李家河水库坝基(肩)工程地质问题与处理

康 铭，孙云博

(陕西省水利电力勘测设计研究院，陕西西安 712000)

1 工程概况

西安市辋川河引水李家河水库枢纽工程位于蓝田县辋川河中上游的李家河村附近，是一个以供水为主，兼顾灌溉、发电的综合性中型(Ⅲ)等水利枢纽工程［1］。设计坝型为碾压混凝土抛物线双曲拱坝，最大坝高98.5 m，坝顶宽8 m，坝底宽31 m，坝顶弧长351.71 m。设计正常蓄水位高程880 m，总库容5 500万m3，水库建成后与已建岱峪水库联合调节供水，设计年供水能力7 669万m3，可以缓解西安市中心区洪庆和纺织城、阎良区缺水问题。

2 坝基(肩)开挖揭示工程地质条件

坝基径向开挖，采用预裂爆破法，并设置减震孔，减少爆破对坝基岩体的损伤。坝基河床建基面设计高程785.5 m，左、右岸拱座斜坡785.5 ～884 m，高 98.5 m，开挖总坡比约为1∶1～1∶1.5。拱肩槽上下游边坡采取分级开挖，开挖坡比 1∶0.2 ～1∶0.3，并于高程 800 m、815 m、830 m、845 m、860 m、875 m、890 m 设置宽 2～3 m马道。

坝基开挖于2010年8月开始，2011年7月结束，历时11个月。开挖揭示的坝基(肩)工程地质条件如图1、图2。

(1)岩性为中粗粒花岗岩［2］，其中右坝肩801～813 m高程夹厚约35 m的中细粒花岗岩，并夹有薄层的辉绿石岩脉及石英岩脉。岩体左坝肩875 m高程以上弱风化，以下微风化为主，右坝肩863 m高程以上弱风化，以下微风化为主;坝基岩体局部受构造影响，岩体风化程度加剧，完整性变差。

(2)构造。坝基开挖揭示12条小断层，裂隙较发育，断层和裂隙特征如下:

① 断层 走向以NE向为主，NW向次之，正断层为主，逆断层和平移次之，断层规模较小，倾角高，断层带宽度5～20 cm，充填断层泥、角砾及碎裂岩，断面平直或起伏光滑。代表性主要断层f1，正断层，走向75°，倾向NW，倾角 75°～80°，宽度 10～30 cm，充填断层泥、角砾及碎裂岩，面起伏光滑，贯穿左右岸。

②裂隙 裂隙主要发育四组，走向以NW向为主，高倾角，剪性，一般张开宽度2～5 mm，充填岩粉、岩屑绿泥石，长度＞10 m，面平直光滑或粗糙;缓倾角一般闭合，部分受风化、地下水作用影响形成风化夹层，宽度10～30 cm，充填全—强风化岩块及砂砾，面直粗糙，延伸远，连通性好。裂隙局部发育呈密集带，构成坝基破碎岩体，降低岩体的强度及抗渗性;缓倾角的J1组风化夹层和f1组合构成右坝肩865 m以上滑移体，对坝肩稳定及抗渗不利。

图1 李家河水库大坝坝基(肩)地质编录平面简图Fig.1 Sketch for geological logging of the foundation and abutment in Lijiahe Reservoir Dam

(3)地下水。两岸坝基地下水为具明显不对称性，左低右高，左坝肩843～850 m高程，右坝肩865～872 m高程。河床坝基三处地下水出露高程787.7 m、790.5 m和797.5 m。沿断层带及裂隙以下降泉渗流，Q单≈0.03 ～0.05 L/s。

(4)建基面地质条件与勘察资料基本吻合，但也存在一定的变化，主要是断层特征变化。如f1断层性状变差，规模略增，因其出露于坝肩较高部位，受风化、卸荷影响;f2、f4、f9、f21断层建基面为裂隙式，断层向下部延伸进入为微风化岩体，性状变好。坝基河床新发现的sf3、sf4、sf5断层规模较小，为近乎顺河向，处于河床覆盖层以下，勘察不易发现。新发现的J1组风化夹层顺坡向发育埋深大，勘察不易发现。

3 坝基岩体的质量评价

对开挖的建基面地质进行编录及弹性波速测试，对河床坝基sf3-sf5断层交汇破碎岩体及右坝肩865 m高程以上滑移体进行了地质补充勘察工作。结合物探测试成果及前期勘察资料，依据《GB 50487—2008》规范进行岩体质量复核评价。

