英布魯水電站壩基軟巖特性及關鍵工程地質問題

袁宏利 邊建峰 韓治國 趙 秋

英布魯水電站工程位于剛果共和國境內(nèi)剛果河一級支流萊菲尼河下游,其壩基分布有一套巨厚的白堊系陸相沉積砂巖,系由不同厚度含有薄層、中厚及厚層沉積層理結構的膠結不良軟弱砂巖組成,巖層產(chǎn)狀近水平,無構造斷裂、褶皺和裂隙發(fā)育。壩基軟弱砂巖、強透水性及其滲流穩(wěn)定問題以及當?shù)刂尾牧系奶钪匦?是工程3大關鍵地質問題。

1 軟弱砂巖的工程地質特性

1.1 軟弱砂巖的物質組成

英布魯壩基軟弱砂巖主要礦物成分為石英,含有少量長石等。中、細砂顆粒均勻,磨圓度好,多呈孔隙式點接觸弱膠結,長石多已風化,孔隙內(nèi)可見高嶺土團粒,局部膠結物中含有少量硅質。巖石孔隙發(fā)育,質地疏松。結構破壞后,在松散砂狀態(tài)下,孔隙內(nèi)的高嶺土物質呈白色絮狀膠體析出并沉淀,含量為1.46%～2.15%。

軟弱砂巖物性指標 (見表1)表明,其成巖程度很低。其特殊之處在于,砂巖干燥后并不發(fā)生整體崩解,而且吸水率還稍有降低；砂巖干燥浸水后表面砂粒脫落現(xiàn)象明顯,達3.64%～4.32%,屬于不可逆的弱中等膠結砂巖。化學分析其易溶鹽含量低,為HCO-3-Ca2+型。由于地下水具有較強的水交替作用和弱酸性,為長石顆粒的高嶺石化作用提供了條件。而CaCO3含量低(0.13%～1.65%),致使砂巖的鈣質膠結作用微弱。礦物鑒定結果也表明,砂巖孔隙內(nèi)的高嶺土團粒即是其結構破壞后粒徑小于0.074 mm的白色析出物,為弱結晶的高嶺石。其中普遍含有分散的石英細粒,系高嶺石形成過程中產(chǎn)生的自生石英。砂巖中普遍缺少長石,其原因是長期在弱酸性地下水交替環(huán)境下,原砂巖中少量長石已轉化(蝕變)為高嶺石{Al2Si2O5(OH)4}。其中的蛋白石脫水后轉化為石英,此外,還有微量方解石 (CaCO3)。

表1 砂巖膠結程度及化學分析結果

1.2 巖體結構及質量特征

軟弱砂巖孔隙發(fā)育,其連續(xù)沉積厚度巨大,由厚度普遍在1～2 m以上的近水平巖層組成。巖層近水平層面節(jié)理和交錯層理面節(jié)理構成了壩基巖體主要的一組結構面,形成特有的孔隙-層面節(jié)理巖體介質。

考慮壩基巖體工程地質特性,將其自下而上分為3層,即①由薄層沉積層理構成的層狀軟弱砂巖(K2i-l),總體表現(xiàn)為強透水性；②由中層—厚層沉積層理構成的厚層狀軟弱砂巖 (K2i-2),呈中等—強透水性,滲透性相對較均勻；③由薄層沉積層理構成的層狀軟弱砂巖 (K2i-3),呈中等—強透水性,滲透性不均勻。

按壩基巖體結構的差異,可分為三大層兩種類型,其中,第②層沉積層理較厚,膠結程度和完整性相對較好；第①、③層沉積層理薄,膠結程度和完整性相對較差。第③層軟弱砂巖頂部為全—強風化層,一般厚5～8 m,呈風化砂狀,沉積層理結構已不明顯；而中下部巖體風化程度微弱；第②、①層軟弱砂巖巖體新鮮。三大層砂巖在物質組成、膠結形式上基本相同,巖體組成相對較均勻,局部地段三層間的界線不明顯,呈逐漸過渡狀態(tài)。

依據(jù)巖體結構特征及其工程地質特性,可將壩基工程巖體質量等級劃分為兩大類3個亞類(見表2)。

表2 壩基工程巖體質量分級表

1.3 巖體物理力學特性

壩基巖體干密度在2.0 g/cm3左右,孔隙率在25%左右,單軸抗壓強度一般小于5 MPa,具有高孔隙率、低密度的特征,相應的抗壓強啡也較低；但巖體相應的變形模量指標并不低,一般在1 GPa左右,并且彈模和變模指標相差較小,反映出巖體的 “脆性”特征。抗剪試驗表明此類巖體具有較高的抗剪強度；而載荷試驗也反映,在工程要求的試驗壓力下,巖體均處于彈性變形狀態(tài),表現(xiàn)出較高的承載力和抗變形能力。此外,聲波速度與巖體質量之間具有較好的相關性。基于巖體質量特征及其物理力學特性,給出表3所列設計參數(shù)建議指標。

