東北某水電站34～36號(hào)壩段F67斷層壩基地質(zhì)力學(xué)參數(shù)復(fù)核和選取研究

朱　泓，林　健，孫燕琴（.浙江華東建設(shè)工程有限公司，浙江杭州，30030；.中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江杭州，3004）

東北某水電站34～36號(hào)壩段F67斷層壩基地質(zhì)力學(xué)參數(shù)復(fù)核和選取研究

朱泓1，林健2，孫燕琴1
（1.浙江華東建設(shè)工程有限公司，浙江杭州，310030；2.中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江杭州，310014）

壩基巖體地質(zhì)力學(xué)參數(shù)是工程地質(zhì)從定性判斷到定量分析的基礎(chǔ)，是提供設(shè)計(jì)的依據(jù)，也是大壩壩基工程地質(zhì)勘察的核心之一。以東北某水電站為例，介紹壩基地質(zhì)力學(xué)參數(shù)的復(fù)核及巖體物理力學(xué)指標(biāo)選取原則，供工程地質(zhì)人員參考。

壩基抗滑穩(wěn)定；抗剪試驗(yàn)；地質(zhì)力學(xué)參數(shù)

0　前言

豐滿大壩始建于上世紀(jì)30年代，至今運(yùn)行已有70余年歷史，是目前國(guó)內(nèi)運(yùn)行時(shí)間最長(zhǎng)的混凝土重力壩。豐滿水電廠是我國(guó)第一座大型水電站，總庫(kù)容109.88億m3，裝機(jī)容量1 002.5 MW，多年平均發(fā)電量約20億kW·h，最大壩高91.7 m。由于歷史原因，大壩建成以來(lái)存在著一些先天性缺陷，一直未能消除，34～36號(hào)壩段壩基由于存在F67斷層帶的影響，抗滑穩(wěn)定就是其中之一。

1958～1997年間，東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院對(duì)F67斷層帶進(jìn)行了多次勘探、試驗(yàn)和分析研究工作，尤其是在1972年取得了壩基巖體力學(xué)試驗(yàn)的第一次復(fù)核成果。為了復(fù)核大壩運(yùn)行近70年來(lái)F67斷層帶的物質(zhì)是否存在泥化、軟化現(xiàn)象，斷層帶巖石的物理力學(xué)性質(zhì)及其變化情況，斷層帶是否存在承壓水和滲透穩(wěn)定問(wèn)題，2007～2008年間華東院對(duì)豐滿大壩壩體和壩基又進(jìn)行了一次比較全面的勘探檢查和試驗(yàn)研究工作，并再次復(fù)核了相關(guān)的物理力學(xué)參數(shù)。筆者對(duì)豐滿大壩壩基在高水頭下運(yùn)行了70余年，壩基地質(zhì)條件尤其是F67斷層構(gòu)造巖體是否會(huì)發(fā)生變化以及壩基地質(zhì)參數(shù)復(fù)核取值等問(wèn)題進(jìn)行深入的研究分析。

1　工程地質(zhì)條件

壩址區(qū)位于第二松花江中游峽谷口，河流方向?yàn)镹W40°，自南東流向北西，谷底寬約400 m，河谷兩岸不對(duì)稱，左岸較陡。壩基由二疊系深變質(zhì)礫巖組成，巖石呈厚～巨厚層狀構(gòu)造，巖石致密堅(jiān)硬。其變質(zhì)礫巖巖層產(chǎn)狀N15°～25°W，NE 35°～50°。

壩基開(kāi)挖后的巖體呈弱～微風(fēng)化，巖石堅(jiān)硬，抗壓強(qiáng)度高，弱風(fēng)化巖石飽和抗壓強(qiáng)度為146～ 161 MPa，微風(fēng)化巖石飽和抗壓強(qiáng)度152～174 MPa，壩基巖體中未發(fā)現(xiàn)對(duì)壩基穩(wěn)定不利的貫穿性緩傾角軟弱結(jié)構(gòu)面，壩基總體穩(wěn)定性較好。除F67外壩基巖體的質(zhì)量屬II～I(xiàn)II類，滿足混凝土重力壩對(duì)地基的要求；發(fā)育于34～36號(hào)壩段的F67寬度大，其中斷層泥帶、碎粉巖帶屬V類巖體，壓碎巖、角礫巖帶屬IV類巖體，其余碎塊巖帶屬III2類巖體。

