俄罗斯下结雅水电站的工程地质条件分析

[俄罗斯]C.A.伊瓦年科娃 Ю.С.科马洛夫

赵秋云 编译自俄刊《水工建设》2009年第4期

拟建的下结雅 (Hижнезейский)水利枢纽将建在结雅(Зея)河的中游,而结雅水电站位于上游,后者于1983年建成。在2007～2008年,为了对下结雅水利枢纽的设计方案进行经济技术论证(ТЭО),开展了一系列综合性的地质调查工作。

下结雅水利枢纽建筑物位于俄罗斯阿穆尔州(Amypcкaя)的马扎诺夫 (Мазановский)区 。目前水电站坝址所在地区的路况不佳,为泥土路。下结雅水电站坝址布置情况示于图1。

图1 下结雅水电站坝址示意

水利枢纽坝址处距结雅河河口290.2 km,在谢列姆贾(Селемджи)河河口上游2.5 km处,在右岸支流——奥泽尔纳亚帕季 (ОзернаяПадь)河下游225 m处。在该水利枢纽坝址处,结雅河河谷为槽型、且为不对称的断面,相对于右边河谷来说,其左边比较陡峭。河谷两侧的高度为50～60m,分水岭高程为200～210m。坝址处的河谷底部宽度为 850m,在正常蓄水位187m的高程处,宽度为1650m,见图2。

图2 河口地区的结雅河河谷

1 工程地质条件

在地质条件方面,下结雅水利枢纽及其附属建筑物的工程所在地位于布列亚 (Буреинский)阿穆尔 -马门 (Aмуро-Мамынский)花岗岩岩体的隆起体地带,而在其南部,为早古生代岩浆的侵入体——花岗岩和花岗闪长岩,其上面覆盖着晚第三系 -第四系的松散堆积物。在结雅河河谷的底部及河谷的两侧,发育着第四系冲积层:河谷底部是河床沉积层;沿右岸侧,是河滩沉积物和Ⅰ期河漫滩阶地沉积物;在左岸,是Ⅲ期和Ⅳ期河漫滩阶地沉积物;在右岸,即坝址下游的谷坡上,是Ⅱ期河漫滩阶地沉积物。在分水岭地带,岩浆的侵入体上面覆盖着白垩系的更新统 -第四系沉积层。结雅河河谷的边缘上,覆盖着残积 -坡积层。

河床沉积层中的成分主要为含15%～30%左右砂石的卵石土;河滩沉积层中的成分主要为含约35%的砂壤土和亚粘土砾石土,以及含约 35%的亚粘土石的砂砾石土。河床沉积层的厚度为1.5～4.0m,河滩沉积层的厚度为6.0～11.0m。

厚度为8.0～15.0m的Ⅰ期河漫滩阶地沉积层的主要成分为:在断面的上部,是质地由坚硬到松软的亚粘土、砂壤土,以及质地由粉沙状到细沙状的砂土;在断面的下部,是含有20%～30%砂石成分的卵石土,以及夹杂有砂壤与砂质混合成分的砾石土。

厚度为3.0～6.7m的Ⅱ期河漫滩阶地沉积层,是在该枢纽基础开挖中发现的,其主要成分为砂质粘土、砾砂,以及夹杂有砂石和砂壤土混合成分的砾石土和卵石土。冲积层位于坡积层的下面。

厚度为1.5～3.5m的Ⅲ期河漫滩阶地沉积层,是在该枢纽坝址处的左岸被开挖出来的,其主要成分为亚粘土、中等粒径的砂土以及砾砂。

厚度为7.0～15.0m的Ⅳ期河漫滩阶地沉积层,其主要成分为夹杂有细砂和砾石的砂土、夹杂有砂土的卵石砾石土,以及含量占 35%的亚粘土。

坡积层在坡地上较为发育,其成分主要为亚粘土、砂壤土、容易散碎的亚粘土和砂壤土、碎石状亚粘土以及中等粒径的砂土。坡积层的厚度大约是1.0～5.0m。

Ⅰ期和Ⅱ期河漫滩阶地表面的绝大部分已经变成了沼泽地。在这些沼泽地区段,同样也会碰到其他一些地形要素。泥炭的厚度平均可达1.0m,局部地段甚至会更厚。泥炭已呈中度风化。

