特高坝地基深大断裂活动性与筑坝工程地质问题研究*

雷世兵　王启国　邓争荣　刘　宇　刘海峰　刘世斌

(长江岩土工程总公司(武汉)　武汉　430010)



特高坝地基深大断裂活动性与筑坝工程地质问题研究*

雷世兵王启国邓争荣刘宇刘海峰刘世斌

(长江岩土工程总公司(武汉)武汉430010)

某拟建水电站为高坝大库，挡水建筑物系200m级碾压混凝土重力坝，系我国在境外投资建设的重大能源项目之一。该水电站位于一条区域性的深大断裂(F4断裂)上，该断裂的活动性以及涉及的筑坝技术可行性为本工程的重大技术课题，关乎水电站成立与否的关键。为此开展了区域地震地质调查、物探、钻探、硐探、断裂物质测龄以及岩土物理力学性质现场和室内测试等大量工作，研究表明：(1)该断裂地震活动微弱，最新活动年龄14.2万～79.8万年，是一条晚更新世以来不活动的断裂，为非活动断层；(2)F4断裂对水坝建设存在影响的部位主要为碎裂岩带和F4-1、F4-2断层，其中微新碎裂岩多为Ⅲ1B类岩体，仅F4-2断层下盘影响带内的碎裂岩岩体为Ⅳ1B类岩体，F4-1、F4-2断层带工程性质差，为Ⅴ类岩体，是坝基最软弱的部位；(3)在F4断裂带上筑坝，建库后诱发构造型水库地震的可能性小，存在的主要工程地质问题为坝基变形和渗漏、渗透稳定问题，可通过适当深挖，并结合回填混凝土塞、固结灌浆、加深加密帷幕孔以及增加帷幕排数等工程措施予以处理。因此，F4断裂带上可以兴建水电站工程，筑坝技术可行。结果可为该水电站设计、施工提供技术依据，为类似工程提供技术参考。

200m级碾压混凝土重力坝深大断裂非活动断层工程特征工程地质问题筑坝技术

0　引　言

某水电站装机容量超3000MW，水库总库容超2×109m3，挡水建筑物为碾压混凝土重力坝，最大坝高200余米。在同类坝型中(邢林生等，2014)，该电站比我国已建成的北盘江光照水电站(全球最高碾压混凝土重力坝)和南盘江红水河龙滩水电站第一期工程高10m左右。

该水电站拟建在某国E江上，在开展前期勘察工作中，发现沿E江发育一条深大的区域性断裂(图1)，称为E江断裂，编号F4，走向NNE～SW，断裂带宽30～150m，总长度约500km。受河段上下游水电梯级开发方案和地形条件的限制，水电站坝址无法回避F4区域性深大断裂。

图1　坝址位置及近场区地震构造图Fig.1　Seismic structural map for the near site of hydropower station

在深大的区域断裂带上兴建高坝大库，有着巨大的地震安全风险，一般需要规避在深大断裂带上兴建水坝工程，因为稍有不慎，就有可能会酿成重大的溃坝事件，断裂活动除直接毁坏大坝水工建筑物外，溃坝还将形成严重的次生洪涝灾害(陈厚群等，2008；陈德基，2009；王启国等，2012)。另外，该水电站是我国在境外全资建设的重大能源项目之一，项目若失败，将在国际上产生严重地不良影响。因此，该水电站坝基F4断裂是否为活动断层，深大断裂带上是否可以修建高坝大库，是决定本工程成立与否的关键(曹去修等，2009；郭麒麟等，2012；雷启云等，2015)。

该国基础地质工作非常薄弱，经收集仅有 1：100万区域地质简图和构造纲要简图，研究区域范围内没有做过任何项目的地震安全性评价工作，地质或地震地质等野外工作几近空白。因此，研究区在地震构造环境和地质构造背景研究工作方面，特别是近场区地震地质和工程地质等方面，可供参考的研究成果极少。

本文基于区域地震地质研究，研究了F4断裂的活动性，并探讨了在该断裂带上筑坝而存在的工程地质问题，初步论证了工程场地兴建高坝大库的可行性，为该水电站建设提供技术依据，为类似工程提供技术参考。

2　坝址区地质背景

工程区域为构造中、低山地貌，北侧为东西向延伸的山脉，西侧第三纪盆地，地势总体北高南低、东高西低。E江在工程区略呈向东弯曲的弧形，流向总体自北向南，多为中、低山峡谷地貌，第1岸坡的高程一般300～1400m，河床高程230～270m。

