东北某水电站34～36号坝段F67断层坝基地质力学参数复核和选取研究

朱　泓，林　健，孙燕琴（.浙江华东建设工程有限公司，浙江杭州，30030；.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江杭州，3004）

东北某水电站34～36号坝段F67断层坝基地质力学参数复核和选取研究

朱泓1，林健2，孙燕琴1
（1.浙江华东建设工程有限公司，浙江杭州，310030；2.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江杭州，310014）

坝基岩体地质力学参数是工程地质从定性判断到定量分析的基础，是提供设计的依据，也是大坝坝基工程地质勘察的核心之一。以东北某水电站为例，介绍坝基地质力学参数的复核及岩体物理力学指标选取原则，供工程地质人员参考。

坝基抗滑稳定；抗剪试验；地质力学参数

0　前言

丰满大坝始建于上世纪30年代，至今运行已有70余年历史，是目前国内运行时间最长的混凝土重力坝。丰满水电厂是我国第一座大型水电站，总库容109.88亿m3，装机容量1 002.5 MW，多年平均发电量约20亿kW·h，最大坝高91.7 m。由于历史原因，大坝建成以来存在着一些先天性缺陷，一直未能消除，34～36号坝段坝基由于存在F67断层带的影响，抗滑稳定就是其中之一。

1958～1997年间，东北勘测设计研究院对F67断层带进行了多次勘探、试验和分析研究工作，尤其是在1972年取得了坝基岩体力学试验的第一次复核成果。为了复核大坝运行近70年来F67断层带的物质是否存在泥化、软化现象，断层带岩石的物理力学性质及其变化情况，断层带是否存在承压水和渗透稳定问题，2007～2008年间华东院对丰满大坝坝体和坝基又进行了一次比较全面的勘探检查和试验研究工作，并再次复核了相关的物理力学参数。笔者对丰满大坝坝基在高水头下运行了70余年，坝基地质条件尤其是F67断层构造岩体是否会发生变化以及坝基地质参数复核取值等问题进行深入的研究分析。

1　工程地质条件

坝址区位于第二松花江中游峡谷口，河流方向为NW40°，自南东流向北西，谷底宽约400 m，河谷两岸不对称，左岸较陡。坝基由二叠系深变质砾岩组成，岩石呈厚～巨厚层状构造，岩石致密坚硬。其变质砾岩岩层产状N15°～25°W，NE 35°～50°。

坝基开挖后的岩体呈弱～微风化，岩石坚硬，抗压强度高，弱风化岩石饱和抗压强度为146～ 161 MPa，微风化岩石饱和抗压强度152～174 MPa，坝基岩体中未发现对坝基稳定不利的贯穿性缓倾角软弱结构面，坝基总体稳定性较好。除F67外坝基岩体的质量属II～III类，满足混凝土重力坝对地基的要求；发育于34～36号坝段的F67宽度大，其中断层泥带、碎粉岩带属V类岩体，压碎岩、角砾岩带属IV类岩体，其余碎块岩带属III2类岩体。

F67断层位于丰满大坝34～36号坝段，F67断层破碎带中心在35号坝段靠近36号坝段处，见图1。断层产状N10°～20°W，SW 60°～85°，主要由4条断层组成，破碎带总宽度约40 m，其中最大的是F67-1，破碎带宽5～6 m，断层泥宽约50 cm，两侧常见厚约1～2 m碎粉岩、角砾岩或绿泥石化压碎岩，另有3条小断层亦常见10～30 cm的断层泥。整条大断层带的组成物质以块状和碎屑状压碎岩和碎块岩为主，岩石多被压碎呈数厘米至十余厘米的软弱或半坚硬岩块，并多被钙质及硅质次生物重新胶结，局部有绿泥石化、高岭土化现象。上述各类构造岩大致上呈条带状分布，宽窄不一，岩性变化复杂。各类构造岩互相过渡，多为渐变，缺乏明显界线。根据区域地质资料，晚更新世以来F67断层未见活动迹象。

水文地质试验表明，该断层带渗透性微弱且各部位较均匀，不易产生各类渗透变形。

图1　34～36号坝段与F67断层、PD189平硐平面位置图Fig.1 Plane of block No.34～36，fault F67and footrill PD189