F67斷層位于豐滿大壩34～36號(hào)壩段，F(xiàn)67斷層破碎帶中心在35號(hào)壩段靠近36號(hào)壩段處，見(jiàn)圖1。斷層產(chǎn)狀N10°～20°W，SW 60°～85°，主要由4條斷層組成，破碎帶總寬度約40 m，其中最大的是F67-1，破碎帶寬5～6 m，斷層泥寬約50 cm，兩側(cè)常見(jiàn)厚約1～2 m碎粉巖、角礫巖或綠泥石化壓碎巖，另有3條小斷層亦常見(jiàn)10～30 cm的斷層泥。整條大斷層帶的組成物質(zhì)以塊狀和碎屑狀壓碎巖和碎塊巖為主，巖石多被壓碎呈數(shù)厘米至十余厘米的軟弱或半堅(jiān)硬巖塊，并多被鈣質(zhì)及硅質(zhì)次生物重新膠結(jié)，局部有綠泥石化、高嶺土化現(xiàn)象。上述各類構(gòu)造巖大致上呈條帶狀分布，寬窄不一，巖性變化復(fù)雜。各類構(gòu)造巖互相過(guò)渡，多為漸變，缺乏明顯界線。根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料，晚更新世以來(lái)F67斷層未見(jiàn)活動(dòng)跡象。

水文地質(zhì)試驗(yàn)表明，該斷層帶滲透性微弱且各部位較均勻，不易產(chǎn)生各類滲透變形。

圖1　34～36號(hào)壩段與F67斷層、PD189平硐平面位置圖Fig.1 Plane of block No.34～36，fault F67and footrill PD189

2　1958～1997年復(fù)核情況

由于豐滿電站建造的歷史原因，不像現(xiàn)有水電站建造之前都會(huì)保存著前期勘察資料和成果。實(shí)際上，豐滿電站的壩基地質(zhì)參數(shù)均是根據(jù)解放后幾次大壩加固、安全定檢過(guò)程中的勘探取樣、試驗(yàn)成果復(fù)核提出的。如1958年?yáng)|勘院對(duì)F67斷層帶的構(gòu)造巖鉆孔取芯進(jìn)行物理性質(zhì)試驗(yàn)，1972年在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)F67斷層的原位試驗(yàn)，包括混凝土與巖石抗剪斷和斷后抗剪試驗(yàn)（見(jiàn)表1）、巖體的變形試驗(yàn)。

2.1F67斷層破碎帶劃分

國(guó)內(nèi)先前許多大壩尚未進(jìn)行壩基巖體質(zhì)量分類、分區(qū)。東勘院在1965年《豐滿大壩33～38號(hào)壩段地質(zhì)資料整理說(shuō)明書(shū)》中僅僅是根據(jù)變質(zhì)礫巖遭受構(gòu)造破壞程度把F67斷層帶劃為六類：（1）斷層影響帶（代號(hào)Ⅰ）；（2）碎塊狀變質(zhì)礫巖（代號(hào)Ⅱ）；（3）斷層角礫巖（代號(hào)Ⅲ-1）；（4）綠泥石化塊狀碎屑狀壓碎巖（代號(hào)Ⅲ-2）；（5）強(qiáng)烈綠泥石化高嶺土化碎粉巖（代號(hào)Ⅳ）；（6）斷層泥（代號(hào)Ⅴ）。

2.2現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)成果

東勘院于1972年進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)，試驗(yàn)點(diǎn)位于34～36號(hào)壩段壩腳下游約20 mPD189勘探平硐中的F67斷層內(nèi)，平硐底板高程189 m，高于34～ 36號(hào)壩段壩基深槽基巖面約3 m左右。試驗(yàn)包括混凝土與巖石抗剪斷和斷后剪、巖體的變形試驗(yàn)。PD189平硐現(xiàn)場(chǎng)混凝土/巖石抗剪斷和斷后剪在斷層帶壓碎巖體中共進(jìn)行6組18個(gè)點(diǎn)試驗(yàn)，試驗(yàn)成果見(jiàn)表1。

