豐滿新大壩地基工程地質(zhì)條件及地質(zhì)缺陷處理

邢國軍，謝福志，林 牧

（中水東北勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司，長春130021）

1 概況

豐滿水電站位于吉林省吉林市上游16km松花江干流豐滿峽谷口，其上游建有白山、紅石水電站，壩址距上游白山水電站210km，下游建有永慶反調(diào)節(jié)水庫。

豐滿重建工程為一等大（1）型工程，在原大壩下游120m處新建一座大壩， 水庫正常蓄水位263.50m，汛限水位260.50m， 死水位242.00m， 校核洪水位268.50m，總庫容103.77億m3。 新建電站安裝6臺單機容量為200MW的水輪發(fā)電機組，利用三期2臺單機容量140MW的機組，總裝機容量1480MW，多年平均發(fā)電量17.09億kWh。

2 工程地質(zhì)條件

豐滿新建大壩為碾壓混凝土重力壩，由左、右岸擋水壩段、 河床溢流壩段、 河床偏右的廠房壩段組成。 大壩基礎(chǔ)最低建基高程175.00m， 壩頂高程269.50m，最大壩高94.50m，壩頂總長1068.00m。

大壩建基巖體為變質(zhì)礫巖， 深灰色， 變余礫狀結(jié)構(gòu)，厚層狀構(gòu)造，變余層理產(chǎn)狀為走向N25°～35°W，傾向NE∠25°～40°，巖質(zhì)堅硬，具抗壓強度高、彈性模量大、吸水率低等特點；建基巖體為弱風(fēng)化～微風(fēng)化，以塊狀～次塊狀結(jié)構(gòu)為主；建基巖體工程地質(zhì)條件總體較好。斷層較發(fā)育，中陡傾角，走向與壩軸線大角度相交。

開挖揭示大壩壩基巖體以ⅡA、Ⅲ1A類為主，其中ⅡA，Ⅲ1A，Ⅳ1A，Ⅳ2A，Ⅴ類巖體占比分別為32.99%，51.34%，5.62%，9.78%和0.27%。Ⅳ1A類、Ⅳ2A類和Ⅴ類巖體主要分布在各斷層兩側(cè)及F67斷層破碎帶（分布在29#壩段～32#壩段。 ）

2.1 左岸擋水壩段

左岸擋水壩段樁號0+000.00～0+162.00m，1#壩段長16.00m，2#壩段～8#壩段各壩段長18.00m，9#壩段為溢流壩檢修門庫壩段，長度20.00m，左岸擋水壩段總長162.00m。 其中壩基樁號0+000m～0+124.00m段位于左岸山坡下部，地形較陡，坡度一般25°～35°，地面高程200～273m， 覆蓋層主要為碎石混合土和塊石， 厚度一般1～4m， 最厚約5.5m； 壩基樁號0+124.00～0+162.00m段地處河床， 地形平緩， 坡度5°～8°，地面高程190～195m，基巖多裸露。

組成壩基巖體為變質(zhì)礫巖，弱風(fēng)化巖厚度15m左右。 建基巖體縱波速3.2～5.88km/s，巖體完整性系數(shù)0.28～0.96，平均值為0.7，綜合評定以較完整巖體～完整巖體，局部為完整性差巖體。

壩基主要分布有F3， F13，F(xiàn)23，F(xiàn)304條斷層破碎帶，除F3走向與壩軸線交角為25°～45°， 出露寬度為0.3～2.0m外， 其余斷層走向與壩軸線交角較大為78°～85°，出露寬度（斷層及影響帶）介于1.0～2.6m之間。巖體節(jié)理裂裂隙走向NE的占71%， 走向NW的占29%；陡傾角（61°～89°） 占77%， 中等傾角 （31°～60°）占18%，緩傾角（0～30°）不足5%且延伸局限。 壩基主要為弱透水巖層（埋深一般20～80m），地下水位埋深5～35m，局部分布中等透水巖層透鏡體。 相對隔水層埋深25～75m（按透水率小于1Lu控制）。

