陳奇珠,羅志剛

(西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,甘肅蘭州 730050)

非洲加納布維水電站基本工程地質(zhì)條件

陳奇珠,羅志剛

(西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,甘肅蘭州 730050)

布維水電站工程系加納國(guó)內(nèi)第二大水電工程。區(qū)內(nèi)巖石堅(jiān)硬,抗風(fēng)化能力強(qiáng),樞紐建筑物地段工程地質(zhì)條件良好,工程區(qū)出露地層主要為下遠(yuǎn)古界Tarkwaianan統(tǒng)基巖地層及第四系松散堆積物?；鶐r巖性主要為中?！至Ｉ皫r。

布維;工程;基本工程;地質(zhì)條件

1 工程概況[1]

布維(BU I)水電站工程位于加納(Ghana)西部境內(nèi)的黑沃爾特河(Black Volta River)上,系加納國(guó)內(nèi)第二大水電工程。電站永久建筑物主要包括:碾壓混凝土(RCC)重力主壩,與主壩壩身結(jié)合的表孔溢洪道、電站進(jìn)水口和壓力引水鋼管,左岸壩后式地面廠房及右岸的副壩1和副壩2。主壩壩頂高程185 m,正常蓄水位183 m時(shí)相應(yīng)水庫(kù)庫(kù)容125.7×108m3,總裝機(jī)3臺(tái),裝機(jī)總?cè)萘繛?00 MW。副壩1(Bungasi Saddle Dam)為心墻堆石壩,最大壩高54 m;副壩2(Bui Camp Saddle Dam)為均質(zhì)壩,最大壩高9 m。電站屬Ⅱ等大(2)型工程。

2 地震活動(dòng)性及地震動(dòng)參數(shù)

1995年,由法國(guó)Coyne ETBellier公司完成本工程可行性研究階段的工作,對(duì)工程區(qū)的地震風(fēng)險(xiǎn)性進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

通過(guò)對(duì)歷史地震資料分析認(rèn)為:加納地震多發(fā)生在阿克拉(ACCRA)西部的阿克瓦平和近海岸線一帶,布維工程處于相對(duì)穩(wěn)定的地塊,工程區(qū)地震活動(dòng)主要受外圍強(qiáng)震的影響,而發(fā)生歷史強(qiáng)震的阿克拉地震帶和近海岸線地震帶距工程區(qū)大壩直線距離分別達(dá)330 km和375 km。根據(jù)1976年編制的加納地震烈度區(qū)劃圖,布維工程不在地震活躍地帶,外圍強(qiáng)震波及到工程區(qū)的烈度較小。

最大可信地震震級(jí)(MCE)約7.3級(jí)。在工程區(qū)發(fā)生最大設(shè)計(jì)地震(MDE)時(shí),基巖的水平加速度動(dòng)峰值(PGA)低于0.01g,運(yùn)行基本地震(OBE)(100年超越概率50%時(shí)的震級(jí))等于最大設(shè)計(jì)地震(MDE),相應(yīng)的運(yùn)行基本地震(OBE)時(shí)地震水平加速度動(dòng)峰值(PGA)<0.01g。

3 壩址區(qū)基本工程地質(zhì)條件

3.1 地形地貌特征

壩址區(qū)位于黑沃爾特河布維峽谷的中段,峽谷段長(zhǎng)約1.2 km。黑沃爾特河總體流向由NW向SE,壩址處河流方向?yàn)镾E136°～144°。峽谷呈對(duì)稱(chēng)U型谷,兩岸山體較雄厚,基巖裸露,岸坡頂遠(yuǎn)高于壩頂高程。平水期河水位為EL.102.16 m高程時(shí),大壩軸線處河水面寬度約127 m,河水深度約為7.65 m。河道兩側(cè)沖積低階地發(fā)育,階地表面高出正常河水位約4～6 m。左岸階地寬度約為50～100 m,壩軸線部位約為56 m;右岸階地寬度約40～120 m,壩軸線部位約為66 m。