表1　1972年?yáng)|勘院混凝土/巖體抗剪斷和斷后抗剪試驗(yàn)成果（按試驗(yàn)部位統(tǒng)計(jì)）Table 1 Results of shear test and fractured shear test for concrete/rock of fault F67in 1972（statistic by test sites）

東勘院對(duì)構(gòu)造壓碎巖的抗剪強(qiáng)度分析認(rèn)為，根據(jù)已有的原位試驗(yàn)成果，從中選取了剪切破裂面發(fā)生在巖體中的各試點(diǎn)的試驗(yàn)成果和剪切破裂面發(fā)生在混凝土與壓碎巖體接觸面的試驗(yàn)成果，綜合整理得出巖/巖抗剪（斷）峰值強(qiáng)度指標(biāo)和巖/混凝土抗剪（斷）峰值強(qiáng)度指標(biāo)，見(jiàn)表2。

表2　1972年?yáng)|勘院F67斷層帶巖/巖、混凝土/巖石抗剪斷和斷后抗剪試驗(yàn)成果表（按斷層巖類型統(tǒng)計(jì)）Table 2 Results of shear test and fractured shear test for rock/ rock and concrete/rock of fault F67in 1972（statistic by rock types）

2.3抗剪強(qiáng)度參數(shù)建議

1972年復(fù)核時(shí)，東勘院根據(jù)整理后的壓碎角礫巖抗剪斷峰值強(qiáng)度指標(biāo)，建議34～36號(hào)壩段斷層破碎帶壓碎角礫巖壩基摩擦系數(shù)f采用0.7。

1997年大壩安全定檢，未開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)巖體抗剪（斷）試驗(yàn)，復(fù)核工作主要是對(duì)原有的地質(zhì)資料和試驗(yàn)成果進(jìn)行分析，根據(jù)地質(zhì)專家意見(jiàn)，34～36號(hào)壩段斷層破碎帶抗剪斷強(qiáng)度修改為f'=0.85，c'=0.5MPa。

3　2008年復(fù)核情況

2008年華東院利用位于34～36號(hào)壩基下游約20 m的PD189勘探平硐再次進(jìn)行斷層帶性狀與地質(zhì)參數(shù)的復(fù)查；對(duì)鉆孔斷層帶芯樣和勘探平硐取斷層泥及斷層帶內(nèi)巖樣進(jìn)行室內(nèi)剪切試驗(yàn)、固結(jié)試驗(yàn)、滲透穩(wěn)定等試驗(yàn)；在PD189平硐內(nèi)布置現(xiàn)場(chǎng)巖/巖、巖/混凝土抗剪試驗(yàn)、靜彈性模量等試驗(yàn)。

