玉華柱
(廣西水利電力勘測設計研究院有限責任公司,南寧 530023)
廣西郁江老口航運樞紐是郁江綜合利用規(guī)劃十個梯級中自上而下的第七個梯級工程,是一座以航運、防洪為主,結合發(fā)電并兼顧改善南寧市區(qū)水環(huán)境的綜合利用工程,是右江實現(xiàn)III級航道目標的重要工程,也是實施郁江流域防洪規(guī)劃的關鍵性工程。樞紐壩址位于郁江上游南寧市區(qū)、左江和右江匯合口下游4.7 km的郁江河段上,上游距右江金雞灘水電站壩址121 km、距左江山秀水電站壩址84 km,下游距西津水電站壩址204 km。
老口航運樞紐為低水頭閘壩型攔河工程,水庫正常蓄水位75.50 m,校核洪水位85.49 m,總庫容為25.87 億m3,屬大(1)型工程,工程等別為Ⅰ等。樞紐主要建筑物由攔河壩、船閘、電站廠房、副壩、魚道等組成,其中攔河壩為平底閘型式泄水閘壩,壩軸線長度為1 565 m,最大壩高48 m。
老口航運樞紐自1952 年開始就陸續(xù)開展了一些地質勘測工作。當年珠江水利委員會進行西江流域規(guī)劃時曾查勘過本區(qū),并選定了該梯級;1957年珠委西江辦公室也曾在老口壩址作過少量勘探工作,進行了1∶10 000壩址及右江庫區(qū)的地質測繪工作;1958~1959年廣西水利電力廳勘測設計院對老口壩址進行了選壩階段的地質勘察工作,在4 個可能的壩址均作過勘探,并進行了壩區(qū)1∶25 000綜合地質測繪。由于年代久遠,這些勘察資料已殘缺不全,但對后期工作仍有很好的借鑒及指導作用。
根據(jù)廣西水利廳辦公會精神和廣西計委前期工作計劃安排,2001 年重新啟動、推進老口水利樞紐項目建設的各項相關工作。同年2 月,廣西水利廳技術處、廣西壯族自治區(qū)水利電力勘測設計研究院有限責任公司(原廣西壯族自治區(qū)水利電力勘測設計研究院,以下簡稱“廣西水電院”)有關專家及技術人員對老口樞紐壩址進行了現(xiàn)場查勘和對比論證,決定今后工作重點是原一壩址即下壩址,及原二、三壩壩址之間新選定的壩址即上壩址,由廣西水電院開展該樞紐勘察設計工作。
老口航運樞紐可行性研究階段勘測工作于2001年開始,廣西水電院先后4次進場開展壩址區(qū)外業(yè)地質勘察工作,也可以說整個可行性研究階段地質勘察是分4 個時間段來完成的,全過程嚴格按當時規(guī)程規(guī)范有關要求,并結合設計部門提出的不同壩型及其主要建筑物軸線來開展地質工作,初步查明樞紐工程上、下壩址的工程地質條件,以及主要建筑物可能存在的工程地質問題,勘察成果達到了階段性深度要求,主要完成野外勘探及試驗工作量:鉆孔103 個(進尺共4 145.9 m),平硐2 個(共56.6 m),豎井2 個(共41.5 m);聲波測孔55 孔(共1 954.4 m),平硐地震波166 點,多道瞬態(tài)面波42點,高密度電法560 點,現(xiàn)場壓水試驗318 段、注水試驗85段,標貫試驗36次,動力觸探試驗10.1 m,現(xiàn)場變形試驗6點,載荷試驗7點,剪切試驗4組[1]。