表3 壩基巖體物理力學性質指標建議值表

1.4 巖體滲透特性

工程所在巴泰凱高原區(qū)廣泛分布著巨厚的砂性土及白堊系軟弱砂巖地層,其透水性和含水條件較好。巨厚砂巖沉積不存在理論上的隔水層,而且砂巖結構疏松,孔隙非常發(fā)育,實際上是一種以孔隙為主的 (n=25%)含有層面節(jié)理的孔隙-層面節(jié)理介質,無論從巖體質量抑或是其滲透性來看,都可認為是一種相對均勻的巖體,亦即整個巨厚砂巖沉積層是一個統(tǒng)一的孔隙地下水系統(tǒng) (單元)。

地下水賦存狀態(tài)主要表現(xiàn)為孔隙潛水和孔隙-層面節(jié)理潛水兩種形式。砂巖成巖程度差,孔隙及層面節(jié)理發(fā)育,成為地下水的良好儲存和徑流介質；不同層位或不同地段的軟弱砂巖,其巖體透水性存在一定差異,尤其是巖層在水平方向和垂直方向上存在的滲透各向異性,造成地下水在局部地段形成層間微弱承壓現(xiàn)象。壩基砂巖三大層位的劃分表明其在滲透性上存在一定差異,但進一步劃分至更小層位,即更細的沉積層理結構層次上,其差異已不明顯,亦即巖層不存在相對 “透水層”和 “隔水層”。其 “滲透性差異”現(xiàn)象與通常的“承壓水”概念有所不同。

2 壩基巖體利用及工程處理措施

2.1 建基面選擇與清基標準

土壩段壩基巖體一般膠結程度較差,巖層表部風化程度較高,強透水性及其可能發(fā)生的滲透變形破壞是最主要的工程地質問題。土壩段清除了上部全—強風化軟弱砂巖,建基面位于完整第③層砂巖(見表2),實測縱波速度值一般大于1 700 m/s。而混凝土壩段從壩工結構要求上已大部分置于第②大層砂巖,巖體質量較好,關鍵是避免人為因素在巖體滲透變形破壞方面產(chǎn)生影響,建基面驗收實測縱波速度值一般大于2 000 m/s。

2.2 壩基滲流控制

現(xiàn)場和室內(nèi)滲透試驗結果及地質分析認為,由于巖體具有中等—強透水性,除②層軟弱砂巖和③層中下部軟弱砂巖等具有一定的抗?jié)B透破壞能力外,包括③層上部5～8 m全—強風化巖體、③層中部部分軟弱砂巖在內(nèi)的巖 (土)體,均可能存在不同程度的滲透破壞問題。壩體填筑后,可將運行狀態(tài)的包括壩體和壩基巖體在內(nèi)的 “工程-地質體”概化成一個 “二元滲透結構”地質模型 (圖1)。從壩基巖體質量特性及滲透地質模型看,分布高程位于275～260 m之間的第②層軟弱砂巖垂向透水性相對較弱,若考慮垂直防滲措施,帷幕下限應不低于高程265 m。高程260 m以下第①層軟弱砂巖屬強透水性,并且與庫水聯(lián)系較弱,因此,不宜揭穿第②層進入該層。

由于軟弱砂巖結構較均勻并且顆粒之間處于弱膠結狀態(tài),其破壞形式一般為處于臨空面時發(fā)生的溯源方向的流土破壞,基坑開挖過程中邊坡滲水形成的孔洞以及鉆孔涌水造成的孔壁坍塌等破壞,均屬于此類現(xiàn)象。

圖1 壩體填筑后 “工程-地質體”概化滲透模型

為確定壩基防滲設計方案,就壩基設置不同深度帷幕對壩體和壩基滲漏量及滲流比降的影響進行了分析計算。從結果看:防滲帷幕對壩基滲流影響很小；壩基設置不同深度的帷幕對滲漏量及出逸比降影響很小；考慮壩體及壩基材料滲透各向異性后,在相同的上、下游水位條件下,壩體及壩基內(nèi)滲流場有所變化。

