8萬(wàn)m3/d)的0.08%，滲漏損失可以忽略。

3.3 壩基滲透破壞

壩基河漫灘、一、二級(jí)階地中的覆蓋層存在滲透破壞的可能。由砂礫石的顆分試驗(yàn)成果可知④-2、⑤-2及⑥層均為顆粒級(jí)配連續(xù)的土。按中國(guó)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》GB50487—2008［4］規(guī)范，附錄 G 公式d=√d70d10及級(jí)配曲線確定的粗細(xì)粒的區(qū)分粒徑d和土的細(xì)粒含量P如表3所示。

表3 滲透破壞類型判定表Table 3 Decision table of seepage failure type

3.4 主壩壩基處理建議

由于壩基存在滲透破壞、繞壩滲漏等工程地質(zhì)問(wèn)題，因此建議:

(1)左壩肩壩基處理:⑤-1層由于植物根系發(fā)育，含腐殖質(zhì)，應(yīng)予以挖除，⑥層砂礫石層強(qiáng)透水，應(yīng)予以截滲處理(挖除或作截滲墻處理)，同時(shí)建議基礎(chǔ)設(shè)置于弱風(fēng)化巖體上。

(2)壩基處理:清除第四系覆蓋層以及全、強(qiáng)風(fēng)化層，將基礎(chǔ)設(shè)置于弱風(fēng)化巖體上，并進(jìn)行必要的帷幕防滲處理，同時(shí)，壩基云母長(zhǎng)英質(zhì)變晶糜棱巖，片理發(fā)育，巖體強(qiáng)度具明顯的差異性，垂直片理方向巖體強(qiáng)度(抗壓與抗剪)要大于平行片理方向的強(qiáng)度，而壩基云母長(zhǎng)英質(zhì)變晶糜棱巖片理傾角較小，故壩基的抗滑穩(wěn)定為巖體的抗剪強(qiáng)度所控制，而非混凝土與巖體的抗剪(斷)強(qiáng)度，所以在抗滑穩(wěn)定計(jì)算時(shí)建議采用巖體與巖體指標(biāo)，同時(shí)，由于在溢流壩底部分布有兩層長(zhǎng)石石英巖脈透鏡體，兩層之間夾0.7～1.5 m厚的全風(fēng)化云母長(zhǎng)英質(zhì)變晶糜棱巖，該層對(duì)壩基抗滑穩(wěn)定不利，建議進(jìn)行工程處理。

(3)右壩肩土壩壩基(樁號(hào)0+266～0+754 m)處理:⑤-1層由于植物根系發(fā)育，含腐殖質(zhì)，應(yīng)予以挖除;下部⑤-2層，疏松，強(qiáng)度低，應(yīng)予以挖除或夯壓處理，才能作為壩基基礎(chǔ);⑥層砂礫石層強(qiáng)透水，應(yīng)予以截滲處理，挖除或作截滲墻處理。

3.5 副壩壩基處理建議

副壩壩基由第四系上更新統(tǒng)(Q3al)沖積堆積⑤-1壤土、⑤-2含礫壤土、⑥砂礫石層和新元古代(NP3(sq))、⑧層灰綠色云母長(zhǎng)英質(zhì)變晶糜棱巖組成?；鶐r體上部透水率q≥5.0 Lu的中—弱透水帶的垂直厚度1～5 m，下部巖體透水率q＜5 Lu，可視為相對(duì)隔水層。初步估算副壩壩基滲漏量為1 044.6 m3/d，占日來(lái)水量的0.1‰。

根據(jù)勘察資料分析，副壩存在兩個(gè)主要工程地質(zhì)問(wèn)題:一是基巖上部全、強(qiáng)風(fēng)化帶滲漏破壞;二是沿基巖上部全、強(qiáng)風(fēng)化帶的繞壩滲漏。建議作如下處理:

(1)⑤-1層壤土層，應(yīng)予以清除;⑤-2層含礫壤土疏松，強(qiáng)度低，應(yīng)予以挖除或夯壓處理，才能作為壩基基礎(chǔ);⑥礫石層強(qiáng)透水，應(yīng)予以截滲處理，挖除或作截滲墻處理。

(2)樁號(hào)0+000～0+255 m段，壩基基礎(chǔ)可以置于⑤-2層含礫壤土上，但對(duì)該層必須采取重夯處理才能作為壩基基礎(chǔ);樁號(hào)0+255～0+450 m段，對(duì)⑥礫石層應(yīng)予以截滲處理，挖除或作截滲墻處理。

4 結(jié)論及建議

(1)Mekin水電站主壩壩基河床段為漿砌石溢流壩(樁號(hào)0+075～0+185 m);基礎(chǔ)應(yīng)設(shè)置于弱風(fēng)化巖體上，并進(jìn)行必要的帷幕防滲處理，由于壩基分布有兩層長(zhǎng)石石英巖脈透鏡體，之間夾全風(fēng)化云母長(zhǎng)英質(zhì)變晶糜棱巖，對(duì)壩基抗滑穩(wěn)定不利，根據(jù)工程類比，該層巖體抗剪斷強(qiáng)度指標(biāo)建議值:f′=0.50，c'=0.15 MPa;是否進(jìn)行工程處理，設(shè)計(jì)演算后決定。

(2)主壩左、右壩肩以及副壩處理原則:⑤-1層應(yīng)予以挖除，下部⑤-2層，應(yīng)予以挖除或夯壓處理，才能作為壩基基礎(chǔ);⑥層砂礫石層應(yīng)予以截滲處理、挖除或作截滲墻處理。

(3)工程區(qū)地表水對(duì)混凝土具中等腐蝕性，對(duì)鋼筋混凝土中的鋼筋及鋼結(jié)構(gòu)無(wú)腐蝕;地下水對(duì)混凝土無(wú)腐蝕性，對(duì)鋼筋混凝土中的鋼筋及鋼結(jié)構(gòu)無(wú)腐蝕性。

［1］ 任夢(mèng)寧.喀麥隆Mekin水電站工程地質(zhì)勘察報(bào)告［R］.西安:機(jī)械工業(yè)勘察設(shè)計(jì)研究院，2010.

［2］ GB50218—94，工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)［S］.

［3］ GB50011—2001，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［4］ GB50487—2008，水利水電地質(zhì)勘察規(guī)范［S］.

(責(zé)任編輯:于繼紅)

Engineering Problems and Treatment Suggestions for Dam Site of Mekin Hydroelectric Station，Cameroon

REN Mengning
(JK Geotechnical Institute，Xi’an，Shaanxi710043)

Located in southern province of Cameroon，Mekin Hydroelectric Station lies in the northwestern boarder of Congo Craton.Dam site is mainly composed of Quaternary deposit and Neoproterozoic mica felsic metacryst miliolite.By dam site engineering geology survey，geology treatment suggestions are proposed;meantime it’s determined that the main factor for dam foundation anti-slide stability is governed by strengthen of dam foundation rock，not the shear strength between concrete and rock.

characteristics of dam foundation;leakage;anti-slide stability;treatment suggestion

P642

B

1671－1211(2012)04－0342－03

2011－11－17;改回日期:2011－12－08

任夢(mèng)寧 (1966－)，男，高級(jí)工程師，水文及地質(zhì)專業(yè)，從事水利行業(yè)的勘察工作。E－mail:renmengning@126.com