2.2 溢流壩段

溢流壩段樁號0+162.00～0+342.00m，10#壩段～19#壩段各壩段長18.00m，總長180.00m。

溢流壩段位于左岸河床， 地形平緩， 基巖多裸露，地面高程188～190m。 組成壩基巖體為變質(zhì)礫巖，巖質(zhì)較堅硬，弱風(fēng)化巖厚度4～6m。 據(jù)物探聲波測試資料，壩基弱風(fēng)化巖體縱波速一般為3.85～5.91km/s，完整性系數(shù)0.41～0.97， 多屬完整巖體～較完整巖體，局部為完整性差巖體。

壩基見F61，F(xiàn)62，F(xiàn)913條斷層破碎帶通過，F(xiàn)61和F62斷層走向與壩軸線近于正交，中等傾角，出露寬度分別為1～3.4m和0.3～1.5m；F91斷層走向與壩軸線交角較小，呈弧形延伸，陡傾角，寬度0.5～2.0m；斷層破碎帶經(jīng)處理后可以滿足建壩要求。 巖體節(jié)理裂裂隙走向NE的占65%，走向NW的占35%；陡傾角（61°～89°）占76%，中等傾角（31°～60°）占15%，緩傾角（0～30°）不足9%且延伸局限。 節(jié)理面多較平直， 間距一般30～50cm，多張開1～5mm。壩基除表部弱風(fēng)化巖為中等透水巖體外， 微風(fēng)化及新鮮巖石為弱～微透水巖體，相對隔水層（＜1Lu）埋深一般為35～50m。

2.3 廠房壩段

廠房壩段（河床偏右）樁號0+342.00～0+510.00m，20#壩段～25#壩段各壩段長28.00m，總長168.00m。廠房壩段地形平緩，基巖多裸露，地面高程181～184m。

組成壩基巖體為變質(zhì)礫巖，弱風(fēng)化巖厚度一般14～17m。 據(jù)物探聲波測試資料，壩基弱風(fēng)化巖體縱波速一般為2.94～5.88km/s， 完整性系數(shù)0.24～0.96 ， 以完整巖體～較完整巖體為主，局部為較完整～完整性差巖體。

壩基主要見有F63，F(xiàn)64，F(xiàn)65，F(xiàn)664條斷層破 碎帶通過，其走向與壩軸線近于正交，出露寬度分別為0.4～0.8m，2.1～2.6m，1～2m，5.7～6.3m，F(xiàn)63和F65為陡傾角斷層，F(xiàn)64和F66為中等傾角斷層。 巖體節(jié)理裂裂隙走向NE的占43%，走向NW的占57%；陡傾角（61°～89°）占65%，中等傾角（31°～60°）占27%，緩傾角（0°～30°）不足8%且延伸局限。 節(jié)理面多較平直， 間距一般10～80cm，多張開2～10mm。壩基多為弱透水巖體，相對隔水層（＜1Lu）埋深一般為40～50m。

2.4 右岸擋水壩段

為右岸擋水壩段， 樁號0+510.00m～1+068.00m，26#壩段～56#壩段各壩段長18.00m，總長558.00m。 按大壩建基基礎(chǔ)條件可分為四個分段闡述。

2.4.1 26#壩段～28#壩段

其中樁號0+510.00m～樁號0+546.00m 段壩壩基位于松花江右岸河床，地形平緩，河床基巖多裸露， 地面高程184～186m； 樁號0+546.00m～樁號0+564.00m段右岸階地前緣， 前緣陡坎高出河床約10m，地形較平緩，坡度1°～7°，地面高程一般204m左右。壩基覆蓋層為雜填土和碎石混合土等組成，厚度一般6～12m。 組成壩基巖體為變質(zhì)礫巖，弱風(fēng)化巖厚度一般0～4m。壩基巖體縱波速為3.70～5.88km/s，完整性系數(shù)0.38～0.96， 以完整巖體～較完整巖體為主，局部為較完整～完整性差巖體。