3.1 地质编录

图2 坝轴线工程地质剖面图Fig.2 The geological section of dam axis engineering

坝基(肩)建基面地质编录采用大比例尺仪器测绘，重点是岩性分界线、风化、卸荷岩体范围、断层裂隙空间分布及性状特征、破碎岩体分布、不稳定块体分布、爆破松动体分布范围，编录总面积约11 090 m2，编录主要内容见图1。

坝基(肩)岩体以微风化—新鲜为主，局部断层影响带及865 m高程以上分布弱风化岩体，裂隙总体呈稍发育—不发育，局部呈密集带型，岩体较完整—完整，以块状—整体状结构为主，局部断层交汇部位和裂隙密集带呈碎块状结构。坝基(肩)岩体分类见表1。

表1 坝基(肩)岩体分类统计表Table 1 The classification of rock masses at the dam foundation(abutment)

3.2 岩体表面地震弹性波测试

坝基建基岩体表面布置网状地震弹性波剖面线，纵测线间距8 m，横测线间距6～9 m，共布置地震弹性波速测试剖面78条，合计1.934 km。根据各测线所测纵波速值对岩体进行质量分区，分区标准为:Ⅰ区纵波速度Vp＜3 000 m/s;Ⅱ区3 000≤Vp＜3 600 m/s;Ⅲ区3 600≤Vp＜4 000 m/s;Ⅳ区4 000≤Vp＜4 500 m/s;Ⅴ区Vp≥4 500 m/s。岩面波速测试成果见表2。通过对成果表分析，说明开挖坝基整体865 m高程以上以Ⅲ、Ⅳ区为主，合格比例为63%，865 m高程以下以Ⅳ、Ⅴ区为主，合格比例56%。

3.3 跨孔声波测试

在岩面波速测试分区的基础上，结合地质编录资料，进行跨孔声波测试，每个测试点由4个孔组成，孔距1 m，单孔深均为12 m。测试点布孔原则为:

(1)对坝基岩体中岩面纵波速度Vp＞4 500 m/s，跨孔测试点按16 m×16 m间距布设。

(2)对坝基岩体中岩面波速Vp＜4 500 m/s的建基面，按8 m×8 m间距布置跨孔测试点，局部构造及断层破碎带可视情况适当增加测试点。

在坝基(肩)建基面总面积约11 090 m2范围内进行了98个点跨孔测试，通过对测点资料分析总结如下3点:

表2 坝基(肩)岩体表面波速分区成果表Table 2 The results for divisions of wave velocity on rock mass surfaces at the dam foundation(abutment)

①爆破松动层 在开挖面以下普遍存在0.2～2.4 m，Vp=1 940 ～3 992 m/s，变模值 E0为 3.0 GPa，岩体工程地质分类为AⅣ类，不满足设计建基要求。

②断层影响及断层交汇带破碎岩体 受断层影响，岩体破碎，风化层深度加大，工程性能变差。强风化纵波速度平均值 Vp=2 730 m/s，KV=0.17，变模值E0为1.5 ～2.3 GPa，工程地质分类为 AⅣ类，弱风化纵波速度平均值 Vp=3 671 m/s，KV=0.42，工程地质分类为 AⅢ类，变模值E0为2.5～5 GPa，AⅢ类和AⅣ类均不满足设计建基要求。

③下部岩体 建基面表层爆破松动层及局部构造破碎岩体以下为微风化岩体，纵波速度平均值Vp=4 679 ～4 779 m/s，KV=0.67 ～0.80，工程地质分类为AⅡ类，变模值E0为15 GPa;弱风化纵波速度平均值Vp=3 640 m/s，KV=0.57，工程地质分类为 AⅢ类，变模值E0为10 GPa，微、弱风化均可满足设计建基要求。

4 坝基(肩)建基面存在的工程地质问题

4.1 工程地质问题

(1)f1断层深切右坝肩岩体，为侧滑面，J1组风化夹层为底滑面，组合构成右坝肩865 m高程以上滑移体，体积V=60 692 m3，存在坝肩不稳定、变形及渗漏三大地质问题。

