李辰舟 蘇傳洋 劉 凱

(長江巖土工程有限公司，湖北 武漢 430010)

現(xiàn)階段在國內(nèi)外工程地質(zhì)勘察工作中接觸到的勘察方法種類較多[1]，主要包括地質(zhì)測繪、物探、勘探、巖體測試等，在水利水電工程建設(shè)過程中，工程地質(zhì)勘察工作需要面臨更為復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境，為了確?？辈旃ぷ鞯目煽啃?，需要運(yùn)用多種勘察技術(shù)對同一區(qū)域的地質(zhì)情況進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取，通過對勘察數(shù)據(jù)信息的整合，可以有效提高工程地質(zhì)勘察成果的真實(shí)性與可靠性[2]，如此才能提高地質(zhì)勘察質(zhì)量，從而為建基巖體的選擇提供依據(jù)，進(jìn)一步為水利水電工程建設(shè)提供有效的技術(shù)保證[3]。

目前國內(nèi)外水利水電工程主要根據(jù)綜合勘察技術(shù)成果，以巖體質(zhì)量分級(帶)為綜合評價(jià)指標(biāo)，根據(jù)巖體質(zhì)量級別來選擇合適的建基巖體。壩基巖體和開挖深度對大壩的安全和造價(jià)關(guān)系甚大，是壩工設(shè)計(jì)和施工中十分重要的問題[4]，對高混凝土重力壩而言，理想的建基巖體為Ⅰ類或Ⅱ類巖體[5]，想選擇既技術(shù)可行又經(jīng)濟(jì)合理的理想建基巖體，就需要充分分析綜合勘察成果[6]，細(xì)化巖體質(zhì)量分級，根據(jù)不同壩高選擇不同質(zhì)量級別的巖體作為建基巖體。

本文以安哥拉KK水電站為例，對該電站壩基所采用的綜合勘察技術(shù)進(jìn)行論述，整理分析了綜合勘察技術(shù)成果，根據(jù)巖性和巖體性狀的差異，將壩基巖體細(xì)分為六個(gè)帶，并敘述每個(gè)帶的主要力學(xué)性質(zhì)，根據(jù)帶內(nèi)巖體性狀及力學(xué)性質(zhì)的不同，對不同壩高對應(yīng)的建基巖體進(jìn)行選擇，研究成果可供類似工程參考。

1 工程概述

該水電站位于非洲西南部，是某主干河流中段規(guī)劃的第3級，樞紐布置中擋水建筑物采用一座主壩和兩座副壩，均為碾壓混凝土重力壩，在距主壩約1.8km上游左岸山體中，布置發(fā)電地下廠房。

為查明壩址區(qū)工程地質(zhì)條件，對壩址各建筑物尤其是主壩的工程地質(zhì)條件、主要工程地質(zhì)問題進(jìn)行論證和評價(jià)，在原有少量勘察資料的基礎(chǔ)上，采用綜合勘察技術(shù)方法和手段，在壩址區(qū)開展了工程地質(zhì)測繪、物探、勘探、試驗(yàn)測試等工作，對其壩基地質(zhì)條件進(jìn)行研究及評價(jià)。

2 壩基綜合勘察技術(shù)

2.1 地質(zhì)測繪及調(diào)查

2.1.1 地質(zhì)測繪

2.1.2 裂隙調(diào)查

勘察期間對工程區(qū)裸露基巖實(shí)施了大量裂隙調(diào)查，共統(tǒng)計(jì)裂隙735條，優(yōu)勢方向主要為NE、NW向，見圖1。裂隙跡長一般小于8m，且以2～6m居多，大部分部位發(fā)育密度較稀，多充填鈣質(zhì)巖屑，裂面以稍起伏稍粗糙為主，部分平直稍粗糙。

圖1 節(jié)理裂隙走向玫瑰花圖

2.2 物探

2.2.1 剖面物探

根據(jù)任務(wù)要求和本區(qū)地震地質(zhì)條件，本次物探剖面采用地震折射層析成像法[8]，每個(gè)排列采用24個(gè)檢波器，道間距為5m，采樣間隔0.125ms，記錄長度為128ms。

