沅水桃源水電站壩基巖體質量控制與分析

■曾俊才

（中南勘測設計研究院　湖南　長沙　410014）

沅水桃源水電站壩基巖體質量控制與分析

■曾俊才

（中南勘測設計研究院湖南長沙410014）

壩基巖性為主要為泥巖、粉砂質泥巖、粉砂巖并夾有少量石膏薄層。工程地質條件一般，經過壩基開挖，主要工程地質問題均已揭露；開挖過程中根據揭露的工程地質條件，通過對閘壩基礎巖體采取了一系列的巖體質量控制及處理措施，保證了建基巖體質量滿足設計要求。

壩基巖體質量控制聲波檢測工程處理

1　前言

桃源水電站為低水頭徑流式電站，位于湖南省常德市桃源縣城附近的沅水干流上，是沅水干流最末一個水電開發梯級，壩址位于桃源縣城，上接凌津灘水電站尾水，上游距凌津灘水電站約38km，為一槽蓄型水庫。本工程開發任務以發電為主，兼顧航運、旅游等綜合利用。水庫正常蓄水位39.50m，相應庫容1.28億m3，電站裝機180MW，多年平均發電量為7.93億KW·h，本樞紐工程等級為二等，工程規模為大(2)型，樞紐主要由泄洪閘、土石副壩、電站廠房、船閘等建筑物組成，樞紐布置從左至右依次布置左岸接頭土石壩段、左槽14孔泄洪閘、雙洲土石副壩、船閘、電站廠房、右槽11孔泄洪閘、右岸接頭土石壩段，壩頂總長1286m，本文以右槽11孔泄洪閘壩基礎1#～12#壩段開挖巖體為例進行論述。

2　壩基巖體質量控制與分析

2.1建基面驗收標準

綜合現有大壩設計技術要求，對于建基巖體的利用和開挖后的驗收可歸結為對工程巖體質量的要求，即巖體應具有足夠的承載力、較高的變形模量和較好的抗滲性，建基巖體質量應能滿足作為建筑物基礎的要求，或者經過固結灌漿等改良措施后達到質量要求。

針對第一系紅層巖體的物理力學性狀及開挖措施，為防止巖體開挖暴露后的風化、遇水崩解軟化作用，建基面地質驗收標準為：

（1）建基面巖體應為弱風化以下巖體；

（2）表面無浮土、虛渣、松動塊體和干縮崩解層及泥質；

（3）無失水干縮裂縫或浸水軟化現象；

（4）巖石含水量為天然狀態，即含水量不大于10%；

（5）聲波速度應大于2200m/s；

（6）建基面沿層面發育零星分布的薄層石膏應清除干凈

（7）避免斜坡梯度的明顯變化，避免有反坡面、直立或近直立的巖石表面。

2.2巖體質量分析

壩（閘）基礎泥巖、粉砂質泥巖其力學強度、結構面發育情況及風化特性等甚為相近，同等風化狀態下巖體基本質量無明顯差異，粉砂質泥巖與泥巖視為一種均質巖體。

依據GB50218-94《工程巖體分級標準》，結合前期勘探資料、巖石室內試驗成果及施工地質編錄成果、聲波測試成果等對壩（閘）基巖體基本質量進行分析論述。

施工階段主要進行的是聲波檢測，并對右槽泄洪閘壩7#～11#段取得完整的聲波檢測資料，這些資料可以代表右槽泄洪閘1#～12#壩段的實際情況，依據聲波資料進行分析如下：

現場檢測獲得的資料主要為巖體波速值 (建基面下深度5m范圍），為了利用多參數評價建基面巖體的質量，引入巖體完整性系數(Kv)、裂隙系數（LS）、風化系數（β）來評價建基面巖體的完整性和風化程度。

巖體完整性系數(Kv)：Kv＝(Vpm/Vpr)2

式中Vpm為巖體聲波速度，Vpr為巖石聲波速度

裂隙系數（LS）：是表征巖體裂隙發育程度的系數，可表示為：

式中VPr為無裂隙完整巖石的聲波速度，VPm為有裂隙巖體的聲波速度

根據巖體完整性系數和風化系數可將巖體分為二級。

其中：Vp新為新鮮巖體的聲波速度，根據風化系數可將巖體分為四級。

根據初設階段實測資料，認為其最大值(取加權平均值)可代表本區完整巖體的波速Vp，因此在計算完整性系數Kv時，聲波速度Vp取2800m/s，新鮮巖體的聲波速度Vp新取3500m/s。

由于受結構面發育，爆破層含水程度的影響，整個建基面巖體聲波波速度變化區間較大，一般為2226～2950m/s，極少數裂隙、松動(爆破影響)的區段波速低于2200m/s。一般完整巖體聲波波速值高，爆破破壞或巖體結構面的增多或巖體加劇，均會使巖體聲波速度降低，聲波速度較低部位測試結束后已作相應處理。

利用波速對巖體強度參數評價，按照壩基巖體風化對應的波速劃分巖體的類型基本為Ⅳ類，為此根據給定的選擇值建立的fg～Vp、cg～Vp、f～Vp、c～Vp的相關方程分別為：

f=0.23Vp+0.04796（r=0.993）

c=0.46Vp-0.86（r=0.997）

fg=0.2286Vp+0.0353（r=0.998）

cg=0.3591Vp-0.61（r=0.993）

上式中：f為巖體抗剪斷摩擦系數；c巖體抗剪斷內聚力（Mpa）；fg為混凝土與巖石抗剪斷摩擦系數；cg為混凝土與巖石抗剪斷內聚力（Mpa）；Vp為巖體波速（m/s）；r為相關系數。

