复杂层状建基岩体可利用性及开挖深度优化研究

李天鹏　魏伟　杨莉　杨凯杰

建筑与城乡规划学院，四川成都611830;3.四川工程职业技术学院，四川德阳618000）

摘要：建基岩体的可利用性及开挖深度关系到水电站工程的可行性、合理性及经济性等，是技施阶段重要研究内容之一。基于对坝基不同岩性及其组合的岩石力学特性试验、岩层厚度、RQD值、波速测试及配套的现场大型变形试验等，研究了复杂层状建基岩体的结构特征和质量标准，并基于岩体波速建立岩体结构、岩体质量及变形参数的预测评价模型，确定了复杂层状岩体的可利用性标准，并对开挖深度进行了优化研究。结果表明：在砂岩类占比约60%的整个坝基岩体中，微新及以下复杂层状砂板岩以坚硬岩为主，且原位状态下岩体层面效应基本消失，完整性大幅提高;岩体波速与岩体结构、岩体质量及变形参数间具有很好的对应性;基于岩体波速建立了建基岩体利用标准，并将河床建基面开挖深度整体抬高约10m，减少了岩基开挖和混凝土浇筑量并缩短了工期。

关键词：复杂层状岩体;建基面;可利用性;开挖深度优化;岩体结构;岩体质量

中图法分类号：P642

文献标志码：A

DOI：10.16232/j.enki.1001-4179.2019.03.029

1研究背景

混凝土重力坝是目前经济性和安全性最好的坝型之一，它主要是利用自重抵抗水压力、浮力等，并以大坝-基础联合作用的形式来完成挡水任务，亦将各类合力传递给岩基，这要求基岩应具有足够强度、整体性和均匀性等。但坝基岩体工程地质特性不仅受岩性、地质构造、地下水、风化、卸荷及坝体传递荷载等影响，还受勘察手段、方法和深度等影响，使得岩基可利用性及开挖深度难以确定。虽然开挖深度越深，建基岩体工程特性及大坝安全性等越好，但坝体所承受合力亦不断增大，亦可导致坝基回弹变形和高边坡稳定、增加建设工期及投资成本等问题。因此，如何在保证工程安全的前提下，充分利用坝基岩体，减少开挖深度、施工工期及投资成本等已成为水电设计中研究的重要问题。

在国内，建基岩体的可利用性及建基面选择评价指标以风化程度和岩体质量为主[1-5]，国外则更强调基础处理和加固后满足设计要求[4-7]。张勇[4]、黄春华等[8]通过对施工风钻孔纵波测试及试验、地质模型构建等基础上，基于声波与岩体质量及力学参数的预测评价模型，建立岩基的可利用标准，并对坝基开挖深度进行了优化，显示出了较好的经济性与实用性;王仁坤在建立坝基岩体力学与损伤模型、地基加固理论等基础上[5，9]，通过数值计算模型与地质力学模型对特高拱坝建基面嵌深进行了优化研究，亦从工期及造价方面进行了对比分析;王文杰[10]、邹浩等[11]通过建立数值计算模型对建基面进行了优化设计;陈志坚等[12]通过岩级及其影响因素建立了建基面优选模型。由于建基岩体优化研究主要集中于次块-块状或中厚-厚层状为主的高坝中，而对于薄层-互层状软硬相间岩体为主的可利用性则较少，国内主要见于阿海、卡拉、乌弄龙等水电站中[13-14]。

因此，本文針对以薄层-互层状砂、板岩为建基岩体的阿海水电站，通过对建基岩体的岩性、结构特性、岩石（体）力学特性等研究，对河床坝段建基岩体的可利用性及开挖深度进行了优化，此举减少了基岩开挖量及混凝土方量均约6.1万m3[15]，节约直接工程投资约3000余万元，并缩短了工期。目前，阿海水电站运行正常，表明建基岩体及开挖深度优化研究方案的科学合理性，其研究方法、理论等也可为其他不同地质体作为建基岩体的利用标准及优化设计提供理论依据。

