Gomal Zam大坝建基面确定与坝基处理

许仙娥，段世委，赵文超

(1.中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津 300222;2.水利部水利水电规划设计总院，北京 100120)

Gomal Zam大坝位于巴基斯坦西北边境省Gomal河的Adam Kok峡谷内，坝型为碾压混凝土曲线重力坝，坝高133 m。坝基地层岩性以薄层灰岩为主，岩石较坚硬，但断层、裂隙发育，岩体破碎，岩体结构以镶嵌碎裂结构、碎裂结构或碎块状结构为主，完整性和均一性较差，变形模量低，坝基岩体质量较差［1］。此外，右坝肩存在由F2、F3和F13断层组成的块体，抗滑稳定性不满足要求，需进行加固处理。如何在保证工程安全的前提下，经济合理地确定大坝建基面和坝基处理措施是本工程地质勘察工作的一项重要任务。

1 坝基基本地质条件

1.1 坝址地形及地层岩性

Gomal Zam大坝坝址处河谷呈“V”字型，河床宽约25～40 m，覆盖层厚度0～5 m。两岸基岩裸露，岸坡陡峻，平均坡度65°～75°。坝基地层岩性以侏罗系薄层灰岩为主，夹有少量砂质页岩。灰岩单层厚度一般＜10 cm，砂质页岩一般厚几厘米至十几厘米，多以夹层产出，由于受层间错动影响，多形成顺层剪切带。

1.2 地质构造

坝址位于一短轴背斜的西翼，岩层走向NW320°～350°，倾向 SW，倾角30°～70°。坝址区断层和挤压破碎带较发育，以压扭性为主，破碎带主要由碎块岩、断层泥及糜棱岩等组成，挤压较密实。其中右岸坝肩发育有F2、F3断层，河床坝基发育有F13断层。F2断层总体走向 NE55°～70°，倾向 NW，倾角约 87°，破碎带宽度0.01～1.1 m，由断层泥、糜棱岩、角砾岩、碎块岩组成;F3断层走向 NE45°，倾向 NW，倾角约80°，破碎带宽度0.01～0.6 m，由角砾岩、碎块岩组成;F13断层总体走向 NW320°～345°，倾向 NE，倾角约 68°，破碎带宽度0.6 m，由断层泥、糜棱岩、角砾岩组成。右坝肩断层发育情况见图1。

图1 右岸坝肩690 m高程平切图Fig.1 The horizontal section of the right bank abutment at the elevation of 690 meters

坝址主要发育5组陡倾角裂隙，产状分别为①NW313°/NE∠54°，②NW285°/NE∠76°，③NE42°/SE∠82°，④NE40°/NW∠75°，⑤NE66°/SE∠81°。裂隙间距多在3～20 cm之间，宽度一般＜3 mm，部分充填方解石，裂隙面附泥、钙质膜。坝基裂隙发育密度大，多形成裂隙密集带，带宽一般1～6 m，最大可达23 m，带内岩体破碎，呈碎块状结构。坝址区裂隙极点图见图2。

图2 坝址区裂隙极点图Fig.2 The pole diagram of fissures in dam site area

1.3 岩体风化特征

坝址区风化作用以物理风化为主，岩石风化程度受地形地貌影响较大，河床部位风化较浅，弱风化带下限深度一般25～30 m;两岸随高程增高，风化深度呈增大趋势，左岸730 m高程以下弱风化带下限深度(水平)40～50 m，730 m高程以上弱风化带下限深度达50～70 m;右岸710 m高程以下弱风化带下限深度45～70 m，710 m高程以上弱风化带下限深度达70～90 m。坝址区强风化岩体主要分布在平缓岸坡表部或规模较大的断层破碎带及其影响带部位。

1.4 岩体卸荷特征

坝址区两岸地形陡峻，河谷深切，两岸山体卸荷强烈，深度较大。左岸强卸荷带水平深度一般为5～25 m，弱卸荷带水平深度25～50 m;右岸强卸荷带水平深度一般为8～30 m，弱卸荷带水平深度一般为45～60 m。卸荷裂隙多平行岸坡呈上宽下窄的楔形，地表处张开宽度可达30～40 cm，深部一般宽0.1～2 cm，表部多充填碎块、泥土及岩屑等，深部充填物较少。

1.5 岩体物理力学性质

坝基岩性以灰岩为主，岩石较坚硬，但岩体中断层和裂隙发育，较破碎，岩体的强度和变形指标较低。坝基岩体物理力学指标见表1。

1.6 岩体渗透性

根据压水试验成果，坝基岩体具中等—弱透水性，随深度增加，岩体透水性逐渐减弱，高程594 m以上岩体透水率为10～30 Lu，高程594 m以下岩体透水率为2.2 ～10 Lu。

表1 坝基岩石(体)物理力学指标Table 1 The physical and mechanical indexes of rock(mass)in dam foundation