3.1斷層帶特性

為能直觀觀察F67斷層性狀，對(duì)34～36號(hào)壩段壩腳下游約20 m原有PD189勘探平硐進(jìn)行了清理。通過(guò)對(duì)PD189勘探平硐的地質(zhì)復(fù)核，可見(jiàn)F67斷層破碎帶由多條斷層組成，在35號(hào)壩段對(duì)應(yīng)的位置可見(jiàn)F67-1、F67-2兩個(gè)主要斷層泥帶。其中F67-1斷層位于硐深18 m處（見(jiàn)圖2）。斷層產(chǎn)狀為N25°W，SW 80°，斷層泥寬15～25 cm，斷層泥與上下盤破碎帶巖石界線分明，接觸緊密，斷層泥呈灰綠色，密實(shí)、硬～硬可塑狀，遇水易軟化。F67-2斷層位于硐深22 m處（見(jiàn)圖2），產(chǎn)狀為N30°W，SW 75°，斷層泥和碎粉巖寬40～50 cm，淡綠、灰白色。斷層泥呈可塑狀，斷層泥中可見(jiàn)少量碎屑，平硐上游面斷層界線分明，平硐下游面上盤與破碎帶之間無(wú)明顯界線，下盤則較分明。斷層F67-1與F67-2間距約4 m，兩斷層之間主要為強(qiáng)烈擠壓破碎帶中碎粉巖、壓碎巖，巖石以灰黃色為主，巖石多被壓碎呈3～5 cm的碎塊，方解石細(xì)脈呈網(wǎng)狀分布，巖石破碎程度下游壁明顯比上游壁破碎，巖石以強(qiáng)風(fēng)化為主，錘擊聲??；斷層F67-1以西35號(hào)壩段內(nèi)為壓碎巖、角礫巖帶和碎粉巖帶，斷層F67-2以東3 m（36號(hào)壩段）為角礫巖、壓碎巖，巖石呈網(wǎng)紋狀擠壓破碎，巖石以強(qiáng)風(fēng)化為主，錘擊聲??；F67-2斷層以東約3 m至36號(hào)壩段東面掌子面，巖石破碎程度逐漸減輕，為碎塊巖帶和影響帶，巖石以弱風(fēng)化為主夾強(qiáng)風(fēng)化巖塊，節(jié)理較發(fā)育，沿節(jié)理面鐵錳渲染嚴(yán)重。

圖2　PD189平硐內(nèi)F67-1、F67-2斷層泥性狀及寬度Fig.2 Mud properties and width of fault F67-1and F67-2in footrill PD189

表3　2008年F67斷層帶巖/巖抗剪（斷）試驗(yàn)成果Table 3 Results of shear test for rock/rock of fault F67in 2008

3.2F67斷層帶物理、力學(xué)性質(zhì)的復(fù)核

3.2.1斷層泥室內(nèi)物理、力學(xué)試驗(yàn)

2008年P(guān)D189平硐F67斷層泥的物理力學(xué)性狀經(jīng)室內(nèi)試驗(yàn)成果分析，斷層泥屬含砂低液限粘土，含水量平均值18.5%，干密度1.74，孔隙比0.576，飽和度88.1%，壓縮模量平均值5.22MPa，室內(nèi)抗剪峰值強(qiáng)度（固快）摩擦角27.5°，凝聚力21.4 kPa。

3.2.2斷層破碎帶抗剪（斷）試驗(yàn)

3.2.2.1巖/巖抗剪（斷）試驗(yàn)

在PD189平硐內(nèi)，對(duì)相應(yīng)的35號(hào)壩段部位進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)抗剪試驗(yàn)，共完成3組巖/巖抗剪（斷）試驗(yàn)，抗剪（斷）試驗(yàn)值列于表3。從巖/巖試件直剪試驗(yàn)σ-τ關(guān)系曲線圖可以看出，試件的抗剪（斷）試驗(yàn)成果線性關(guān)系較好。經(jīng)觀察，破壞面多凹凸不平，沿N25°～30°W，SW 60°～65°節(jié)理面和部分軟弱帶剪切面破壞。

3.2.2.2混凝土/巖石抗剪（斷）試驗(yàn)

混凝土/巖石抗剪（斷）試驗(yàn)共進(jìn)行3組，是在巖/巖抗剪（斷）試驗(yàn)結(jié)束后，重新備樣。其中第1組（τ189-2-1）巖體為斷層角礫巖、壓碎巖夾少量碎粉巖，制備6塊試件；第2組（τ189-2-2）巖體為碎粉巖，強(qiáng)風(fēng)化，制備5塊試件；第3組（τ189-2-3）巖體為斷層碎塊巖，制備3塊試件。試驗(yàn)成果見(jiàn)表4。結(jié)果表明，試件的抗剪（斷）試驗(yàn)成果線性關(guān)系較好。

4　壩基構(gòu)造巖體地質(zhì)力學(xué)參數(shù)選取

4.1斷層帶物理力學(xué)性質(zhì)比較分析研究

1972年?yáng)|勘院在壩址下游20 mPD189平硐進(jìn)行了F67斷層的混凝土/巖石現(xiàn)場(chǎng)抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)6組，壓碎角礫巖混凝土/巖石剪切試驗(yàn)破裂面多發(fā)生在巖石中，說(shuō)明壩基抗滑受巖石抗剪斷強(qiáng)度控制。