(1)可行性研究第一時間段。根據(jù)老口航運樞紐特點和經(jīng)費落實情況,可行性研究第一階段的勘測設計工作于2001 年10 月~2003 年11 月進行,重點安排了水庫淹沒、水文分析和工程勘測等工作,其中工程勘測方面主要是完成兩個壩址的地形圖測繪以及水庫區(qū)、下壩址的地質勘探工作,以及上壩址的部分地質工作,主要完成內容:聘請地層專家指導、作地層層位復核,采用1∶2000 比例尺進行工程地質測繪,范圍包括上、下壩址及有關樞紐建筑物布置地段、鄰近相關地段;上、下壩址各布設1條主要勘探剖面和1 條河床勘探縱剖面,其中在上壩址主勘探線、河床縱勘探線分別布置鉆孔15、4個,在下壩址主勘探線、河床縱勘探線分別布置鉆孔10、4 個;在下壩址河漫灘、階地布設面波法或折射波法物探剖面。
(2)可行性研究第二時間段,這也是當時按照交通行業(yè)確定的預可行性研究階段。2004年9月,受業(yè)主廣西西江航運公司委托,廣西水電院開始對老口樞紐進行預可研階段的勘測設計工作,勘察工作重點是區(qū)域地質、庫區(qū)、建材和上壩址的地質測繪及勘探工作。外業(yè)勘察工作于2004年11月底基本結束,主要完成內容:采用1∶2000 比例尺進行地質復測,重點是上壩址及其鄰近相關地段,并編制綜合地層柱狀圖;對上壩址布設1 條沿壩線勘探剖面和1 條河床勘探縱剖面,壩線勘探剖面布置鉆孔11 個,河床縱勘探線(縱向圍堰)布置鉆孔3 個,另外對下壩址電站廠房補充布置縱向勘探線及相應勘探鉆孔;在上壩址河漫灘、階地布設面波法或折射波法物探剖面。
(3)可行性研究第三時間段,即預可研補充階段。按照本項目預可研報告評估意見,以及壩址、壩線優(yōu)化比選結論和樞紐布置調整方案,需進一步加強壩址地質勘察工作,包括對下壩址下壩線的同等精度勘探、試驗,上壩址壩基第六層(Eb-61-2)、第七層(Eb-7
1-2)巖體物理力學性能試驗。地質人員于2005年11月~2006年3月中旬進行野外作業(yè),主要完成內容:校核壩址地層巖性、分界線等,對巖性巖相變化情況、分層厚度進行詳細統(tǒng)計等;在上壩址發(fā)電廠房左邊墻等部位補充勘探鉆孔;在上壩址上壩線兩岸河邊各開挖水下豎井及井底平硐,并在平硐、豎井不同深度取樣作巖體密度、含水量及室內巖體中型剪切試驗,在平硐內進行巖體變形、抗剪強度和載荷等現(xiàn)場試驗。
(4)可行性研究第四時間段。2006 年9 月,根據(jù)業(yè)主廣西西江航運公司對老口樞紐可行性研究報告編制工作的要求,廣西水電院開展該項目可行性研究階段的野外地質勘察工作,歷時2個多月,勘察目的是重點對水庫、壩址等主要建筑物區(qū)的工程地質條件進行勘察研究,為選定壩址、基本壩型和初選建筑物布置方案進行地質論證,主要完成內容:利用已有資料對上、下壩址進行地質校測,范圍包括副壩、圍堰、廠房等樞紐布置地段;在上、下壩址沿壩軸線、圍堰軸線和廠址布置勘探線,并結合建筑物、地質單元布置鉆孔,壩軸線及廠址鉆孔間距控制在50~100 m;在上壩址原壩線下游350 m處新增加一條下壩線勘探剖面進行方案比較。
老口航運樞紐可行性研究階段主要對上、下兩個壩址進行勘察設計工作,最后推薦上壩址。初步設計階段,設計上在選定壩址布置3個壩線方案,即上、中、下壩線方案,其中下壩線為新布置壩線,也就是設計擬推薦采用的壩線方案。
老口航運樞紐擋泄水建筑物是按照水閘壩型來布置設計,因此其壩址地質勘察工作主要是遵照《水利水電工程地質勘察規(guī)范》(GB 50487-2008)第6.14條(水閘及泵站)有關規(guī)定執(zhí)行,其中工程地質測繪范圍需結合整個樞紐建筑物布置來考慮,比例尺為1∶1000。由于可研階段對上、中壩線已做了大量勘探工作,因此在充分利用已有鉆孔前提下,對上、中壩線按照階段性勘察精度補充適當勘探工作,穿插加密些鉆孔,以達到初步設計階段的規(guī)范要求,鉆探工作重點則放在下壩線上。
