落久水利樞紐工程副壩斷層勘察及壩基處理

彭成居

（廣西水利電力勘測設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，南寧 530023）

1 工程概況

落久水利樞紐工程位于融水縣城北東約8.0 km的貝江河谷上，是一座以防洪為主，兼顧灌溉、供水、發(fā)電及航運為一體的綜合性水利樞紐工程，為貝江干流規(guī)劃七級開發(fā)方案的第六個梯級。水庫正常蓄水位為153.5 m，防洪水位161.0 m，校核洪水位161.13 m，總庫容3.46 億m3，屬大（2）型水庫，工程等級為Ⅱ等，主要建筑物有主壩、副壩、電站廠房及灌溉供水建筑物等。

落久水利樞紐工程副壩位于庫區(qū)中下游右岸欖口以南的溝谷地帶地表分水嶺處，為擋水重力壩，壩頂高程為161.8 m，壩頂長117 m，壩頂寬5.0 m，最大壩高15.8 m，分為7 個壩段。副壩壩址區(qū)工程地質(zhì)條件復(fù)雜[1]，壩址位于江門復(fù)式向斜落久次一級向斜的西翼上，巖性從左到右主要發(fā)育有寒武系清溪組頁巖、炭質(zhì)頁巖夾極薄層狀砂巖、中厚層狀灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r夾薄層狀炭質(zhì)泥巖，震旦系中統(tǒng)富祿組絹云千枚巖，鈣質(zhì)板巖夾砂巖。巖性種類較多，巖層產(chǎn)狀走向大致為NE30°～40°，傾向北西，屬地層倒轉(zhuǎn)現(xiàn)象，傾角30°～55°。資料顯示[2]，區(qū)域性大斷層拉馬-龍美斷裂從副壩穿過，斷層編號F4。該斷裂展布于拉馬、小榮、永樂、龍美一帶，斷裂走向NNE20°，傾向NW 或SEE，傾角35°～65°。F4斷層在副壩壩址區(qū)走向NE15°～25°，傾向NW，傾角65°～80°。

2 斷層的綜合地質(zhì)勘察與評價

由于副壩壩址存在區(qū)域大斷層，巖體較為破碎，對重力壩的修建影響很大，因此，在前期勘察工作中，為了更加準(zhǔn)確細(xì)致地查清區(qū)域大斷層的發(fā)育位置及斷層破碎帶的工程地質(zhì)性質(zhì)，采用了“先全面再勘探驗證”的勘察思路，通過工程地質(zhì)測繪、物探、鉆探等多種勘察手段相結(jié)合，針對性地查明區(qū)域大斷裂的位置、寬度、工程地質(zhì)性質(zhì)等影響副壩穩(wěn)定的關(guān)鍵因素。

首先運用工程地質(zhì)測繪和物探手段，查明區(qū)域大斷裂在壩基的位置及寬度，然后采用鉆探和現(xiàn)場原位試驗對斷層的性質(zhì)進行了勘察，結(jié)合室內(nèi)試驗獲取斷層破碎帶的物理力學(xué)參數(shù)，為后續(xù)壩基處理提供可靠的參考依據(jù)。

2.1 工程地質(zhì)測繪

首先，結(jié)合前期勘察資料，對工程區(qū)進行了測繪，尤其對斷層破碎帶開展了詳細(xì)的工程地質(zhì)測繪工作，以了解工程區(qū)整體地質(zhì)情況。工程地質(zhì)測繪發(fā)現(xiàn)，工程區(qū)左岸出露泥質(zhì)灰?guī)r、硅質(zhì)泥巖、炭質(zhì)頁巖，右岸地層巖性為千枚巖，且兩岸地層產(chǎn)狀差異明顯，溝谷坡腳位置零星出露斷層角礫巖，膠結(jié)良好。經(jīng)查閱區(qū)域地質(zhì)資料復(fù)核后，確定該位置存在區(qū)域斷層，并初步了解了斷層存在的位置。

2.2 物探成果分析

為查明斷層的具體位置及發(fā)育寬度，在垂直于斷層走向上布置了“FW1～FW4”4條高密度電法剖面。各剖面根據(jù)對應(yīng)的視電阻率等值線圖成果分析如下：

2.2.1 FW1～FW1＇剖面

FW1～FW1＇剖面長569 m，在副壩軸線上游約260 m 處平行軸線布置，與FW2～FW2＇剖面相交于148 m處，視電阻率等值線如圖1所示。由圖1可得，在剖面285～318 m 處存在異常FW1（Y1），電性特征是等值線呈陡坎狀往下深切，視電阻率橫向梯度變化明顯，存在電性差異，推測此處為斷層破碎帶或巖性分界線。