2工程概况

阿海水电站位于云南省丽江市金沙江中游河段，电站采，用碾压混凝土重力坝、坝后厂房的方案，其中最大设计坝高138m，正常蓄水位1504m，电站装机容量2000MW，总库容8.82亿m3。阿海水电站坝址部位金沙江流向大致由北向南，河谷两岸地形高陡，呈“V”形，且基岩多裸露。坝址区地层为泥盆系（D1）下统浅变质砂、板岩及华力西晚期顺层侵入的辉绿岩（β34），坝基则以中厚-薄层状砂岩、板岩相间分布的泥盆系（D21a）浅变质岩为主，岩层产状为N80～90°E/NW∠45～60°，倾向上游。

前期勘察成果表明[13，16]：阿海水电站共分为19个坝段，其中9～12号坝段为河床坝段，其冲积层厚5～20m，下覆基岩为互层状微风化-新鲜的砂、板岩，且岩性相对均一，岩石强度较高，岩层层间结合紧密，RQD值一般为40%～60%，部分达70%，岩体完整性较好;拟定1372m高程微风化-新鲜Ⅲ类岩体为河床坝段建基面，开挖深度为基岩面下10m左右，并要求建基岩体纵波度大于3000m/s，变形模量6～10.GPa。

3复杂层状岩体工程地质特性

3.1岩石强度特性及组合特征

坝址区砂岩为长石石英细砂岩和粉砂岩，板岩为含炭质、钙质板岩。考虑到砂板岩呈互层状及板岩的各向异性，岩石饱和单轴抗压强度试验时分别让加载方向与层面垂直、平行和45°方向加载，成果见表1[16]。从表1中可知：砂岩近似为均质体，为坚硬岩;板岩各向异性较明显，除加载方向与倾角夹角呈45°（铅垂方向）时饱和单轴抗压强度较低为较软岩外，其余均为中硬岩;互层状砂、板岩为中硬岩，但铅垂方向饱和单轴抗压强度较低，并随板岩含量的增加而逐渐降低。

对坝基岩性比例的精细量测及岩性展布图分析表明，河床坝段砂岩类及砂板岩互层约占61%，粉砂质板岩约35%，挤压带约4%（见图1），左、右岸砂岩类及砂板岩互层约占60%～64%，粉砂质板岩约31%～35%，挤压带约5%，表明坝基岩体仍是以坚硬岩为主的互层状砂、板岩，基本满足规范对高坝坝基岩性强度之要求[1-3]。

3.2坝基复杂层状岩体结构研究

3.2.1复杂层状岩体结构特征及划分方案

坝基岩体岩层层面为主要结构面，层厚小于10cm的薄层状岩体约占整个坝基的65%，10～30cm互层状约占16%，30～50cm中厚层状约占7%，50～100cm厚层状约占8%，挤压带约占4%，因此，坝基岩体结构以薄层-互层状为主。

另据钻孔资料显示，坝岩层状岩体受风化影响，在强-弱上风化段，钻孔岩石质量RQD值在30%～50%间，其对应岩体结构为互层状岩体。在进入弱下及以下后，RQD值均在65%～90%之间，其对应岩体结构为中厚-厚层状岩体，这也表明弱下及以下互层状砂岩、板岩的层间效应减弱（图2），多数层面表现为类似“纹理构造”[13]。再者，建基岩体在弱下以下、层厚小于30cm的声波纵波波速多在4000m/s以上，岩体完整性系数均在0.55以上，为较完整-完整岩体，对应岩体结构为中厚-厚层状，且各向异性表现不明显。

综上可知，坝基岩体在原位状态下，弱风化及以下各岩层之间粘结十分紧密，层面效应基本消失，岩体完整性大幅提高[13]，这也即砂、板岩互层状岩石具有较高饱和单轴抗压强度之因。因此，坝基岩体结构划分主要指标应为波速和RQD，其划分方案见表2。

