林萬勝, 郝建東, 郭秋霞

(青海省水利水電勘測設(shè)計研究院,青海 西寧 810008)

石頭峽水電站面板堆石壩趾板巖體質(zhì)量評價及缺陷處理

林萬勝, 郝建東, 郭秋霞

(青海省水利水電勘測設(shè)計研究院,青海 西寧 810008)

石頭峽水電站地處祁連山南麓,工程區(qū)屬于高寒高烈度地區(qū),地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,新構(gòu)造運動強烈,區(qū)域內(nèi)地震頻發(fā),大壩為面板堆石壩,趾板基巖為前寒武系變質(zhì)巖系,巖體經(jīng)歷多期構(gòu)造運動,斷裂構(gòu)造發(fā)育。通過分析趾板巖體工程特性,評價趾板巖體質(zhì)量,處理趾板存在的地質(zhì)缺陷,使趾板巖體質(zhì)量達到設(shè)計建基要求。目前壩后滲流堰觀測數(shù)據(jù)及壩體滲流檢測數(shù)據(jù)正常。

混凝土面板堆石壩;趾板;巖體質(zhì)量;缺陷處理

石頭峽水電站工程位于青海省大通河上游蘇吉灘鄉(xiāng),距門源縣浩門鎮(zhèn)36 km,水庫總庫容9.85×108m3,電站裝機90 MW,屬Ⅱ等大(2)型工程,為“引大濟湟”工程的龍頭水庫,具有為調(diào)水總干渠提供調(diào)水所需水量,保證調(diào)水所需興利庫容的作用,并兼有發(fā)電、防洪任務(wù)。

石頭峽水電站大壩壩型為混凝土面板堆石壩,壩頂高程為3 091.30 m,壩長424 m,最大壩高114.5 m。大壩于2011年9月開工建設(shè),2015年10月建成蓄水,2016年5月電站運行發(fā)電。為保證工程的正常運行對趾板巖體進行了評價,對其存在的地質(zhì)缺陷進行了處理,處理后壩后滲流堰觀測數(shù)據(jù)及壩體滲流檢測數(shù)據(jù)正常。

1 基本地質(zhì)條件

石頭峽水電站位于青海省大通河上游蘇吉灘鄉(xiāng),距門源縣浩門鎮(zhèn)36 km,電站樞紐區(qū)位于石頭峽峽谷下段,河谷在平面上呈倒“Ω”型,河谷呈“U”型,兩岸山體雄厚,河床寬50～80 m,河谷兩岸沖溝較發(fā)育,地形完整性差,相對高差100～300 m,右岸基巖裸露坡度陡立,左岸大面積覆蓋第四系堆積物,基巖零星出露坡度較緩。

壩址區(qū)第四系松散覆蓋層厚度3～15 m,成因有沖積、坡積、坡洪積、崩積等,分布在兩岸坡及沖溝一帶,基巖為前寒武系斜長石英片巖、角閃石英片巖、斜長角閃石英片巖及花崗片麻巖,巖石堅硬,巖體呈塊狀—層狀結(jié)構(gòu)。

壩址區(qū)位于大坂山褶皺帶與冷龍嶺褶皺帶之間的石頭峽弱隆起區(qū),區(qū)域性斷裂未通過壩址區(qū),但斷裂構(gòu)造復(fù)雜,有以F32代表的Ⅱ級結(jié)構(gòu)面,其他為Ⅲ、Ⅳ級結(jié)構(gòu)面,斷層以NE向擠壓結(jié)構(gòu)面為主,NNE向次之[1]。

2 壩址巖體工程特性

2.1 巖石強度特征

壩址基巖巖性為前寒武系石英片巖、角閃石英片巖及花崗巖,根據(jù)多組鉆孔巖芯抗壓強度試驗統(tǒng)計歸納:角閃石英片巖強風(fēng)化飽和抗壓強度15～30 MPa,弱風(fēng)化巖石飽和抗壓強度35～80 MPa;花崗片麻巖強風(fēng)化飽和抗壓強度38～46 MPa,弱風(fēng)化巖石飽和抗壓強度67～120 MPa;蝕變云母石英片巖飽和抗壓強度20～27 MPa;斷層帶構(gòu)造巖飽和抗壓強度56～74 MPa,巖石強度具有差異性。

