乌东德水电站左岸拱座长大结构面工程地质特征及其影响研究*

王吉亮 许 琦 郝文忠 黄孝泉 魏雨军 周炳强 徐 磊

WANG Jiliang①② XU Qi①② HAO Wenzhong①② HUANG Xiaoquan①② WEI Yujun①② ZHOU Bingqiang①② XU Lei①②



乌东德水电站左岸拱座长大结构面工程地质特征及其影响研究*

王吉亮①②许 琦①②郝文忠①②黄孝泉①②魏雨军①②周炳强①②徐 磊①②

拱坝所承受的荷载大部分都通过拱的作用传到两岸拱座岩体，拱坝所具有的一切优点都是建立在拱座稳定的基础上的，因此拱座是确定拱坝稳定的关键部位，拱座变形及抗滑稳定问题是拱坝建设中的关键工程地质问题之一。乌东德水电站左岸拱座在开挖过程中揭露两条长大结构面。本文从工程地质条件着手，在可研阶段的研究基础上，布置专项勘探，并充分利用施工揭露，查明了结构面的空间分布特征； 利用大比例尺编录及物探测试，实现了结构面充填物性状的定量化研究； 在此基础上，结合工程地质评价及数值计算分析结构面对拱座稳定性的影响。研究结果表明，这两条结构面为典型灰岩地区后期溶蚀作用改造前期构造痕迹形成的溶蚀性小断层，充填物以钙质胶结为主，胶结紧密，局部溶蚀性状较差，充填物中软弱物质断续分布，多为坚硬岩体直接接触； 受其空间分布特征影响，结构面会引起拱座岩体局部应力集中，但对拱座抗滑稳定性无影响。所获得的成果基本形成了拱座岩体长大结构面工程地质特征及其影响研究的系统方法，可应用于现场实际工程，对拱坝的勘测、设计等具有重要的理论和实践意义。

乌东德水电站 拱座 长大结构面 空间分布 工程地质特性 影响性评价

WANG Jiliang①②XU Qi①②HAO Wenzhong①②HUANG Xiaoquan①②WEI Yujun①②ZHOU Bingqiang①②XU Lei①②

0 引 言

岩体中结构面的存在，使工程岩体失去其连续性和完整性，导致工程地质条件的复杂性，常常构成影响工程稳定的地质缺陷。高拱坝拱座中的断层、裂隙、软弱夹层等结构面构成的地质缺陷常威胁大坝的安全，研究其工程地质特征及其对拱坝和坝肩岩体稳定性的影响是拱坝设计的首要问题(王思敬等， 1990； AI-Homoud， et al.，1995; 汝乃华等， 1995； Vallejo et al.，1996; 万宗礼等， 2009)。实践表明，结构面的力学效应及其对工程岩体稳定性的影响主要受控于结构面的规模和工程地质性状，查明各种类型结构面的空间延伸规模及工程地质特征对分析工程岩体稳定性至关重要(黄润秋等， 2004， 2014； 满作武等， 2008； 刘明， 2010； 王胜， 2010； 王双龙， 2012)。

本文针对乌东德水电站左岸拱座揭露的长大结构面，在把握研究区工程地质条件的基础上，从工程地质角度出发，利用钻孔、平洞及施工开挖面，采取大比例尺编录，结合钻孔声波及彩电等手段，从结构面空间展布特征、充填物厚度及物质组成、工程地质性状等特征对其进行深入系统研究，而后采用工程地质评价和数值模拟计算相结合的方式对其产生的影响进行定性和定量评价。本文旨在建立针对拱座内地质软弱结构面的调查、描述及评价的系统方法，为后续设计施工提供指导，为类似工程提供借鉴。

1 工程概况与基本地质条件

1.1 工程概况

在建乌东德水电站是金沙江下游河段4个梯级中的第一个梯级电站，工程开发任务以发电为主，兼顾防洪。电站装机容量10200MW，年发电量389.3亿kWh。设计采用混凝土双曲拱坝，拱坝坝顶高程988m，建基面最低高程718m，最大坝高270m(李会中等， 2015)。

1.2 基本地质条件

图1 大坝工程地质图

以室内试验成果为基础， 根据《水力发电工程地质勘察规范》(GB50287-2006)“附录D岩土物理力学性质参数取值”的规定，岩石的密度和饱和单轴抗压强度采用试验成果的算术平均值作为标准值； 以现场刚性承压板法试验值的平均值作为标准值，参考类似工程经验，确定岩体变形模量参数； 以抗剪断峰值强度小值平均值作为标准值，参考国标、同类工程经验，综合考虑坝址区地质条件，确定岩体抗剪强度。拱座主要岩体物理力学参数取值见表1(李会中等， 2015； 王吉亮等， 2015)。

