三河口水庫河谷壩段建基面優(yōu)化研究

蔣 銳，宋文搏，張興安，王 棟

(陜西省水利電力勘測設(shè)計研究院，陜西 咸陽 712000)

三河口水庫河谷壩段建基面優(yōu)化研究

蔣 銳，宋文搏，張興安，王 棟

(陜西省水利電力勘測設(shè)計研究院，陜西 咸陽 712000)

三河口水庫河谷壩段建基面原定為501.0 m，開挖中發(fā)現(xiàn)地質(zhì)條件好于預(yù)測，建基面高程有優(yōu)化的可能。采用地質(zhì)編錄、鉆孔取芯、孔內(nèi)電視、波速測試、跨孔電磁CT，獲得了501.0～506.0 m范圍內(nèi)的壩基巖體地層巖性、風化特征、結(jié)構(gòu)面、巖體完整程度等工程地質(zhì)特性，據(jù)此進行了巖體工程地質(zhì)分類。綜合巖體工程地質(zhì)分類及爆破影響深度，得出建基面可優(yōu)化到504.5 m的結(jié)論。

三河口水庫；壩基巖體；建基面優(yōu)化

1 工程概況

三河口水庫為陜西省引漢濟渭工程的兩個水源之一，工程地處陜西省漢中市佛坪縣與安康市寧陜縣交界的子午河中游峽谷段，樞紐壩址位于佛坪縣大河壩鄉(xiāng)上游約3.8 km處，攔河大壩為碾壓混凝土拱壩，最大壩高145 m，水庫總庫容為7.1億 m3。

河谷壩段原定建基面高程為501.0 m，施工開挖過程中，壩基地質(zhì)條件好于前期的預(yù)測，為節(jié)省工期及節(jié)約投資，業(yè)主方要求對河谷段壩基建基面高程進行優(yōu)化。

根據(jù)設(shè)計整體方案布置，河谷建基面可調(diào)整的高程上限為506.00 m，因此研究的對象主要為高程501～506 m間的壩基巖體。

2 主要勘探工作布置

為查明壩基巖體的各項工程地質(zhì)特性，開挖至515.0 m高程時在上下游邊界共布置鉆孔8個，編號為ZK1～ZK8,孔內(nèi)開展取芯、孔內(nèi)電視、單孔聲波測試。開挖至506.0 m高程時，對上述鉆孔進行了第二次單孔波速測試及跨孔電磁CT測試，另外布置了15組跨孔聲波測試。

河谷壩段建基面優(yōu)化鉆孔平面布置示意如圖1所示。

圖1 建基面優(yōu)化鉆孔平面布置圖

3 河谷壩段基本地質(zhì)條件

3.1 地層巖性及地質(zhì)構(gòu)造

河谷壩段基巖為志留系下統(tǒng)梅子埡組變質(zhì)砂巖段(Smss)，巖性以變質(zhì)砂巖為主，大理巖呈條帶狀從左岸到右岸橫穿河谷壩段，寬1.8～2.0 m。巖層產(chǎn)狀235°～250°∠60°～82°。

根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)編錄及鉆孔揭示，壩基發(fā)育有斷層四條，均為逆斷層，各斷層主要特征如表1所示。壩基主要發(fā)育一組裂隙，產(chǎn)狀170°～200°∠60°～70°。

表1 河谷壩基斷層帶特征表

3.2 巖體風化及地應(yīng)力特征

根據(jù)鉆探揭示，河谷段壩基巖體弱風化下限高程一般在503.6～509.5 m之間，11個勘探點中有7個孔的弱風化下限高程在503.6～506.7 m之間。風化主要受構(gòu)造影響，斷層構(gòu)造發(fā)育的地段風化深度相對較大，如ZK6附近；變質(zhì)砂巖和大理巖無明顯的風化差異。

根據(jù)前期地應(yīng)力測試成果，河谷段壩基應(yīng)力場以水平應(yīng)力為主導(dǎo)，最大水平主應(yīng)力方位與子午河及山體走勢大角度相交，501～506 m高程范圍內(nèi)的最大主應(yīng)力為9.0～12 Mpa，屬中低應(yīng)力水平。

4 河谷壩段巖體工程地質(zhì)特征

4.1 鉆孔巖石質(zhì)量指標(RQD)

對鉆孔巖石質(zhì)量指標RQD進行統(tǒng)計顯示：河床壩基503.5～506.2 m高程以上，鉆孔巖芯RQD指標普遍偏低，該高程以下的RQD值在56%～83%之間，相對較高，局部受斷層帶影響巖體完整性差，RQD偏低。

4.2 巖體結(jié)構(gòu)特征

根據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(GB50487-2008)標準，對各鉆孔巖體結(jié)構(gòu)進行了劃分，河谷壩段506m高程以下巖體結(jié)構(gòu)以厚層狀、中厚層狀結(jié)構(gòu)為主，局部斷裂構(gòu)造及裂隙發(fā)育區(qū)段為互層結(jié)構(gòu)。

4.3 巖體聲波波速特征

根據(jù)單孔聲波波速測試成果，河谷壩段506 m高程以下巖體波速整體較高，波速普遍大于4 300 m/s，巖體較完整。局部受斷層帶及裂隙發(fā)育，波速值偏低，如ZK5號鉆孔503～502 m高程發(fā)育2條裂隙，497.2～496 m高程受斷層f45影響，波速低；ZK6號鉆孔501.0高程以下受斷層f44、f45影響形成低波速區(qū)。

河床開挖至505.5 m附近時，河床進行了15組跨孔波速測試，各測線上部均存在低波速區(qū)，分析為爆破松動帶，大部分測線下部波速值高且穩(wěn)定，表明壩基下部巖體完整性較好；部分測點下部受構(gòu)造影響波速較低，與跨孔電磁CT成果吻合。部分跨孔波速與高程曲線如圖2所示。