3.2 地層巖性

地層主要為下遠(yuǎn)古界Tarkwaianan統(tǒng)基巖地層,以及廣泛分布于山麓地帶、盆地、河谷和兩側(cè)岸坡上的第四系松散堆積物。

基巖巖性:主要為砂巖,樞紐區(qū)下游有礫巖夾砂巖分布。砂巖顏色呈灰白—淺粉色,其礦物組成主要為石英,約占80%,其余為云母、高嶺石、赤鐵礦和長(zhǎng)石等,從粒徑來(lái)看有細(xì)粒砂巖、中粒砂巖、粗砂巖以及礫巖夾砂巖。砂巖以中?！至＝Y(jié)構(gòu)為主,是構(gòu)成樞紐建筑物地基的主要巖石,細(xì)粒砂巖在樞紐工程區(qū)分布較少。各種粒徑的砂巖交錯(cuò)出現(xiàn)難以一一分開(kāi),實(shí)際工作中對(duì)砂巖和礫巖進(jìn)行了區(qū)分,并把工程區(qū)的基巖巖性劃分成兩個(gè)大的單元,即砂巖單元(Ss)和礫巖夾砂巖(Scg+Ss)單元。前者分布在右岸下游大沖溝上游,后者分布在右岸下游大沖溝下游。

3.3 地質(zhì)構(gòu)造

主壩址區(qū)樞紐建筑物部位,巖層陡傾,基本為陡傾單斜構(gòu)造,巖層產(chǎn)狀為NE35°～72°SE∠62°～68°,平均產(chǎn)狀為NE55°SE∠65°,陡傾向下游。壩址區(qū)發(fā)育斷層較少,沒(méi)有與布維河谷走向一致的順河斷層,僅有5條近NE走向延伸、與河谷近垂直的陡傾小規(guī)模斷層發(fā)育,分別為F1、F2、F3、F4和F5。其中F2和F3切過(guò)樞紐建筑物地基,對(duì)局部地基的巖體完整性有影響,但影響有限;F1、F4和F5分別出露在樞紐建筑物上、下游較遠(yuǎn)處,對(duì)工程影響甚微。

壩址區(qū)主要發(fā)育四組典型裂隙:①陡傾角裂隙組(J1):近平行于層面走向發(fā)育,走向NE55°～75°,傾向SE(少數(shù)NW),傾角65°～85°;②近直立裂隙組(J2):垂直于層面走向發(fā)育,走向NW320°～355°,略平行于布維(Bui)峽谷方向延伸,傾向NE(或S W),傾角75°～90°;③中等傾角裂隙組(J3):近平行于層面走向發(fā)育,該組裂隙走向NE45°～75°,傾向SE,傾角35°～55°;④緩傾角走向裂隙組(J4):伴隨陡傾角裂隙組(J2)發(fā)育,該組裂隙走向NW320°～350°,傾向NE(或S W),傾角12°～20°。這些裂隙寬度一般0.5～2.5 mm,多充填巖粉、巖屑等,裂面大多鐵質(zhì)浸染,平直較粗糙。其中第②組(J2)裂隙在整個(gè)壩址區(qū)形成控制趨勢(shì),裂隙發(fā)育間距一般60～200 cm,部分>200 cm,局部呈密集帶發(fā)育,延伸長(zhǎng)度多>20 m,尤其沿峽谷兩岸裸露的基巖岸坡延伸距離很長(zhǎng),裂隙結(jié)構(gòu)尚緊密,風(fēng)化輕微,多沿岸坡懸崖形成明顯的大光面,是工程潛在的滲漏通道,在帷幕設(shè)計(jì)時(shí)已采用與其大角度相交的斜孔進(jìn)行帷幕灌漿處理。