表1 拱座岩体物理力学参数建议值

Table1 The suggested values of physical and mechanical parameters for dam abutment rock mass

岩性卸荷区岩体质量容重γ/kN·m-3饱和抗压强度Rc/MPa变形模量E0/GPa泊松比μ抗剪断强度fc/MPa左岸Pt3-12lPt3-32l非Ⅱ126.99527.50.221.51.9微Ⅱ28522.50.241.31.6弱Ⅲ2607.50.290.90.85右岸Pt3-12lPt3-42lPt3-52lPt4-22lPt62l右岸Pt102l非Ⅱ227.18522.50.241.31.6微Ⅲ180200.251.11.3弱Ⅲ2607.50.290.90.85Pt3-22l非Ⅲ127.270160.261.11.3微Ⅲ265150.270.951.15弱Ⅲ2607.50.290.90.85左岸Pt4-12l非Ⅳ127.35540.320.750.55微Ⅳ1503.50.330.650.5弱Ⅳ2351.50.340.60.3右岸Pt4-12l非Ⅳ227.3451.50.340.60.3微Ⅴ350.550.36<0.5<0.2弱Ⅴ300.550.37<0.5<0.2Pt52l非Ⅳ127.05040.320.750.55微Ⅴ350.550.36<0.5<0.2弱Ⅴ300.550.37<0.5<0.2Pt72l、左岸Pt82l、Pt92l、左岸Pt102l非Ⅲ127.07190.261.11.1微Ⅲ26017.50.270.951.05弱Ⅳ1504.50.290.80.7右岸Pt82l非Ⅱ226.99222.50.241.31.6微Ⅲ180200.251.11.3弱Ⅲ2607.50.290.90.85

图2 左岸坝肩高程988m工程地质平切图

2 施工期揭露长大结构面工程地质特征研究

乌东德水电站左岸拱座在施工期开挖过程中揭露两条长大结构面，分别为Ztf1和Ztf2，其中Ztf1于大坝建基面出露，Ztf2出露于坝后水垫塘边坡(坝顶高程988m处距离下游拱端54.5m)，由于这两条结构面出露位置较为关键，担心其对拱座稳定构成一定的影响，故对其进行专项研究，以确保大坝安全。对这两条结构面的工程地质特性研究是在研究区整体构造格局和结构面发育总体特征的指导下展开的，充分利用各个工程边坡、施工支洞、地下硐室的已开挖部分及可研阶段勘探平洞、钻孔资料，另外布置专项勘察钻孔，在不同高程及距边坡不同深度形成控制网，对这两条结构面的空间分布、充填物性状等开展研究。

2.1 结构面空间分布

按照“产状相似、性状相似、空间对应”的原则，对不同高程、不同深度揭露的结构面进行反复对比，确定了这两条长大结构面的空间分布情况。

2.2 结构面性状

结构面的性状研究是其影响性宏观定性评价的基础，亦是其力学特性认识的根本，从而影响计算定量评价结果。这两条结构面性状不均一，软弱充填物、硬性充填物以及岩体直接接触的无充填情况均有分布，这给结构面性状研究工作带来了很大的困难。本文通过对不同高程、不同深度揭露点进行结构面大比例尺编录，获取结构面充填物组成定量化信息，进而对编录结果进行统计分析，获取结构面性状的规律性特征，并通过声波测试，定量判断充填物岩体质量，为后续结构面参数研究提供依据。

图3 左岸坝肩高程945m工程地质平切图

2.2.1 结构面性状调查

利用不同高程、不同深度的勘探控制点，对结构面进行了精度为1︰10的地质编录，对充填物物质组成进行了详细划分，通过编录发现，这两条长大结构面充填物主要为强风化碎裂岩、弱风化碎裂岩、微风化碎裂岩、碎屑夹泥、泥夹碎屑及泥质 (图4)。

对已揭露Ztf1的坝顶平台、高程945m灌浆平洞、高程988～865m段大坝建基面出露的结构面宽度和性状进行1︰10的高精度工程地质编录，其中构造岩按地质宏观判断的岩体质量进行评价与划分，含泥物质单独划分 (图5)。根据编录结果对结构面充填物物质组成进行定量化统计 (表2)，统计中某段结构面分布有多类构造岩时，以该段性状最差构造岩长度计。