基于宏觀水文地質條件及滲流分析認為,壩基巖體實際上不存在明顯相對弱或不透水的邊界,因此,垂直防滲深度即使達到1倍壩高以上,仍然是“懸掛的”,其效果還不如將②層考慮成 “相對弱透水層”。為充分利用壩基巖體水文地質特性,在滲流控制工程措施上,應加強壩基上游水平防滲,加大滲徑,可不設置垂直防滲或僅設置進入第②層上部的垂直防滲帷幕,并取消下游排水措施。

2.3 壩基巖體灌漿特性

對于壩基巖體防滲灌漿的可行性及其效果,通過灌漿試驗的進一步驗證,得出如下結論:壩基巖體屬孔隙介質,從透水性角度看,巖體孔隙率高達25%,透水性較強；但從水泥灌漿的角度看,巖體孔隙則較小,結構較緊密,漿液擴散半徑非常小,采用普通水泥灌漿方法將不能達到防滲目的。另一方面,由于開挖卸荷回彈、地下水向基坑臨空面滲流作用以及人為作用等因素,壩基淺部巖體局部產(chǎn)生層面裂隙,因此,壩基固結灌漿措施是必要的,其在強化淺部巖體完整性的同時,也有利于提高被擾動巖體的抗?jié)B變能力。

3 壩體填筑材料的試驗研究

考慮當?shù)夭牧稀F(xiàn)場施工條件和工程造價,將上游為林中空地土料 (距壩址7 km)、下游為壩基開挖砂料的二分區(qū)土壩結構調(diào)整為三分區(qū)結構,即上游和下游壩體為壩址附近土料或壩基開挖砂料,心墻和上游壩體的底部為林中空地 (防滲)土料,從而大大減少了林中空地土料的填筑用量,降低了雨季對防滲土料施工的影響。當?shù)夭牧蠅嗡昧种锌盏?(防滲)土料、壩基開挖砂料及左岸砂類土料填筑特性如下:

(1)林中空地土料粒徑多集中在0.05～0.2 mm區(qū)域,黏粒含量11.3%～17.9%,為輕壤土或砂壤土。天然含水率9.7%～16.5%,較最優(yōu)含水率高2%～3%。含水率控制在9%～13%,鋪料厚度40 cm和50 cm分別碾壓8遍和10遍后,最大干密度可達到1.95 g/cm3,其物理力學指標可滿足設計要求。

(2)壩基開挖砂料粒徑多集中在0.075～0.5 mm區(qū)域,偏細,為級配不良的中細砂。含水率控制在7%～12%,鋪料厚度60 cm碾壓8遍后,最大干密度可達到1.85 g/cm3,除顆粒偏細外,其它指標滿足設計要求,但不適于壩體水下區(qū)域。

(3)左岸砂類土料粉粒含量0.20%～5.80%,黏粒含量1.2%～2.5%,粒徑多集中在0.1～0.5、2～20 mm兩個區(qū)域,為含細粒土砂,可替代大部分壩基開挖砂料,除滲透性偏弱外,其它指標滿足質量要求。

針對上述不同材料特性,進行分區(qū)設計:防滲土料用于心墻和上游壩體的底部,左岸砂類土料用于上游區(qū)和下游區(qū)水下部分,壩基開挖砂料用于下游區(qū)水上部分。為提高上游區(qū)左岸砂類土料的透水性,利用透水性較好的壩基開挖砂料設置適當?shù)乃脚潘畬印＿@樣,分區(qū)使用的土料均能滿足設計要求。各土料物理力學參數(shù)建議值見表4。

表4 土料物理力學參數(shù)建議值

4 結 語

(1)英布魯壩基軟弱砂巖屬成巖程度很低的極軟巖,易擾動的特性非常顯著,但同時又具有脆性和彈性變形等特性,屬孔隙-層面節(jié)理巖體介質。巖體具有高孔隙率、低密度和低抗壓強度的特征,透水性較強并且抗?jié)B變能力較低,但具有相對較高的抗剪強度、較高的承載力和抗變形能力,合理利用可滿足工程要求。

(2)強透水性及其可能發(fā)生的滲透變形破壞,是在該類地基上修建當?shù)夭牧蠅涡枰鉀Q的最關鍵工程地質問題。垂直防滲對于壩基滲流蹬影響很小,關鍵在于加強壩基上游水平防滲,同時考慮不設置垂直防滲并取消下游排水的方案。

(3)為降低工程造價及雨季施工難度,通過對當?shù)夭牧系脑囼炑芯?將土壩二分區(qū)結構改為三分區(qū)結構,又將三分區(qū)結構進一步優(yōu)化成 “四分區(qū)”結構。