2　1958～1997年复核情况

由于丰满电站建造的历史原因，不像现有水电站建造之前都会保存着前期勘察资料和成果。实际上，丰满电站的坝基地质参数均是根据解放后几次大坝加固、安全定检过程中的勘探取样、试验成果复核提出的。如1958年东勘院对F67断层带的构造岩钻孔取芯进行物理性质试验，1972年在现场对F67断层的原位试验，包括混凝土与岩石抗剪断和断后抗剪试验（见表1）、岩体的变形试验。

2.1F67断层破碎带划分

国内先前许多大坝尚未进行坝基岩体质量分类、分区。东勘院在1965年《丰满大坝33～38号坝段地质资料整理说明书》中仅仅是根据变质砾岩遭受构造破坏程度把F67断层带划为六类：（1）断层影响带（代号Ⅰ）；（2）碎块状变质砾岩（代号Ⅱ）；（3）断层角砾岩（代号Ⅲ-1）；（4）绿泥石化块状碎屑状压碎岩（代号Ⅲ-2）；（5）强烈绿泥石化高岭土化碎粉岩（代号Ⅳ）；（6）断层泥（代号Ⅴ）。

2.2现场试验成果

东勘院于1972年进行了现场原位试验，试验点位于34～36号坝段坝脚下游约20 mPD189勘探平硐中的F67断层内，平硐底板高程189 m，高于34～ 36号坝段坝基深槽基岩面约3 m左右。试验包括混凝土与岩石抗剪断和断后剪、岩体的变形试验。PD189平硐现场混凝土/岩石抗剪断和断后剪在断层带压碎岩体中共进行6组18个点试验，试验成果见表1。

表1　1972年东勘院混凝土/岩体抗剪断和断后抗剪试验成果（按试验部位统计）Table 1 Results of shear test and fractured shear test for concrete/rock of fault F67in 1972（statistic by test sites）

东勘院对构造压碎岩的抗剪强度分析认为，根据已有的原位试验成果，从中选取了剪切破裂面发生在岩体中的各试点的试验成果和剪切破裂面发生在混凝土与压碎岩体接触面的试验成果，综合整理得出岩/岩抗剪（断）峰值强度指标和岩/混凝土抗剪（断）峰值强度指标，见表2。

表2　1972年东勘院F67断层带岩/岩、混凝土/岩石抗剪断和断后抗剪试验成果表（按断层岩类型统计）Table 2 Results of shear test and fractured shear test for rock/ rock and concrete/rock of fault F67in 1972（statistic by rock types）

2.3抗剪强度参数建议

1972年复核时，东勘院根据整理后的压碎角砾岩抗剪断峰值强度指标，建议34～36号坝段断层破碎带压碎角砾岩坝基摩擦系数f采用0.7。

1997年大坝安全定检，未开展现场岩体抗剪（断）试验，复核工作主要是对原有的地质资料和试验成果进行分析，根据地质专家意见，34～36号坝段断层破碎带抗剪断强度修改为f'=0.85，c'=0.5MPa。

3　2008年复核情况

2008年华东院利用位于34～36号坝基下游约20 m的PD189勘探平硐再次进行断层带性状与地质参数的复查；对钻孔断层带芯样和勘探平硐取断层泥及断层带内岩样进行室内剪切试验、固结试验、渗透稳定等试验；在PD189平硐内布置现场岩/岩、岩/混凝土抗剪试验、静弹性模量等试验。

3.1断层带特性

为能直观观察F67断层性状，对34～36号坝段坝脚下游约20 m原有PD189勘探平硐进行了清理。通过对PD189勘探平硐的地质复核，可见F67断层破碎带由多条断层组成，在35号坝段对应的位置可见F67-1、F67-2两个主要断层泥带。其中F67-1断层位于硐深18 m处（见图2）。断层产状为N25°W，SW 80°，断层泥宽15～25 cm，断层泥与上下盘破碎带岩石界线分明，接触紧密，断层泥呈灰绿色，密实、硬～硬可塑状，遇水易软化。F67-2断层位于硐深22 m处（见图2），产状为N30°W，SW 75°，断层泥和碎粉岩宽40～50 cm，淡绿、灰白色。断层泥呈可塑状，断层泥中可见少量碎屑，平硐上游面断层界线分明，平硐下游面上盘与破碎带之间无明显界线，下盘则较分明。断层F67-1与F67-2间距约4 m，两断层之间主要为强烈挤压破碎带中碎粉岩、压碎岩，岩石以灰黄色为主，岩石多被压碎呈3～5 cm的碎块，方解石细脉呈网状分布，岩石破碎程度下游壁明显比上游壁破碎，岩石以强风化为主，锤击声哑；断层F67-1以西35号坝段内为压碎岩、角砾岩带和碎粉岩带，断层F67-2以东3 m（36号坝段）为角砾岩、压碎岩，岩石呈网纹状挤压破碎，岩石以强风化为主，锤击声哑；F67-2断层以东约3 m至36号坝段东面掌子面，岩石破碎程度逐渐减轻，为碎块岩带和影响带，岩石以弱风化为主夹强风化岩块，节理较发育，沿节理面铁锰渲染严重。