表2 坝顶平台高程987.65m处Ztf1充填物分布长度 和所占百分比统计成果一览表

Table2 The distribution length and percentage of filling at Ztf1 (dam crest of 987.65m elevation)

物质组成强风化碎裂岩碎屑夹泥泥夹碎屑泥长度/m0.91.14.50.7比例/%12.515.362.59.7

对已揭露Ztf2的坝顶平台、水垫塘边坡(高程988～960m)、高程990m顺江平洞PD41-1、高程945m施工支洞GJ1-A出露的结构面宽度和性状进行1︰10的工程地质编录，其中构造岩按地质宏观判断的岩体质量对其进行评价与划分，含泥物质单独划分 (图6)。根据编录结果对结构面充填物物质组成进行定量化统计 (表3)，统计中某段结构面分布有多类构造岩时，以该段性状最差构造岩长度计。

表3 坝顶平台高程987.65m处Ztf2充填物分布长度 和所占百分比统计成果一览表

Table3 The distribution length and percentage of fillings at Ztf2 (dam crest of 987.65m elevation)

物质组成微风化碎裂岩弱风化碎裂岩强风化碎裂岩碎屑夹泥泥夹碎屑泥长度/m3.50.50.62.41.92.3比例/%31.254.465.3621.4316.9620.54

2.2.2 结构面充填物性状概化分段

基于以上不同高程、不同深度揭露点的工程地质编录成果，根据宽度及性状特征的不同，Ztf1从高至低可概化为5段(表4)。

根据性状特征的不同，Ztf2从高至低可概化为2大段，分为高程1045～990m和高程990～740m，其中990～740m根据结构面宽度不同，可概化为3个亚段，各高程分段特征(表5)。

2.2.3 结构面充填物声波测试

为实现充填物岩体质量的定量化判定，对结构面进行了声波测试及全孔高清录像，声波测试成果显示，各充填物岩体质量不同，纵波波速差异明显，其中强风化碎裂岩为Ⅴ级岩体、弱风化碎裂岩为Ⅳ2级岩体、微风化碎裂岩为Ⅲ2级岩体，含泥物质的岩体质量低于Ⅴ级岩体。典型钻孔彩电及声波测试曲线(图7， 图8)。

2.3 结构面物理力学参数

图4 典型充填物现场照片

图5 坝顶平台高程987.65m处Ztf1工程地质编录图

图6 坝顶平台高程987.65m处Ztf2工程地质编录图

结构面Ztf1及Ztf2性状变化大、规模大，很难通过现场原位试验获取其综合力学参数，此次研究以结构面充填物物质组成高程概化分段为基础，每个分段中按组成物质的变形模量及其相应宽度，根据变形等效原则计算结构面的综合变形模量，单层物质的变形模量(表6)根据可研阶段试验成果(李会中等，2015)，参考《水力发电工程地质手册》及《工程地质手册》确定。结构面的综合变形模量计算公式如下：

(1)

式中，E0为结构面的综合变形模量； h0为结构面的总宽度； E1、E2分别为两种充填物的变形模量； h1、h2分别为两种充填物的宽度。

由于结构面的剪切变形一般出现于结构面中性状较差部位，结构面的抗剪断强度按充填物中性状较差的抗剪断强度提出。Ztf1、Ztf2力学参数建议值(表6)。

表4 Ztf1充填物按高程分段特征

Table4 Characteristics of Ztf1 fillings at different elevation

分段高程/m宽度/cm性状特征1048～99010起伏稍粗,附1～2cm厚泥质,其余为钙质胶结碎裂岩990～97020～30平直粗糙,面上多分布宽1～5cm的碎屑夹泥,其余主要为钙质胶结的微风化角砾岩及碎裂岩,局部溶蚀呈约宽10～20cm缝状970～93110平直粗糙,面附近多分布0.5～2cm的碎屑夹泥等软弱物质,其余主要为钙质胶结的微风化角砾岩及碎裂岩931～9005平直粗糙,主要为钙质胶结的微风化角砾岩及碎裂岩,局部见碎屑夹泥900～8755多起伏稍粗,附泥钙膜,其余多为方解石及钙质胶结的碎裂岩