3.4 水文地質(zhì)條件

主壩址區(qū)地下水類(lèi)型按其埋藏條件分為第四系沖積覆蓋層孔隙性潛水和基巖裂隙水兩大類(lèi)?？紫稘撍植荚诤哟仓写至Ｉ皩?、岸邊沖積階地的松散堆積層中,由河水和基巖裂隙水補(bǔ)給,排泄于黑沃爾特河;基巖裂隙水賦存、運(yùn)移于基巖裂隙及裂隙密集帶或斷層中,主要受大氣降水補(bǔ)給,向河床排泄。

根據(jù)勘探鉆孔的穩(wěn)定水位觀測(cè)資料:兩岸階地覆蓋層孔隙性潛水的地下水位略高于河水位,基巖裂隙水地下水位遠(yuǎn)高于階地孔隙性潛水水位,具有兩岸基巖裂隙水補(bǔ)給河水的顯著特性。左岸階地覆蓋層潛水位坡降為0.034,右岸為0.045;左岸岸坡外側(cè)地下水位坡降為0.11,右岸為0.13;左岸岸坡里側(cè)地下水位坡降為0.44,右岸為0.26。

據(jù)壩址區(qū)水質(zhì)分析試驗(yàn)結(jié)果得知,河水、地下水和布維村井水水化學(xué)類(lèi)型均屬型,呈現(xiàn)很好的一致性,pH值為6.82～8.03,TDS值為64.9～234.0 mg/L,河水和孔隙性潛水均呈弱堿性,屬淡水,對(duì)砼無(wú)侵蝕性,可以用做施工及生活用水。

通過(guò)對(duì)鉆孔壓水試驗(yàn)資料的分析和統(tǒng)計(jì)得出:兩岸基巖的透水性較差,防滲深度不大,左岸和右岸以透水率(q)≤3 Lu為相對(duì)不透水層和帷幕防滲控制標(biāo)準(zhǔn)時(shí),其防滲帷幕的控制深度分別為30 m和40 m,河床部位相對(duì)較深,透水率(q)≤3 Lu的控制深度為50 m,個(gè)別深部>3 Lu的試驗(yàn)段不影響壩基整體防滲。

3.5 巖體風(fēng)化

根據(jù)壩址區(qū)鉆孔、平硐地質(zhì)編錄的資料統(tǒng)計(jì):左、右岸強(qiáng)風(fēng)化層巖體垂直深度分別為0～2.8 m和0～2.9 m,深度有限,且多分布在EL.128 m高程以上,EL.128 m高程以下基本無(wú)強(qiáng)風(fēng)化巖體;左岸中風(fēng)化層深度2.8～12.45 m,右岸中風(fēng)化深度2.9～13.5 m,河床基本無(wú)強(qiáng)風(fēng)化,中風(fēng)化深度0～11.5 m;微風(fēng)化—新鮮巖體在左岸垂直埋深>12.45 m,右岸垂直埋深>13.5 m,河床垂直埋深>11.5 m。

3.6 物理地質(zhì)現(xiàn)象

工程區(qū)沒(méi)有滑坡、泥石流、變形體等不良地質(zhì)災(zāi)害。因前述四組構(gòu)造裂隙非常發(fā)育,其中兩組陡傾角裂隙分別垂直(J1)和平行于河道(J2),一組中等傾角裂隙(J3),另一組為緩傾裂隙(J4),且前兩組陡傾裂隙最為發(fā)育。由于受上述四組結(jié)構(gòu)面的組合切割,使主壩區(qū)兩岸傾倒、卸荷、崩塌等重力地質(zhì)作用比較顯著。在壩址區(qū)左岸和右岸均發(fā)育有崩坡積堆積體,主要由大塊石、碎塊石及坡積土等組成,順河向延伸,在壩軸線上、下游均有分布,厚度在空間上變化較大,具有從坡頂?shù)狡履_、從上游到下游逐步增大的趨勢(shì)。左岸一般厚度3.0～9.3 m,最大厚度15.0 m;右岸分布厚度1.6～4.7 m,均呈散體狀堆積。左岸崩坡積堆積體分布范圍和規(guī)模較大于右岸,施工期需要對(duì)兩岸水工建筑物有影響的這些崩坡積堆積物進(jìn)行清理。

