角木塘水電站工程碾壓混凝土重力壩建基面（河床段）抬高論證

羅 平，肖 膠，胡大彪

（貴州省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550002）

1 工程簡(jiǎn)況

角木塘水電站工程位于貴州省遵義市道真縣境內(nèi)，地處忠信鎮(zhèn)與桃源鄉(xiāng)交界的芙蓉江上，是芙蓉江電站開(kāi)發(fā)中的第10 級(jí)，上鄰官莊水電站，下毗浩口水電站。樞紐建筑物為碾壓混凝土重力壩，最大壩高55.0 m，壩頂高程388.00 m。校核洪水位387.034 m，總庫(kù)容3259 萬(wàn)m3，設(shè)計(jì)正常蓄水位383.0 m，相應(yīng)庫(kù)容2332 萬(wàn)m3，死水位381.0 m，電站裝機(jī)容量70 MW。

2 前期勘察成果

2.1 壩址地形及地層巖性

壩址河谷為不對(duì)稱“U”型谷，左陡、右緩，枯水期河水面高程約353.64 m，水深0.6 m～6.7 m，水面寬25.1 m～39.12 m，河流流向?yàn)镹54°E，在下游一帶微轉(zhuǎn)為N42°E；左岸地形較為陡峻，地形坡度32°～70°，右岸地形坡度為34°～51°，兩岸地形呈下緩上陡的形態(tài)。

大壩地基出露巖性為二疊系中統(tǒng)棲霞組（P2q）灰?guī)r及茅口組（P2m）灰?guī)r夾薄層炭質(zhì)頁(yè)巖，河床為沖洪積層，主要為塊石、砂卵石層，厚11.3 m～18.9 m。

2.2 構(gòu)造及結(jié)構(gòu)面

壩址區(qū)位于浩口向斜的北西翼，壩址區(qū)發(fā)育有一條順河斷層F2，平面形態(tài)呈“～”展布，其產(chǎn)狀為N10°～50°E/SE∠63°～65°，為陡傾斷層，延伸長(zhǎng)約3.0 km，與壩軸線大角度相交。壩址區(qū)左岸巖層傾角為23°～49°，傾左岸；右岸巖層傾角31°～72°傾右岸。受斷層影響，左岸地層發(fā)生倒轉(zhuǎn)，老地層分布在上部，新地層分布在下部。

2.3 溶蝕風(fēng)化分帶

根據(jù)地表地質(zhì)調(diào)查、鉆孔、平洞揭露、物探測(cè)試等，并結(jié)合地形、地貌和地層巖性等特征，河床強(qiáng)風(fēng)化深15 m～20 m，弱風(fēng)化下限深度18 m～25 m。

2.4 巖溶水文地質(zhì)條件

壩址區(qū)分布巖體主要為碳酸鹽巖夾少量碎屑巖，前期勘察通過(guò)地表地質(zhì)測(cè)繪、鉆探、勘探平硐結(jié)合物探手段，未發(fā)現(xiàn)較大規(guī)模的溶洞及溶槽發(fā)育，綜合評(píng)價(jià)得出壩址區(qū)巖溶弱發(fā)育，巖溶水文動(dòng)力地質(zhì)條件簡(jiǎn)單。

2.5 壩基巖體工程質(zhì)量分類

根據(jù)壩區(qū)室內(nèi)試驗(yàn)資料，弱風(fēng)化巖塊飽和單軸抗壓強(qiáng)度40 MPa～70 MPa，鉆孔聲波在2700 m/s～5200 m/s，通過(guò)工程地質(zhì)條件類比，根據(jù)《水力發(fā)電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（GB 50287-2016）中附錄O壩基巖體工程地質(zhì)分類[1]，壩區(qū)弱至微風(fēng)化巖體中：巖體為層狀結(jié)構(gòu)的中硬質(zhì)巖類，壩基肩巖體工程地質(zhì)為BⅢ2 類，局部為BⅣ1 類。

2.6 綜合評(píng)價(jià)