圖1 FW1～FW1＇剖面視電阻率等值線

2.2.2 FW2～FW2＇剖面

FW2～FW2＇剖面長為535 m，在副壩軸線上游約195 m 處布置，與FW1～FW1＇剖面相交于144 m 處，視電阻率等值線如圖2 所示。由圖2 可得，在剖面260～292 m 處存在異常FW2（Y1），電性特征是等值線呈陡坎狀往下深切，從淺部至深部帶狀范圍內(nèi)，從小號至大號等值線逐漸起伏變化較明顯，異常帶范圍內(nèi)視電阻率縱向梯度變化明顯，存在電性差異，推測此處異常是斷層破碎帶或巖性分界線的反映。

圖2 FW2～FW2＇剖面視電阻率等值線

2.2.3 FW3～FW3＇剖面

FW3～FW3＇剖面長為546 m，在副壩軸線上游約45 m處大致平行軸線布置，視電阻率等值線如圖3 所示。由圖3 可得，在剖面270～298 m 處存在異常FW3（Y1），電性特征是等值線似陡坎狀向小號方向往下深切，從淺部至深部帶狀范圍內(nèi)，從小號至大號等值線逐漸起伏變化較明顯，異常帶范圍內(nèi)視電阻率縱向梯度變化明顯，存在電性差異，推測此處為斷層破碎帶或巖性分界線。

2.2.4 FW4～FW4＇剖面

FW4～FW4＇剖面長為525 m，在副壩軸線上游約55 m處大致平行軸線布置，視電阻率等值線如圖4 所示。由圖4 可得，在剖面251～278 m 處存在異常FW4（Y1），電性特征是等值線似陡坎狀向小號方向往下深切，從淺部至深部帶狀范圍內(nèi)，從小號至大號等值線逐漸起伏變化較明顯，視電阻率縱向梯度變化明顯，存在電性差異，推測此處異常是斷層破碎帶或巖性分界線的反映。

圖4 FW4～FW4＇剖面視電阻率等值線

綜合以上物探成果分析可知，落久水利樞紐工程欖口副壩存在斷層破碎帶，其位置可由物探成果所得的FW1（Y1）、FW2（Y1）、FW3（Y1）、FW4（Y1）4 處視電阻率異常區(qū)確定，近南北向發(fā)育，由右岸傾向左岸。

2.3 鉆探成果分析

為復(fù)核物探所揭示的斷層破碎帶位置，進一步查明副壩壩基斷層破碎帶的性狀及透水性，針對性地布置鉆孔開展進一步的勘察及原位試驗。鉆探成果顯示，斷層內(nèi)部硅化帶寬約4 m，劈理化帶寬約9 m，物質(zhì)組成為灰黑色泥質(zhì)與硅化物質(zhì)的混合，泥質(zhì)劈理有定向性。根據(jù)斷層相關(guān)節(jié)理及劈理、透鏡體發(fā)育情況判斷此斷層為逆斷層。此外，在左岸發(fā)育一分支斷層F4-1，主要表現(xiàn)為巖體具有明顯擠壓破碎現(xiàn)象，常見有構(gòu)造擦痕和錯動面，破碎帶成份以泥巖、砂巖為主，膠結(jié)較緊密。壩軸線處斷層破碎帶與壩體位置關(guān)系如圖5所示[1]。

圖5 斷層破碎帶與壩體位置關(guān)系

依據(jù)物探及前期勘探成果，基本確定F4斷層穿過6＃壩塊和7＃壩塊刺墻段下方壩基，位于F4斷層之上的ZK32和ZK33鉆孔揭露地質(zhì)情況顯示，巖芯呈巖粉狀或礫砂狀，為灰黑色泥質(zhì)與硅化物質(zhì)混合體，重力觸探擊數(shù)17～59 擊，一般貫入20～60 cm，就會發(fā)生觸探反彈。實測平均錘擊數(shù)39.1擊，校正擊數(shù)25擊。查表可知，斷層破碎帶F4承載力特征值fak為680 kPa，變形模量E0為52 MPa。ZK33 孔對F4斷層做了多段注水試驗，滲透系數(shù)K為（0.7～1.0）×10-4cm/s，為弱透水層。