壩基斷裂構(gòu)造不發(fā)育，僅見局部節(jié)理密集帶。 壩基多為弱透水巖體，相對隔水層（＜1Lu）埋深一般為53～66m。

2.4.2 F67斷層壩段（29#壩段～32#壩段）

樁號0+564.00m～樁號0+636.00m段壩基位于松花江右岸階地，地形平緩，地面高程203.80～209.00m，地形較平緩，坡度3°～5°。 壩基覆蓋層為雜填土和碎石混合土等組成，局部地段分布級配不良砂，厚度一般6～12m。

組成壩基巖體為變質(zhì)礫巖， 壩址區(qū)Ⅰ級斷層F67在本段通過。F67斷層為壩基揭露的規(guī)模最大、性狀最差的一條斷層破碎帶，與壩軸線近于正交。斷層破碎帶由多條斷層組成，各斷層寬度不一，總體走向N15°～50°W，傾向SW，傾角60°～85°。整個破碎帶巖石破碎程度不均一，按其破碎情況大致可分斷層泥化帶、強烈擠壓破碎帶和擠壓破碎帶三個部分， 各帶大體呈條帶狀分布，寬窄不一，變化復(fù)雜，多為漸變?nèi)狈γ黠@界線。

（1） 斷層泥化帶： 約占斷層帶統(tǒng)計總面積的3.58%，為斷層中心帶，開挖建基面范圍內(nèi)見有連續(xù)貫穿的斷層泥化帶2條，此外尚有零星分布的泥化團塊、泥化條紋等，泥化帶由灰～黃灰色泥夾巖屑組成，濕時具塑性。

（2）強烈擠壓破碎帶：約占斷層帶統(tǒng)計總面積的13.73%，沿斷層泥化帶兩側(cè)分布，寬度變化較大，一般1.0～9.0m，節(jié)理間距多小于10cm，破碎帶內(nèi)巖體多被壓碎成數(shù)厘米大小較軟的碎裂巖，節(jié)理多張開，無充填或泥質(zhì)充填，局部有綠泥石化、高嶺土化現(xiàn)象，受構(gòu)造影響強烈。

（3） 擠壓破碎帶： 約占斷層帶統(tǒng)計總面積的82.69%，由斷層擠壓破碎帶和斷層影響帶組成，二者犬牙交錯、穿插分布，界線不清，難以準確劃分，總體上以斷層影響帶較完整巖體為主， 比例大于三分之二，原巖（變質(zhì)礫巖）結(jié)構(gòu)基本未發(fā)生變化；擠壓破碎帶見數(shù)十條傾角較陡的小斷層， 節(jié)理間距一般介于10～30cm， 巖石多破碎呈10～30cm大小的較軟弱巖塊，節(jié)理多張開，無充填或泥質(zhì)、鈣質(zhì)充填，未膠結(jié)。

F67斷層壩段（29#壩段～32#壩段）壩基Ⅲ1A類巖體占面積比11.25%，Ⅳ1A類巖體占面積比63.75%，Ⅳ2A類巖體占面積比21.73%，Ⅴ類巖體占面積比3.27%。

2.4.3 F67斷層影響壩段（33#壩段～36#壩段）

樁號0+636.00m～樁號0+708.00m。本段壩基位于壩址右岸階地，地形較平緩，坡度1°～7°，地面高程209～217m。 壩基覆蓋層為雜填土和碎石混合土，局部地段分布級配不良砂，厚度20～24m。 組成壩基巖體為變質(zhì)礫巖， 弱風(fēng)化巖厚度15～20m， 局部可達40m。 壩基巖體縱波速為3.70～5.88km/s，完整性系數(shù)0.38～0.96，屬完整性差巖體～較完整巖體。

壩基發(fā)育有F68，F(xiàn)92，F(xiàn)93和F964條斷層破碎帶。斷層F68和斷層F96與壩軸線交角為46°；斷層F92與壩軸線交角為60°；F68，F(xiàn)92，F(xiàn)96均為陡傾角斷層； 斷層F93呈弧形延伸，與壩軸線交角為14°～34°，傾角中等～陡傾角。

壩基巖體與斷層破碎帶平行的節(jié)理裂隙亦極為發(fā)育，節(jié)理裂隙以65°～75°的陡傾角節(jié)理為主，間距一般20～40cm，節(jié)理多張開1～2mm，部分為泥質(zhì)或巖屑所充填，節(jié)理裂隙相互切割，巖體破碎。