根據(jù)物探剖面成果，巖體全強(qiáng)風(fēng)化帶地震波縱波速值800～2000m/s；弱風(fēng)化帶地震波縱波速值2000～3600m/s；微新狀巖體地震波縱波速值3600～5400m/s，其中微新狀碎裂巖地震波縱波速值3600～4600m/s，微新狀片麻巖地震波縱波速值4200～5400m/s。

主壩左岸11條淺層地震物探剖面揭示，第四系覆蓋層厚度一般0.5～2m，局部厚度達(dá)3.5m，全強(qiáng)風(fēng)化層厚度一般1～3m，局部稍厚，可達(dá)5～6m；橫河向5條淺層地震物探剖面揭示，河床部位覆蓋層厚度一般2m左右，局部稍厚，約5m左右，部分區(qū)域弱風(fēng)化基巖直接裸露；主壩右岸2條淺層地震物探剖面揭示，主壩右岸中低海拔地形較緩處及右岸河床附近，第四系覆蓋層和全強(qiáng)風(fēng)化層均較發(fā)育。

2.2.2 鉆孔聲波

鉆孔聲波測試是基于固體介質(zhì)中彈性波傳播理論，向介質(zhì)發(fā)射聲波，在一定的空間距離上接收被測介質(zhì)的傳播速度、振幅、頻率等聲波參數(shù)?？辈炱陂g，選取部分鉆孔開展了鉆孔聲波縱波速測試，受鉆孔地下水位影響，聲波測試均在微新狀巖體中進(jìn)行。

對聲波測試結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析顯示：微新狀巖體聲波縱波速值4000～5900m/s，其中微新狀片麻巖聲波縱波速值一般5200～5900m/s，微新狀碎裂巖聲波縱波速值一般4000～5200m/s。

2.2.3 鉆孔電視錄像

鉆孔電視錄像是觀測鉆孔壁巖性及構(gòu)造發(fā)育特征的一種測試方法，其原理是將攝像頭和帶有自動(dòng)調(diào)節(jié)光圈的廣角鏡頭裝進(jìn)防水承壓艙里，拍攝孔壁四周及下部的全景圖像，并通過電纜傳送到地面監(jiān)視器顯示，同時(shí)記錄整個(gè)檢測過程的圖像。通過觀察鉆孔全孔壁數(shù)字圖像可劃定巖性界線，確定軟弱泥化夾層、斷層、裂隙、破碎帶等地質(zhì)信息。

本次對壩址區(qū)26個(gè)鉆孔中的10個(gè)鉆孔進(jìn)行了鉆孔彩色電視錄像，錄像清晰記錄了片麻巖及碎裂巖的情況，見圖2。

圖2 鉆孔電視錄像不同巖性代表性圖像

2.3 勘探

2.3.1 鉆孔

勘察期間主壩區(qū)共實(shí)施26個(gè)鉆孔，其中斜鉆孔16個(gè)，鉛直鉆孔10個(gè)。淺表第四系覆蓋層及上部全強(qiáng)風(fēng)化基巖采用單管合金鉆具，當(dāng)鉆進(jìn)至弱風(fēng)化或微風(fēng)化頂面以下一定深度后，使用配套繩索鉆具取芯工藝，采用雙管金剛石鉆頭鉆具。按照鉆探進(jìn)度，現(xiàn)場地質(zhì)專業(yè)技術(shù)人員對鉆取巖芯進(jìn)行描述，并統(tǒng)計(jì)第四系覆蓋層巖芯每回次采取率，統(tǒng)計(jì)基巖巖芯每回次采取率，獲得率和巖石質(zhì)量指標(biāo)(RQD)。

鉆孔揭示巖體風(fēng)化厚度見表1。

表1 鉆孔揭示巖體風(fēng)化厚度 單位：m

鉆孔揭示各部位巖體風(fēng)化帶巖芯RQD結(jié)果統(tǒng)計(jì)見表2。

表2 鉆孔不同巖體各風(fēng)化帶RQD結(jié)果統(tǒng)計(jì)