根據(jù)前期勘察資料，河床覆蓋層厚11.3 m～18.9 m，河床基巖出露高程分布在329.5 m～330.5 m，強(qiáng)風(fēng)化巖體分布下限在326 m～326.8 m，強(qiáng)風(fēng)化帶巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體較破碎夾泥嚴(yán)重，呈碎裂結(jié)構(gòu)，弱風(fēng)化下界高程在320.7 m，河床建基面高程選擇在弱風(fēng)化上部，高程為321.6 m，建基面下部巖體完整性好，裂隙不發(fā)育，巖體力學(xué)強(qiáng)度高，壩基肩巖體工程地質(zhì)為BⅢ2 類，局部為BⅣ1類，能夠滿足建壩要求。對(duì)壩基存在的軟弱夾層、斷層破碎帶及裂隙密集帶必須進(jìn)行地基處理[2]。

3 施工階段建基面地質(zhì)分析及評(píng)價(jià)

3.1 問(wèn)題由來(lái)

當(dāng)大壩河床段已經(jīng)開(kāi)挖至338 m～340 m高程時(shí)，河床覆蓋層大部分已被清除，河床基巖基本已揭露，覆蓋層深度比可研研究成果抬高。基于壩基河床段建基面地質(zhì)條件變好，同時(shí)施工工期較緊，節(jié)約工程投資等客觀原因，工程建設(shè)單位及施工單位提出勘察設(shè)計(jì)單位對(duì)河床段建基面抬高進(jìn)行專項(xiàng)論證工作[3]。

勘察單位對(duì)壩基抬高論證采用的主要勘察手段：現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖揭露地質(zhì)條件編錄、物探鉆孔聲波檢測(cè)、孔壁電視。

3.2 河床段壩基開(kāi)挖地質(zhì)條件

（1）谷形式

基坑開(kāi)挖后，揭露出F2斷層，在壩軸線上F2斷層靠近河床偏右岸，整個(gè)河床水平段巖層傾向左岸偏上游，為縱向谷。

（2）巖性及巖層厚度、分布情況

施工開(kāi)挖揭露，壩基巖體巖性主要為棲霞組（P2q）深灰色中厚層灰?guī)r夾薄層炭質(zhì)泥巖，炭質(zhì)泥巖不連續(xù)分布。河床近右岸分布有部分茅口組（P2m）薄至中厚層灰?guī)r夾泥巖、炭質(zhì)頁(yè)巖，斷層帶巖體為2.4 m厚的炭質(zhì)泥巖，膠結(jié)較好。

（3）地質(zhì)構(gòu)造

河床靠近右岸有斷層F2發(fā)育，其基坑段產(chǎn)狀為N30°E/SE∠70°～80°，F(xiàn)2斷層上緩下陡，破碎帶2.4 m，影響帶2 m～5 m，基坑內(nèi)的斷層帶炭質(zhì)泥巖膠結(jié)較好。無(wú)規(guī)模較大的緩傾角裂隙發(fā)育，F(xiàn)2斷層上盤(pán)巖層傾向右岸，巖層產(chǎn)狀為135°∠81°；F2斷層下盤(pán)巖層傾向左岸偏上游，巖層產(chǎn)狀為315°∠75°。巖體結(jié)構(gòu)總體為層狀巖體，裂隙面中等至弱發(fā)育，多為方解石脈及巖屑填充，河床基坑主要發(fā)育8組裂隙，其中有5 組陡傾角裂隙，3 組緩傾角裂隙，分別對(duì)應(yīng)素描圖中的①、③、④、⑤、⑥、⑦、⑧。其性狀分別如下：①N40°W/NE∠85°～88°，與巖層走向近似垂直，切層，延伸長(zhǎng)2 m～3 m，間距0.3 m～0.5 m，裂面多閉合，方解石充填，局部無(wú)充填；②N30°W/SW∠70°～75°，間距0.5 m～0.8 m，一般延伸長(zhǎng)1 m～2 m，多為方解石脈充填；③N75°E/NW∠50°～55°，裂面有起伏，延伸長(zhǎng)一般0.5 m～1 m；④N20°E/SE∠16°～20°，為緩傾角裂隙，面起伏，黃色泥膜充填，延伸長(zhǎng)1 m～3 m；⑤N55°E/SE∠11°～20°，為緩傾角裂隙，延伸長(zhǎng)1m～5m，黃色泥膜充填，面略起伏，⑥SN/W∠12°～18°，緩傾角裂隙，延伸長(zhǎng)1 m～3 m，黃色泥膜充填；⑦N15°～20°E/SE∠35°～50°，延伸長(zhǎng)2 m～5 m，局部夾泥，面起伏；⑧EW/S∠42°，延伸長(zhǎng)1 m～2 m，局部夾泥，面起伏。

