某水电站坝基碎裂岩工程性状及处理措施

邓争荣，吴树良，闵 文，雷世兵，杨友刚

(长江勘测规划设计研究院长江岩土工程总公司，武汉 430010)

1 研究背景

碎裂岩是地质历史时期形成的一种脆性构造岩［1］，其工程性状会受所处不同的地质环境影响而表现出差异。随工程规模的不同，对其相应利用的要求标准也不同。

某峡谷区拟建水电站最大坝高为200 m余，为碾压混凝土重力坝。坝址发育有区域性断裂，不属于活动断裂，宽度为85～144 m，穿越大坝坝基部位，从工程地质的实际意义出发，将其划分为碎裂岩带和软弱构造岩带［2］。其中:碎裂岩带约占区域性断裂宽度的97.3%;将软弱构造岩带视为 F41，F42断层，为由构造岩在地质作用下经软化及部分泥化形成的泥化物(或夹碎石)组成的泥化带，各自宽度小于4 m。

碎裂岩带岩体与区域性断裂带两侧岩体性状差别明显，其微新状岩体比区域性断裂带两侧微新状岩体岩石饱和单轴抗压强度平均值低60～68 MPa，相差较大，为了提供该水电站工程设计所需的工程地质资料，查明其工程性状成为该水电站工程勘察论证的重点研究内容之一，同时，为了满足工程大坝建基要求，需研究对应的处理措施，其成果可供其它工程类似断层碎裂岩性状研究时参考。

2 工程地质概况

某水电站由挡水建筑物、泄水建筑物、引水发电系统等主要建筑物组成，属Ⅰ等大(1)型水电站工程。其中，挡水、泄水建筑物布置于主河床，设计为碾压混凝土重力坝，拟正常蓄水位高出河床枯水位150 m余，坝顶高出正常蓄水位8.0 m，设计最大坝高200 m余。

水电站所在地区属于构造剥蚀中低山地貌区，山脉主要呈近南北向延伸，地势总体上具有北高南低、东高西低的特点。主干河流自北向南流经区内，河谷呈较开阔“V”字形，为峡谷区，河床地面高程为229～249 m，两岸山体高耸，冲沟较为发育。区内临江山顶高程为1 000～1 500 m。

区内地表大部分覆盖第四系残坡积层，由黏土夹母岩风化碎屑或碎石组成，厚度一般为3～25 m，下伏基岩主要为中上元古界(Pt2－3)结晶变质杂岩，仅局部出露。左岸基岩主要为斑状变晶花岗片麻岩，局部为片岩(呈带状)和断裂构造岩;右岸基岩主要为花岗片麻岩。河床上覆第四系冲积层，由上部粉细砂—中细砂和下部砂砾卵石夹含漂石组成，厚度一般为11～50 m;下伏基岩为花岗片麻岩，局部为断裂构造岩。

该地区在大地构造上处于冈底斯－念青唐古拉褶皱系(Ⅱ)伯舒拉岭－高黎贡山褶皱带(Ⅱ2)中的铜壁关褶皱束(Ⅱ32)。出露基岩片麻理或片理走向355°～15°，以主干河流河床左侧近岸为界，左岸倾向近E，倾角65°～75°;河床及右岸倾向近W，倾角70°～80°。断层和裂隙是地区内主要构造形迹。

区内岩体全强风化带，主干河流左岸厚度一般小于16 m，局部达19～29 m;右岸厚度一般小于15 m，局部达20～33 m;河床中部一般无分布，两侧近岸边厚5～28 m。岩体弱风化带，主干河流左岸厚度一般小于10 m，且多小于5 m，局部达15～29 m;右岸厚度一般小于8 m，且亦多小于5 m，局部达10～29 m;河床中部一般无分布，仅局部厚1～16 m。

区内地下水按赋存条件(含水介质特性)可分为第四系覆盖层松散堆积体孔隙水、基岩裂隙水。主干河流是区内地下水的最低排泄基准面。区内地下水主要接受大气降水的补给，以孔隙、裂隙为其径流通道，向沟谷和主干河流河床运移，最终以分散形式向主干河流排泄。

3 碎裂岩工程性状

水电站坝址的区域性断裂，先期发育F41，F42断层，水平间距25～85 m，并在各自两侧形成较宽的破碎带，经后期热液重结晶再胶结成岩，形成碎裂岩带(图1)，宽度合计约83～140 m;断层后期活动程度相对较轻，仅在主断面处形成宽度小于4 m的软弱构造岩带，为由泥化物(或夹碎石)组成的泥化带。

图1 坝址区碎裂岩带及F41，F42断层分布图Fig.1 Distribution of cataclasite zone and F41＆ F42 faults at the dam site area