壩基多為弱透水巖體，局部為中等透水巖體，相對隔水層（＜1Lu）埋深一般為60～80m，地下水位埋深一般14～20m。

2.4.4 37#壩段～56#壩段

樁號0+708.00m～樁號1+068.00m。 其中樁號0+708.00m～樁號0+888.00m段壩址右岸階地，地形較平緩，坡度1°～7°，地面高程一般217～240m，壩基覆蓋層為雜填土和碎石混合土等組成， 局部地段分布級配不良砂，厚度一般8.5～33m；樁號0+888.00m～樁號1+068.00m段位右岸山坡，地形較平緩，坡度一般10°～20°，地面高程一般240～280m，壩基覆蓋層為碎石混合土，厚度一般2～6m，局部可達10m。 壩基巖體為變質(zhì)礫巖，弱風(fēng)化巖厚度一般14～17m，局部可達30m。壩基巖體縱波速一般為3.47～5.89km/s， 完整性系數(shù)0.33～0.96，多屬較完整巖體～完整性差巖體，部分為完整巖體～較完整巖體，局部為破碎～較破碎巖體。

壩基主要見有F75，F(xiàn)77，F(xiàn)78，F(xiàn)92，F(xiàn)94和F956條斷層破碎帶通過，F(xiàn)75，F(xiàn)77和F95斷層其走向與壩軸線大角度相交；斷層F92與壩軸線交角為60°；斷層F94與壩軸線交角為35°， 為中等傾角； 斷層F78與壩軸線近于平行；F75，F(xiàn)77，F(xiàn)78，F(xiàn)92和F955條為陡傾角斷層。 F75，F(xiàn)77，F(xiàn)78，F(xiàn)92，F(xiàn)94和F956 條 斷 層 出 露 寬 度 分 別 為0.1 ～0.5，0.5 ～1.0，1.0，0.1～2.9，1.5和4.4m。壩基節(jié)理裂隙以65°～80°陡傾角為主，間距一般20～60cm，節(jié)理多張開1～2mm，部分為泥質(zhì)或巖屑所充填。

壩基多為弱透水巖體，相對隔水層（＜1Lu）埋深一般為30～85m，地下水位埋深一般15～25m。

3 存在地質(zhì)缺陷及處理措施

3.1 斷層及破碎帶構(gòu)成的軟弱破碎的軟基處理措施

壩基揭露的斷層及斷層破碎帶有21條， 出露寬度一般0.2～6.0m不等， 其中F67斷層破碎帶的規(guī)模最大，寬度達40～62m。 斷層及斷層破碎帶導(dǎo)致局部壩基巖體較破碎、完整性差、強度低，壓縮變形大，易使壩基產(chǎn)生不均勻變形，引起不利的應(yīng)力分布，導(dǎo)致壩體開裂，需要處理。 綜合處理措施如下：

（1）斷層及斷層破碎帶開挖。對壩基出露的斷層及斷層破碎帶進行二次槽挖， 槽挖深度根據(jù)斷層破碎帶寬度B（斷層中心帶+兩側(cè)影響帶）以及斷層傾角（以45°為界分為陡傾角和緩傾角斷層） 等的不同合理取值，兩側(cè)開挖坡比不陡于1∶0.5。其中，對B≤0.5m的陡傾角斷層適當(dāng)掏挖。

（2）混凝土塞。對二次槽挖部位回填混凝土形成混凝土塞，使混凝土回填基礎(chǔ)與巖體形成組合地基，同時壩體傳來的荷載通過混凝土塞體均勻傳向兩側(cè)堅硬巖石， 以達到均勻壩體應(yīng)力和減少壩體不均勻沉降的目的?；靥罨炷敛捎萌壟湮⑴蛎浕炷?，其中B≤0.5m的陡傾角斷層采用二級配。

