王吉亮, 許 琦, 黃孝泉, 郝文忠, 楊 靜, 魏雨軍, 周炳強, 徐 磊
(長江三峽勘測研究院有限公司(武漢) ,湖北 武漢 430074)
烏東德水電站拱壩壩基巖體松弛特征研究
王吉亮, 許 琦, 黃孝泉, 郝文忠, 楊 靜, 魏雨軍, 周炳強, 徐 磊
(長江三峽勘測研究院有限公司(武漢) ,湖北 武漢 430074)
高拱壩巨大荷載直接面對的是壩基表層卸荷松弛巖體,研究壩基卸荷后松弛巖體的特征,合理評價其影響并提出處理建議是拱壩建設(shè)中的關(guān)鍵?;跒鯑|德壩基工程地質(zhì)條件,在詳細調(diào)查建基面的基礎(chǔ)上,綜合利用高清電視、單孔聲波測試等方法,深入研究烏東德水電站壩基巖體開挖后巖體卸荷變形特征、卸荷松弛深度、卸荷松弛程度及卸荷松弛時間效應(yīng)等特征?;趬位鶐r體的卸荷松弛特征及卸荷作用的時間、空間分布規(guī)律,認為烏東德壩基巖體卸荷松弛主要為開挖卸載后低地應(yīng)力條件下的回彈所致,主要表現(xiàn)為沿已有結(jié)構(gòu)面的張開,松弛深度及松弛度在一定時間后趨于穩(wěn)定,不影響邊坡整體穩(wěn)定性,且表層卸荷松弛巖體具有較好的可灌性和灌漿效果,不需二次清挖即可滿足大壩建基巖體質(zhì)量要求。
烏東德水電站;壩基巖體;卸荷松弛深度;松弛度;影響性評價
王思敬[1]認為工程開挖后,卸荷松弛是由于應(yīng)力釋放,工程邊坡淺表部巖體沿已有結(jié)構(gòu)面擴展、張開及錯動,甚至有新的裂面產(chǎn)生,巖體向臨空面方向發(fā)生卸荷回彈變形;同時李建林等[2]對其進行了較為系統(tǒng)的研究。黃潤秋等[3]在系統(tǒng)研究西南區(qū)河谷應(yīng)力場特征的基礎(chǔ)上,就巖體的破裂機理進行了探討,從而對巖體卸荷帶進行了分區(qū)。中國已建的小灣、錦屏一級、拉西瓦水電站等高拱壩壩基以及三峽船閘高邊坡均遇到了較為顯著的卸荷松弛現(xiàn)象,眾多學(xué)者采用地質(zhì)調(diào)查、鉆孔聲波測試、變形監(jiān)測、變形試驗、壓水試驗、鉆孔錄像、鉆孔彈模測試等方法對巖體開挖卸荷現(xiàn)象特征和表現(xiàn)出的規(guī)律進行研究,且對卸荷松弛機理力學(xué)機制進行探討[4-8]。唐忠敏等[9]分析壩基巖體開挖后不同錨固措施的加固效果,并根據(jù)錨固措施的試驗成果,對高地應(yīng)力環(huán)境下壩基巖體不同開挖加固方案進行對比分析。楊靜熙等[10]采用巖體松弛深度、松弛巖體開挖前后單孔聲波衰減率對錦屏一級壩基進行巖體質(zhì)量損傷分級評價研究。
本文在把握研究區(qū)工程地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上,利用工程開挖面對壩基巖體卸荷變形特征進行詳細調(diào)查,結(jié)合單孔聲波及高清電視等手段,從巖體的卸荷松弛宏觀特征、松弛深度、松弛程度及其時間效應(yīng)演化特征對其進行深入系統(tǒng)研究,對其產(chǎn)生的影響進行定性和定量評價,為后續(xù)設(shè)計施工提供指導(dǎo)。
1.1 工程概況
在建烏東德水電站是金沙江下游河段4個梯級中的第一個梯級電站,工程開發(fā)任務(wù)以發(fā)電為主,兼顧防洪。電站裝機容量10 200 MW,年發(fā)電量389.3億kWh。設(shè)計采用混凝土雙曲拱壩,拱壩壩頂高程988 m,壩基最低高程718 m,最大壩高270 m;左岸壩基順河向?qū)挾?2~55 m,高程780 m以上采用半徑向開挖,以下采用全徑向開挖;右岸壩基順河向?qū)挾?8~55 m,高程795 m以上采用半徑向開挖,以下采用全徑向開挖;河床壩基整體高程720 m,上游壩踵附近開挖至高程718 m,中間采用1∶5斜坡過渡。壩基邊坡2015年4月開始下挖,至2016年12月開挖完成(見圖1)。
1.2 基本地質(zhì)條件
拱壩所處河段河流流向約SE160°,兩岸地形基本對稱,陡峻,河谷狹窄,為典型“ V”型河谷。壩基所處自然邊坡地形坡度一般70°~80°,為懸坡地形。
壩址區(qū)左岸第一主應(yīng)力屬低—中等地應(yīng)力水平,量值較集中,為8.2~18.9 MPa,愈往山里高程愈低,埋深愈大,地應(yīng)力量值總體上愈大,方位角較多集中在40°~80°和240°~280°;右岸巖體內(nèi)第一主應(yīng)力多屬低地應(yīng)力水平,量值較集中,一般為6.0~10.0 MPa,愈往山里高程愈低,埋深愈大,地應(yīng)力量值總體上愈大,方位角無明顯集中方向;河床范圍最大主應(yīng)力多屬低—中等地應(yīng)力水平,量值一般8.0~17 MPa,愈往下,地應(yīng)力量值總體上愈大,在高程710 m以上地應(yīng)力測試值皆為低應(yīng)力。