2.2 巖體構(gòu)造特征

壩址區(qū)發(fā)育以F32、F83、F84、F133為代表的Ⅱ級結(jié)構(gòu)面,以F151為代表的Ⅲ級結(jié)構(gòu)面,Ⅳ級結(jié)構(gòu)面主要為小斷層,其中以NE向壓扭結(jié)構(gòu)面為主,NNE向次之;裂隙主要發(fā)育組數(shù)為NWW向及NEE向兩組,以陡傾角裂隙為主,并少量發(fā)育緩傾角裂隙。斷層及裂隙相互切割破壞了壩址巖體的完整性。

2.3 巖體風(fēng)化特征

壩址基巖巖性主要為角閃石英片巖、花崗巖等堅硬巖石,抗風(fēng)化能力較強,但壩址區(qū)地處高寒高海拔區(qū),斷裂構(gòu)造發(fā)育,風(fēng)化程度與構(gòu)造密切相關(guān)。根據(jù)壩址20個鉆孔統(tǒng)計,巖體強風(fēng)化厚度一般3～6 m,巖芯呈碎塊狀,在斷層帶達10～13 m,呈碎裂—散體狀。

2.4 巖體卸荷特征

壩址岸坡陡峻,根據(jù)壩址兩岸勘探平硐揭露情況,在右岸平硐內(nèi)8 m處發(fā)育卸荷裂隙,裂隙張開3～5 mm,充填泥,卸荷裂隙多呈高傾角切割岸坡,傾向岸外。左岸平硐進口段發(fā)育順坡裂隙,產(chǎn)狀NW350°SW∠64°,卸荷作用表面張開0.5～2 cm,卸荷帶水平寬度6 m左右。

2.5 巖體完整性

根據(jù)鉆孔巖芯RQD統(tǒng)計,左岸趾板基巖中RQD<50%的占30%～48.8%,主要分布在強風(fēng)化帶及斷層帶中,RQD>50%占51%～70%,主要分布在弱風(fēng)化巖層中;河谷段基巖巖芯RQD<50%占41%～82%,主要分布在斷裂帶;右岸趾板基巖中RQD<50%的占55.6%～82%,主要分布在基巖強風(fēng)化帶及斷層帶中,RQD>50%占18%～44%,主要分布在弱風(fēng)化巖層中。

鉆孔波速測試統(tǒng)計:弱風(fēng)化巖體縱波速度2 310～3 830 m/s,強風(fēng)化巖體縱波速度1 710～2 530 m/s,斷層破碎帶及巖體蝕變帶縱波速度1 440～2 630 m/s[1-2]。

2.6 巖體透水性

壩址區(qū)基巖巖性有角閃石英片巖、花崗巖、石英片巖,均屬于堅硬巖石,巖體透水性主要受斷層、裂隙發(fā)育程度及風(fēng)化程度的影響。

根據(jù)鉆孔壓水試驗成果,巖體最大透水率79.5 Lu,處于卸荷帶及裂隙密集帶,20～50 Lu段次主要分布在強風(fēng)化層及斷層帶中。左岸巖體透水性以弱透水為主,局部分布中等及微透水層,3 Lu界限在基巖面以下約40 m。河床段巖體透水性以弱透水為主,局部分布有中等及微透水層,3 Lu界限在基巖以下約40～50 m。右岸巖體透水性以弱透水為主,局部分布中等及微透水層,3 Lu埋深線約25～35 m。表1為趾板巖體透水率統(tǒng)計成果表。