表5 Ztf2充填物按高程分段特征

Table5 Characteristics of Ztf2 fillings at different elevation

分段高程/m宽度/cm性状特征1045～99030一般宽约30cm,在高程990m局部最宽处约60cm;一般平直稍粗,多附0.5～1cm厚的泥质;其余构造岩主要为结构松散的碎石、碎屑或角砾夹泥,碎石、碎屑、角砾多呈微风化状。主断面附近偶见洞径一般为10～20cm的溶洞990～88020断面一般平直粗糙,多附泥钙质膜,局部呈裂隙状880～80015构造岩多为微风化碎裂岩,局部为强-弱风化状800～74010较少断面附近见碎屑夹泥、泥夹碎屑及泥质

图7 ZYT-955-4揭露Ztf1彩电及声波(高程955m)

图8 SPZK14揭露Ztf2彩电及声波(高程943m)

表6 Ztf1、Ztf2力学参数建议值

Table6 Suggested values of the mechanical parameters for Ztf1 and Ztf2

“—”表示结构面两侧岩体直接接触，无充填

表7 Ztf1在建基面高程988～875m段不同性状 构造岩分布长度和所占百分比统计成果一览表

Table7 Distribution length and percentage of structure rocks with different traits of Ztf1 on the dam foundation surface (988m to 875m elevation)

高程分段/m岩体质量Ⅲ2Ⅳ2Ⅴ碎屑夹泥泥夹碎屑泥988～970长度/m0001800比例/%00010000970～931长度/m10201224比例/%2.605.1030.861.5931～900长度/m1401.27.808.0比例/%45.103.925.2025.8900～875长度/m15100000比例/%60400000合计长度/m30103.225.812.032.0比例/%26.58.92.822.810.728.3

图9 数值计算网格

3 结构面影响地质宏观定性评价

Ztf1于拱肩槽内出露，结构面走向与拱推力方向近平行，部分高程段性状较差，性状总体随高程愈往下愈好 (表7)，宏观判断其对拱座局部变形可能有一定的不利影响。Ztf1可能作为拱座抗滑稳定上游脱开面，但其附近其他结构面多为短小的硬性结构面，连通率低，且无贯穿性侧向结构面及底滑面与之组合，故其对拱座抗滑稳定无影响。

Ztf2虽位于拱座抗力体内，但其距拱距离较远，最近为47.5m； 充填物中不含泥(包括碎屑夹泥、泥夹碎屑及泥)的断层带长度平均占68.8%(表8)； 其中Ⅲ2级岩体直接接触的平均占39.8%； 坝顶高程988m以下仅局部含泥，厚度约1～2cm； 性状随高程愈往下愈好，故宏观判断其对拱座变形稳定不构成影响。Ztf2宽度总体有限，不可能构成拱座滑移下游临空面，其附近其他结构面多为短小的硬性结构面，连通率低，且无贯穿性侧向结构面及底滑面与之组合，故其对拱座抗滑稳定性无影响。

表8 Ztf2不同性状充填物分布长度和所占百分比统计成果一览表

Table8 Distribution length and percentage of different fillings at Ztf2

部位微风化方解石胶结碎裂岩(Ⅲ2级)弱风化方解石胶结碎裂岩(Ⅳ2级)强风化碎裂岩(Ⅴ级)碎屑夹泥泥夹碎屑泥水垫塘边坡988～960m长度/m10.061.547.052.972.733.92比例/%35.595.4524.9410.519.6613.87坝顶平台987.65m长度/m3.50.50.62.41.92.3比例/%31.254.465.3621.4316.9620.54顺江平洞PD41-1(990m)长度/m2.530.3501.1901.36比例/%46.596.450.0021.920.0025.05施工支洞ZGJ1-A(945m)长度/m8.96.12.100.80比例/%49.7234.0811.730.004.470.00合计合计/m24.998.499.756.565.437.58比例/%39.7913.5215.5310.458.6512.07

4 结构面影响数值计算定量评价

4.1 计算模型与工况

采用三维有限元对结构面的影响进行数值模拟计算(周华等， 2016)，三维模型以坝轴线为中心，计算范围为上游近1倍坝高，下游近2.5倍坝高，左右两岸近2倍坝高，坝基模拟深度约1倍坝高，三维模型尺寸为1350m×930m×660m，模拟了计算域内的各地层、断层、坝肩结构面等。网格主要采用八节点六面体单元，单元总数94142，节点总数107677，计算整体网格(图9)。

材料非线性特性采用带抗拉强度的Drucker-Prager屈服准则模拟，结构面采用薄层实体单元模拟，按等效模量取值。计算中主要考虑的荷载有：坝体和岩体自重、温降荷载、正常蓄水位的水沙作用，计算基本工况为：坝体自重+上游正常蓄水位+相应下游水位+泥沙压力+温降荷载。