研究区区域断裂构造以近南北走向为主，其他方向断裂较少，且规模较小。工程近场区断裂主要有穿过场址区的F4断裂，东部F7断裂和北西向小规模断裂F7-1等(图1)，各断裂的基本特征(表1)。根据本国与邻国有限的地震记录，水电站场址附近历史上地震主要发生在20世纪30年代，最强地震发育在坝址东部(F7断裂带)，最大地震达6.5级(1930年9月21日和1933年8月11日)，对拟建水电站坝址影响烈度≤Ⅶ度。

表1　近场区主要断裂的基本特征

Table 1　Brief table for characteristics of regional main fracture of hydropower station

断裂编号走向延伸长度/km断裂主要特征F4NNE～SN约500断裂基本顺E江河谷及东北部地貌变异带附近分布,断裂沿线不同段侵入花岗岩、辉长岩等岩体,并可见明显的断裂破碎带和断层构造岩F7SN～NNW约187距工程场址最近距离约22km。在该断裂(带)内分布有众多第四纪火山,且与火山活动具有构造方面的联系,故该断裂又被称为“火山断裂带”。是近场区活动较强的一组断裂F7-1NW约60距场地最近距离约28km。近场区北西向断裂与其他断裂呈交切状,沿断裂发育线性河谷,河谷中片麻岩与混合岩地层陡立,呈断层接触,上覆松散的更新世沉积物未断开。该断层第四纪活动性较弱,无晚更新世活动迹象

另外，坝址与水库区无震级M≥5.0级的地震记录，地震活动性相对较弱。

工程场地属于构造稳定性较差地区。工程场地50a超越概率10%的基岩地震动峰值加速度为170gal(0.17g)，场址地震基本烈度按Ⅷ度考虑。

3　F4断裂的活动性鉴定

活动断层是指第四纪期间，尤其是晚更新世(10万年)以来活动过的，并在今后仍有可能活动的断层( 常廷改，2006；雷启云等，2015)。活动断层的鉴定有直接测定活动物质年龄的方法和一些间接的判断方法(地质、地貌、水文地质标志，考古标志，测量和监测标志，地球化学和地球物理标志等)(中华人民共和国行业标准编写组，2006；林传勇等，2008；史兰斌等，2008)。由于工程区位于国外经济非常落后的偏远山区，交通不便，尤其其区域地震地质资料非常匮乏，对F4断裂的活动性鉴定主要通过地质、地貌标志的野外调查，结合断裂带物质的热释光法(TL)测年和电子自旋共振法(ESR)测年等方法综合判别。

拟建水电站工程位于F4断裂北段，F4断裂在近场区内走向NNE，在坝址以北(含本电站水库区)基本上沿E江河床展布，地表覆盖严重，露头较差；坝址以南沿E江左岸山坡向南延伸，并逐渐偏离E江，在E江东边SSW向延伸，在E江一线的古老变质岩基底中，沿变质带方向发育，断裂沿线不同段侵入花岗岩、辉长岩等岩体，并可见明显的断裂破碎带和断层构造岩。

F4断裂破碎带规模在近场区内相对较小，坝址以北F4断裂的露头较差，向南逐渐延出区外，断裂连续性好，破碎带规模加大，也是本文区域地震地质研究的重点地段。野外工作对位于坝址以南地表露头较好的F4断裂作了追索，重点调查和研究了D1～D4等多处F4断裂露头(D1位于坝址南南西约85km处，D2～D4位置见图1)，分述如下：

3.1D1处

在该断裂中段的E江左岸简易公路上，沿F4断裂侵入花岗岩和辉长岩岩株(图2、图3)，某些地段断层两侧因岩性不同而产生差异风化，闪长岩抗风化能力较强，形成高山，花岗岩抗风化能力较弱，形成侵蚀平台，断裂破碎带处呈侵蚀凹槽。沿该断裂无地震活动记录，亦未见断裂切穿上覆的第四纪沉积物，断裂物质测年表明，其最新活动年龄为14.2万(TL法测龄)～79.8万年(ESR法测龄)左右，为中更新世。

图2　左岸公路旁断裂剖面Fig.2　Profile for the fault on the left road1.花岗岩；2.辉长岩；3.破碎带；4.花岗岩风化壳；5.残坡积

图3　左岸公路旁断裂剖面Fig.3　Profile for the fault on the left road1.安山岩；2.泥砂岩；3.碎裂岩；4.残坡积；5.糜棱岩；6.断层

图4　某河右岸公路大桥上游断裂剖面Fig.4　Profile for the fault in the upstream of highway bridge on the right bank of river1.片麻岩；2.构造片岩