圖2 部分跨孔測試波速與高程曲線

4.4 巖體滲透特征

根據(jù)勘察階段河谷段壩基范圍內(nèi)及附近的鉆孔壓水試驗資料，河谷段壩基巖體透水率普遍小于5 Lu,呈弱～微透水性，在高程495～510 m之間沒有明顯的垂直變化及分帶，這與壩基巖性的完整性也是基本吻合的。

4.5 巖體電磁波CT特征

根據(jù)跨孔電磁波CT成果及地質(zhì)編錄，506.0 m高程以下壩基巖體具有如下特征：

(1)大部分測線衰減系數(shù)較小，衰減系數(shù)值大的區(qū)域僅局部有分布，表明壩基巖體完整性整體較好。衰減系數(shù)值大的破碎巖體區(qū)域主要分布高程為498.5～500.7 m ，對建基面的優(yōu)化不構(gòu)成制約。

(2)垂直河流方向上，河谷壩段上游邊界的壩基巖體完整性要好于下游邊界，表現(xiàn)為ZK1-ZK4鉆孔的衰減系數(shù)整體較ZK5-ZK8要低。分析認為發(fā)生這種現(xiàn)象的原因在于下游邊界地表距斷層f44、f45較近，斷層又傾向下游，受構(gòu)造影響較大。

(3)平行河流方向上，靠近左右岸的壩基巖體完整性要好于中間的巖體，表現(xiàn)為左岸邊界ZK1-ZK5、右岸邊界ZK4-ZK8衰減系數(shù)明顯低于河床部分的ZK2-ZK5、ZK3-ZK6。

4.6 開挖爆破對壩基巖體的影響深度評價

壩基開挖至高程515.0 m左右，對壩基鉆孔進行了第一次波速測試；在大壩開挖至506.0 m時，對壩基鉆孔進行第二次波速測試，通過對比同一高程兩次波速測試成果的對比，即可得出各鉆孔的開挖爆破影響深度。

根據(jù)15組跨孔波速測試的波速孔深曲線，大部分曲線上部波速較低，某孔深以下波速突然增加，分析認為波速突變處即為爆破影響下限。

爆破影響深度匯總?cè)鐖D3所示，由圖3可知開挖爆破對壩基巖體的影響深度一般為0.5～1.8 m，根據(jù)各鉆孔孔口高程確定爆破影響下限高程在504～504.5 m左右。

圖3 部分跨孔測試波速與高程曲線

5 河谷壩段建基面選擇的標準

勘察階段建立了三河口水庫波速與巖體變形模量的關(guān)系如下：

E0=1.124 8e0.0006VP

變形模量E的單位為(Gpa),波速VP的單位為(m/s)[2]。

在此基礎(chǔ)上確定本階段建基面巖體分類標準如表2所示。

表2 建基面巖體分類定量標準

根據(jù)相關(guān)規(guī)范及類似工程經(jīng)驗根據(jù)，三河口水庫河谷壩段建基面應(yīng)以AⅡ類巖體為主，允許局部的為AⅢ1類，但需要固結(jié)灌漿處理，AⅢ2及以下類別的巖體不能利用，需置換挖除處理。

6 建基面高程地質(zhì)建議

根據(jù)風化程度、RQD、縱波速度、完整性系數(shù)、巖體結(jié)構(gòu)特征，對各鉆孔高程505.5～501.0 m高程段的巖體進行工程地質(zhì)分類。

根據(jù)分類結(jié)果：當建基高程選擇504.5 m高程時，33個測點中AⅡ、AⅢ1、AⅢ2、BⅣ類分別為16個(48.5%)、2個(6.1%)、3個(9.1%)、12個(36.3%)；當建基高程選擇504.0 m高程時，33個測點中AⅡ、AⅢ1、AⅢ2、BⅣ類分別為21個(63.6%)、4個(12.1%)、2個(6.1%)、6個(18.2%)。

根據(jù)各測試點波速成果，繪制504.5 m、504.0 m高程的波速分區(qū)圖，統(tǒng)計各波速巖體面積百分比如下表3，由表可知504.5 m、504.0 m高程壩基巖體Vp≤3 400 m/s的區(qū)域占比較小，為相對較好的建基面高程。

表3 壩基巖體波速分布面積百分比

根據(jù)爆破影響下限高程，32個點中，爆破影響下限低于504.5 m高程的點有16個，低于504.0 m高程的點有6個。

綜合上述條件，當建基高程選擇504.0～504.5 m高程以下時，建基面以下巖體整體較完整，以厚層狀結(jié)構(gòu)為主，聲波波速Vp≥4 300 m/s，巖體透水率<5 Lu，RQD56%～83%，巖體大部分為AⅡ類，且大部分位于目前開挖爆破影響范圍以外，為相對較好的建基面高程。建議建基高程選擇在504.5 m高程以下。

7 結(jié)語

通過研究壩基巖體工程地質(zhì)特性，對壩基巖體進行了工程地質(zhì)分類，綜合巖體分類及爆破影響范圍，最終得出建基面可優(yōu)化到504.5 m高程的結(jié)論，相對勘察階段建基面高程提高了3.5 m，可減少壩基開挖和混凝土澆筑工程量，適當提前工期。同時，本次通過研究確定的爆破松動范圍，可為同一地區(qū)類似工程在缺乏實測數(shù)據(jù)時作為參考。

[1]蔣銳，焦振華. 三河口水庫巖體變形模量與聲波縱波速度關(guān)系[J].資源環(huán)境與工程.2013,27(4)：560-562.

2016-10-17

蔣銳(1986-)，男，四川開江人，工程師，主要從事水利水電工程地質(zhì)勘察工作。

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