左岸壩基地層巖性主要為厚層灰?guī)r及厚層大理巖,少量為中厚層灰?guī)r(Pt2l3-1);右岸壩基主要為厚層灰?guī)r、厚層大理巖(Pt2l3-1),其次為中厚—厚層白云巖(Pt2l3-2-1、Pt2l3-2-3)、中厚層—厚層灰?guī)r(Pt2l3-2-2、Pt2l3-2-5)、中厚層石英巖(Pt2l3-2-4)。巖層產(chǎn)狀走向
70°~90°、傾向160°~180°、傾角70°~86°,即近橫河向展布,陡傾下游偏右岸,層面多平直粗糙,多閉合無充填,少量附鈣膜(鈣質(zhì)膠結(jié))。左岸壩基邊坡走向與層面夾角一般60°~90°,邊坡結(jié)構(gòu)為橫向坡;右岸壩基邊坡走向與層面夾角一般10°~50°,邊坡結(jié)構(gòu)總體為反向坡及斜向坡。區(qū)內(nèi)斷層不發(fā)育,裂隙絕大多數(shù)短小,主要結(jié)構(gòu)面為層面,左岸壩基高程765~720 m局部坡段相對發(fā)育一組中—陡傾坡裂隙,河床壩基局部出露一組緩傾角裂隙。兩岸壩基巖體質(zhì)量優(yōu)良,Ⅱ級約占90.9%,Ⅲ1級約占9.0%,Ⅲ2級巖體僅沿結(jié)構(gòu)面分布,約占0.1%,見圖1[11-12]。
圖1 金沙江烏東德水電站壩基巖體質(zhì)量分布圖Fig.1 The rock mass distribution of Wudongde Hydropower Station dam foundation in the Jinsha River1.厚層白云巖;2.中厚層灰?guī)r;3.中厚層石英巖;4.中厚層白云巖;5.厚層灰?guī)r;6.厚層白云巖;7.厚層灰?guī)r、大理巖;8.地層界線;9.Ⅱ級巖體;10.Ⅲ級巖體。
基于壩基開挖后詳細地質(zhì)調(diào)查,壩基卸荷松弛主要受結(jié)構(gòu)面控制,在不同邊坡結(jié)構(gòu)、不同裂隙發(fā)育特征部位,壩基巖體卸荷松弛特征不同,主要表現(xiàn)為沿裂隙面張開、沿層面張開及局部表層巖體產(chǎn)生新的裂紋。
2.1 沿中—陡傾坡外裂隙張開
左岸建基面高程765~720 m出露一組與拱肩槽邊坡呈小夾角的 NNW向中—陡傾坡外裂隙,在開挖前處于閉合狀態(tài),部分為方解石膠結(jié)。在建基面開挖形成后,裂隙面回彈張開、宏觀顯現(xiàn),裂隙張開寬度一般在1~3 mm,沿裂隙面張開的長度范圍有限,一般長約1~3 m,且未見明顯錯動,見圖2。
2.2 沿層面張開
右岸建基面高程855 m以上落雪組第三段第二亞段(Pt2l3-2)地層坡段,由于巖性復(fù)雜,局部沿層面溶蝕風(fēng)化,層面間呈泥鈣質(zhì)膠結(jié),且該坡段邊坡結(jié)構(gòu)為反向坡。開挖后巖體沿層面卸荷張開,層面張開寬度一般在1~3 mm,未見明顯錯動(見圖3)。
圖2 左岸壩基高程744 m表層巖體沿傾坡外裂隙張開Fig.2 The 744 m surface rock mass along the slope external cracks open in the left bank dam foundation
圖6 壩基巖體物探測試孔布置圖Fig.6 Geological exploration arrangement diagram of the dam foundation rock mass1.物探測試孔;2.物探長觀孔。
圖3 右岸壩基沿層面卸荷松弛張開Fig.3 The right bank dam foundation along the level unloading slacken out
2.3 沿緩傾角裂隙張開
河床壩基局部出露一組緩傾NW裂隙,該組裂隙產(chǎn)狀305°~325°∠16°~29°,面起伏粗糙,見1 mm厚方解石。受該組裂隙的影響,建基面表層主要沿裂隙松弛張開1~2 mm,見圖4。
圖4 河床壩基沿緩傾裂隙松弛張開Fig.4 The riverbed dam foundation along flat fractures slacken out
2.4 產(chǎn)生新的裂紋
發(fā)生在右岸建基面高程855 m以下落雪組第三段第一亞段(Pt2l3-1)新鮮完整—較完整厚層灰?guī)r、大理巖中。在開挖爆破作用下,應(yīng)力與能量釋放造成新的拉裂產(chǎn)生,一般短小,起伏呈波痕狀,見圖5。
鑒于烏東德水電站工程地質(zhì)條件的復(fù)雜性,本文在宏觀地質(zhì)調(diào)查的基礎(chǔ)上,結(jié)合壩基邊坡物探測試資料,綜合開展開挖后壩基巖體卸荷松弛特征研究。
3.1 物探測試孔布置
兩岸壩基邊坡每10 m高差為一開挖梯段,以控制整個壩基為原則,根據(jù)揭露地質(zhì)條件,每一梯段布置5~7個鉆孔進行物探測試,局部視地質(zhì)條件加密,孔深20 m,鉆孔方向垂直建基面。共完成417個孔物探測試,其中左岸壩基190個,右岸壩基195個,河床壩基22個;在左岸壩基高程978 m、946 m、915 m、885 m、856 m、827 m高程分別選取一個為長期觀測孔,編號為ZCG-3~ZCG-8共6個,在右岸壩基高程946 m、916 m、886 m、856 m、826 m高程分別選取一個為長期觀測孔,編號為YGC-3~YGC-7共5個,見圖6。