3.2D2处

近场区南段，断裂表现为强烈挤压带，某河右岸公路大桥上游约80m可见该断裂的完整剖面(图4)。在该剖面中，区域片麻理倒转，断裂表现为3个强烈的挤压片理带，片理带宽度一般为4～5m，最宽处约8m左右。片理倾向289°～310°、倾角60°～70°，整个断层带宽度约100m。断层构造岩以构造片岩为主，在第3个挤压片理带中见有构造角砾岩，胶结紧密。

3.3D3处

在坝址下游约3km的E江左岸，断层表现为强劈理带，宽约50m，可见3个主断面，走向NE20°左右，倾向东，倾角陡，断裂摩擦镜面上可见近垂直擦痕(图5)。断裂破碎带主要由碎裂岩、构造角砾岩和构造透镜体及构造片岩组成(图6)，围岩为斑状变晶花岗片麻岩夹透镜状大理岩。在该处实施了1个构造钻孔，揭露的岩心多为碎裂岩，其中孔深74.5～88.0m段为泥化物，此外尚分布有少量糜棱岩，断裂泥化物测试的年龄为60万年(ESR法测龄)左右，为中更新世。

图5　E江左岸F4主断面及断面上近于直立擦痕Fig.5　The striation on main fault plane on the left bank of E River is approximately vertical

另外，该点处还可见断层被T1阶地冲洪积层覆盖，物质主要为褐黄色粉细砂和砾石层，地表零星分布薄层含砾砂土层，阶地底部为断层破碎带和花岗片麻岩，阶面拔河高度21m左右，阶地基座高程与高漫滩基本相当。该T1阶地形态完整，没有发现晚第四纪以来的构造活动迹象。

3.4D4处

在E江大桥下游600m的左岸公路东侧一带因修路开挖而形成一处大型地质剖面(图7)，断层发育于花岗片麻岩中，表现为挤压破碎带，上覆较薄的残积黏性土和坡洪积含砾砂土层，其中含砾砂土呈褐黄色，结构密实，厚度4m左右，系E江T2阶地堆积物，沉积年龄9.64万年(ESR法测龄)左右，反映T2阶地形成以来该断裂未发生过较明显的断错地表活动。

综上所述，野外地表测绘没有发现F4断裂带的地震活动记录，亦未见断裂错断上覆的第四纪T1阶地、T2阶地沉积物，采用热释光法(TL)和电子自旋共振法(ESR)对F4断裂带物质测试的最新活动年龄为14.2万～79.8万年。由此可见，F4断裂是一条早、中更新世活动较强，晚更新世以来不活动的断裂，为非工程活动断层。因此，F4断裂带上具备兴建水坝工程的构造条件。

图6　E江大桥南桥头下断裂实测剖面Fig.6　Observed profile of fault under the bridgehead of E River1.F4断层影响带；2.含少量石英脉的碎裂岩带；3.含大量石英脉的碎裂岩带；4.构造角砾岩夹透镜体；5.构造片岩带；6.花岗岩碎裂岩带；7.花岗片麻岩透镜体；8.花岗岩

图7　F4断裂与阶地关系示意图Fig.7　Relational sketch between terrace and fault F41.斑状变晶花岗片麻岩；2.断层角砾岩；3.阶地；4.强、弱风化界线

4　坝址区F4断裂带工程地质特征

结合枢纽建筑物的布置方案，针对性地对F4断裂带开展了工程地质测绘、物探、钻探、硐探、坑槽探、声波测试、原位力学及渗透变形试验、室内物理力学性质试验等大量的勘察研究工作。研究表明，坝址区F4断裂可划分为韧性剪切带和脆性破裂带两个系列。韧性剪切带形成于中晚元古代与变质-变形同期；脆性破裂断裂形成时代较晚，由碎裂岩带和两条规模较大的断裂破碎带(F4-1、F4-2断层)组成。其中韧性剪切带在坝址区宽度500～800m，以粗糜棱岩(斑状变晶花岗片麻岩)为主，微新岩体的抗压强度90～110kPa，变形模量18～23GPa，岩体完整性好、强度高，是大坝优良的建基岩体；碎裂岩带和F4-1、F4-2断层发育于韧性剪切带西缘，对建筑物方案布置和基础处理存在重大影响，也是本文研究的重点。

碎裂岩带为F4-1、F4-2断层早期在他们两侧形成了宽度较大的破碎带，经历后期热液重结晶作用，再次胶结成岩形成，岩质较坚硬。碎裂岩带在大坝轴线处、坝趾处宽度分别为86m、92m左右。碎裂岩典型照片(图8)。