4.2 抗力体变形及应力分布规律

计算结果 (图10、图11)表明，Ztf1因其走向与拱端推力方向呈小角度相交，抗力岩体在拱端推力作用下沿结构面出现微弱的剪切变形，受其剪切作用影响，拱端推力在坝肩岩体内传递不均匀，结构面附近存在少量应力集中现象，两侧岩体应力不甚连续。Ztf2走向近横河向分布，与拱端推力方向斜交，但其距离拱端较远，结构面部位未出现明显的错动变形，虽结构面附近出现一定的应力集中、两侧岩体应力不连续，其对拱端推力向下游传递影响不大。

图10 高程900m平切面坝肩岩体位移云图

图11 高程900m平切面坝肩岩体最小主应力云图

5 结 论

(1)Ztf1于拱肩槽建基面出露，其走向与拱肩槽边坡近直交，水平向延伸长度约100m，铅直向延伸长度约173m； Ztf2距下游拱端最近距离为47.5m，与水垫塘边坡大角度相交，水平向延伸长度约254m，铅直向延伸长约305m。这两条长大结构面宽度及性状变化较大，构造岩不稳定，为典型灰岩地区后期溶蚀改造前期构造痕迹形成的溶蚀性小断层，软弱物质断续分布，总体上，高程愈低、宽度愈窄、性状愈好。

(2)综合宏观地质分析与三维有限元数值模拟计算成果，Ztf1对拱座局部变形有一定的影响，对拱座抗滑稳定无影响，在拱端推力作用下沿Ztf1可能出现一定的剪切变形，结构面附近存在少量应力集中现象，两侧岩体应力不甚连续； Ztf2对拱座变形和拱座抗滑均无影响，虽结构面附近出现一定的应力集中、两侧岩体应力不连续，其对拱端推力向下游传递影响不大。

(3)本文以不同高程、不同深度的勘探控制为基础，以“产状相似、性状相似、空间对应”的原则研究结构面的空间分布规律，通过大比例尺编录获取结构面充填物定量化信息，而后对结构面性状进行统计概化分段，并提出各段对应物理力学参数，以工程地质定性评价和三维数值模拟定量计算相结合的手段，对长大结构面的影响进行分析评价。研究成果对设计方案的制定和工程的顺利推进具有重要指导意义，对类似工程具有借鉴意义。

致 谢 感谢参与本次研究工作的曹去修、周华等，以及三峡院乌东德勘察项目部全体同仁，特此致谢!

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JournalofEngineeringGeology工程地质学报 1004-9665/2016/24(5)- 0833- 14

GEOLOGICAL CHARACTERISTICS OF DISCONTINUITIES AT LEFT BUTMENT SLOPE AND IMPACT EVALUATION TO DAM OF WUDONGDE HYDROPOWER STATION

The load on the arch dam mostly applies on the abutment rock mass of both sides of dam. Dam abutment is key part to maintain stability of arch dam and its stability is one of the important engineering geology factors in the process of arch dam construction. Two geological discontinuities with long persistence are found during the excavation of slope at left abutment of Wudongde hydropower station. According to the engineering geological conditions and data of feasibility study， in combination with special exploration and exposure of excavation surface， the distribution of discontinuities is obtained. The quantitative research about the physical composition and character of infillings of discontinuities is achieved through field investigation in detail and geophysical exploration test. Based on the results， the adverse impact of discontinuities to the stability of abutment is researched through engineering geological evaluation and numerical analysis. The results show that these discontinuities are two tectonic faults formed in the earlier stage and superimpose the modification of dissolution later. It is a typical phenomenon in limestone zone. Most of the infillings exist with calcium cementation. Partial infillings are poorer because of dissolution. Thus， the distribution of soft material of infillings is discontinuous. Hard rocks contact each other directly. The discontinuities have no impact on the abutment stability， but may cause the stress concentration in abutment rock mass partly. The developed approach is scientific and comprehensive. It can be applied to study the engineering geological characteristics of discontinuities and evaluate their impact to the stability of abutment rock mass in the process of dam construction. It also provides theoretical and practical significance to the survey and design of arch dam project．

Wudongde hydropower station， Abutment， Discontinuity with long persistence， Space distribution， Geological characteristic， Impact evaluation

10.13544/j.cnki.jeg.2016.05.012

2016-06-17;

2016-07-27.

王吉亮(1982-)，男， 博士，博士后，高级工程师，现主要从事水利水电工程地质勘察工作. Email: 39128518@qq.com

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