圖5 左岸壩基巖體產(chǎn)生新裂紋Fig.5 New cracks in the left bank dam foundation
3.2 壩基巖體松弛深度
鉆孔實測聲波反應(yīng)巖體真實的彈性波特征,而鉆孔電視可直接、準確、詳盡觀察和記錄到鉆孔孔壁各種地質(zhì)信息。在同一孔下,結(jié)合鉆孔電視,在排除局部溶蝕風(fēng)化或斷層影響的前提下,開挖以后松弛帶以內(nèi)巖體相對于未卸荷巖體聲波波速應(yīng)當相差較大,聲波曲線出現(xiàn)明顯的轉(zhuǎn)折,且后續(xù)聲波變化趨于穩(wěn)定,因此,本文以聲波曲線轉(zhuǎn)折點作為松弛帶深度的劃分點,見圖7。
按照上述方法,確定每個孔的松弛深度,繪制壩基巖體松弛深度等值線圖,見圖8。
左岸壩基巖體卸荷松弛深度一般0.6~1.0 m;右岸壩基巖體松弛深度一般約為0.6~1.2 m;河床壩基松弛深度一般0.8~1.8 m。
左岸壩基巖體卸荷松弛最深為3.2 m,位于左岸
圖7 單孔聲波揭露巖體卸荷松弛曲線Fig.7 Single hole acoustic wave exposes rock mass unloading relaxation curve
圖8 壩基巖體松弛深度分布等值線圖Fig.8 Contour depth distribution of the dam foundation rock mass1.0.6 m深度等值線;2.1.0 m深度等值線;3.1.6 m深度等值線;4.2.0 m深度等值線。
壩基高程744 m,主要受坡段765~720 m中—陡傾坡外結(jié)構(gòu)面的影響;右岸壩基巖體松弛深度最深為2.6 m,位于右岸壩基高程905 m,主要受局部層面偏轉(zhuǎn)與邊坡近平行所致;河床壩基松弛深度最深2.8 m,主要受一組緩傾角裂隙影響。
壩基整體處于中—低應(yīng)力水平,壩基巖體松弛深度整體較?。坏S邊坡結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)面發(fā)育特征及開挖形態(tài)不同而呈現(xiàn)出差異性,右岸邊坡結(jié)構(gòu)為反向坡、斜向坡,左岸為橫向坡,右岸松弛深度整體略大于左岸;而左岸壩基高程765~720 m段受一組順坡向、傾坡外裂隙影響,其卸荷松弛深度明顯大于左岸其他坡段;右岸壩基高程855 m以上為反向坡,卸荷松弛深度略大于右岸其他坡段;河床壩基1∶5斜坡過渡段,由于現(xiàn)場開挖施工不當,開挖后形態(tài)不平整,松弛深度略大于兩岸壩基,在緩傾角裂隙出露部位更加明顯。
3.3 壩基巖體松弛程度
為量化巖體卸荷松弛程度,明確其物理意義,引入松弛度指標反映巖體松弛程度[7]。根據(jù)壩基巖體松弛深度,分別統(tǒng)計卸荷松弛帶及非松弛巖體聲波值。兩岸壩基松弛帶內(nèi)巖體的聲波起伏較大,主要分布在3 000~5 000 m/s之間;非松弛巖體的聲波較穩(wěn)定,主要分布在5 000~6 200 m/s之間;河床壩基略高,主要分布在5 400~6 200 m/s之間。左岸松弛巖體聲波均值為4 281 m/s,非松弛巖體聲波均值為5 575 m/s,松弛度約23%;右岸壩基松弛巖體聲波均值為4 304 m/s,非松弛巖體聲波均值為5 570 m/s,松弛度約23%;河床壩基松弛巖體聲波均值為4 049 m/s,非松弛巖體聲波均值為5 630 m/s,松弛度約28%(圖9-圖10)。
圖9 左岸壩基巖體聲波統(tǒng)計直方圖Fig.9 Acoustic statistical histogram of rock mass in the left bank dam foundation
3.4 壩基巖體卸荷松弛時間效應(yīng)研究
利用長觀孔間隔進行聲波測試以研究壩基巖體松弛深度及松弛程度隨邊坡開挖時間的演變規(guī)律,長觀孔數(shù)據(jù)顯示:
(1) 巖體松弛深度隨時間稍有加深,加深約0.2~0.6 m,在約2—3個月后基本穩(wěn)定。由于左岸壩基受施工影響,檢測通道長時間未完成,第二次檢測滯后,類比其他長觀孔,發(fā)現(xiàn)左岸4#、6#長觀孔(ZCG4、ZCG6)松弛持續(xù)時間較長,這與第二次檢測時間滯后有關(guān)(圖12-圖13);
圖10 右岸壩基巖體聲波統(tǒng)計直方圖Fig.10 Acoustic statistical histogram of rock mass in the right bank dam foundation
圖11 河床壩基巖體聲波統(tǒng)計直方圖Fig.11 Acoustic statistical histogram of rock mass in the riverbed dam foundation