（4）風(fēng)化分帶

可研階段評(píng)價(jià)河床強(qiáng)風(fēng)化層深度15 m～20 m（強(qiáng)風(fēng)化下限高程約在328 m左右），弱風(fēng)化層深度18 m～25 m（弱風(fēng)化下限高程約在320 m左右），施工階段壩基河床段開(kāi)挖發(fā)現(xiàn)，靠近右岸段高程337.5 m，受F2斷層影響，斷層上盤(pán)（靠近右岸一帶）出露地層為（P2m）灰?guī)r夾多層粉砂質(zhì)泥巖、炭質(zhì)頁(yè)巖（軟質(zhì)巖），層面或裂隙面多夾泥，巖體風(fēng)化差異大，強(qiáng)風(fēng)化較深，巖體強(qiáng)度低，節(jié)理、裂隙發(fā)育，巖體破碎。斷層下盤(pán)（河床及左岸）出露地層為（P2q）灰?guī)r夾少量炭質(zhì)頁(yè)巖，為硬質(zhì)巖，河床巖體強(qiáng)風(fēng)化較淺，巖體較完整。

河床覆蓋層抬高約10.8 m，強(qiáng)風(fēng)化帶下限抬高了10.5 m，弱風(fēng)化帶較可研抬高了3 m～3.5 m（見(jiàn)圖1），壩基弱風(fēng)化帶抬高為建基面抬高奠定必要條件[4]。

圖1 壩上游地質(zhì)剖面圖

（5）巖溶水文地質(zhì)條件

結(jié)合前期鉆孔、聲波測(cè)試，施工階段大壩基坑開(kāi)挖、揭露的地質(zhì)情況可知，基坑分布的可溶巖，巖溶弱發(fā)育，未發(fā)現(xiàn)隱伏巖溶發(fā)育，壩基巖溶水文地質(zhì)條件較好。

3.3 物探聲波測(cè)試

在河床基坑左（A區(qū)）、右（C區(qū)）兩個(gè)區(qū)域共布置了三組聲波測(cè)試，共計(jì)7個(gè)鉆孔聲波測(cè)試孔進(jìn)行基坑檢測(cè)，同時(shí)還進(jìn)行了孔壁電視，鉆孔布置見(jiàn)圖2。

圖2 壩基素描及物探聲波測(cè)試孔

第一組鉆孔聲波測(cè)試值對(duì)比（BZK1、BZK2、BZK3），BZK3 在高程324.8 m巖體波速呈現(xiàn)明顯拐點(diǎn)，巖體完整性較好，其上部與BZK1、BZK2 測(cè)試成果相當(dāng)，波速多在2700 m/s～5300 m/s之間波動(dòng)，巖體時(shí)好時(shí)差，主要受節(jié)理裂隙發(fā)育的影響，巖體完整性較差，建基面最理想的高程為325 m以下。

第二組鉆孔聲波測(cè)試值對(duì)比（BZK4、BZK5），BZK4在高程330.9 m，巖體波速呈現(xiàn)明顯拐點(diǎn)，其下部在325.3 m～324.3 m之間局部有跳躍，巖體完整性較好，其上部與BZK5 測(cè)試成果相當(dāng)，波速多在2800 m/s～5100 m/s之間波動(dòng)，巖體時(shí)好時(shí)差，主要受節(jié)理裂隙發(fā)育的影響，建基面最理想的高程為330 m以下。

第三組鉆孔聲波測(cè)試值對(duì)比（BZK6、BZK7），BZK6 深度14.8 m以后（高程324.2 m），巖體波速呈現(xiàn)明顯拐點(diǎn)，巖體完整性較好，其上部與BZK7 測(cè)試成果相當(dāng)，波速多在2700 m/s～5000 m/s之間波動(dòng)，巖體時(shí)好時(shí)差，主要受節(jié)理裂隙發(fā)育的影響，建基面最理想的高程為324.2 m以下。

3.4 與可研成果比較及評(píng)價(jià)