另外，右岸共12個(gè)鉆孔揭露到地質(zhì)測繪新發(fā)現(xiàn)的碎裂巖帶，其中斜鉆孔S507、S536揭穿碎裂巖帶左側(cè)邊界，左側(cè)邊界沿河床左側(cè)主河槽部位高程523～535m一線分布；鉆孔S537揭穿碎裂巖帶右側(cè)邊界，右側(cè)邊界大體上沿高程580～575m一線順岸坡分布。碎裂巖帶順河流右岸及河床延伸，走向NW，總體傾向NE，傾角70°～80°，寬度150～190m。帶內(nèi)發(fā)育fb1、fb2斷層，其中fb1分布在右岸低高程一帶；fb2沿主河床分布，fb1、fb2斷層物質(zhì)組成為碎屑狀碎裂巖及泥化物，稱其為“泥化碎屑帶”，寬度一般0.1～0.6m，局部以斷面形式存在。泥化碎屑帶兩側(cè)局部一定范圍巖體破碎明顯，形成影響帶，其中fb1上盤影響帶寬0.3～0.6m，下盤影響帶寬0.3～0.4m；fb2僅見上盤影響帶，最寬約2.6m，見圖3。

圖3 代表性巖芯照片

2.3.2 平洞

為進(jìn)一步查明該碎裂巖帶發(fā)育特征、邊界條件及工程性狀，在主壩右岸沿軸線高程538.1m位置實(shí)施一勘探平洞，平洞寬2.8m，高2.8m，洞身長70.76m。平洞內(nèi)清楚揭示了碎裂巖的情況：洞身0～8m為全強(qiáng)風(fēng)化碎裂巖；洞身8～28m為弱風(fēng)化碎裂巖；洞身28～59.5m為微新狀碎裂巖；59.5～70.76m為微新狀片麻巖。洞身19.20～19.35m段發(fā)育泥化碎屑帶(fb1)，寬度0.1～0.6m。平洞揭示的碎裂巖發(fā)育情況與鉆孔揭示一致。

2.3.3 坑槽探

為查明工程區(qū)左、右岸覆蓋層深度及碎裂巖帶發(fā)育特征及邊界位置，在主壩共實(shí)施5個(gè)坑槽探，坑槽探結(jié)果見表3。

表3 坑槽探結(jié)果統(tǒng)計(jì)

坑槽探揭示殘坡積層零星分布于兩岸山坡，厚度一般小于2.0m，物質(zhì)組成主要為礫質(zhì)土，崩坡積層分布于河流右岸坡麓一帶，厚度一般2～7m，物質(zhì)組成主要為碎塊石土；坑槽探揭示碎裂巖順河向發(fā)育，走向NW，總體傾向NE，傾角70°～80°，壩軸線位置右側(cè)邊界在高程580～575m一線順岸坡分布。

2.4 測試

2.4.1 孔內(nèi)壓水試驗(yàn)

根據(jù)歐洲標(biāo)準(zhǔn)，壓水試驗(yàn)以5.0m為一個(gè)試段，壓水試驗(yàn)壓力采用3個(gè)級別5個(gè)階段順次進(jìn)行，各試驗(yàn)段最大試驗(yàn)壓力隨試段埋深的不同而不同[9]。

本次補(bǔ)充勘察階段共進(jìn)行鉆孔壓水試驗(yàn)267段，其中左岸97段、河床及右岸高程580m以下部位137段、右岸高程580m以上部位33段，均分布于微新狀巖體內(nèi)，鉆孔壓水試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 鉆孔壓水試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)

主壩區(qū)巖體透水率q<5Lu占總數(shù)的92%以上，絕大多數(shù)滲透性等級屬弱—極微透水；局部受斷層構(gòu)造影響發(fā)育的破碎巖體部位，滲透性等級屬中等—強(qiáng)透水，大多出現(xiàn)在碎裂巖帶及fb1、fb2中。

2.4.2 孔內(nèi)膨脹儀試驗(yàn)

膨脹儀測試按照國際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)[10]和美國材料協(xié)會(huì)規(guī)程的建議方法[11]進(jìn)行，在壩址區(qū)8個(gè)鉆孔中測試了33個(gè)測點(diǎn)，其中24個(gè)片麻巖測點(diǎn)，9個(gè)碎裂巖測點(diǎn)，測試結(jié)果見表5。