图8　勘探揭露的碎裂岩典型照片Fig.8　Typical photos of cataclastic rock revealed by explorationa.平洞揭露的全强风化碎裂岩；b.钻孔揭露的全强风化碎裂岩；c.平洞揭露的弱风化碎裂岩；d.平洞揭露的微风化碎裂岩

碎裂岩全强风化带钻孔岩心多呈碎屑、砂土状及少量碎块状(图8)，RQD一般为0，纵波波速值2120～2856m·s-1，厚度一般5～15m，局部缺失，在大坝轴线一带，其下限高程235～277m；弱风化带钻孔岩心主要呈碎块状，极少量柱状，RQD一般为9%～27%，纵波波速值2941～4762m·s-1，厚度一般小于10m，局部厚达15m左右，在大坝轴线处，其下限高程235～268m。以下为微新岩体，钻孔岩心多呈柱状，RQD一般为53%～82%，在邻近微风化上限22～38m范围内，纵波波速为3603～4500m·s-1，以下多为4500～4900m·s-1。坝基微新碎裂岩多为中硬岩，少量坚硬岩。

根据坝基岩体质量分类原则(中华人民共和国行业标准编写组，2009)，坝基强风化碎裂岩呈散体状结构，由岩块夹泥或泥夹岩块组成，强度低，工程性质差，为Ⅴ类岩体，不宜作为大坝建基岩体，需挖除。弱风化碎裂岩呈碎裂状，结构面发育-很发育，多张开，岩块间嵌合力差，为Ⅳ2B类岩体。微新碎裂岩大部分呈次块状结构，结构面中等发育，软弱结构面分布不多，岩体较完整，有一定的强度，多为Ⅲ1B类岩体，可以作为建基岩体；少量岩体完整性较差，存在不利于坝基稳定的软弱结构面，属Ⅳ1B类岩体，作为建基岩体需采取必要的工程加固措施。弱风化和微新碎裂岩的物理力学参数(表2)。

表2　坝址碎裂岩的物理力学参数一览表

Table 2　Physical & Mechanical properties of cataclasite of hydropower station

风化程度岩体工程地质类别岩体结构类型天然重度/kN·m-3孔隙率/%岩石饱和单轴抗压强度/MPa岩体变形模量/GPa泊松比软化系数岩体抗剪断强度混凝土/岩体抗剪断强度混凝土/岩体抗剪强度fc'/MPaf'c'/MPaf'弱风化Ⅳ2B碎裂状25.97.6630～352～30.310.620.5～0.70.7～0.80.4～0.50.6～0.70.5～0.6微风化-新鲜Ⅳ1B块裂状26.32.1540～503～40.290.750.6～0.70.8～0.90.5～0.60.7～0.80.5～0.7Ⅲ1B次块状26.41.2140～555～70.280.810.7～0.90.9～1.10.6～0.70.7～0.90.6～0.8

表3　坝址F4-1、F4-2断层带的物理力学参数一览表

Table 3　Physical & Mechanical properties of faults F4-1and F4-2of hydropower station

物质组成结构类型岩体类别重度γ/kN·m-3变形模量E0/GPa抗剪断强度允许承载力R/MPa渗透系数K/cm·s-1临界水力比降Jcr允许水力比降Jalf'c'/MPa泥化物散体Ⅴ20.20.01～0.020.25～0.300.01～0.030.2～0.3i×10-4～i×10-51.5～2.00.75～1.0泥化物夹碎石散体Ⅴ20.50.03～0.040.30～0.350.03～0.050.3～0.5i×10-3～i×10-41.3～1.50.65～0.75

F4-1、F4-2断层后期活动微弱，并经长期地质作用软化及部分泥化，在主断面部位形成了软弱构造岩带，宽度小于4m，物质为泥化物、泥化物夹碎石。F4-1、F4-2断层走向5°～25°，总体倾向W，倾角72°～85°，在坝轴线处F4-1断层带宽度2.0m、F4-2断层带宽度1.1m；坝趾处F4-1断层带呈破裂面、F4-2断层带宽度1.3m。钻探与平硐揭露的F4-1、F4-2断层带典型照片(图9)。根据岩体结构面分级规定(中华人民共和国行业标准编写组，2009)，F4-1、F4-2断层为Ⅱ级结构面。

F4-1、F4-2断层软弱构造岩带取样室内颗粒分析试验定名为粉土质砂和含细粒土砾，少量粉土质砾，其中F4-1断层软弱构造岩带的泥化程度较F4-2高。这两个断层带的岩石质量指标RQD均为0，声波纵波速2105～2855m·s-1，带内物质主要呈散体结构，岩体基本质量属Ⅴ类。断层带物质的物理力学参数(表3)。