表4　F67斷層帶混凝土/斷層帶巖石抗剪（斷）試驗(yàn)成果表Table 4 Results of shear test for concrete/rock of fault F67in 2008

表5　F67斷層帶巖/巖、混凝土/巖石抗剪斷和斷后抗剪試驗(yàn)成果對(duì)比表Table 5 Comparison of shear test results and fractured shear test results in 1972 and 2008

華東院2008年P(guān)D189平硐F67斷層帶巖體物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)成果與1972年?yáng)|勘院189平硐試驗(yàn)成果對(duì)比見(jiàn)表5。碎塊巖的抗剪斷強(qiáng)度值與1972年試驗(yàn)值基本一致，角礫巖、壓碎巖、碎粉巖類抗剪斷強(qiáng)度略低于1972年試驗(yàn)數(shù)值，可能與189平硐巖體長(zhǎng)期泡水有關(guān)。兩次試驗(yàn)抗剪強(qiáng)度參數(shù)差異相對(duì)較大，可能與剪切面起伏有關(guān)，總體上兩者試驗(yàn)成果基本一致，表明自1972年迄今的幾十年來(lái)，F(xiàn)67斷層帶的力學(xué)性質(zhì)變化小。

4.2F67斷層帶地質(zhì)參數(shù)建議值

F67斷層帶混凝土/巖石剪切試驗(yàn)破裂面多發(fā)生在巖石中，說(shuō)明斷層帶巖/巖的抗剪強(qiáng)度小于混凝土/巖石的抗剪強(qiáng)度，巖石強(qiáng)度起控制作用。因此，根據(jù)現(xiàn)行GB 50287－2006《水力發(fā)電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》附錄D，F(xiàn)67斷層帶壓碎角礫巖抗剪斷強(qiáng)度可采用巖石的屈服強(qiáng)度指標(biāo)作為標(biāo)準(zhǔn)值，并且考慮壩基已經(jīng)運(yùn)行近70年會(huì)有一定的弱化，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)值乘0.8～0.85保證系數(shù)后作為地質(zhì)建議值；碎塊巖和碎粉巖由于試驗(yàn)少，巖石抗剪斷地質(zhì)建議值根據(jù)試驗(yàn)值與《水力發(fā)電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》附錄D表D.0.3-2，并且考慮壩基已經(jīng)運(yùn)行近70年有一定的弱化，結(jié)合地質(zhì)情況后綜合提出。F67斷層各分帶巖體物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)建議值見(jiàn)表6。根據(jù)斷層出露位置及壩段地基斷層分帶占有比例（見(jiàn)表7），對(duì)34～36號(hào)壩段根據(jù)其斷層分帶及各帶巖體物理力學(xué)指標(biāo)建議值分別按面積進(jìn)行加權(quán)平均，并結(jié)合相應(yīng)的工程經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)考慮到34～36號(hào)壩段基礎(chǔ)已深挖處理7～8 m，對(duì)F67斷層帶碎粉巖和斷層泥帶進(jìn)行槽挖處理，槽寬約3 m，深約2.5 m，綜合提出34～36號(hào)壩段壩基巖體物理力學(xué)指標(biāo)建議值（見(jiàn)表8）。表中巖石/巖石抗剪（斷）強(qiáng)度小于混凝土/巖石，因此設(shè)計(jì)壩基穩(wěn)定復(fù)核須采用巖石/巖石抗剪（斷）強(qiáng)度。

表6　34～36號(hào)壩段F67斷層各分帶巖體物理力學(xué)指標(biāo)建議值表Table 6 Suggested value of the physical and mechanical parameters for the rock at fault F67（block No.34～36）

表7　34～36號(hào)壩段各構(gòu)造巖所占比例匯總表Table 7 Proportion of each tectonite at block No.34～36

表8　34～36號(hào)壩段壩基巖體物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)建議值表Table 8 Suggested value of the physical and mechanical parameters for the rock at the foundation of block No.34～36

5　結(jié)語(yǔ)