4 壩址區(qū)巖體質(zhì)量特性及巖體工程分級(jí)

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及室內(nèi)實(shí)驗(yàn)資料,采用中國(guó)規(guī)范和國(guó)際通用的RMR分類(lèi)方法對(duì)布維電站的巖體工程質(zhì)量進(jìn)行了分級(jí)。其基本巖體質(zhì)量特性和分級(jí)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 壩區(qū)巖體工程質(zhì)量分級(jí)結(jié)果Table 1 Engineering quality classification of rock mass in dam area

5 樞紐建筑物地段工程地質(zhì)條件及評(píng)價(jià)

5.1 主壩壩基工程地質(zhì)條件及評(píng)價(jià)

(1)左岸壩基 左岸壩基裂隙發(fā)育中等,巖體完整性好,巖石中—微風(fēng)化,強(qiáng)度高,巖質(zhì)堅(jiān)硬,灌漿帷幕深度按3 Lu線控制(約30 m)。根據(jù)壩基巖體質(zhì)量分級(jí)結(jié)果,大壩建基巖體均屬Ⅲ-Ⅱ級(jí)巖體。Ⅱ級(jí)巖體為微風(fēng)化巖體,屬于優(yōu)良?jí)位鶐r體;Ⅲ級(jí)巖體為中風(fēng)化巖體,中風(fēng)化表部巖體適當(dāng)挖除(一般1～2 m),中、下部巖體經(jīng)適當(dāng)固結(jié)灌漿處理可作為壩基巖體;局部存在的強(qiáng)風(fēng)化Ⅳ級(jí)巖體,屬不可利用基巖,全部挖除。

(2)河床壩基 河床壩基裂隙發(fā)育,巖體完整性中等,巖石中—微風(fēng)化,強(qiáng)度高,巖質(zhì)堅(jiān)硬,灌漿帷幕深度按3 Lu線控制(約50 m)。根據(jù)壩基巖體質(zhì)量分級(jí)結(jié)果,大壩建基巖體均屬Ⅲ-Ⅱ級(jí)巖體。Ⅱ級(jí)巖體為微風(fēng)化巖體,屬于優(yōu)良?jí)位鶐r體;Ⅲ級(jí)巖體為中風(fēng)化巖體,中風(fēng)化表部巖體適當(dāng)挖除(一般3～5 m),中、下部巖體經(jīng)適當(dāng)固結(jié)灌漿處理可作為壩基巖體;河床區(qū)不存在強(qiáng)風(fēng)化Ⅳ級(jí)巖體。

河道中心為一寬約40 m、深度平均約13 m的深槽。槽底基巖頂板高程為EL.78.81 m,覆蓋層深度15.7 m,河槽兩側(cè)受J2組裂隙切割形成臺(tái)階狀陡坎與兩岸相接。深槽左側(cè)基巖頂板高程為EL.92.23 m,覆蓋層深度2.3 m;右側(cè)基巖頂板高程為EL.89.85 m,覆蓋層深度4.6 m。施工中應(yīng)全部挖除河床覆蓋層,河槽及其上部表層卸荷及松動(dòng)巖體,亦應(yīng)做3～5 m的開(kāi)挖,即可作為壩基建基面。