表1 趾板巖體透水率成果表(單位:%)Table 1 Water permeability of rock mass of toe slab

3 趾板巖體質(zhì)量評價

3.1 趾板建基面選擇

趾板建基面基巖巖性主要有角閃石英片巖、石英片巖、角閃片巖、花崗巖等,強風(fēng)化巖體、卸荷帶及斷層帶完整性差、透水性強、穩(wěn)定性差,均達不到設(shè)計要求,不宜作為趾板持力層,趾板建基面巖體應(yīng)達到弱風(fēng)化上部標準,巖體縱波速度應(yīng)>2 500 m/s。

3.2 趾板基巖風(fēng)化卸荷

趾板基巖巖性主要有石英片巖、角閃片巖、花崗巖等,基巖強風(fēng)化層,裂隙發(fā)育,呈碎塊—碎裂結(jié)構(gòu),完整性差,厚度3～6 m;卸荷巖體表部松動張開,充填泥,巖體呈塊狀—碎塊狀結(jié)構(gòu)。

3.3 趾板巖體構(gòu)造

趾板寬度7～9 m,總長557 m,基巖片理產(chǎn)狀以河床中部F32斷層帶為界,向左壩肩區(qū)走向NE45°～50°NW∠65°～70°,向右壩肩區(qū)走向NW310°～330°SW∠35°～45°。趾板范圍共揭露25條斷層,其產(chǎn)狀左岸及河床段以NE25°～52°NW∠68°～86°為主,右岸以NE21°～87°NW∠26°～86°及NE21°～87°NW∠26°～84°為主。另外1～2 m的斷層6條,斷層構(gòu)造巖以蝕變巖塊、角礫、糜棱巖及斷層泥為主,斷層影響帶以石英片巖碎裂即不規(guī)則小節(jié)理、裂隙密布呈現(xiàn),一般寬度在2 m左右。

F32斷層:F32是趾板范圍最大的斷裂帶,分布于河床段樁號0+318.72～0+340.92 m,揭露寬度22.2 m,斷層走向NE55°左右NW∠63°左右。斷層帶充填灰白色蝕變巖、花崗巖巖塊、角礫、蝕化泥質(zhì),整體較密實,無膠結(jié)成巖,從斷層充填物及上下盤痕跡反映,經(jīng)歷多次構(gòu)造運動。對斷層帶蝕變巖進行現(xiàn)場及室內(nèi)試驗:天然干密度平均2.34～2.23 g/cm3;顆分試驗,蝕變巖主要以角礫為主、占72%,砂礫占17%,粉粘質(zhì)占11%,不均勻系數(shù)211,屬較差級配;透水率3～5 Lu,屬弱透水層,縱波波速1 400～2 100 m/s。圖1為趾板地質(zhì)剖面圖,表2為趾板巖體斷層特征表,圖2為左右岸節(jié)理玫瑰花圖[2-3]。

3.4 巖體波速測試

趾板開挖結(jié)束后,對基巖面進行波速測速,測試統(tǒng)計成果:縱波波速值基巖強風(fēng)化中下部在1 500～2 000 m/s,強弱風(fēng)化界面在1 600～2 300 m/s,弱風(fēng)化上部在2 300～3 000 m/s、中部在3 000～3 500 m/s、下部在3 500 m/s以上,斷層角礫、節(jié)理、裂隙密集區(qū)在1 200～2 100 m/s、斷層泥質(zhì)在1 000 m/s以下[2]。