各壩線方案勘探剖面位置主要按照壩軸線并結合其它水工建筑物方案來考慮,且利用已有勘探孔、在不影響河道通航情況下合理布孔,在閘壩段(包括其上、下游部位)鉆孔間距多為20~50 m、一共布置鉆孔70個,兩岸接頭壩段孔距為50~100 m、一共布置鉆孔30個;在電站廠房、進水渠、尾水渠以及對廠房穩(wěn)定安全有影響的邊坡地段均布置勘探剖面,每條剖面線布置鉆孔1~3 個;施工圍堰需結合閘壩線、消力池等建筑物布孔,一共布置鉆孔20個。
物探工作上,在各壩軸線上布置面波法或折射波法勘探剖面,以復核兩岸接頭壩段河灘、階地覆蓋土層厚度;利用部分相近鉆孔作穿透測試,并布置幾條物探高密度電法剖面,進一步復核右岸斷層F208位置及其空間展布情況,探查是否存在影響壩基穩(wěn)定的構造破碎帶、裂隙密集帶或軟弱夾層等。
初設階段地質勘察工作于2010年1月初進場,至2010年3月底基本完成,主要完成勘探及試驗工作量:鉆孔126個(進尺共4154 m),坑槽探53 m3,鉆孔壓注水試驗共169 段,標準貫入試驗38 次,動力觸探試驗8.9 m,現(xiàn)場變形試驗8點,剪切試驗4組;聲波測井548 m/19孔,電磁波穿透3692對[2]。
本工程所采用勘察方法,主要為工程地質測繪、鉆探、豎井及平硐勘探、坑槽探、物探及室內外巖土試驗等。
工程地質測繪是地質勘察最基本的方法,對勘探工作布置、野外工程地質巖層(組)劃分等均具有極其重要的指導作用,是運用地質學、工程地質學和水文地質學原理及技術方法,在野外現(xiàn)場對地形地貌、地層巖性、地質構造、水文地質、物理地質現(xiàn)象等與工程建設有關的各種地質現(xiàn)象進行觀察、量測和描述,并將其內容反映到相應地質圖上,或形成地質測繪技術文件,為勘探、試驗等下一步工作布置奠定基礎。
在勘察期間,地質人員通過大量的工程地質測繪,包括在兩岸河灘布置適當?shù)目硬厶?、追索重要的地質界線或地質現(xiàn)象,并充分利用鉆孔、豎井和平硐等勘探資料以及有限的天然露頭,進行綜合分析、推斷壩址分布地層巖性、地質構造發(fā)育情況,準確劃分工程地質巖組。
3.2.1 鉆探
為提高地質勘察的工作效率,縮短野外地質勘察時間,以盡可能少的勘探工作量取得盡可能多的地質資料,達到事半功倍的效果,要求壩址勘探鉆孔布置時應做到:①熟悉壩址區(qū)已取得的地質資料,在工程地質測繪成果基礎上布置鉆孔,明確每個鉆孔的目的和任務;②堅持一孔多用的原則,使各鉆孔在總體布置下盡可能地發(fā)揮綜合利用的勘探價值;③勘探剖面應緊密結合水工建筑物來布置,鉆孔盡量布置在建筑物軸線或輪廓線上;④鉆孔間距、密度應視工程地質條件復雜程度而定,并充分利用已有資料;⑤鉆孔深度應根據(jù)建筑物類型、建基面設計高程或對某種勘探目的層(如構造破碎帶或軟弱夾層)的推斷位置來綜合確定。
老口壩址基巖為下第三系地層砂泥巖,形成時間短,其泥巖類巖石較軟,屬軟~極軟巖類,發(fā)育有泥化夾層及煤線(層),因此采用常規(guī)鉆進方法取芯率較低、無法真實反映原巖狀態(tài)。為保證壩址基巖鉆探質量,提高鉆孔巖芯采取率,真實反映壩址分布各類巖體特性,對鉆探現(xiàn)場操作也提出如下要求:①采取短進尺、低泵量進行鉆進,控制好回次進尺,每回次不宜超過2 m;②所有鉆孔應盡可能采用Φ130 mm鉆具開孔鉆進,終孔孔徑盡量不小于Φ91 mm,以滿足室內三軸壓縮試驗對試件大小的要求;③對于構造破碎帶或弱軟夾層等盡量采用干孔鉆進;④在壩軸線左、右岸選取幾個鉆孔作大口徑鉆進,并采用特殊手段來進一步提高其巖芯采取率,復核軟弱夾層、煤線(層)等發(fā)育情況。