(3)右岸壩基 右岸壩基裂隙發(fā)育,巖體完整性中等,巖石中—微風(fēng)化,強(qiáng)度高,巖質(zhì)堅(jiān)硬,灌漿帷幕深度按3 Lu線(約40 m)控制;根據(jù)壩基巖體質(zhì)量分級(jí)結(jié)果,大壩建基巖體均屬Ⅲ-Ⅱ級(jí)巖體。Ⅱ級(jí)巖體為微風(fēng)化巖體,屬于優(yōu)良?jí)位鶐r體;Ⅲ級(jí)巖體為中風(fēng)化巖體,中風(fēng)化表部巖體可適當(dāng)挖除(一般2～3 m),中、下部巖體經(jīng)適當(dāng)固結(jié)灌漿處理可作為壩基巖體;局部存在的強(qiáng)風(fēng)化帶Ⅳ級(jí)巖體,屬不可利用基巖,全部挖除。

5.2 廠房和尾水渠工程地質(zhì)條件及評(píng)價(jià)

發(fā)電引水管道與壩體結(jié)合,其地質(zhì)條件與左岸壩基一致。

電站壩后式廠房布置在距壩軸線下游84～108 m之間的左岸階地上。廠房區(qū)建基巖體為中—粗粒砂巖,其上為階地沖積覆蓋層,平均厚度6.0～7.2 m,基巖面相對(duì)平整,平均高程EL.100.5 m。巖石單軸干抗壓強(qiáng)度72～104 MPa,單軸飽和抗壓強(qiáng)度50～87 MPa,巖質(zhì)堅(jiān)硬,透水率最大值6.36 Lu,最小值1.4 Lu,均值3.48 Lu,屬弱透水巖體,鉆孔查明中風(fēng)化巖體深度5.1～14 m,階地平面風(fēng)化較淺,山坡底部較深。廠基大部分置于Ⅱ級(jí)巖體,巖石強(qiáng)度高,巖體完整,滿足地基穩(wěn)定和承載的要求。

廠基開(kāi)挖清除上部階地覆蓋層后,下部基巖開(kāi)挖最大深度約40 m。邊坡開(kāi)挖后形成高度不大,方向與巖層走向基本直交,利于左、右兩側(cè)邊坡的穩(wěn)定,局部由于受平行于開(kāi)挖面的垂直或高傾角裂隙影響對(duì)邊坡穩(wěn)定不利,施工過(guò)程中及時(shí)采取了有效的處理措施。

尾水渠沿左岸沖積階地開(kāi)挖,自尾水閘門(mén)起始坡比1∶3、延伸長(zhǎng)48 m的反坡,至EL.99.10 m高程結(jié)束。階地覆蓋層平均厚6.0～7.2 m,主要有粘土質(zhì)砂和粉土組成;下部基巖巖性為中—粗粒砂巖,巖面地勢(shì)平坦,平均高程EL.100.5 m。巖石單軸干抗壓強(qiáng)度92～168 MPa,單軸飽和抗壓強(qiáng)度69～110 MPa,巖質(zhì)堅(jiān)硬,透水率最大值15.33 Lu,最小值0.66 Lu,均值3.93 Lu,屬弱透水巖體。鉆孔查明中風(fēng)化巖體深度12.45 m。基礎(chǔ)無(wú)突出工程地質(zhì)問(wèn)題。

5.3 工程開(kāi)挖邊坡穩(wěn)定性工程地質(zhì)條件及評(píng)價(jià)

(1)基巖人工開(kāi)挖邊坡:本工程根據(jù)層面裂隙和建筑物軸線的組合關(guān)系,將基巖邊坡分為三種基本類(lèi)型,即橫向坡、逆向坡和順向坡。

①兩岸壩肩及廠房順河向邊坡(橫向坡):巖體層理走向近垂直河道,有利于兩岸順河向開(kāi)挖邊坡的穩(wěn)定。J1組和J3組裂隙走向也基本與河道垂直,不控制邊坡開(kāi)挖。順河向近垂直的J2組裂隙和緩傾角J4組裂隙的存在,控制邊坡開(kāi)挖坡角,邊坡變形主要以沿J2組裂隙的卸荷和傾倒變形為主,即時(shí)錨固是必要的加固措施。