图2　PD189平硐内F67-1、F67-2断层泥性状及宽度Fig.2 Mud properties and width of fault F67-1and F67-2in footrill PD189

表3　2008年F67断层带岩/岩抗剪（断）试验成果Table 3 Results of shear test for rock/rock of fault F67in 2008

3.2F67断层带物理、力学性质的复核

3.2.1断层泥室内物理、力学试验

2008年PD189平硐F67断层泥的物理力学性状经室内试验成果分析，断层泥属含砂低液限粘土，含水量平均值18.5%，干密度1.74，孔隙比0.576，饱和度88.1%，压缩模量平均值5.22MPa，室内抗剪峰值强度（固快）摩擦角27.5°，凝聚力21.4 kPa。

3.2.2断层破碎带抗剪（断）试验

3.2.2.1岩/岩抗剪（断）试验

在PD189平硐内，对相应的35号坝段部位进行现场抗剪试验，共完成3组岩/岩抗剪（断）试验，抗剪（断）试验值列于表3。从岩/岩试件直剪试验σ-τ关系曲线图可以看出，试件的抗剪（断）试验成果线性关系较好。经观察，破坏面多凹凸不平，沿N25°～30°W，SW 60°～65°节理面和部分软弱带剪切面破坏。

3.2.2.2混凝土/岩石抗剪（断）试验

混凝土/岩石抗剪（断）试验共进行3组，是在岩/岩抗剪（断）试验结束后，重新备样。其中第1组（τ189-2-1）岩体为断层角砾岩、压碎岩夹少量碎粉岩，制备6块试件；第2组（τ189-2-2）岩体为碎粉岩，强风化，制备5块试件；第3组（τ189-2-3）岩体为断层碎块岩，制备3块试件。试验成果见表4。结果表明，试件的抗剪（断）试验成果线性关系较好。

4　坝基构造岩体地质力学参数选取

4.1断层带物理力学性质比较分析研究

1972年东勘院在坝址下游20 mPD189平硐进行了F67断层的混凝土/岩石现场抗剪强度试验6组，压碎角砾岩混凝土/岩石剪切试验破裂面多发生在岩石中，说明坝基抗滑受岩石抗剪断强度控制。

表4　F67断层带混凝土/断层带岩石抗剪（断）试验成果表Table 4 Results of shear test for concrete/rock of fault F67in 2008

表5　F67断层带岩/岩、混凝土/岩石抗剪断和断后抗剪试验成果对比表Table 5 Comparison of shear test results and fractured shear test results in 1972 and 2008

华东院2008年PD189平硐F67断层带岩体物理力学性质试验成果与1972年东勘院189平硐试验成果对比见表5。碎块岩的抗剪断强度值与1972年试验值基本一致，角砾岩、压碎岩、碎粉岩类抗剪断强度略低于1972年试验数值，可能与189平硐岩体长期泡水有关。两次试验抗剪强度参数差异相对较大，可能与剪切面起伏有关，总体上两者试验成果基本一致，表明自1972年迄今的几十年来，F67断层带的力学性质变化小。