圖12 左岸壩基巖體松弛深度時間關(guān)系圖Fig.12 Time relational diagram of relaxation depth of rock mass in the left bank dam foundation
(2) 松弛帶巖體聲波平均波速為4 100~4 900 m/s,由于壩基邊坡不設(shè)置系統(tǒng)錨噴支護,隨時間推移,受邊坡下挖、爆破影響,松弛帶內(nèi)巖體聲波波速略有降低(圖14-圖15)。
圖13 右岸壩基巖體松弛深度時間關(guān)系圖Fig.13 Time relational diagram of relaxation depth of rock mass in the right bank dam foundation
圖14 左岸松弛帶巖體平均波速時間關(guān)系圖Fig.14 Time-dependent diagram of mean velocity in the left bank relaxation zone rock mass
圖15 右岸松弛帶巖體平均波速時間關(guān)系圖Fig.15 Time-dependent diagram of mean velocity in the right bank relaxation zone rock mass
由于烏東德壩基整體處于中低應(yīng)力水平,卸荷松弛主要表現(xiàn)為沿已有結(jié)構(gòu)面張開及在較完整巖體中受爆破影響產(chǎn)生新的裂紋。地質(zhì)調(diào)查及長觀資料顯示,邊坡卸荷松弛深度及松弛度在一定時間后趨于穩(wěn)定,未進入時效變形階段;兩岸松弛深度多<1.2 m,松弛巖體聲波平均值>4 200 m/s,松弛度約為23%;河床壩基受開挖形態(tài)及施工影響,松弛度為28%。地質(zhì)宏觀判斷認為兩岸壩基巖體的卸荷松弛僅建基面表層局部可能與原有結(jié)構(gòu)面切割形成松動巖塊,這在開挖階段已基本清除,卸荷松弛不影響兩岸邊坡整體穩(wěn)定性。
壩基卸荷松弛帶內(nèi)巖體沒有軟弱物充填,本身具有較好的可灌性和良好的灌漿處理效果。根據(jù)目前部分河床壩基已完成的灌漿結(jié)果,灌后表層3 m巖體聲波平均值均>5 200 m/s,提高比例為7.3%~18.5%;<4 500 m/s的低波速區(qū)由灌前的26.2%~39.3%,降低到5%以內(nèi);灌前聲波值越低,提高比例越高,灌漿效果越明顯,灌后巖體聲波已滿足設(shè)計要求,不需要進行二次清挖,見表1。
表1 部分壩段表層0~3 m巖體灌漿前后聲波特征表Table 1 Characteristics of sound waves before and after grouting of 0~3 m rock mass in part of dam section
(1) 烏東德拱壩壩基范圍內(nèi)整體為中—低應(yīng)力水平,巖體儲存應(yīng)變能力較低。巖體松弛主要由開挖卸荷回彈引起,受結(jié)構(gòu)面影響,表現(xiàn)為沿已有結(jié)構(gòu)面的張開,在完整巖體表層產(chǎn)生爆破微裂紋,而未出現(xiàn)諸如“板裂”、“折斷”這類強烈卸荷變形破裂現(xiàn)象。
(2) 壩基巖體整體具有相似性,但部分坡段地質(zhì)結(jié)構(gòu)具有不均勻性,加之壩基邊坡開挖體型的復(fù)雜性,壩基邊坡不同高程之間,松弛特征既有共同性,也存在差異性。受邊坡結(jié)構(gòu)影響,松弛深度左岸整體略小于右岸;壩基局部受傾坡外或緩傾裂隙影響,其松弛深度明顯大于其他區(qū)域。兩岸松弛程度基本相當,河床松弛度略大于兩岸。
(3) 隨著時間增加,表層巖體的松弛深度有增大的趨勢,但在一定時間后趨于穩(wěn)定;受邊坡下挖、爆破影響,松弛帶內(nèi)巖體波速隨時間推移略有降低現(xiàn)象,但卸荷松弛深度及松弛度未進入時效變形階段。
(4) 烏東德壩基巖體松弛不影響邊坡整體穩(wěn)定性,松弛帶巖體結(jié)構(gòu)面沒有軟弱物充填,本身具有較好的可灌性和良好的灌漿處理效果,已完成灌漿成果表明,松弛帶內(nèi)巖體灌后平均值>5 200 m/s,<4 500 m/s比例<5%,滿足設(shè)計要求,不需要進行二次清挖。
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(責(zé)任編輯:費雯麗)
Study on Rock Mass Relaxation Characteristics of Arch DamFoundation of Wudongde Hydropower Station
WANG Jiliang, XU Qi, HUANG Xiaoquan, HAO Wenzhong, YANG Jing, WEI Yujun, ZHOU Bingqiang, XU Lei