河床基坑開(kāi)挖后揭露出F2 斷層，F(xiàn)2 斷層靠近右岸壩肩附近，與可研推測(cè)F2 斷層在河床發(fā)育不一致；河床基坑巖性主要為棲霞組的灰?guī)r，少部分為茅口組灰?guī)r夾泥巖，受可研推測(cè)斷層的影響，壩基巖性與可研資料有部分出入；壩基弱風(fēng)化至微風(fēng)化巖體，相比可研階段成果資料明顯變高；巖層層面性狀較好，多為閉合狀態(tài)，與可研評(píng)價(jià)基本一致；緩傾角裂隙結(jié)構(gòu)面規(guī)模小，延伸短，多為閉合狀態(tài)，無(wú)軟弱夾層及泥化夾層分布，裂隙多為方解石脈、巖屑充填，與可研估計(jì)的一致；基坑內(nèi)未見(jiàn)明顯巖溶發(fā)育，與前期成果資料預(yù)測(cè)情況吻合；建基面下游河床基巖面平整連續(xù)，下游側(cè)基巖無(wú)臨空面；可研階段將灰?guī)r劃分為壩基肩巖體工程地質(zhì)為BⅢ2類，局部為BⅣ1 類；開(kāi)挖后壩基巖體風(fēng)化狀態(tài)呈弱風(fēng)化及微風(fēng)化基巖，巖體質(zhì)量總體上要比可研確定的巖體質(zhì)量好，基坑開(kāi)挖至高程333 m時(shí)，大部分基巖已處于弱風(fēng)化中部，A區(qū)巖體為（P2q）中厚層灰?guī)r，巖體質(zhì)量等級(jí)BⅢ1類，B區(qū)為斷層帶，巖性為炭質(zhì)泥巖，膠結(jié)較好，巖體質(zhì)量等級(jí)為CⅣ類；C區(qū)為茅口組（P2m）灰?guī)r，完整性較差，層面夾泥，巖體質(zhì)量等級(jí)為BⅢ2類（見(jiàn)表1）。

表1 壩基巖體力學(xué)參數(shù)

3.5 壩址物理力學(xué)參數(shù)優(yōu)化

通過(guò)施工階段對(duì)壩基巖體的開(kāi)挖，大壩建基面進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)揭露出斷層帶的炭質(zhì)頁(yè)巖及右岸壩基的炭質(zhì)頁(yè)巖，棲霞組（P2q）灰?guī)r巖體質(zhì)量好于前期勘察成果資料，力學(xué)參數(shù)得到了提高，茅口組（P2m）灰?guī)r由于層面夾泥，巖體質(zhì)量比前期勘察成果資料評(píng)價(jià)稍差，對(duì)其力學(xué)參數(shù)進(jìn)行調(diào)低，增加了F2斷層帶上的炭質(zhì)頁(yè)巖力學(xué)參數(shù)，對(duì)壩基巖體力學(xué)參數(shù)進(jìn)行復(fù)核調(diào)整成果。

3.6 地基承載力

根據(jù)計(jì)算，溢流壩段壩基最大壓應(yīng)力429.16 kPa，壩基巖體主要為P2q、P2m灰?guī)r夾少量炭質(zhì)頁(yè)巖，室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)對(duì)比，壩基地基承載力為2.5 MPa～3.5 MPa，可滿足壩基最大壓應(yīng)力要求。

4 結(jié)論

壩基抬高后，壩基巖體完整性較好，強(qiáng)度等級(jí)較高，巖體呈弱至微風(fēng)化狀態(tài)，力學(xué)參數(shù)滿足建重力壩要求，建基面抬高具備一定的地質(zhì)條件。

A區(qū)建基面抬高至333.0 m，鑒于壩基A區(qū)因局部巖體破碎，部分裂隙面夾泥，須進(jìn)行處理，采取局部刻槽、深挖，清除破碎的巖體及夾泥的裂隙面。

壩基B、C區(qū)為斷層破碎帶及影響帶，B區(qū)巖體為軟質(zhì)巖，C區(qū)巖體層面夾泥及夾軟弱夾層，B、C區(qū)域內(nèi)壩基巖體須深挖，B區(qū)開(kāi)挖至330 m，C區(qū)開(kāi)挖至332 m。

河床段建基面抬高是合理、必要的，不僅節(jié)約了施工工期[5]，加快了工程建設(shè)，而且節(jié)省工程投資，電站提前發(fā)揮了發(fā)電效益。