表5 孔內(nèi)微新狀巖體變形試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)

2.4.3 室內(nèi)巖石物理力學(xué)性質(zhì)及裂隙直剪強(qiáng)度試驗(yàn)

在該區(qū)鉆孔中采取微新狀巖石及巖體裂隙面芯樣，進(jìn)行了室內(nèi)巖石物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)，試驗(yàn)項(xiàng)目包括物理性質(zhì)、單軸抗壓強(qiáng)度、變形模量及彈性模量、聲波波速、裂隙面直剪強(qiáng)度等，綜合分析剔除異常值后，巖石物理力學(xué)性質(zhì)結(jié)果統(tǒng)計(jì)見表6、表7。

表6 室內(nèi)微新狀巖石物理性質(zhì)試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)

表7 室內(nèi)微新狀巖石主要力學(xué)性質(zhì)及聲波波速試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)

本工程巖體裂隙室內(nèi)直剪試驗(yàn)方法采用單點(diǎn)平推法，試驗(yàn)時(shí)對每一個(gè)微新狀巖體裂隙面芯樣施加5級法向應(yīng)力，得到不同法向應(yīng)力下剪應(yīng)力值。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，對各試驗(yàn)結(jié)果按裂隙面類型(稍起伏稍粗糙和平直稍粗糙)進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)，分別采用最小二乘法擬合[12]，試驗(yàn)各試樣正應(yīng)力與剪應(yīng)力擬合曲線見圖4。

圖4 正應(yīng)力與剪應(yīng)力擬合曲線

根據(jù)最小二乘法擬合所得結(jié)果，低限值時(shí)：稍起伏稍粗糙型裂隙面抗剪強(qiáng)度參數(shù)黏聚力C=0.30MPa，摩擦系數(shù)f=1.02；平直稍粗糙型裂隙面抗剪強(qiáng)度參數(shù)黏聚力C=0.11MP，摩擦系數(shù)f=0.70。

2.4.4 平洞內(nèi)原位試驗(yàn)

平洞內(nèi)分別選取弱風(fēng)化碎裂巖、微新狀碎裂巖、微新狀片麻巖各一段，采用剛性承壓板法測試原位巖體鉛直向變形模量，試驗(yàn)結(jié)果見表8。

表8 巖體變形模量與彈性模量測試結(jié)果

平洞內(nèi)分別選取弱風(fēng)化碎裂巖、微新狀碎裂巖、微新狀片麻巖各一段，開展原位巖體以及混凝土與巖體接觸面直剪強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表9、表10。

表9 巖體直剪試驗(yàn)結(jié)果

表10 混凝土與巖體接觸面直剪試驗(yàn)結(jié)果

2.5 地質(zhì)分析

圖5 主壩工程地質(zhì)平面圖

根據(jù)室內(nèi)及原位試驗(yàn)成果，微新狀片麻巖夾透鏡狀斜長角閃巖，巖質(zhì)堅(jiān)硬，單軸飽和抗壓強(qiáng)度130MPa，重度27.6kN/m3，微新狀巖體鉆孔取芯RQD平均值一般大于75%，鉆孔聲波縱波波速Vp一般5200～5900m/s，巖體滲透性以微透水為主。微新狀碎裂巖單軸飽和抗壓強(qiáng)度70MPa，重度26.3kN/m3，微新狀巖體鉆孔取芯RQD平均值一般30%～55%，鉆孔聲波縱波波速Vp一般4000～5200m/s，巖體滲透性以弱透水—微透水為主。

3 壩基工程地質(zhì)分帶及地質(zhì)力學(xué)性質(zhì)