圖1 趾板開挖地質(zhì)剖面圖Fig.1 Geological section of excavation of toe slab

表2 趾板巖體斷層特征表Table 2 Fault characteristics of rock mass of toe slab

位置走向/(°)傾向傾角/(°)斷層特征主要代表斷層左岸(A-C)NE25～52NW68～86寬0.1～2m充填角礫巖,個別夾泥F185、F83、F87、f1、f3、f4EE48SE75寬1～2m充填銹黃色角礫巖,夾泥F84NW350SW380.1～0.3m充填銹黃色角礫f2河谷水平段(C-D)NE15～56NW65～79F32寬10～15m,最大寬度22m由灰白色蝕變巖、構(gòu)造片狀巖、糜棱巖等組成,壓扭性F32、f5、f6NE30SE69寬0.5m充填銹黃色角礫f18NW330SW40寬0.3m充填銹黃色角礫f19右岸(D-F)NE21～87NW26～84寬0.1～0.6m,充填角礫巖、糜棱巖等,銹黃色f7、f1、f13、f17NE15～47ES60～880.5～3m充填糜棱巖、角礫,壓扭性F151、f8、f10、f18NW291～350SW40～640.1～0.5m充填銹黃角礫,張性f9、f12、f14、f16

圖2 左右岸節(jié)理玫瑰花圖Fig.2 Rose diagram of left and right joint

3.5 建基面巖體質(zhì)量分級及評價

巖體工程質(zhì)量分級是一個單因素到多因素綜合評價的過程,根據(jù)壩址區(qū)巖體的完整性、風(fēng)化卸荷特征、巖體波速等特點,依據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(GB 50487—2008)、《工程巖體分級標準》(GB/T 50218—2014)將壩址區(qū)巖體分為四級,即Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級[4-5]。

根據(jù)巖體縱波波速、巖石強度、巖體風(fēng)化程度,結(jié)合實際節(jié)理、裂隙發(fā)育情況以及地下水對巖體蝕化程度,對趾板建基面基巖進行巖體質(zhì)量評價。根據(jù)統(tǒng)計Ⅲ類巖體占總長83.8%,Ⅳ類巖體占總長12.1%,斷層帶及其影響帶占總長4.1%。表4為趾板建基面巖體質(zhì)量分類表[5-6]。

4 趾板建基面缺陷處理

趾板建基面地質(zhì)缺陷主要包括斷層破碎帶及強風(fēng)化巖體、裂隙密集帶、卸荷帶的超挖部分,這些缺陷對大壩產(chǎn)生的不良影響有:①局部應(yīng)力集中和不均勻沉陷,使趾板發(fā)生開裂變形;②構(gòu)成滲漏通道,產(chǎn)生集中滲漏、管涌,易發(fā)生滲透變形,影響大壩穩(wěn)定,需要進行相應(yīng)的處理。

4.1 趾板建基面斷層處理

4.1.1 F32斷層帶處理

F32斷層是趾板分布最大的斷裂帶,在趾板范圍內(nèi)呈彎曲狀,出露寬度不一,呈上寬下窄狀,沿趾板X線樁號0+318.72～0+340.92 m,寬度22.2 m,斷層走向NE55°左右NW∠63°左右。斷層帶充填灰白色蝕變巖、花崗巖巖塊、角礫、蝕化泥質(zhì),該斷層屬于Ⅴ類巖體,規(guī)模大,力學(xué)性能較差,穩(wěn)定性差,存在沉降變形及滲透變形問題,需要特殊處理。

F32斷層帶在趾板出露寬度為22.2 m,采取向左右兩側(cè)各加寬1.5 m、以1∶0.3坡比深挖5～2 971.8 m高程,回填C20混凝土;趾板下游沿斷層方向延伸15 m,斷層帶兩邊各加寬1.5 m范圍、增加0.5 m厚C20混凝土蓋板,并進行固結(jié)灌漿處理,灌漿深度為8.0～12.0 m。

表3 趾板巖體工程質(zhì)量分級Table 3 Engineering quality classification of rock mass of toe slab

表4 趾板建基面巖體質(zhì)量分類表Table 4 Rock quality classification of foundation surface of toe slab

4.1.2 寬度1～2 m左右的斷層處理

F151、f11、F84、F83、f4、F87斷層帶寬在2 m左右,依規(guī)范按主帶1.5倍寬、1.5～2倍深人工結(jié)合半機械開挖齒槽,清洗干凈后回填C20混凝土。