根據(jù)ZK1 鉆孔資料，F(xiàn)4-1斷層穿過1＃壩塊壩基下方，斷層破碎帶由斷層角礫巖、壓碎巖、透鏡體組成，泥質(zhì)膠結(jié)，膠結(jié)較為緊密。現(xiàn)場增加ZK23鉆孔對F4-1斷層地質(zhì)情況進行補充勘察，結(jié)果顯示，巖芯多為顆粒狀，粒徑常為0.3～1 cm，少量為粉砂和碎塊狀，機械擾動后巖芯易散，天然狀態(tài)下較密實。鉆進期間孔口回水正常，終孔水位平孔口，且長時間未見明顯下降，表明斷層破碎帶膠結(jié)較緊密，滲透性微弱。重力觸探試驗實測斷層破碎帶平均錘擊數(shù)大于50擊，校正擊數(shù)30.5擊，查表可知，斷層破碎帶F4-1承載力特征值fak為740 kPa，黏聚力c為22 kPa，內(nèi)摩擦角φ為34°，變形模量E0為59 MPa。

綜合來看，該斷層規(guī)模較大，屬逆斷層，后期活動性不明顯。受斷層地質(zhì)構(gòu)造影響，壩基處巖體風(fēng)化較深。

3 施工階段壩基地質(zhì)條件揭露情況及處理措施

副壩施工階段壩基開挖揭露的地層巖性與前期勘察成果基本一致，但由于受F4-1和F4斷層影響，河床壩段壩基巖體完整性較勘察成果稍差。地質(zhì)人員根據(jù)施工開挖揭露情況，對壩基參數(shù)進行了適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，并提出施工過程中需對全段壩基進行了帷幕灌漿和固結(jié)灌漿處理，對建基面斷層與軟弱夾層、破碎帶進行了采取槽挖深挖處理的措施[3]。

左岸1#壩段斜坡段為弱風(fēng)化灰?guī)r夾薄層狀炭質(zhì)泥巖，中硬巖，巖體工程地質(zhì)分類屬BⅣ類；1#壩段水平段樁號0+014 之前為硅質(zhì)巖，樁號0+014 之后為F4-1斷層角礫巖，膠結(jié)緊密，巖體工程地質(zhì)分類屬Ⅴ類。經(jīng)處理后建基面地基強度滿足設(shè)計要求。

2#壩段建基面為F4-1斷層破碎帶，巖性為斷層角礫巖，巖體破碎。3#壩段為F4-1斷層影響帶灰?guī)r碎塊石夾黏土，巖體破碎，兩壩塊巖體工程地質(zhì)分類均屬Ⅴ類。根據(jù)壩基開挖地質(zhì)情況，對2#壩段和3#壩段壩基采取下挖2 m 鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)、換填C15 混凝土來對壩基進行處理。經(jīng)處理后建基面力學(xué)強度滿足設(shè)計要求。

4#、5#壩段巖體受F4-1和F4斷層影響，巖體較破碎，巖體工程地質(zhì)分類屬BⅣ類，經(jīng)處理后建基面地基強度滿足設(shè)計要求。

6#壩段位于河床部位，巖性為F4斷層角礫巖，巖體破碎，巖體工程地質(zhì)分類屬Ⅴ類，根據(jù)開挖情況，樁號壩0+087.5～壩0+097.5溶槽發(fā)育，溶槽內(nèi)充填塊石和灰黃色黏土，采用挖槽回填混凝土，鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)。經(jīng)處理后建基面力學(xué)強度滿足設(shè)計要求。

右岸7#壩段斜坡段為全～強風(fēng)化云母千枚巖，受F4斷層影響，巖體較破碎，巖體工程地質(zhì)分類屬Ⅴ類，經(jīng)處理后建基面地基強度滿足設(shè)計要求。

4 處理后工程運行情況

工程施工過程中按要求對壩基進行了處理。工程自2020年10月下閘蓄水至今未出現(xiàn)過異常情況，對副壩在運行過程中進行監(jiān)測，結(jié)果表明：壩體在沉降、位移及滲漏方面均未出現(xiàn)異常情況，尤其是壩基斷層破碎帶位置，未出現(xiàn)變形較大的情況，壩基經(jīng)工程處理后，工程地質(zhì)條件得到了明顯改善。

5 結(jié)語

落久水利樞紐工程副壩發(fā)育有區(qū)域性斷層，且壩址兩側(cè)巖性復(fù)雜，斷層位置及影響帶巖體破碎，壩基受此影響工程地質(zhì)條件十分復(fù)雜。勘察時采用物探手段查明了壩址斷層破碎帶的位置和范圍，然后通過鉆探手段查清了斷層破碎帶的性質(zhì)，為設(shè)計提供了計算參數(shù)。

施工揭露斷層破碎帶較原勘察成果影響大，施工地質(zhì)根據(jù)開挖揭露成果，采用槽挖、深挖，鋼筋網(wǎng)及回填混凝土等處理措施，有效地消除了由于斷層破碎帶的范圍擴大對壩基存在的安全隱患，同時設(shè)計根據(jù)施工地質(zhì)參數(shù)對大壩穩(wěn)定進行復(fù)核，滿足設(shè)計要求。