图9　勘探揭露的F4-1、F4-2断层带典型照片Fig.9　Typical photos of faults F4-1and F4-2revealed by explorationa.钻孔揭露的F4-1断层带岩心；b.钻孔揭露的F4-2断层带岩心；c.平洞揭露的F4-2断层带

5　F4断裂带筑坝工程地质问题

根据水电站设计方案(图10)，大坝的14#～18#坝段位于F4断裂的碎裂岩带和F4-1、F4-2断层带上(图11)，该部位大坝坝高158～173m，属于高坝范畴。在F4断裂带上筑坝涉及的工程地质问题主要有水库诱发地震、抗滑稳定、坝基变形以及渗漏与渗透稳定问题等(王启国，2009；王学潮，2009)，依次分析如下。

图10　大坝布置与F4断裂分布图Fig.10　Distribution map of dam layout and fault F41.断层及编号；2.碎裂岩；3.碎裂岩边界；4.中上元古界；5.基岩片麻理产状；6.河流；7.坝块编号

图11　坝轴线处碎裂岩带和F4-1、F4-2断层分布剖面Fig.11　Profile of cataclastic rock zone on the dam axis & faults F4-1and F4-21.第四系；2.中晚元古界变质岩；3.花岗片麻岩；4.斑状变晶花岗片麻岩；5.F4-1、F4-2断层；6.断层影响带；7.碎裂岩；8.第四系与基岩分界线；9.全强风化带下限及弱风化带下限；10.透水率q>1Lu下限及q>3Lu下限；11.平洞及编号；12.钻孔及编号；13.建基面

5.1水库诱发地震

该水电站总库容20多亿m3，库首部位的库水深度达110～150m，为特大型水库，库水深度越大，蓄水造成附加孔隙水压力和水体重量相应增大，诱震的机率与强度就越大。另外，水库区干流库段以深切峡谷的高陡斜坡为主，干流库盆顺直，也有利于诱发水库地震。

该水电站水库长度约50km，F4断裂穿越长度约13.1km的库首段，该库段河谷深切，呈“V”形谷，河谷宽300～500m，两岸谷坡陡立，岸坡倾角一般大于35°。

库首段出露岩性主要为前寒武系结晶基底斑状变晶花岗片麻岩和花岗片麻岩，夹少量石英片岩，其中花岗片麻岩陡坡库岸发育产状76°∠50°、130°∠74°等数组平行或斜切岸坡的节理带，以陡倾、半闭合状、长大延伸的构造裂隙为主，次为卸荷裂隙。根据我国已确认的21例水库诱发地震震例分析，岩性与水库诱发地震具有较好的相关性，排除由构造因素引起的水库地震，其中库段由碳酸盐岩组成的诱发水库地震17例，占81%；花岗岩类4例，占19%；松散岩类、碎屑岩类和变质碎屑岩类的水库库段极少有诱发地震的震例。以上震例主要是3级以下的弱震、微震，而3级以上的较强地震一般与断裂构造诱震有直接的相关联系。对比我国21座水库震例，由水库库盆的岩石类型分析，本水电站库首块状硬质岩类有利于诱发岩石浅表应力调整型水库地震。库首水位抬升130m左右，且为深切峡谷的库岸地貌，结合工程类比，库首段块状硬质岩类诱发浅表破裂型水库地震的可能性较大，诱震强度M≤3.0级。

F4断裂破碎带规模特征以断裂中段和南段较为明显，断裂北段在坝址下游附近主要表现为NNE优势方向的裂隙密集带和构造碎裂岩，带宽30～150m，往深处延伸的产状目前难以断定。沿断裂带未见明显新构造活动迹象，断裂活动多发生在中更新世，为非活动断裂，断裂沿线的地震活动性微弱，也未见温泉等地下水分布，因此，建库后诱发构造型水库地震的可能性小。

根据水库地震的发震特点，预测评价认为，库首13km左右库段及坝址附近具备诱发水库地震的可能，类型主要为块状硬质岩类浅表破裂型水库地震，发震的最大强度在3.0级左右。

根据水库诱发地震的震级与震中烈度，求算水库地震对大坝建筑物的影响烈度，结果表明，水库诱发地震对坝址建筑物的影响烈度不超过Ⅴ度，对坝址建筑物和库区居民生命财产基本无影响。另外，尚未突破坝区Ⅷ度的地震基本烈度值，水库诱发地震不改变大坝抗震设计的基本条件。由于本工程为200m级的高坝大库，鉴于工程的重要性，建议在水库蓄水前建立地震监测台网，开展水库运行期间的地震安全监测工作。