②兩岸壩肩及廠房下游邊坡(逆向坡):主要受層面和J1組裂隙控制,邊坡變形主要以沿層面和J1組裂隙的卸荷和傾倒變形為主,開(kāi)挖過(guò)程中針對(duì)此進(jìn)行了及時(shí)有效的加固措施。

③兩岸壩肩上游邊坡(順向坡):主要受J1組、J3組裂隙和層面裂隙控制,邊坡變形以沿層面和J1組裂隙的單面滑動(dòng)或J1組與J3組組成的雙面滑動(dòng)為主,有輕微卸荷、傾倒變形。

(2)覆蓋層邊坡:覆蓋層邊坡主要由崩坡積物、階地碎石土等組成,受其厚度限制,一般開(kāi)挖坡高不超過(guò)15 m,基本沒(méi)有邊坡穩(wěn)定問(wèn)題。

6 天然建筑材料

本工程需用混凝土骨料毛料約120×104m3,副壩心墻料及圍堰防滲土料約14×104m3。工程區(qū)內(nèi)缺乏天然砂礫石料,堆塊石料及土料儲(chǔ)量豐富,質(zhì)量好,運(yùn)距近,開(kāi)采運(yùn)輸條件方便。經(jīng)詳查優(yōu)選土料產(chǎn)地2處,計(jì)算有用總儲(chǔ)量達(dá)874.6×104m3。堆塊石、人工骨料重點(diǎn)選用右岸UQ319料場(chǎng),有用儲(chǔ)量總計(jì)384.2×104m3。

試驗(yàn)研究表明:土料均為非分散性土,除粘粒含量、塑性指數(shù)偏低外,其他各項(xiàng)指標(biāo)基本符合要求,可作為防滲土料。但因天然含水量與最優(yōu)含水量之間的差值較大,需人工加水至最優(yōu)含水量。塊石料巖石強(qiáng)風(fēng)化不深,大多呈中風(fēng)化,深部巖石新鮮完整,巖塊的整體強(qiáng)度能夠得到保證,砂巖的洛杉磯磨耗損失值滿足要求,可以作為堆(塊)石、混凝土人工骨料的料源。

7 結(jié)語(yǔ)

加納布維水電站區(qū)域穩(wěn)定條件好,工程區(qū)不處在地震活躍地帶,外圍強(qiáng)震波及到工程區(qū)的烈度較小,基巖的水平加速度動(dòng)峰值(PGA)低于0.01g。樞紐各建筑物基礎(chǔ)巖體完整性好,巖石呈中—微風(fēng)化,強(qiáng)度高,巖質(zhì)堅(jiān)硬。開(kāi)挖邊坡無(wú)突出邊坡穩(wěn)定問(wèn)題。土料、堆(塊)石、混凝土人工骨料儲(chǔ)量豐富,質(zhì)量好,滿足要求。該工程整體工程地質(zhì)條件良好。

[1] 西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院.加納布維(BU I)水電站工程最終設(shè)計(jì)報(bào)告[R].西安:西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,2009.

(責(zé)任編輯:于繼紅)

Basic Engineering Geological Conditions of BUI Hydropower Station

CHEN Qizhu,LUO Zhigang
(Hydrochina X ibei Engineering Corporation,Lanzhou,Gansu730050)

BU I hydropower station is the second largest project in Ghana.Rock in the project area is hard,whose antiweathering ability is strong.Engineering geological conditions of the main hydro structures are good.The for mationswhich have been exposed in the project area include rocks of Proterozoic era Tarkwaianan along with the Quaternary loose deposits.Bedrock ismedium-coarse grained sandstone.

BU I;project;basic engineering;geological conditions

TV741

A

1671-1211(2010)05-0466-04

2010-07-01;改回日期:2010-08-30

陳奇珠(1973-),男,高級(jí)工程師,水文地質(zhì)與工程地質(zhì)專(zhuān)業(yè),從事工程地質(zhì)工作。E-mail:CQZQS@163.com