3.1 工程地質(zhì)分帶

根據(jù)區(qū)內(nèi)已完成的勘探地質(zhì)資料及試驗(yàn)成果，經(jīng)工程地質(zhì)分析研究，按照巖體風(fēng)化程度(W)、巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度(σcs)、巖體破碎程度(F)、透水率(q)、巖芯采取率(CMR)、巖石質(zhì)量指標(biāo)(RQD)、巖體聲波縱波波速(Vp)七個(gè)指標(biāo)的不同，將主壩區(qū)壩基巖體分為ZG1、ZG2、ZG3共三個(gè)帶，其中ZG1、ZG2、ZG3根據(jù)巖性和巖體性狀差異再分為兩個(gè)亞帶，巖體工程地質(zhì)分帶特征指標(biāo)見表11。

表11 巖體工程地質(zhì)分帶特征指標(biāo)

3.2 RMR分類

RMR分類系統(tǒng)由Bieniawski[13]于1973年提出并經(jīng)多次修訂，該分類系統(tǒng)由6個(gè)指標(biāo)構(gòu)成，包括巖塊強(qiáng)度(點(diǎn)荷載強(qiáng)度或單軸抗壓強(qiáng)度)R1、巖石質(zhì)量指標(biāo)(RQD)R2、結(jié)構(gòu)面間距R3、結(jié)構(gòu)面狀況R4、地下水條件R5、結(jié)構(gòu)面方向R6。根據(jù)野外實(shí)測資料，按照標(biāo)準(zhǔn)對各指標(biāo)參數(shù)評分進(jìn)行RMR值計(jì)算，并劃分巖體類別。RMR值計(jì)算式如下：

RMR=R1+R2+R3+R4+R5+R6

(1)

根據(jù)本次勘察地質(zhì)資料，對主壩區(qū)巖體各帶(亞帶)進(jìn)行RMR值評分，結(jié)果見表12。

表12 各帶(亞帶)RMR評分值

3.3 地質(zhì)力學(xué)參數(shù)

據(jù)區(qū)內(nèi)完成的孔內(nèi)巖體測試成果、室內(nèi)巖石物理力學(xué)性質(zhì)、巖體裂隙面室內(nèi)直剪強(qiáng)度試驗(yàn)成果，結(jié)合類似工程巖性一致同類巖體物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)成果經(jīng)驗(yàn)，提出其主要物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)地質(zhì)建議值，見表13。

4 建基巖體選擇

大壩設(shè)計(jì)壩頂高程633m，最大壩高108rn。根據(jù)對綜合勘察成果的分析研究，結(jié)合大壩工程要求和各類巖體對不同壩高的適宜性，對大壩建基巖體選擇認(rèn)識如下：ZG3-1帶全強(qiáng)風(fēng)化層巖體不能用作高混凝土重力壩建基巖體，須予以挖除。ZG1-1帶微新狀片麻巖巖體，是混凝土重力壩良好的建基巖體。主壩壩基580m高程以下(4～24壩段)對應(yīng)壩高60～108m， ZG1-2帶微新狀碎裂巖，巖體性狀雖然不如ZG1-1帶微新狀片麻巖，但其巖體性狀及力學(xué)性質(zhì)滿足建壩要求，因此可選擇ZG1-1帶和ZG1-2帶巖體作為建基巖體；580m高程以上(1～3、25～33壩段)，對應(yīng)壩高6～60m，可根據(jù)ZG3-1帶全強(qiáng)風(fēng)化層巖體厚度視情況選擇ZG1-1帶微新狀巖體或ZG2-1帶弱風(fēng)化巖體作為建基巖體。壩基fb1、fb2斷層泥化碎屑帶性狀極差，不能直接用作主壩建基巖體。壩基巖體工程地質(zhì)分帶平面圖見圖6，主壩工程地質(zhì)剖面示意見圖7。

圖6 壩基巖體工程地質(zhì)分帶平面圖

圖7 主壩工程地質(zhì)剖面示意圖

本水電站大壩建基巖體主要為ZG1-1和ZG1-2帶巖體，少量為ZG2-1帶巖體。大壩建基巖體中ZG1-1、ZG1-2和ZG2-1帶巖體分別占壩基總面積的51.7%、41.1%、7.2%；在大壩軸線上，ZG1-1、ZG1-2和ZG2-1帶巖體分布長度分別占壩軸線總長的61.6%、28.2%、10.2%。