3.2.2 其它勘探
在壩址地質勘察中,主要采用了以下幾種物探方法:①聲波法。選擇部分鉆孔采用聲波法進行基巖巖體聲波測井,并選取部分巖芯進行室內聲波測試,輔助判別巖體風化分帶。②地震波測試。在平硐內進行巖體地震波測試,得出巖體的泊松比、動彈模量等數(shù)據(jù),建立巖體地震波速度與風化分帶等關系,為輔助判別巖體風化分帶提供依據(jù)。③電磁波法。用于部分相近鉆孔的CT 穿透測試,以探查其間是否存在構造破碎帶、裂隙密集帶或軟弱夾層等,特別是確定右岸斷層F208位置。④高密度電法或聯(lián)合剖面法。用于探測復核斷層F208和F301的位置及其空間展布情況,軟硬巖分布空間,以及構造破碎帶、裂隙密集帶或軟弱夾層等地質構造的發(fā)育情況。⑤面波法或折射波法。用于探測壩址兩岸階地、河漫灘以及江心洲的覆蓋層厚度,特別是壩軸線和樞紐建筑物場地第四系覆蓋土層的厚度、分層,以及下伏基巖面埋深、傾斜和起伏情況。⑥鉆孔電視。選擇部分鉆孔進行孔內電視錄像,進一步輔助驗證鉆探成果,可以更直觀地了解斷層F208破碎帶位置以及充填物特征。
(1)現(xiàn)場原位測試。在閘壩段、兩岸接頭壩段、電站廠房、縱向圍堰等工程部位勘察時,充分利用勘探鉆孔進行地基巖土體原位測試,其中閘壩段、電站廠房的試驗重點放在地基軟巖孔段、做標準貫入試驗,然后根據(jù)《廣西巖土勘察規(guī)范》附錄A“關于廣西古近系泥巖風化程度分類”標準,對基巖風化帶劃分進行復核和調整;而兩岸接頭壩段及圍堰則重點放在覆蓋層上,即黏性土層做標準貫入試驗,砂卵礫石層做重型動力觸探試驗,以確定各類土體的地基載承力參數(shù)。
(2)水文地質試驗。在勘探孔鉆進時,要求對第四系覆蓋土層進行注水試驗,而且盡可能進行分層注水;對基巖孔段則應進行壓水試驗,特別是壩軸線、電站廠房和施工圍堰等工程部位,并收集鉆進過程中的水文地質資料。左岸接頭壩有部分壩段其壩基置于第四系土層中,因此對這些壩段土層進行坑探和現(xiàn)場試坑注水試驗,以測定壩基土層的滲透系數(shù),評價壩基滲透穩(wěn)定性。
(3)室內土工試驗。要求按照不同的壩段位置、地層巖性以及巖體風化狀態(tài),嚴格按照有關規(guī)范對每一主要巖石或土層均取有代表性的巖土樣,進行室內物理力學試驗,包括常規(guī)土工試驗、滲透試驗、膨脹性試驗以及巖礦鑒定(含黏土礦物成分分析),以獲取巖土體的密度、飽和抗壓強度、滲透系數(shù)、自由膨脹率等參數(shù)。對于泥巖類巖石,要求有足夠的取樣試驗數(shù)量,且鉆孔巖芯樣柱長大于10 cm,三軸試驗的巖樣直徑應大于91 mm,取樣時需采用砂紙蠟封包裝,及時進行室內試驗。
(4)現(xiàn)場巖體強度試驗。壩基泥巖類巖石較軟,屬軟~極軟巖類,力學強度低,雖然已取較多巖樣作室內巖石試驗,但傳統(tǒng)的室內試驗方法可能無法提供準確合理的參數(shù),而其抗剪強度、承載力、變形模量等力學參數(shù)對于壩基穩(wěn)定計算或基礎處理方案選擇起關鍵作用,因此,利用河邊開挖豎井平硐和探坑作場地進行現(xiàn)場巖體強度試驗,包括砼/巖石直剪試驗、巖體變形試驗等。另外,對控制混凝土壩基穩(wěn)定和變形的巖土層進行原位變形和剪切試驗,測定該巖土層的變形模量、彈性模量、抗剪強度以及有關的力學性質指標。