5.2抗滑稳定

影响大坝抗滑稳定的因素主要是坝基缓倾角结构面空间分布、产状、性状、贯通率以及侧向边界条件等，分析抗滑稳定首先需要坝基具备潜在滑移边界条件，再根据潜在滑移结构面的力学参数标准值核算大坝稳定性，便于针对性地采取工程处理措施。

大坝的14#～18#坝段位于F4断裂带上，该坝段地基共实施了8个钻孔、3个平硐，其中钻孔中未见缓倾角裂隙性断层，平洞揭露了5条缓倾角裂隙性断层。缓倾角裂隙则随机分布，竖直线密度<0.2条·m-1，和其他坝段相比属于缓倾角裂隙不发育区。该坝段地基缓倾角裂隙性断层和大部分缓倾角裂隙分布在高程235～250m之上，处于大坝坝基开挖范围内，少量建基面以下的缓倾角裂隙多短小、产状凌乱、空间分布不一，连通性差，不构成潜在滑移边界条件。因此，该水电站14#～18#坝段不存在坝基抗滑稳定问题。

F4-1、F4-2断层走向5°～25°，总体倾向W，倾角72°～85°。坝基范围内F4-1、F4-2断层软弱构造岩带宽度分别为0～2.1m、0.9～2.0m，软弱构造岩多表现为泥化物，性状差。虽然14#～18#坝段坝基不存在抗滑稳定问题，但是F4-1、F4-2断层带为陡倾角、Ⅱ级结构面，可构成F4断裂带两侧坝段坝基潜在滑移的侧向切割条件。由于其他坝段坝基岩体不涉及F4断裂破碎带，其抗滑稳定问题将另文论证。

5.3坝基变形

根据大坝基础开挖方案，14#～18#坝段建基面以下的碎裂岩主要为微新岩体，其中位于F4-1断层上下盘的碎裂岩，呈次块状结构，变形模量5～8GPa，纵波波速3500～4500m·s-1，为Ⅲ1B类岩体，强度满足大坝建基岩体的要求，可以直接作为坝基持力层；位于F4-2断层下盘影响带内的碎裂岩岩体，呈块裂结构，变形模量3～5GPa，纵波波速2800～3500m·s-1，为Ⅳ1B类岩体，相对东侧的微新斑状变晶花岗片麻岩岩体(变形模量18～23GPa)其变形模量明显偏低，在坝体自身重力作用下，将会产生坝基变形问题。

大坝建基面以下的F4-1、F4-2断层带中的泥化物和泥化物夹碎石呈散体结构，性质软弱，变形模量0.01～0.04GPa(表4)，承载力比例极限0.25～0.39MPa，在坝基岩体中强度最低，是坝基变形最薄弱的部位。

表4　坝址F4-1、F4-2断层带原位变形与荷载试验成果表

Table 4　Results of in situ deformation and load test of faults F4-1and F4-2of hydropower station

项目变形模量Eo/GPa承载力比例极限/MPa最小值0.010.25最大值0.040.39平均值0.020.34组数33

可见，F4-2断层下盘影响带内的碎裂岩岩体和F4-1、F4-2断层带是F4断裂带中性状相对较差和最差的部位，均是坝基变形的处理对象。

针对14#～18#坝段坝基F4-2断层下盘影响带内的碎裂岩岩体和F4-1、F4-2断层带引发的坝基变形问题，建议采取如下工程处理措施(王启国等，2010)：

(1)挖槽回填混凝土塞，F4-2断层下盘影响带及F4-1、F4-2断层带物质呈块裂结构、散体结构，胶结差，建议采取适当挖除，并回填混凝土塞置换等工程处理措施，掏挖深度宜大于断层及影响带的合计宽度，且混凝土塞往大坝上下游延伸1.5倍塞高的长度，以保证处理效果。

(2)固结灌浆加固处理，对坝基范围的表部碎裂岩建议全部实施钻孔固结灌浆加固处理措施，建议灌浆钻孔间距(2.0～2.5)m×(2.0～2.5)m，深度一般20～25m，局部岩体声波纵波波速偏低的部位适当加深。

通过上述工程措施，可以显著提高14#～18#坝段坝基软弱岩带的均匀性、完整性、强度、渗透性等工程特性(符平等，2004)，满足建坝要求。

5.4渗漏与渗透稳定

在14#～18#坝段坝基断裂带中的钻孔实施了压水试验，据统计，在微风化碎裂岩中共计压水试验142段，属微透水(q<1Lu)的压水试验56段，占碎裂岩中压水试验总段数的39.4%，属弱透水(1Lu≤q<10Lu)的压水试验84段，占碎裂岩中压水试验总段数的59.2%(图12)，可见坝基微风化碎裂岩岩体主要属弱透水特性，次为微透水，透水性较其两侧微风化斑状变晶花岗片麻岩及花岗片麻岩岩体强。