（1）豐滿大壩已運(yùn)行70余年，對(duì)34～36號(hào)壩段F67斷層2次時(shí)間跨度較長(zhǎng)的現(xiàn)場(chǎng)補(bǔ)充勘察、巖石物理力學(xué)試驗(yàn)比較和復(fù)核表明，總體上兩者試驗(yàn)成果基本一致，表明F67斷層帶的力學(xué)性質(zhì)變化較小，同時(shí)也表明，只要處理得當(dāng)，壩基巖體在高水頭長(zhǎng)期作用下耐久性和壩基穩(wěn)定性基本能得到保證。

（2）壩基存在構(gòu)造巖體或斷層泥等不利于壩基穩(wěn)定的軟弱巖體的物理力學(xué)參數(shù)取值，可以以現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)成果標(biāo)準(zhǔn)值為基礎(chǔ)，考慮壩基巖體長(zhǎng)期運(yùn)行有一定的弱化，地質(zhì)建議值在標(biāo)準(zhǔn)值的基礎(chǔ)上折減。

[1]豐滿大壩33～38號(hào)壩段地質(zhì)資料整理說(shuō)明書(shū)[R].長(zhǎng)春:水利電力部東北勘測(cè)設(shè)計(jì)院,1965.

[2]豐滿大壩33～38號(hào)壩段補(bǔ)充地質(zhì)說(shuō)明書(shū)[R].長(zhǎng)春:水利電力部東北勘測(cè)設(shè)計(jì)院,1973

[3]豐滿大壩加固工程設(shè)計(jì)技術(shù)討論會(huì)文件——豐滿大壩鉆孔灌漿工程總結(jié)[R].吉林:豐滿發(fā)電廠,1986.

[4]壩基地質(zhì)及力學(xué)參數(shù)復(fù)核——豐滿大壩首次安全定期檢查專題報(bào)告之五[R].長(zhǎng)春:水利電力部東北勘測(cè)設(shè)計(jì)院, 1997.

[5]壩基性態(tài)及壩體參數(shù)復(fù)核——豐滿大壩首次安全定期檢查專題報(bào)告之六[R].長(zhǎng)春:水利電力部東北勘測(cè)設(shè)計(jì)院, 1997.

[6]工程地質(zhì)及力學(xué)參數(shù)復(fù)核——豐滿大壩長(zhǎng)期安全性評(píng)價(jià)專題報(bào)告之二[R].北京：中國(guó)水利水電科學(xué)研究院,中國(guó)大壩委員會(huì),2006.

[7]吉林省豐滿發(fā)電廠工程場(chǎng)地地震安全性評(píng)價(jià)報(bào)告[R].長(zhǎng)春:吉林省工程地震研究中心,2007.

[8]豐滿電站壩基野外混凝土/巖石和巖石/巖石剪力試驗(yàn)及變形模量試驗(yàn)報(bào)告[R].長(zhǎng)春:東北院科學(xué)研究所,1973.

[9]GB 50287-2006,水力發(fā)電工程地質(zhì)勘察規(guī)程[S].

[10]吉林省豐滿水電站大壩全面治理工程預(yù)可行性研究報(bào)告[R].杭州:華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,2009.

作者郵箱：zhu_h@ecidi.com

Title：Review and selection of geomechanics parameters of dam foundation of F67fault at block No.34～36 of a hydropower station in Northeast China//by ZHU Hong，LIN Jian and SUN Yan-qin//Zhejiang HuadongConstruction EngineeringCo.，Ltd.

Geomechanics parameters of rock mass of dam foundation are the basis of quantitative analysis and design，as well as the core content of engineering geological investigation.Case study based on a hydropower station in northeast China was carried out to study the review of geomechanics parameters of dam foundation and mechanics principle of rock mass，for reference.

anti-slidingstability of dam foundation；shear test；geomechanics parameters

TV223.1

B

1671-1092（2015）02-0033-06

2014-07-22

朱 泓（1964-），男，浙江富陽(yáng)人，高級(jí)工程師，長(zhǎng)期從事工程地質(zhì)與水文地質(zhì)、海洋地質(zhì)工作。