(ThreeGorgesGeotechnicalConsultantsCo.,Ltd.,Wuhan,Hubei430074)
The huge load of the high arch dam is directly facing the dam foundation surface unloading relaxation rock,the study of dam foundation unloading relaxation rock characteristics,the reasonable impact evaluation and the proposed construction of arch dam construction are the key engineering geological problems.Based on the geological conditions of Wudongde dam foundation,and the detailed geological survey of the foundation surface,the paper deeply studies the unloading deformation characteristics,unloading relaxation depth,degree,time and spatial effect,and so on,after the dam foundation rock mass excavation of the Wudongde Hydropower Station by using the high-definition television and single-hole acoustic wave test.It is concluded that the unloading relaxation of the Wudongde dam foundation is mainly due to the rebound after excavation and unloading under low geostress conditions.It is mainly manifested as the opening of the existing structural plane,the relaxation depth and slackness become stable after a certain time,which is the normal unloading and relaxation deformation of the rocky high slope without affecting the overall slope stability,and the surface unloading relaxation rock mass has good irrigation and grouting effect,without secondary excavation,riverbed foundation has been completed local grouting results also verify this conclusion.The research results provide scientific basis for the relaxation rock engineering,speed up the construction progress,reduce the project investment,enrich the practice of high arch dam foundation engineering,and have important reference to similar projects.
Wudongde Hydropower Station; dam foundation rock mass; unloading slack depth; degree of relaxation; impact evaluation
2017-06-27;改回日期:2017-07-21
王吉亮(1982-),男,高級工程師,博士,地質(zhì)工程專業(yè),從事水利水電工程勘察工作。E-mail:39128518@qq.com
TV642.4; TV223
A
1671-1211(2017)04-0364-07
10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2017.04.002
數(shù)字出版網(wǎng)址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20170713.1703.004.html 數(shù)字出版日期:2017-07-13 17:03