表5　坝基F4-1、F4-2断层带渗透破坏试验成果一览表

Table 5　Seepage failure test results in faults F4-1and F4-2of dam foundation

样品编号及部位渗透系数/cm·s-1破坏水力比降临界水力比降渗透破坏形式位置MPD9F4-1右-12.91×10-38.810.99局部流土断层软弱构造岩带MPD9F4-1右-21.70×10-49.210.90局部流土断层软弱构造岩带MPD9F4-1左-15.31×10-510.691.70局部流土断层软弱构造岩带MPD9F4-1左-22.20×10-48.901.02局部流土断层软弱构造岩带MPD9F4-1左-31.10×10-37.90—接触冲刷断层软弱构造岩带与上盘接触部位MPD9F4-1左-41.53×10-39.213.10MPD9F4-1右-34.80×10-410.602.10接触冲刷断层软弱构造岩带与下盘接触部位MPD9F4-1右-42.80×10-4>8.700.91—MPD13F4-1-14.10×10-410.102.90接触冲刷断层软弱构造岩带与下盘接触部位MPD13F4-1-24.90×10-49.711.50MPD9F4-2右-11.22×10-35.711.00局部流土断层软弱构造岩带MPD9F4-2右-22.10×10-412.103.39局部流土断层软弱构造岩带MPD9F4-2左-11.87×10-36.130.80局部流土断层软弱构造岩带MPD9F4-2左-2—5.80—局部流土断层软弱构造岩带MPD9F4-2左-3—12.10—接触冲刷断层软弱构造岩带与上盘接触部位MPD9F4-2左-4—12.10—MPD9F4-2右-31.88×10-314.101.20接触冲刷断层软弱构造岩带与下盘接触部位MPD9F4-2右-41.10×10-3>2.101.10—MPD13F4-2-13.57×10-35.412.20局部流土断层软弱构造岩带与下盘接触部位MPD13F4-2-23.63×10-33.101.20

据F4-1、F4-2断层带泥化物现场渗透变形试验成果表明(表5)，F4-1、F4-2断层带渗透系数多在10-4～10-3量级，多具中等透水性，局部具弱透水性。F4-1及F4-2断层带临界水力比降低值分别为0.9、0.8，破坏水力比降低值分别为8.8、5.7，渗透破坏形式均为局部流土；F4-1及F4-2断层带与其上下盘接触地带的临界水力比降低值分别为0.9、1.1，破坏水力比降低值分别为7.9、3.1，渗透破坏形式主要为局部流土以及接触冲刷。

图12　坝基微新碎裂岩压水试验统计直方图Fig.12　Statistical histogram of water pressure tests on fresh cataclastic rock of dam foundation

可见，F4-1、F4-2断层带性状极差，在长期高水头渗透压力作用下，可能产生局部流土或接触冲刷等形式的渗透破坏；碎裂岩坝段1Lu线埋深达140m左右，在整个坝基中其深度最大，形成凹槽状，碎裂岩带整体透水性较断裂带两侧岩体大，均是坝基防渗处理的重点部位。

为了满足14#～18#坝段坝基防渗要求，保证大坝稳定，建议加强坝基帷幕灌浆工程措施。由于本工程为高坝大库，渗控标准高，坝基防渗标准取岩体透水率q≤1Lu。本坝段坝基透水率q<1Lu的岩体埋深较大，建基面以下埋深达120.5m，防渗封闭工程量较大，其中F4-1、F4-2断层部位相对碎裂岩带须加强防渗处理，如采取加深、加密帷幕孔以及增加帷幕排数等措施，有效降低大坝地基的扬压力。另外，建议在坝基碎裂岩带的帷幕后面设置排水措施，以同样达到降低坝基扬压力的目的(蔡高堂，1995)。

坝基帷幕深度大，有较高的技术难度，因此建议在帷幕灌浆施工前，选择典型地段进行灌浆试验，以取得帷幕灌浆的相关工艺、材料和设计参数等资料，保证帷幕灌浆的处理效果。

6　结论与讨论

某拟建水电站分布顺河向贯穿大坝坝基的区域性深大断裂—F4断裂。经研究，该断裂带未见明显新构造活动迹象，地震活动微弱，最新活动年龄14.2万～79.8万年，是一条晚更新世以来不活动的断裂，为非活动断层。