3.1 分布及规模

碎裂岩带以走向NNE20°左右顺主干河流左岸近岸及河床左侧展布，边界总体倾向W，倾角82～88°。在坝基范围内分布于左岸非溢流坝14#—18#坝段，其中坝轴线一带分布高程为240～295 m(图2)，宽度约86 m;坝趾一带分布高程为220～285 m，宽度约92 m;至附近下游一带，碎裂岩带展布于河床左侧，分布高程为215～230 m，宽度约100 m左右。

图2 大坝轴线碎裂岩与F41，F42断层分布工程地质剖面图Fig.2 Engineering geology profile of the cataclasite and fault F41＆F42distribution along the dam axis

F41，F42断层走向 5°～ 25°，总体倾向 W，倾角72°～85°。在坝基范围内分布于左岸非溢流坝15#—19#坝段。据钻孔及平洞揭示，坝基范围内断层软弱构造岩带:F41宽度0～2.1 m，局部呈破裂面;F42宽度0.9 ～2.0 m。

F42断层下盘(东侧)发育有影响带，由较破碎的碎裂岩构成，分布于左岸非溢流坝15#—16#坝段，宽度一般为1.5～3.9 m，其中坝轴线处约3.9 m、坝中处2.7 ～3.0 m、坝趾处约1.5 m。

3.2 矿物成份

碎裂岩矿物成分以钾长石、斜长石、石英为主，少量黑云母、绢云母、绿泥石、高岭石、方解石等［3］。其中，钾长石含量10% ～40%、斜长石含量24% ～34%、石英含量18% ～26%，长石合计含量43% ～72%;长石、石英累计含量68% ～92%;其它矿物合计含量8%～32%。

3.3 物理力学性质

坝址微新状碎裂岩钻孔芯样室内岩石物理力学性质试验成果统计见表1;平洞现场原位力学性质试验成果统计见表2。以试验(测试)成果为基础，考虑试样(件)实际的地质条件及其工程地质代表性，提出碎裂岩岩体工程地质类别及主要物理力学性质参数建议值见表3。

表1 坝址微新状碎裂岩室内物理力学性质试验成果统计表Table 1 Test results of indoor physico-mechanical properties of slightly weathered＆fresh cataclasite at the dam site

表2 坝址碎裂岩平洞现场原位力学性质试验成果统计表Table 2 Test results of in-situ mechanical properties of cataclasite in adit at the dam site

表3 坝址碎裂岩岩体工程地质类别及主要物理力学性质参数建议值Table 3 The engineering geology types of rockmass and the recommended values of main physico-mechanical properties of cataclasite at the dam site

3.4 工程特性

坝址碎裂岩全强风化带厚度一般为5～15 m。在大坝轴线一带，其下限高程为235～277 m;在坝趾一带，其下限高程为230～263 m;在附近下游一带，其下限高程一般为205～223 m。

坝址碎裂岩弱风化带厚度一般小于10 m。在大坝轴线处，其下限高程为235～268 m;在坝趾一带，其下限高程为225～260 m;在附近下游一带，其下限高程一般为203～220 m。

坝基碎裂岩全强风化带钻孔岩芯多呈碎屑、砂土状及少量碎块状，RQD(岩石质量指标)为0;弱风化带钻孔岩芯主要呈碎块状，少量柱状，RQD平均值一般为9%～27%;微新状岩体钻孔岩芯多呈长10～30cm柱状，RQD平均值多为53% ～82%。

微新状碎裂岩室内试验岩石饱和单轴抗压强度平均值约64 MPa。据现场测试，碎裂岩全强风化带岩体声波纵波速为1 905～2 856 m/s;弱风化带岩体声波纵波速为2 941～3 735 m/s;微新状岩体声波纵波速多为3 915～4 906 m/s，其中邻近微风化上限为20～30 m范围内岩体声波纵波速为3 603～4 500 m/s。

碎裂岩弱风化带岩体透水率为0.5～35.4 Lu，平均值一般为2～8 Lu，以弱透水为主;微新状岩体透水率多为0.60 ～ 9.89 Lu，平均值一般为0.61 ～4.98 Lu，属微透水—弱透水。