4.2F67断层带地质参数建议值

F67断层带混凝土/岩石剪切试验破裂面多发生在岩石中，说明断层带岩/岩的抗剪强度小于混凝土/岩石的抗剪强度，岩石强度起控制作用。因此，根据现行GB 50287－2006《水力发电工程地质勘察规范》附录D，F67断层带压碎角砾岩抗剪断强度可采用岩石的屈服强度指标作为标准值，并且考虑坝基已经运行近70年会有一定的弱化，对标准值乘0.8～0.85保证系数后作为地质建议值；碎块岩和碎粉岩由于试验少，岩石抗剪断地质建议值根据试验值与《水力发电工程地质勘察规范》附录D表D.0.3-2，并且考虑坝基已经运行近70年有一定的弱化，结合地质情况后综合提出。F67断层各分带岩体物理力学性质参数建议值见表6。根据断层出露位置及坝段地基断层分带占有比例（见表7），对34～36号坝段根据其断层分带及各带岩体物理力学指标建议值分别按面积进行加权平均，并结合相应的工程经验，同时考虑到34～36号坝段基础已深挖处理7～8 m，对F67断层带碎粉岩和断层泥带进行槽挖处理，槽宽约3 m，深约2.5 m，综合提出34～36号坝段坝基岩体物理力学指标建议值（见表8）。表中岩石/岩石抗剪（断）强度小于混凝土/岩石，因此设计坝基稳定复核须采用岩石/岩石抗剪（断）强度。

表6　34～36号坝段F67断层各分带岩体物理力学指标建议值表Table 6 Suggested value of the physical and mechanical parameters for the rock at fault F67（block No.34～36）

表7　34～36号坝段各构造岩所占比例汇总表Table 7 Proportion of each tectonite at block No.34～36

表8　34～36号坝段坝基岩体物理力学性质参数建议值表Table 8 Suggested value of the physical and mechanical parameters for the rock at the foundation of block No.34～36

5　结语

（1）丰满大坝已运行70余年，对34～36号坝段F67断层2次时间跨度较长的现场补充勘察、岩石物理力学试验比较和复核表明，总体上两者试验成果基本一致，表明F67断层带的力学性质变化较小，同时也表明，只要处理得当，坝基岩体在高水头长期作用下耐久性和坝基稳定性基本能得到保证。

（2）坝基存在构造岩体或断层泥等不利于坝基稳定的软弱岩体的物理力学参数取值，可以以现场试验成果标准值为基础，考虑坝基岩体长期运行有一定的弱化，地质建议值在标准值的基础上折减。

[1]丰满大坝33～38号坝段地质资料整理说明书[R].长春:水利电力部东北勘测设计院,1965.

[2]丰满大坝33～38号坝段补充地质说明书[R].长春:水利电力部东北勘测设计院,1973

[3]丰满大坝加固工程设计技术讨论会文件——丰满大坝钻孔灌浆工程总结[R].吉林:丰满发电厂,1986.

[4]坝基地质及力学参数复核——丰满大坝首次安全定期检查专题报告之五[R].长春:水利电力部东北勘测设计院, 1997.

[5]坝基性态及坝体参数复核——丰满大坝首次安全定期检查专题报告之六[R].长春:水利电力部东北勘测设计院, 1997.

[6]工程地质及力学参数复核——丰满大坝长期安全性评价专题报告之二[R].北京：中国水利水电科学研究院,中国大坝委员会,2006.

[7]吉林省丰满发电厂工程场地地震安全性评价报告[R].长春:吉林省工程地震研究中心,2007.

[8]丰满电站坝基野外混凝土/岩石和岩石/岩石剪力试验及变形模量试验报告[R].长春:东北院科学研究所,1973.

[9]GB 50287-2006,水力发电工程地质勘察规程[S].

[10]吉林省丰满水电站大坝全面治理工程预可行性研究报告[R].杭州:华东勘测设计研究院,2009.

作者邮箱：zhu_h@ecidi.com

Title：Review and selection of geomechanics parameters of dam foundation of F67fault at block No.34～36 of a hydropower station in Northeast China//by ZHU Hong，LIN Jian and SUN Yan-qin//Zhejiang HuadongConstruction EngineeringCo.，Ltd.

Geomechanics parameters of rock mass of dam foundation are the basis of quantitative analysis and design，as well as the core content of engineering geological investigation.Case study based on a hydropower station in northeast China was carried out to study the review of geomechanics parameters of dam foundation and mechanics principle of rock mass，for reference.

anti-slidingstability of dam foundation；shear test；geomechanics parameters

TV223.1

B

1671-1092（2015）02-0033-06

2014-07-22

朱 泓（1964-），男，浙江富阳人，高级工程师，长期从事工程地质与水文地质、海洋地质工作。