將壩基巖體平均波速2.613km/s代入上面的各公式中，其對應的強度參數為：

f=0.66、c=0.34、fg=0.63、cg=0.33

上述結果表明，參數強度高于建議值，本工程設計采用0.40～0.5Mpa的承載力仍有一定的安全裕度。

根據初步確定聲波波速評價建基面巖體質量、風化程度及完整性：右槽泄洪閘壩段聲波平均值介于2554～2735 m/s，為弱風化巖體，Kv平均值范圍值為0.7～0.8，巖體較完整～完整，巖體基本質量指標（BQ值）平均值為289～310，巖體質量為Ⅳ1～Ⅳ2類，總體上聲波波速特征應是Ⅳ1類巖體高于Ⅳ2類巖體，但由于受結構面、風化程度、爆破等綜合影響，局部波速偏低；開挖完成后對建基面巖體進行聲波測試，結果表明平均聲波速度2613m/s。

綜上所述，聲波測試及其最終成果表明，壩基依托的巖體其Vp值均能保證在2200m/s以上，就其力學屬性上應屬于Ⅳ類工程巖體，局部囊狀風化以及爆破影響嚴重部位根據實際情況進行了處理，即現在開挖形成的建基面是能夠滿足大壩的建壩需求；由此可見，借助聲波檢測獲得的波速資料，結合現場地質編錄成果來評價建基面巖體的質量，從而為建基面的驗收提供科學依據，一期工程建基巖體的檢測成果證明上述方法是可行的、有效的。

3　工程地質問題處理及評價

主要工程地質問題：壩基軟化變形、抗滑穩定、滲透變形。

閘壩基礎巖性為下第三系（E1）泥巖、粉砂質泥巖，少量粉砂巖，為內陸湖相碎屑巖沉積，由于其古地理環境的不穩定性，巖性巖相變化大，在這些巖層中，對閘壩基起控制作用的為泥巖、粉砂質泥巖、粉砂巖，成巖作用差，波速低，巖性軟弱，不均一，屬其軟弱類巖石，巖石的孔隙率大，為16%左右，天然容重與干容重差值也較大，力學強度低，泥巖類黏粒含量高，其脹縮性為弱～中等，天然狀態下弱風化泥巖、粉砂質泥巖濕抗壓強度為3Mpa～8Mpa，巖體縱波速度為2200～2800m/s，弱風化粉砂泥巖濕抗壓強度為6Mpa～10 Mpa，巖體縱波速度為2800～3200 m/s，變形模量為1GPa～3GPa，巖體質量分級為Ⅳ1～Ⅳ2類；由于泥巖具有遇水軟化、失水干裂和膨脹性的特性，施工過程中，如保護不及時或措施不當，巖體將很快產生風化和軟化，從而降底巖體強度而導致承載力不足，在工程荷載作用下，軟化的泥巖會產生大的變形和壓致破壞，從而影響建筑物基礎穩定。

建基面基礎要求置于弱風化以上巖體，開挖后建基巖體多為弱風化巖體，極少量微風化巖體，聲波速度大于2200m/s，對干縮松動或浸水軟化的巖體進行了徹底清除，局部強風化的囊狀風化體或槽形風化體采取深挖回填混凝土措施，保證了巖體強度達到弱風化以上巖體的強度，通過采取抽排、堵水措施，防止基坑積水或基礎浸水影響，使建基巖體基本上保持了天然含水狀態；氣溫變化將影響泥巖的風化及變形，經驗收達到建基面要求時，及時進行了混凝土澆筑覆蓋。

閘壩基持力層中未發現有泥化夾層的連續軟弱結構面，雖NW向節理較發育，雖延伸長，多閉合或微張，或充填石膏，膠結好，且為陡傾角，局部少量發育的緩傾解節理，延伸短且連續性差，附泥膜或充填石膏，經分析壩段巖體中無不利組合結構體或形成潛在貫穿性的軟弱結構面，影響抗滑穩定主要來自于混凝土與巖體接觸面，由于泥巖本身抗剪強度低，混凝土與泥巖接觸面有可能發生泥化從而影響抗滑穩定性，通過進行鋼筋錨固并固結灌漿處理措施，能滿足設計抗滑穩定要求。

控制壩基軟巖滲漏條件為粉砂巖中構造裂隙與泥巖中含易溶巖的化學溶蝕，當石膏層遭受溶蝕后形成孔隙或空洞與構造裂隙相連形成滲漏通道，增加透水性；壩基巖體基本處于小于5Lu的滲漏水平級，采取防滲處理后，壩基巖體基本上不存在滲漏問題。

4　結論

由于壩基軟巖的存在，給桃源水電站工程的建設帶來了一定的困難，在施工過程中，針對樞紐壩基軟巖的特點，采取了預留保護層、限制爆破、限時保護層開挖、基坑排水等措施，盡量減少對基巖的擾動破壞，使之保持天然狀態，通過聲波檢測評價巖體質量，為壩基驗收提供科學依據，在壩基軟巖的處理方面，取得了比較好的效果，保證了工程質量。

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TV74[文獻碼]B

1000-405X（2016）-9-495-2