主壩壩基碎裂巖帶分布于右岸高程580m以下至河床中部，以次塊狀及鑲嵌狀結(jié)構(gòu)為主，裂隙為較發(fā)育；碎裂巖帶內(nèi)發(fā)育有fb1、fb2斷層泥化碎屑帶及其影響帶；碎裂巖帶兩側(cè)其余部位均為片麻巖，間夾透鏡狀斜長角閃巖，呈塊狀結(jié)構(gòu)，裂隙發(fā)育程度為輕微發(fā)育—中等發(fā)育。碎裂巖與兩側(cè)片麻巖微新狀巖體變形模量差異明顯；fb1、fb2斷層泥化碎屑帶變形模量極低，并與兩側(cè)碎裂巖巖體變形模量差異顯著，壩基存在不均勻變形問題，尤其是fb1、fb2斷層泥化碎屑帶及其影響帶，可能會(huì)產(chǎn)生有害變形，應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)處理。此外，壩基碎裂巖帶中發(fā)育有fb1、fb2斷層泥化碎屑帶，滲透性等級屬中等透水—弱透水。fb1、fb2斷層泥化碎屑帶性狀軟弱，在長期滲流作用下，可能會(huì)產(chǎn)生滲透變形。

5 結(jié) 論

通過整理分析綜合勘察技術(shù)成果，對壩基地質(zhì)條件進(jìn)行復(fù)核評價(jià)，得到以下結(jié)論：

a.通過綜合勘察，新發(fā)現(xiàn)在主壩區(qū)順河流右岸及河床發(fā)育碎裂巖帶，碎裂巖帶走向NW，總體傾向NE，傾角70°～80°，寬度150～190m。同時(shí)查明碎裂巖帶內(nèi)發(fā)育fb1、fb2斷層泥化碎屑帶，寬度一般0.1～0.6m，局部以斷面形式存在。泥化碎屑帶兩側(cè)發(fā)育影響帶， fb1上盤影響帶寬0.3～0.6m，下盤影響帶寬0.3～0.4m；fb2僅見上盤影響帶，最寬約2.6m。

b.根據(jù)綜合勘察技術(shù)成果，根據(jù)巖體性質(zhì)的不同，將壩基巖體分為ZG1、ZG2、ZG3共三個(gè)帶，其中ZG1、ZG2、ZG3根據(jù)巖性和巖體性狀差異再分為兩個(gè)亞帶，并對每個(gè)帶(亞帶)進(jìn)行RMR評分，根據(jù)區(qū)內(nèi)完成的試驗(yàn)成果，結(jié)合類似工程巖性一致同類巖體物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)成果經(jīng)驗(yàn)，提出其主要物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)地質(zhì)建議值，供設(shè)計(jì)參考采用。

c.根據(jù)帶內(nèi)巖體性狀及力學(xué)性質(zhì)的不同，對不同壩高對應(yīng)的建基巖體進(jìn)行選擇，主壩壩基580m高程以下(4～26壩段)對應(yīng)壩高60～108m，可選擇ZG1-1帶和ZG1-2帶微新狀巖體作為建基巖體；580m高程以上(1～3、26～33壩段)可視情況選擇ZG1-1帶微新狀巖體或ZG2-1帶弱風(fēng)化巖體作為建基巖體。另外，碎裂巖與兩側(cè)片麻巖交界位置及斷層泥化碎屑帶位置，壩基存在不均勻變形的可能，應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)處理；壩基碎裂巖帶中fb1、fb2斷層泥化碎屑帶，可能會(huì)產(chǎn)生滲透變形，應(yīng)予以處理。

壩基巖體分類及壩建基巖體的選擇對大壩安全和造價(jià)至關(guān)重要，運(yùn)用地質(zhì)測繪及調(diào)查、物探、勘探、原位測試、室內(nèi)試驗(yàn)等綜合勘察技術(shù)手段，通過整理分析綜合勘察技術(shù)成果，對壩基巖體進(jìn)行分帶，根據(jù)帶內(nèi)巖體性狀及力學(xué)性質(zhì)的不同，對不同壩高對應(yīng)的建基巖體進(jìn)行選擇，其研究方法及成果可供類似工程參考。