上述所有的沉积层主要是覆盖于残积层上。除了部分区段以外,残积层无论是按其面积、还是按其埋藏深度来说都不固定,经常在变化。在结雅河河床范围内,残积层的厚度由几米至10.0～15.0m不等,在坝肩处,其厚度为2.0～5.0m,而在某些区段,厚度可达9.0～11.0m。

下结雅水电站工程施工段属于多年冻结岩层岛状发育地区。通过在结雅河河滩地和岸坡上的钻孔中进行的观测表明:无论是坚硬的岩石还是疏松的岩石,基本上都是处于融解状态,而且其温度都在零度以上,仅有较少的岛状冻结岩层(有可能是隔年层),表现为:

(1)在右岸Ⅰ期河漫滩阶地范围内,在布置水电站泄水建筑物的地段,该冻结岩层主要是位于沼泽沉积岩层的下面。7月至 8月初,冻结岩层的发育深度为0.8～3.0m,11月至12月,其发育深度可达5.2～7.0m。

(2)在结雅河河谷的右岸岸坡,在布置生产基地的地段,该冻结岩层一般是位于Ⅰ期和Ⅱ期河漫滩阶地发育段的沼泽沉积岩层下面。3月,其温度通常在零度以下,且埋藏深度为0.9～9.1m,局部地段的埋藏深度可达10.0m以上;7月,其埋藏深度为1.0～4.2 m。夏季冻结岩层的厚度通常为1.5～5.3m,冬季通常为7.3～8.2m,局部会达到9.1 m以上。

在Ⅰ期河漫滩阶地范围内发育的含有各种碎屑成分的亚粘土和砂壤土、细砂、粉沙,以及山体岩系中的细砂和粉沙,都具有较小的密度、较低的强度和很高的压缩性的特性。各种成因形成的砾石土、卵石土和碎石土则都具有较高的密度和强度以及较低的压缩性的特性。

所有松散沉积层都覆盖于基岩之上,这些基岩均为花岗岩和花岗闪长岩,它们被后期侵入的闪长岩、花岗岩和花岗闪长岩岩脉所分隔。

2 构造断层系类别

根据在该水利枢纽所在区域开展的工程地质调查和地球物理勘探工作获取的资料,可以将下结雅水电站所在地区的地质构造划分为以下 4个构造断层系:

(1)北东向断层;

(2)北西向断层;

(3)次经度线向断层;

(4)次纬度线向断层。

在水利枢纽所在区域,最大的构造断层系是第4个构造断层系,还包括:

(1)次经度线向断层构造带位于大坝左坝段与岸坡的连接地段的Ⅲ期河漫滩阶地沉积层的下面,与大坝轴线相交成55°角。较密集裂隙带的宽度为10.0～15.0m。

(2)北西向断层的构造带的宽度为20.0～30.0m,位于大坝河床部分的下面,与大坝轴线相交成70°～80°角。

其他一些构造裂隙主要都集中在所研究的区段上,均属于细小的断裂,且属于Ⅴ ～Ⅷ级裂隙。

3 岩体区段的划分

在岩体近表层部分,外力作用状况较好,为物理风化和岩体卸荷。在完成了上述分析研究的基础上,可以将垂直断面的岩体划分为以下几个区段:

(1)残积岩(强风化岩)区段(0);

(2)风化区段(Ⅰ);

(3)花岗岩、花岗闪长岩和脉岩体与其周边接触带的卸荷区段(Ⅱ);

(4)岩体相对来说完好,没有发生扰动的区段(Ⅲ);