贯穿坝基的F4断裂对水坝建设存在影响的部位主要为碎裂岩带和F4-1、F4-2断层。建基岩体中，微新碎裂岩多为Ⅲ1B类岩体，强度满足大坝建基岩体的要求，仅F4-2断层下盘影响带内的碎裂岩岩体为Ⅳ1B类岩体，作为建基岩体其强度不足。F4-1、F4-2断层带为Ⅱ级结构面，工程性质差，属Ⅴ类岩体，是坝基最软弱的部位。

水电站建设涉及F4断裂的诸工程地质问题中，F4断裂为非活动断裂，建库后诱发构造型水库地震的可能性小；建基面以下的缓倾角结构面发育较少，不存在坝基抗滑稳定问题；F4-2断层下盘影响带内的碎裂岩岩体和F4-1、F4-2断层带是F4断裂带中性状相对较差和最差的部位，强度低，易产生坝基变形危害；碎裂岩带和F4-1、F4-2断层带是坝基相对透水性较强的部位，尤其F4-1、F4-2断层带在高水头作用下可能产生局部流土或接触冲刷等形式的渗透破坏。针对坝基变形和渗漏、渗透稳定问题，建议采取挖槽回填混凝土塞、固结灌浆、加强帷幕灌浆等工程处理措施。

综上所述，F4断裂为非活动断层，筑坝主要涉及坝基变形和渗漏、渗透稳定问题，可通过必要的工程措施加以处理。总之，F4区域性深大断裂带上可以兴建水电站工程，筑坝技术可行。由于本工程为高坝大库，工程重要性较高，除了做好大坝的抗震工程措施外，在库坝区尚需布置必要的地震安全监测工作。

另外，在大坝施工过程中，必须加强F4断裂带的施工地质工作，及时与前期勘察成果进行对比分析，积极和项目参建各方共同研究、商讨处理方案的可行性和合理性，使坝基这一重大地质缺陷得到彻底地处理，以保证该水电站安全建设和建成后的安全运行。

致谢本文得到了项目组孙云志教授级高级工程师、吴树良工程师等同志的大力支持和指导，这里表示衷心地感谢!

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DEEP FAULT ACTIVITY OF ESPECIALLY HIGH DAM FOUNDATION AND GEOLOGICAL ISSUES OF DAM ENGINEERING

LEI ShibingWANG QiguoDENG ZhengrongLIU YuLIU HaifengLIU Shibin

(Changjiang Geotechnical Engineering Corporation(Wuhan)，Wuhan430010)

This paper examines a planned hydropower station that is one of the important energy projects in overseas invested by China.It has a reservoir with high dam.Its water retaining structure is a roller-compacted concrete gravity dam of 200m high.The dam is located at a regional deep fault(F4).Activities of fault and feasibility of damming technology，as an important technical issue，is key to the establishment of hydropower station.Thus，a lot of work，including regional seismic geological investigation，geophysical prospecting，drilling，exploratory adit，fault age，field and indoor tests for rock and soil physical and mechanical properties，has been conducted.Results show that：(1)Seismic activities in this fault are weak and the latest one is from 0.142million to 0.798million years ago.The fault is inactive since late Pleistocene.(2)Cataclastic rock belt and the faults F4-1and F4-2have the most influence on the dam.The fresh cataclastic rock mainly is the Ⅲ1Bclass rock.The Ⅳ1Bclass rock only exists in F4footwall.Faults F4-1and F4-2，which is composed of the Ⅴ class rock，have bad engineering properties，and are the most weak part of dam foundation;(3)The possibility of building the dam at fault F4to induce stereotype reservoir earthquake is less.The main engineering geological problem is deformation and seepage in dam foundation.Seepage stability can be dealt with through appropriate engineering measures such as deep digging and combining with backfilling concrete plug，consolidation grouting，deepening encryption and increasing the curtain row number.With results mentioned above all，an conclusion can be made that conducting hydropower projects on the fault F4zone is viable in technical way.The results can only provide technical basis for hydropower station design and construction，but also technical reference for similar projects．

Roller-compacted concrete gravity dam，Deep fault，Inactive fault，Engineering characteristics，Engineering geological problem，Damming technique

10.13544/j.cnki.jeg.2016.04.026

2015-12-22;

2016-02-10.

雷世兵(1983-)，男，工程师，工程地质专业.Email: 94213148@qq.com

简介：王启国(1972-)，男，高级工程师，工程地质专业.Email: cjwwqg001@163.com

TV73；P642

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