2 大坝建基面确定

2.1 坝基岩体质量

2.1.1 岩体结构特征

坝基岩体以薄层灰岩为主，但受构造影响，原生构造被破坏，裂隙发育，岩体破碎，岩体结构类型多为碎块状结构、碎裂结构或镶嵌碎裂结构。

2.1.2 岩体波速

受构造及卸荷影响，坝址区岩体波速较低。根据钻孔声波测试成果，左岸岩体纵波速度一般为1 000～1 500 m/s;右岸上部岩体纵波速度一般为1 000～2 000 m/s，下部岩体纵波速度一般为2 000～2 300 m/s;河床部位岩体纵波速度为1 890～2 930 m/s。

2.1.3 岩体类别

坝基岩体以薄层灰岩为主，饱和单轴抗压强度平均值44 MPa，属中硬岩，岩体结构类型多为碎块状结构、碎裂结构或镶嵌碎裂结构。根据钻孔资料统计，坝基钻孔 RQD平均值为43.3%，岩体纵波速度多在1 000～3 000 m/s之间，岩体完整性系数大多＜0.15，属破碎岩体。综合以上岩体特征，将坝基岩体类别划分为Ⅳ类。

2.2 大坝建基面确定

混凝土重力坝要求坝基岩体具有足够的力学强度及完整性和均一性，足够的抗滑稳定性和抗变形性能以及良好的抗渗性能。Gomal Zam大坝最大坝高133 m，坝基岩体以Ⅳ类为主，岩体质量总体较差，不能满足建坝要求。根据钻孔资料，深挖对改善坝基岩体的完整性作用不明显，且由于坝址处于峡谷区，河床很窄，深挖困难，经济上不合理。考虑岩石本身较坚硬，通过采取灌浆等处理措施可以改善岩体的完整程度和均一性，因此，建议挖除表部覆盖层及强卸荷岩体，将建基面置于弱卸荷岩体内。

3 坝基开挖与处理

3.1 坝基开挖

根据大坝建基面确定原则，河床部位挖除覆盖层和强卸荷带岩体，建基面高程为629.5 m，开挖深度6.1～7.2 m;两岸挖除强卸荷带岩体，左岸自上而下水平开挖深度为27～6 m，右岸自上而下水平开挖深度为43～13 m。对坝基中发育规模较大的断层破碎带，进行了局部深挖，并回填混凝土。

3.2 固结灌浆

Gomal Zam大坝坝基岩体破碎，质量较差，设计通过固结灌浆改善岩体的完整程度和均一性，提高坝基岩体抗变形能力，固结灌浆深度30 m。灌浆施工前进行了灌浆试验，根据灌浆试验成果确定坝基固结灌浆孔采用梅花形布置，钻孔排距3.5 m，灌浆材料采用抗硫酸盐水泥，浆液水灰比采用为2∶1、1∶1、0.8∶1和 0.5∶1等4个配比。坝基开挖结束后，先浇筑厚度3 m的混凝土盖板，然后进行第一次固结灌浆。第一次灌浆结束后14—28天，根据检查孔灌后声波检测结果，对不合格的部位进行复灌。

根据坝基岩体质量检测结果，灌浆后，坝基岩体波速、完整性系数及弹性模量具有不同程度的提高，岩体的完整性和均一性得到显著改善。

3.3 混凝土置换

为增强右坝肩岩体的抗滑稳定性，采用混凝土置换的方法对F2断层进行加固处理。在右岸坝肩660 m、690 m和720 m高程设置三层沿断层F2方向的水平置换洞及传力洞，以增强其整体性。其中660 m高程设置4个传力洞和2个置换洞，690 m高程设置2个传力洞和1个置换洞，720 m高程设置1个传力洞和1个置换洞，并在720～690 m高程之间设置2个置换竖井。置换洞完成混凝土回填后，进行接触灌浆，确保混凝土和岩体紧密结合。经计算，右坝肩不稳定块体在加固处理后，各种工况下的抗滑稳定安全系数均满足设计要求。

4 结语

Gomal Zam大坝坝基岩石较坚硬，但岩体破碎，完整性和均一性较差，变形模量低，坝基岩体总体质量以Ⅳ类为主，不能满足高混凝土坝坝基要求。由于河床很窄，坝基深挖困难，且深挖对改善坝基岩体的完整性作用不明显。考虑岩石本身较坚硬，通过采取灌浆等处理措施可以改善岩体的完整程度和均一性，因此，决定挖除表部覆盖层及强卸荷岩体，将建基面置于弱卸荷岩体内。右坝肩存在由F2、F3和F13断层组成的块体，其抗滑稳定性不满足要求，通过混凝土置换对F2断层带进行处理后，其抗滑稳定安全系数满足设计要求。Gomal Zam大坝已于2011年建成蓄水，监测数据显示大坝运行基本正常。

［1］ 陈书文，苏红瑞，张长存，等.巴基斯坦高摩赞大坝枢纽工程基本设计阶段工程地质勘察报告［R］.天津:中水北方勘测设计有限责任公司，2003.