碎裂岩全强风化带岩体呈散体结构，岩体基本质量属Ⅴ类;弱风化带岩体呈碎裂结构，岩体基本质量属Ⅳ类;微新状岩体大部分呈次块状结构，岩体基本质量属Ⅲ类［4］。

F42断层下盘影响带较破碎碎裂岩，微新状岩体RQD为12% ～42%，声波纵波速平均值为2 947～3 980 m/s，岩体主要呈块裂结构，岩体基本质量属Ⅳ类。

4 碎裂岩坝基建基面选择与处理措施

4.1 建基面选择

该水电站大坝最大坝高为200 m余碾压混凝土重力坝，对建基岩体质量要求高。碎裂岩全强风化带、弱风化带岩体工程地质类别分别属于Ⅴ类、Ⅳ2B类［5］，不能作为坝基建基岩体利用，需予以挖除;微新状碎裂岩主要呈次块状结构，其强度虽与两侧微新状花岗片麻岩及斑状变晶花岗片麻岩强度有较大差异，但岩体工程地质类别属于Ⅲ1B类，RQD、声波纵波速、强度及变形模量等指标基本满足建坝要求，可以作为坝基岩体利用;F42断层下盘影响带较破碎碎裂岩岩体工程地质类别属于Ⅳ1B类，需与其它局部性状较差的地段均采取适当的处理措施后以满足要求。

4.2 处理措施及效果

碎裂岩及F41，F42断层部位坝段的建基面选择在微新状岩体上，对F41，F42断层和F42断层下盘影响带进行置换混凝土塞处理，并加强固结灌浆和帷幕灌浆［6］措施后，可达到预期效果，能满足建坝要求。

4.2.1 挖槽回填混凝土塞

对于坝基下F41，F42断层及F42断层下盘影响带适当挖除，并回填混凝土塞，槽挖和混凝土置换断面为梯形，置换最大宽度按不小于需处理宽度的1.5倍控制。F41断层混凝土置换深度为5 m，置换底宽为4 m，坡比为1∶0.6;F42断层混凝土置换深度为5 m，置换底宽考虑其影响带后确定为5 m，坡比为1∶0.6。F41，F42断层在坝基范围内全部进行置换，并往上下游各延伸1.5倍塞高的长度。

大坝建成运行后，混凝土塞在以大坝自重应力为主的作用下处于受压状态，能始终与岩体结合良好，有效地承受和传递荷载［7］至软弱岩带两侧岩体，可与承载岩体成为有机联合的整体发挥效应。

4.2.2 加强固结灌浆

对坝基范围的碎裂岩、F42断层下盘影响带及F41，F42断层带进行加强固结灌浆处理，采用全面积固结灌浆，孔排距2 m×2 m，孔深15～30 m，最大孔深按建基岩面以下岩体声波纵波速偏低最大下限范围拟定。

固结灌浆能使包括软弱岩带在内的岩体工程性状如均匀性、完整程度、强度、渗透性会显著改善［8］。灌浆后，声波纵波速变化范围大大减小，一般可比灌前提高10%～25%;完整性系数可比灌前提高约20% ～50%;变形模量可比灌前提高100%～200%;渗透性减弱，透水率可比灌前降低85% ～95%。

4.2.3 加强帷幕灌浆

为满足F41，F42断层部位坝基防渗要求，对碎裂岩及F41，F42断层部位的帷幕加深加密，采用4排等深孔设置，平均孔深为120.5 m，排数和孔深根据岩体透水率按防渗要求、渗流稳定需要确定。考虑除F41，F42断层部位及F42断层下盘影响带外，建基岩体渗透性属微透水—弱透水岩体，在帷幕后采取排水措施，设置单独的排水廊道以增加帷幕与排水幕间的渗透比降;设置排水孔，并在孔内安装保护设施。

帷幕灌浆及其强烈影响范围渗透性在灌浆后会明显减弱达到设计防渗标准(透水率不大于1 Lu)以内，并可由灌前透水率离散程度较大改变为灌后渗透性趋于均质;建基岩体除F41，F42断层部位及F42断层下盘影响带在帷幕灌浆后能够有效地防止产生过大的渗透流量和流速，明显减小坝基扬压力外，其余微透水－弱透水岩体中帷幕灌浆虽既不能使渗流量有实际意义的减小，也不能有效降低扬压力，但采取的排水措施可完成降低扬压力的任务［9］。

5 结语

碎裂岩带是本拟建水电站坝址区域性断裂的主体组成部分，穿越大坝河床近岸坝基，坝基范围内宽度约86～92 m，微新状岩体与其两侧微新状岩体强度有较大差异，对大坝地基稳定等起着重要的作用;其微新状岩体除F42断层下盘影响带较破碎岩体工程地质类别属于Ⅳ1B类外，其余岩体工程地质类别属于Ⅲ1B类，质量指标基本满足建坝要求，可以作为坝基岩体利用，采取适当的处理措施包括挖槽回填混凝土塞、加强固结灌浆和帷幕灌浆后，能满足建坝要求。

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