4.2 建基面超挖區(qū)處理

趾板建基面強風(fēng)化巖體、裂隙密集帶、卸荷帶分布范圍占總長12.1%,主要分布在樁號0+152.4～0+161.9 m、0+417.5～0+454.3 m、0+576.9～0+586.9 m,開挖中出現(xiàn)了超挖現(xiàn)象,超挖深度達1～3 m,采用C20混凝土找平到設(shè)計高程。

5 結(jié)語

石頭峽水電站大壩壩高114.5 m,壩型為面板堆石壩,壩址區(qū)斷裂構(gòu)造發(fā)育,趾板建基面以弱風(fēng)化角閃石英片巖為主,巖體完整性較好,強度較高,巖體質(zhì)量屬堅硬巖AⅢ類,滿足趾板建基要求,但仍然有部分巖體達不到設(shè)計要求,存在地質(zhì)缺陷。對于出現(xiàn)的地質(zhì)缺陷需要采取不同的處理措施使趾板巖體質(zhì)量達到設(shè)計要求,為高寒高海拔地區(qū)構(gòu)造復(fù)雜巖體地基處理積累經(jīng)驗。 水庫于2015年7月底正式下閘蓄水,年底水位達到3 067 m,其間壩后量水堰水量基本穩(wěn)定在6 L/s左右,水量與庫水位呈近水平直線相關(guān),趾板預(yù)埋監(jiān)測儀顯示穩(wěn)定。

[1] 青海省水利水電勘測設(shè)計研究院.青海省門源縣石頭峽水電站初步設(shè)計工程地質(zhì)勘察報告[R].西寧:青海省水利水電勘測設(shè)計研究院,2009.

[2] 南京水利科學(xué)研究院.青海省石頭峽水電站工程蓄水安全鑒定報告[R].南京:南京水利科學(xué)研究院,2015.

[3] 青海省水利水電勘測設(shè)計研究院工程勘察分院.石頭峽水庫壩基F32斷層工程地質(zhì)專門勘察報告[R].西寧:青海省水利水電勘測設(shè)計研究院,2012.

[4] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范:GB50487—2008[S].北京:中國計劃出版社,2008.

[5] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.工程巖體分級標準:GB/T50218—2014[S].北京:中國計劃出版社,2014.

[6] 彭土標,袁建新,王慧明,等.水力發(fā)電工程地質(zhì)手冊[M].北京:中國水利水電出版社,2011.

(責(zé)任編輯：陳姣霞)

Rock Mass Quality Evaluation and Defect Treatment of Toe Slab ofFace Rockfill Dam in Shitouxia Hydropower Station

LIN Wansheng, HAO Jiandong, GUO Qiuxia

(QinghaiSurveyandDesignInstituteofWaterConservancyandHydropower,Qinghai,Xining810008)

Shitouxia Hydropower Station is located in the south of Qilian Mountain,the area of project belongs to the alpine and high intensity area,which is complex geological structure,regional earthquakes frequently,and strong neotectonic movement.The dam is a face rockfill dam,and the bedrock of toe slab belongs to precambrian metamorphic rocks. The multi-stage tectonic movement and fracture structure development is experienced by rock mass.In this paper,the engineering characteristics of toe rock mass are analyzed; the quality of toe plate rock mass is evaluated.The geological defects of toe slab are handled,to ensure the toe slab quality to meet the design requirements of foundation rock mass. Since then,observation data of flow weir and seepage detection data are normal of dam in currently.

concrete face rockfill dam; toe slab; rock mass quality; defect treatment

2017-06-15;改回日期:2017-07-05

林萬勝(1963-),男,高級工程師,水文地質(zhì)與工程地質(zhì)專業(yè),從事水利水電工程地質(zhì)勘察工作。E-mail:lws603@126.com

TV223.3

A

1671-1211(2017)04-0380-05

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2017.04.005

數(shù)字出版網(wǎng)址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20170620.1504.044.html 數(shù)字出版日期:2017-06-20 15:04