(1)綜合運用多種勘察手段、方法,查明了壩址區(qū)工程地質條件以及各建筑物主要存在的工程地質問題。相對于其它類型工程,水利水電工程的地質條件往往都比較復雜,地質勘察涉及的內容較廣泛,需要解決的水文地質、工程地質問題也比較多,需要運用不同的勘察手段或方法才能滿足要求。地質勘察手段、方法選用是否合理,會直接影響到地質勘察成果的準確性和可靠性。老口壩址區(qū)范圍比較寬廣,第四系覆蓋土層分布廣,天然露頭極少,下伏基巖為第三系地層砂泥巖,大部分成巖作用差,多屬軟~極軟巖,工程地質測繪難度很大。針對壩址區(qū)較復雜的地形、地質條件,廣西水電院地質人員歷經(jīng)多年的地質勘察和試驗研究,采用多種勘察手段、測試技術,包括大量的工程地質測繪、鉆探、探槽、豎井、井下平硐、原位測試、水文地質試驗、現(xiàn)場力學試驗、室內土工試驗、鉆孔聲波測井、鉆孔聲波穿透、鉆孔彩色電視等,進行綜合分析研究,查明了壩址區(qū)工程地質和水文地質條件,以及樞紐建筑物主要存在的工程地質問題,為工程建設順利完工奠定了堅實的基礎。
(2)在軟巖勘探中采取有效可行的鉆探工藝,選用合適鉆頭,提高鉆探取芯率,真實反映原巖狀態(tài)、客觀了解壩址分布各類巖體特性。在鉆探中采用了雙管單動金剛石鉆頭和單管合金鉆頭兩種取芯方法,特別是勘察初期在軟巖鉆進中巖芯采取率很低,泥巖多出現(xiàn)形如爛泥的情況,影響了地質人員對巖體特性的判斷,后經(jīng)多次試驗,采用單管合金鉆頭鉆進,同時結合低泵量、短進尺進行鉆進,控制好回次進尺,各鉆孔盡可能采用Φ130 mm鉆具開孔鉆進,終孔孔徑盡量不小于Φ91 mm,這樣明顯提高了鉆孔巖芯采取率,保證壩址基巖的鉆探質量。另外,在壩軸線左、右岸選取個別鉆孔作大口徑鉆進,以進一步判斷下伏基巖的軟弱夾層發(fā)育情況,復核巖體含煤線(層)的分布情況及其強度、性狀等。
(3)采用坑槽探、物探等手段,并結合鉆探資料,準確劃分壩址工程地質巖組,確定斷層構造及煤線(層)的分布位置,保證了地質勘察成果達到較高精度。壩址兩岸為河流沖積I 級階地,第四系覆蓋土層分布廣,僅在枯水期河床邊見少量基巖露頭,而且下伏基巖巖性種類多、軟硬相間,地質界線不明顯,僅僅依靠地表地質測繪以及常規(guī)勘探手段,難以查明壩址下伏基巖巖性特征、分組分層及地質構造發(fā)育情況。通過在兩岸河灘適當布置一些坑槽探、追索重要的地質界線或地質現(xiàn)象,并采取有針對性的物探CT 穿透等手段,充分利用有關勘探資料,取樣作巖礦鑒定,進行綜合分析、準確劃分工程地質巖組,統(tǒng)計壩址各主要巖層中各巖性比例,分析研究灰?guī)r、砂巖以及泥巖等不同巖性的分布特征,確定斷層破碎帶的具體位置,以及巖體中煤線(層)的分布特征,保證地質測繪精度。