(2)sf4和 sf5断层交汇处破碎岩体，S=175 m2，h=8 m，工程地质分类为AⅢ2类，不满足设计建基要求。

(3)f1、f8、sf3、sf4断层影响带，岩体较破碎—破碎，岩石强度低，存在压缩变形及渗漏问题，岩体为AⅢ2类［3］，不满足设计建基要求。

(4)受缓倾角和高倾角裂隙切割，爆破开挖影响，建基面存在多个区域的爆破松动层，P＜3 000 m/s，不利于坝基抗滑稳定，不满足设计建基要求。

4.2 工程地质问题研究

坝基(肩)建基面形成后进行地质编录，对坝基存在的重要工程地质问题进行初步分析判定:①对右坝肩的f1断层及J1组风化夹层组合体进行专题补充勘察研究，查明了f1断层与J1组风化夹层的分布规模、产状、性状及其组合关系，提出了f1断层与J1组夹层的结构面抗剪、抗剪断参数建议值，为设计处理提供了依据。②对河床sf3、sf4、sf5、sf6所限部位分布的强—弱风化破碎岩体，进行补充勘察地质钻孔3个，孔深控制在固结灌浆孔深以下3 m(孔深15 m)，钻孔揭示，强风化岩厚度1.8～2.0 m，岩体较破碎，呈碎块状结构，弱风化岩厚度5.0～6.0 m，岩体完整性差，呈次块状结构，6.8～8.0 m以下为微风化岩体，压水试验值q=17～27 Lu，属中等透水性。

5 设计要求及坝基(肩)工程地质缺陷处理

坝基(肩)设计建基要求:865 m高程以上弱风化AⅢ类，岩体纵波速Vp＞3 600 m/s;865 m高程以下微风化AⅡ类，岩体纵波速Vp＞4 000 m/s。压水试压值q＜3 Lu。

5.1 一般坝基处理

(1)对坝基(肩)岩体进行建基面以下2 m无盖重固结灌浆，孔距3 m，排距3 m，入岩12 m，通过固结灌浆处理后，865 m高程以上岩体纵波速Vp＞3 600 m/s，以下＞40 000 m/s，压水试压值q均＜3 Lu，质量满足设计要求。

(2)对受爆破影响产生的爆破松动岩体及沿缓倾角裂隙已明显张开分离的岩块采用人工撬挖或者凿岩机进行清除，对未明显松动张开的采取锚固加固处理，深度4.5 m，并进行有盖重引管固结灌浆处理。

(3)对 sf1、sf2、f8、f21、f9断层带按规范要求进行人工掏挖处理，并用高压水冲洗干净，在断层上盘一定范围增设固结灌浆处理措施;sf3、sf4断层及影响带采用人工挖除，深度为断层带+影响带宽度的1～1.5倍，对断层处理槽采用砼回填处理，并在断层上、下盘一定范围加强固结灌浆处理措施，灌后声波及压水指标满足设计要求。

5.2 特殊坝基处理

(1)对河床坝基 sf3、sf4、sf5、sf6所限部位面积 175 m2，深度8 m，中等透水性处理:①对表部松动及破碎岩体进行人工挖除换填砼处理，挖除深度一般控制在2.0 m左右(依据地勘钻孔揭露和声波测试结果);②对下部未能挖除的较破碎岩体加强固结灌浆处理措施，深度12 m，在原系统固灌基础上加密一倍，处理后声波及压水指标满足设计要求。

(2)对右坝肩PD7探洞周围的裂隙密集破碎带处理:①人工撬挖清除该区范围表部破碎、松动岩块;②对基础下步未能清除的较破碎岩体，在原系统固结灌浆的基础上加密一倍固结灌浆处理措施，深度12 m，灌后声波及压水值满足设计要求。