寬度小于等于0.5m的陡傾角斷層掏挖后回填混凝土不配筋， 不設(shè)錨桿； 緩傾角斷層塞及寬度超過0.5m的陡傾角斷層塞頂面壩體內(nèi)全配筋防裂； 緩傾角斷層塞及寬度超過1m的陡傾角斷層塞底面配筋承載，兩側(cè)壁設(shè)置錨桿。

傾角大于45°的陡傾角斷層處理典型斷面如圖1～圖3； 傾角小于45°的陡傾角斷層處理典型斷面如圖4。

圖1 B=3～6m處理典型斷面

圖2 B=1～3m處理典型斷面

圖3 B=0.5～1m處理典型斷面

圖4 緩傾角斷層處理典型斷面

3.2 左岸擋水壩段

斷層破碎帶、 節(jié)理密集帶和破碎巖體通過部位為Ⅳ2A類巖體占6.6%（面積比）。

（1）由于左岸邊坡走向與巖層走向近于平行，為順向坡，巖層層面與走向NE、NW兩組節(jié)理構(gòu)成不利結(jié)構(gòu)面組合，施工開挖形成臨空面以后，開挖邊坡穩(wěn)定性差， 故壩基開挖時對局部存在邊坡穩(wěn)定問題的部位進行了錨噴支護。

（2）左岸擋水壩段陡傾角斷層有F3，F(xiàn)13，F(xiàn)30和F234條，均規(guī)模較小，對出露較寬部位進行了二次槽挖，回填混凝土形成混凝土塞， 以達到均勻壩體應(yīng)力和減少壩體不均勻沉降的目的。

3.3 溢流壩段

斷層破碎帶通過部位為Ⅳ2A類巖體 （占面積比1.2%）。施工中將早期施工的三條溝槽內(nèi)松散物全部挖除至基巖，并采用并回填三級配微膨脹混凝土塞進行處理。

陡傾角斷層F91進行了二次槽挖，采用直徑22mm錨桿，1.5m×1.5m間排距梅花形布置，入巖深度2.5m；配筋布置形式： 主鋼筋采用φ25@25， 分布筋采用φ16@25（主鋼筋采用φ28@25，分布筋采用φ20@25），貼緊巖面布置，回填混凝土形成混凝土塞，以達到均勻壩體應(yīng)力和減少壩體不均勻沉降的目的； 斷層F61和F62開挖后采用三級配常態(tài)微膨脹混凝土回填形成混凝土塞。

3.4 廠房壩段

斷層破碎帶、 節(jié)理密集帶和破碎巖體通過部位為Ⅳ2A類巖體（占面積比12.7%）。

陡傾角斷層F91進行了二次槽挖， 采用φ22mm錨桿，1.5m×1.5m間排距梅花形布置，入巖深度2.5m；配筋布置形式： 主鋼筋采用φ25@25， 分布筋采用φ16@25（主鋼筋采用φ28@25，分布筋采用φ20@25），貼緊巖面布置，回填混凝土形成混凝土塞，以達到均勻壩體應(yīng)力和減少壩體不均勻沉降的目的； 陡傾角斷層F63規(guī)模較小，對出露較寬部位進行了二次槽挖，回填混凝土形成混凝土塞。

3.5 右岸擋水壩段

（1）26#壩段～28#壩段壩基小斷層通過部位為Ⅳ2A類巖體（占面積比2.0%）。 斷層規(guī)模較小對出露較寬部位進行了二次槽挖，回填混凝土形成混凝土塞。

（2）F67斷層壩段（29#壩段～32#壩段）壩基的Ⅳ類巖體占面積比85.48%，Ⅴ類巖體占面積比3.27%。 巖體為完整性差～較完整。主要工程地質(zhì)問題為壩基不均勻變形及滲漏、滲透破壞、抗滑穩(wěn)定問題。 為滿足抗滑穩(wěn)定，在壩段上游和下游均采用倒梯形刻槽。其中上游倒梯形刻槽29#壩段，30#～31#壩段，32#壩段的寬度26m，深度分別為4，6，8m；下游倒梯形刻槽寬度26m，深度4m。 槽內(nèi)回填壩體標號混凝土并與壩塊混凝土形成整體，滿足抗滑穩(wěn)定要求；對斷層泥化帶通過部位采用局部倒梯形刻槽，深度不小于寬度，并回填三級配微膨脹混凝土塞進行處理， 寬度≤0.5m的陡傾角斷層采用二級配混凝土塞進行處理； 同時加深了固結(jié)灌漿的處理措施。