(4)開挖水下豎井及井底平硐,為查清壩基巖體特性、地質構造發(fā)育情況及提供現(xiàn)場力學試驗場地帶來便利。老口樞紐大壩基礎主要置于第三系砂泥巖之上,壩基泥巖類巖石軟弱,遇水易軟化、崩解,具有快速風化的特點,鉆孔巖芯取出暴露于空氣中很快就風干失水、出現(xiàn)微裂紋甚至呈干裂狀,鉆探取巖芯樣進行室內土工試驗的數(shù)據(jù)不能完全真實反映大壩建基面巖體天然狀態(tài)下的實際情況。而壩址兩岸覆蓋土層深厚,岸坡、河邊基巖露頭極少,不具備針對大壩建基面巖體進行現(xiàn)場巖體試驗的場地條件。為了準確摸清大壩建基面巖體特性、地質構造發(fā)育程度特別是緩傾角節(jié)理裂隙發(fā)育特征,只能考慮開挖河底水下豎井及井底平硐。根據(jù)壩址地形、地質條件,豎井平硐布置在壩軸線兩岸河邊,分別開挖20 m 深豎井,然后在豎井底部沿壩軸線向河床方向分別開挖30 m 長平硐。由于豎井及平硐基本處在河水位以下,河床砂卵石層及基巖表層巖體富水性極大,甚至與外側河水相通,豎井平硐開挖排水、支護等工作難度極大。經(jīng)過克服種種困難,采取各種有效的排水及支護措施,最終完成了河底豎井平硐的開挖任務,為查清壩基巖體特性及緩傾角節(jié)理等構造發(fā)育情況及提供現(xiàn)場力學試驗場地帶來便利。
(5)通過室內巖土試驗和現(xiàn)場力學試驗、原位測試等多種試驗手段,確定相關地質參數(shù),為設計提供準確科學依據(jù)。壩基為第三系砂泥巖,屬半成巖,泥巖類巖石強度較低,其天然單軸抗壓強度較低,大多不超過10 MPa,甚至低于5 MPa,巖體質量分類多為CⅣ類。通過鉆孔標準貫入試驗、室內巖土試驗,以及在平硐及探槽內進行巖體變形、載荷、抗剪強度等現(xiàn)場力學試驗,多種試驗手段相結合,查清壩基第六層(Eb1--
26)、第七層(Eb1--27)巖體的性狀、物理力學性質,提出科學合理的巖體力學指標,確定設計所采用的地質參數(shù)及天然地基處理方案是合適,避免因軟巖力學強度低而采用特殊處理措施如樁基等處理方案,大大減少了工程的投資。
(6)采用鉆孔彩色電視,進一步輔助驗證鉆探成果,可以詳細、直觀地觀察各類巖體的結構特性及地質構造發(fā)育情況。由于壩址區(qū)泥巖強度低,局部軟硬相間,勘察期間部分鉆孔鉆探取芯出現(xiàn)形如軟泥、爛泥的情況,不好判斷是否為軟弱夾層而影響壩基抗滑穩(wěn)定。為了查清壩區(qū)巖性特征及軟弱結構面、煤線夾層、斷層F208的發(fā)育情況,對部分鉆孔進行了鉆孔電視錄像,可以詳細、直觀地觀察各類巖體的結構特性及地質構造發(fā)育情況,特別是軟弱夾層的分布、性狀等,可核實斷層F208破碎帶位置,了解斷層充填物的性狀、特征,還可為劃分壩基巖體風化界線和判斷原巖結構提供直接證據(jù)。而且,鉆孔電視可將帶羅盤的光學攝像鏡頭放入鉆孔內,通過導線將其錄像輸入電腦屏幕,并將圖像放大數(shù)倍觀察,通過羅盤在鉆孔內量測結構面產(chǎn)狀,由其在孔壁上的跡線可算出結構面傾角,為工程地質評價提供了更準確的基礎資料。
老口航運樞紐壩址區(qū)基巖地層巖性為第三系泥巖、粉砂質泥巖、泥質粉砂巖、鈣質砂巖、灰?guī)r等,巖性種類多,且軟硬相間,泥巖類巖石強度較低,局部含炭質或發(fā)育煤層(線)等軟弱夾層,工程地質條件較為復雜。經(jīng)施工開挖揭露,各主要建筑物場地的工程地質條件和主要工程地質問題與工程勘察成果基本一致,大部分地質界線誤差在規(guī)范允許范圍內,地質提出壩基巖體質量類別、力學參數(shù)建議值均比較合理。
老口樞紐工程于2012年5月開工,2016年10月基本建成,順利實現(xiàn)水庫蓄水發(fā)電。工程建成運行至今,各建筑物安全良好,未出現(xiàn)工程安全問題。該樞紐工程的成功實施為在第三系軟巖上筑建閘壩積累了豐富的地質經(jīng)驗,可以為類似工程提供參考。