5.3 右坝肩抗滑不稳定体处理

J1组风化夹层在拱肩槽揭露两条:J1－1和 J1－2。J1－1夹层在拱肩槽出露总长度约105 m，上游边坡约20 m，坝基约13 m，下游边坡约72 m。在坝轴线出露高程876 m，在拱肩槽上游边坡875 m高程以下为裂隙状，下游边坡847 m高程以下为裂隙状。f1断层为侧滑面，J1－1风化夹层为第一底滑面，J1－2风化夹层为第二底滑面，下游岸坡与 f1断层、J1－1和 J1－2风化夹层组成了右岸860 m高程以上岩体可能产生滑移的空间，故右坝肩存在抗滑问题，见图2。结构面地质参数建议值:f1断层 c=0.05 MPa，f=0.2;J1组风化夹层 c=0.08 MPa，f=0.38［4］。设计根据地勘成果对滑移体进行稳定分析计算，结果基本组合为 1.91，特殊组合1.61［5］，安全系数都不满足《混凝土拱坝设计规范》(SL 282—2003)中的安全系数要求(基本组合＞3.0，特殊荷载组合＞2.5)，须进行加固处理措施。设计处理方案经过比较论证，最后确定采用置换、挡墙、锚索、加强固结灌浆等工程处理措施。f1断层置换处理:沿断层倾向开挖深度为断层与J1－1夹层交线以下1 m，在坝轴线处深度8.5 m(高程875.5 m)，沿断层走向开挖长度约22 m，开挖坡比1∶0.3。对 f1断层上、下盘加强固结灌浆4排，间排距1.5 m，梅花型布置，深度20 m，钻孔角度同断层倾角，灌后声波检测值及压水试验值均满足设计要求。在坝体下游5～32 m，高程871～884 m范围(施工开挖便道)采用钢筋砼挡墙，布设24根2 000 kN预应力锚索，深度30～40 m，以深入J1－2风化夹层下部完整基岩，处理后安全系数K基本组合3.73，特殊组合3.52，安全系数满足规范要求(见参考文献［5］)。

5.4 设计防渗要求及工程处理

坝基(肩)防渗设计要求:在884 m高程灌浆平洞、坝顶、843 m高程平洞(廊道)及802.5 m高程平洞(廊道)进行单排灌浆，河床建基面785.5 m高程以下深度40 m，灌浆孔距均2 m。在884 m、802.5 m高程平洞(廊道)内通过搭接实现上下帷幕的衔接，搭接采用三孔，孔距0.7 m，排距2 m。灌后压水试压值q＜3 Lu。

5.5 一般处理

坝基防渗处理帷幕灌浆，884 m高程以下灌浆单排509个孔，孔距2 m，总进尺13 467.80 m。布设检查孔45个，共277 段压水，q=0.53～2.80 Lu，＜3 Lu，质量满足设计要求。

5.6 特殊处理

(1)f1断层处理:延长右坝肩843 m高程灌浆洞6 m帷幕线，穿越f1断层上盘破碎岩体，增加5个帷幕孔，孔距2 m，孔深40 m，灌后压水试验值 q=1.68～2.15 Lu，满足设计要求(＜3 Lu)。

(2)对sf3和sf4断层及影响带破碎中等透水性岩体，在原设计帷幕线上、下游各增加一排帷幕灌浆孔，孔距2 m，深度40 m，灌后压水试验值满足设计要求。

6 结语

李家河水库大坝坝基(肩)岩体，875 m高程以下以微风化为主，岩体强度高，完整性好，岩体质量为较好AⅡ类，可满足100 m高拱坝的建基要求。对局部存在的风化破碎岩体、爆破松动岩体、小断层进行常规开挖回填砼处理;对河床sf3-sf5断层交汇带破碎岩体及右坝肩J1组滑移体特殊处理，坝基质量完全满足高拱坝建基要求。通过各勘察阶段对大量资料的分析论证，认为坝基岩体质量评价是合理的，为设计提供了科学、合理的地质参数，可作为同类工程参考和借鉴。

［1］ 陕西省水利电力勘测设计研究院.西安市辋川河引水李家河水库工程初步设计报告［R］.西安:陕西省水利电力勘测设计研究院，2009.

［2］ 陕西省水利电力勘测设计研究院勘察分院.西安市辋川河引水李家河水库工程地质勘察报告［R］.咸阳:陕西省水利电力勘测设计研究院勘察分院，2009.

［3］ 中华人民共和国城乡和住房建设部.GB 50487—2008水利水电工程地质勘察规范［S］.北京:中国计划出版社，2008.

［4］ 陕西省水利电力勘测设计研究院勘察分院.西安市辋川河引水李家河水库右坝肩J1组风化夹层工程地质勘察报告［R］.咸阳:陕西省水利电力勘测设计研究院勘察分院，2013.

［5］ 陕西省水利电力勘测设计研究院.西安市辋川河引水李家河水库工程右坝肩J1组风化夹层处理方案计算书［R］.西安:陕西省水利电力勘测设计研究院，2014.