3.2.2河床坝段岩体结构

将河床坝段施工潜孔钻声波测试成果转化为波速钻孔柱状图（见图3）。

（1）各坝段表部约0～3m范围内岩体波速较低（约3200m/s以下的红色部分），岩体呈薄层一互层状，而下部岩体波速又较高，这应与爆破开挖有关。

（2）表部以下约3～5m厚范围内，岩体波速大于3200m/s，岩体呈互层-中厚层状，部分为厚层状，这应受爆破开挖影响，为过渡段。

（3）孔深5m以下时，岩体波速较普遍大于4000m/s，对应岩体以厚层状为主，部分呈中厚状和互层状，为正常原位状态下岩体。

3.3 坝基复杂层状岩体力学特性

砂岩、板岩及其互层组合岩体的变形试验及其配套声波测试成果，及其关系曲线图见（图4）。

（1）弱下-新鲜岩体中，砂岩变形模量受加载方向影响较小，变形模量均较高，约10～16.5GPa;而薄層纯板岩变形模量受加载方向影响较大，铅垂方向加载时，其最小变形模量约5GPa，垂直层约4GPa，平行层面则可达10GPa[13];砂、板岩组合岩体变形模量普遍较高，以8～10GPa为主，并随板岩含量的增加而降低，且当板岩含量占比≥50%时，其变形模量变化较小，仍可达7GPa以上[14]，而坝基砂岩占比约在60%，则坝复杂层状岩体也具有较高的变形模量，可达8GPa及以上。

（2）可研施工阶段及全部岩体的变形模量与配套波速的回归分析表明，各阶段及全部试验变形模量与波速均具有较高的相关性，且当波速为4000m/s时，全部数据变形模量回归计算值约9.4GPa，施工阶段变形模量计算值仍较高，约8.2GPa。

因此，弱下-微新复杂层状原位岩体具有较高的变形模量，满足规范对高混凝土坝建基岩体的抗变形要求[3]。

3.4建基岩体质量分级

由于坝基弱下风化以下复杂层状原位岩体层间粘结性能较好，岩体结构较完整、岩石（包括组合岩石）饱和单轴抗压强度、岩体波速、变形模量均较高，建基岩体满足规范要求。因此，岩体质量分级主要考虑岩性、结构及物理力学特性等主要因素，其分级见表3。

4河床建基岩体开挖深度优化研究

4.1建基岩体可利用标准及开挖优化方案

由于波速与岩体结构、变形模量具有较好的对应性，因此，对河床坝基岩体的质量预测，主要通过钻孔声波波速的跟踪测试，确定岩体质量和变形模量，并以此确定能作为建基面的最佳位置。对于阿海电站河床坝基，当坝高达到设计最大坝高138m时，应以Ⅲ1类岩体（即岩体波速大于4000m/s，变形模量大于8GPa）作为坝基可利用岩体，并以此标准来确定建基面的位置。为此，清除河床覆盖层后，在距原设计建基高程10m以上位置（约1382～1390m高程）布置了6条声波测试剖面，共计36个优化测试孔（图5）。

4.2河床建基面开挖深度优化分析

为便于更直观地反映优化后建基岩体质量，将36个优化测试孔及施工钻孔声波测试成果转化为波速钻孔柱状图，如图6所示（在此以9～10号坝段为例）。

（1）XZl剖面中，IV类和Ⅲ2类岩体的最低高程在XZ1-4号孔中1378.5m。在1378.5～1372m间各孔波速以大于4000m/s为主，岩级以II类和Ⅲ1，类为主，仅局部夹少许Ⅲ2类岩体，且全孔段平均波速约4360m/s，属Ⅲ1类岩体，满足建基岩体要求。

（2）XZ2剖面中，IV类岩体较集中出现的最低高程在XZ2-5号孔中的1378m，其余各孔在1382～1378m之间均存在较多IV类和Ⅲ2类岩体;而在1378～1372m之间各孔波速以大于4000m/s为主，岩级以II类和Ⅲ1类为主，仅局部夹少许Ⅲ2类岩体，且全孔段平均波速约4525m/s，达到Ⅲ1类岩体的上限值，满足建基岩体的要求。

（3）XZ3剖面中，IV类岩体较集中出现的最低高程在XZ3-4号孔中的1375m，其次为XZ3-5号孔中的1377.3m，其余各孔在1377～1375m之间均无IV类岩体;而在1377～1372m之间各孔岩体波速仍以大于4000m/s为主，岩级以II类和Ⅲ1类为主，仅XZ3-4号孔中存在2m厚的IV类岩体，且輇孔段平均波速达到4305m/s，属于Ⅲ1类岩体，满足建基岩体的要求。