（3）F67斷層影響壩段（33#壩段～36#壩段）斷層破碎帶通過部位為Ⅳ2A類巖體（占面積比15.8%）。

壩基斷裂構(gòu)造發(fā)育， 破碎帶巖體多具有巖質(zhì)軟弱、強度低、易變形和滲透穩(wěn)定性差等特點，對壩基巖體抗滑穩(wěn)定和滲透穩(wěn)定帶來極為不利影響， 巖體抗滑、 抗變形性能受結(jié)構(gòu)面及其破碎物之間的膠結(jié)情況所控制， 建基面混凝土/巖體抗剪斷參數(shù)較一般的Ⅲ1A類巖體低， 需要進行特殊處理，33#壩段～36#壩段下游增設(shè)了深度為4m的齒槽， 提高了壩基面的抗滑穩(wěn)定安全裕度。 陡傾角斷層F68進行了二次槽挖，采用直徑22mm錨桿，1.5m×1.5m間排距梅花形布置，入巖深度2.5m；配筋布置形式：主鋼筋采用φ25@25，分布筋采用φ16@25（主鋼筋采用φ28@25，分布筋采用φ20@25），貼緊巖面布置，回填混凝土形成混凝土塞，以達到均勻壩體應(yīng)力和減少壩體不均勻沉降的目的；中陡傾角斷層F92，F(xiàn)93和F96規(guī)模較小， 對出露較寬部位進行了二次槽挖，回填混凝土形成混凝土塞，回填混凝土采用三級配微膨脹混凝土。

（4）右岸擋水壩段（37#壩段～56#壩段）斷層及斷層破碎帶通過部位為Ⅳ1A類巖體和Ⅳ2A類巖體占面積比分別為1.84%和6.64%。

F75，F(xiàn)77，F(xiàn)78，F(xiàn)92，F(xiàn)94和F956條斷層出露寬度變化較大， 對出露較寬大于0.05m的部位進行了二次槽挖，回填混凝土形成混凝土塞。 壩基出露的斷層及斷層破碎帶經(jīng)處理后滿足建壩要求。

4 結(jié)語

（1）一般（指寬度小于6m）斷層及斷層破碎帶寬度小于等于0.5m的陡傾角斷層掏挖后回填混凝土不配筋，不設(shè)錨桿；緩傾角斷層塞以及寬度超過0.5m的陡傾角斷層塞頂面壩體內(nèi)全配筋防裂； 緩傾角斷層塞以及寬度超過1m的陡傾角斷層塞底面配筋承載，兩側(cè)壁設(shè)置錨桿。

（2）F67斷層壩段基礎(chǔ)處理總體處理方案為采用回填混凝土+上、下游齒槽方案，并加強（固結(jié)、帷幕灌漿）處理措施。

（3）F67斷層影響壩段基礎(chǔ)處理總體處理方案為采用回填混凝土+下游齒槽方案，并加強（固結(jié)灌漿）處理措施。

（4）F68斷層通過壩段基礎(chǔ)處理總體處理方案為采用二次槽挖，兩側(cè)壁設(shè)置錨桿，塞底面配筋承載，回填混凝土方案，并加強固結(jié)灌漿處理措施。

（5）自水庫蓄水以來，安全監(jiān)測大壩整體發(fā)生向下游方向的水平位移，變化范圍在-3.58～10.51mm之間； 壩體最大沉降2.46mm， 向下游傾斜最大角度27.08″，各壩段沉降變形基本穩(wěn)定。 壩踵建基面相對于最深處的變形在-3.10～0.59mm之間， 壩址建基面相對于最深處的變形在-3.21～-0.40 mm之間。 目前壩基變形基本穩(wěn)定，無異常發(fā)展趨勢；壩體壩基各橫縫、接縫、裂縫變形蓄水以來變幅均較小，無異常發(fā)展趨勢。