(5)下部卸荷区的构造断裂影响区段。

在残积岩区段中,岩体的裂隙发育平均非常强;在风化区段中为强裂隙;在卸荷区段中为中等裂隙;在岩体相对来说完好的区段中为弱裂隙。

岩体的垂直分带沿深度方向并不是稳定不变的,它取决于岩石的裂隙发育程度和岩石构造断裂程度等各种因素。

残积岩区段的厚度在几十厘米至2.0～5.0m之间变化;沿构造断裂方向,厚度在几十厘米至8.0～10.0m之间变化;风化区段的厚度在5.0～10.0m之间变化;卸荷区段的厚度在10.0～20.0m之间变化,而沿构造带以及沿矿脉层的厚度则达30.0m及以上。相对来说,完好的岩体通常是埋藏在距地表平均深度为25.0～30.0m处,只有个别地段(沿构造带和脉岩体)的岩体是埋藏在40.0～50.0m的深处。

位于各划分区段的岩体的渗透性是各不相同的:

(1)在残积岩区、风化区以及卸荷区的部分区段,其渗透性是由强渗透性到弱渗透性;

(2)在卸荷区和岩体完好的区域,以及在(岩体保存完好范围内的)构造断裂影响区域,岩石的渗透性是由一般渗透性到弱渗透性。

在裂隙发育程度相同的区域,岩体的渗透性相当分散,这是因为在某些区段的岩体裂隙中有粘质填料存在。一般来说,残积岩区的花岗岩类的岩体具有强渗透性;风化区的岩体具有一般渗透性;卸荷区、岩体完好区和(完好岩体内的)构造断裂影响区则具有弱渗透性。应当指出的是,位于卸荷区域的脉岩体具有一般渗透性。

除了残积花岗岩类以外,花岗岩和花岗岩类都属于坚硬的和非常坚硬的、不可柔化的以及密实度相当大的岩石。在侵入火成岩较发育地区所做的试验表明,岩体中的强度和变形程度很少是取决于其组成,而是在很大程度上取决于岩体的风化程度、裂隙度以及构造断裂发育程度。因此,用于花岗岩类的抗剪强度指标和变形系数必须与所划分的区域及岩体的完整度相一致。

在下结雅水利枢纽施工地段,可以划分为2类含水层系:

(1)对应于松散沉积物的孔隙水层系;

(2)对应于第四纪前的坚硬岩石裂隙区域的裂隙水层系。

这2个含水层系相互之间存在着水力学上的联系,且都具有同一个地下水潜水面。地下水主要是无压水。地下水补给主要来源于大气降水的渗漏和融雪。

在地下水中,重碳酸盐水、钙酸钠或混合阳离子成分、淡水占大多数。与含有侵蚀性的二氧化碳成分的相比,渗透到 W4标号混凝土中的地下水具有中等侵蚀性,在循环浸润的情况下,会对钢筋混凝土结构形成弱侵蚀。土的季节性冻结的正常深度是2.5～3.5m。

4 结 语

在上述分析研究的基础上,可以得出以下结论。

(1)在土的自然状态下(在2007年 9月开展地震学研究工作期间),按照地震烈度等级表(MSK),所研究地段的主要部分具有以下地震烈度值:①在最大计算地震(МРЗ)的条件下,为7度和 8度;②在设计地震(ПЗ)的条件下,为 6度和7度。

在所研究地段的东南部,结雅河的右岸,在最大计算地震条件下,可以将其划分为可能的 9度(设计地震条件下的 8度)区域。这大概与此处分布着大量的沼泽沉积物(其地震性质更恶劣)以及地下水的水位较高有着密切的关系。

(2)为了改善建筑物基础的抗震条件,在设计水利枢纽时,对主要建筑物周边,尤其是对于在发生最大设计震级的情况下,根据详细划分地震区域(СМР)图,对可能出现 8度和 9度地震烈度区域内的松土和弱疏松土的处理问题进行了认真研究,并研制了适宜的处理措施。

总的来说,下结雅水电站坝址处的工程地质条件良好,适宜于修建水利枢纽工程。