综上可知，XZ1、XZ2剖面可以选用的建基面最高位置为1378m;XZ3剖面为1377m;若XZ3剖面也选用1378m，则只有XZ3-4号～XZ3-5号孔存在0.5～3m的较差岩体，但其周围声波孔在1378m以下均无较差岩体分布，故其较差岩体分布范围很小。因此，综合确定10号坝段可用建基面的最高位置为1378m，平均波速约4400m/s，属较好的Ⅲ1类。同理，据图7可确定其它坝段最高建基高程，其中11号坝段建基面最高为1382m，且1382～1372m之间岩体平均波速，约4760m/s，对应岩级达到II级;9号坝段分别以8号坝段1387m和10号坝段1378m为边坡顶底的缓坡面，波速以大于4700m/s为主，对应岩级达到II级;12号坝段保持原坡比，以1382m为坡底，波速仍以大于4700m/s为主，仅表部存在部分低波速段，对应岩级以II级为主。

4.3河床壩段最优建基面工程开挖方案分析

结合坝基波速柱状图及岩级综合确定最优建基面岩体的开挖方案（图7）。

（1）将10号和11号坝段建基面高程抬至1378m，9号和12号坝段坡比不变，可少挖约4.3万m3（图7中1区），但需对局部低波速段岩体进行清除或灌浆加固。

（2）在①的基础上将11号坝段建基面抬高至1382m，9号和12号坝段坡比不变，亦可少挖约1.5万m3（图7中2区）。

（3）在①和②的基础上将9号坝段坡比由1：1.6变为1：2.67，亦可再少挖约0.3万m3（图7中3区）。

因此，河床9～12号坝段共可减少坝基岩体开挖量约6.1万m3，可节约混凝土方量6.1万m3以上，节约直接工程投资约3000余万元，并缩短工期，达到建基面优化目的。

5结论

（1）在砂岩占比约60%的整个坝基岩体中，微新及以下砂岩、板岩及其组合以硬岩类为主。砂岩具各向向性，板岩及二者组合呈互层状的岩石均具各向异性，且组合岩石饱和单轴抗压强度随板岩占比增加而降低，当板岩占比约60%时，组合岩石为中硬岩，坝基岩体以坚硬岩为主。

（2）复杂层状岩基在原位状态下各层间粘结紧密，层面效应基本消失，岩体完整性大幅提高;而波速与岩体结构、变形参数间具有很好的对应性。

（3）建立以波速为主要指标的岩体结构和岩体质量划分方案，可利用钻孔声波柱状图较直观地显示出建基岩体质量，判定岩体可利用性。

（4）基于声波与岩体结构、质量及变形参数的预测评价模型，将河床建基面的开挖深度从1372m高程分别提高至1378m和1382m，可少挖岩基约6.1万m3，节约混凝土6.1万m3以上，节约直接工程投资约3000余万元，缩短了工期。

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引用本文：李天鹏，魏伟，杨莉，杨凯杰.复杂层状建基岩体可利用性及开挖深度优化研究[J].人民长江，2019，50（3）：166-171.

Study on availability of complex layered foundation rock ofdams and excavation depth optimization

LI Tianpeng，WEI Wei，YANG Li，YANG Kajjie

（1.Hydro China Kunming Engineering Corporation，Kunming 65003，China;2.College of Architecture and Urban-Rural Planning，Sichuan Agricultural University，Chengdu 61 1830，China;3.Sichuan Engineering Technical College，Deyang 618000，China）

Abstract：The availability and excavation depth of dam foundation rock，which are of important research issues in the stage oftechnologically design and detailed constructional drawing，are related to the feasibility，rationality and economy of hydropowerprojects.Based on mechanical properties of different lithologies and their combinations，such as rock thickness，RQD value，wave velocity and large-scale in-situ deformation tests，we study the structural features and quality standards of complex layered foundation.Based on the wave velocity of rock，we established an evaluation model that could forecast structure，quality anddeformation parameters of rock mass.Besides，we have also determined the availability standards of complex layered rock andconducted a research to optimize the depth of excavation.The results show that for the entire dam base rock mass of which sandstone accounting for about 60%，slightly fresh or older complex layered sand-slate are characterized as hard rock;the leveleffect of rock disappears basically and its integrity is greatly improved.The wave velocity of rock is well corresponded to its structure，quality and deformation parameters.Based on the wave velocity of rock，we propose the availability standards of structuralfoundation rock.By these measures，the excavation depth of the riverbed structural foundation is reduced by 10 meters，which reduces excavation volume of rock foundation and quantity of concrete pouring and shortens the construction period.

Key words：complex layered rock mass;foundation plane;availability;excavation depth optimization;rock mass structure;rock mass quality