江坪河水电站坝址深层风化岩体对坝型选择的影响研究

罗崇宏，梁承运，李学政，胡大可

(中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，湖南 长沙 410014)

0 引 言

江坪河水电站坝址区位于溇水上游河段湖北省鹤峰县走马镇，工程以发电为主，兼顾防洪。水库正常蓄水位470 m，总库容13.66亿m3，具有多年调节性能，是溇水河上唯一的多年调节水库。

江坪河水电站装机450 MW，最低建基面高程257 m，最大坝高219 m。坝址处于长约600 m的峡谷河段，河谷呈“V”形，宽高比约1.8，水面宽30～50 m，除了两岸冲沟中局部有覆盖层以外，其他地段基岩裸露。高程350 m以下两岸为峭壁，以上地形坡度30°～65°，具备修筑高拱坝的地形条件[1]。

1 工程地质概况

1.1 区域地质

区域内大部分为中山和低山山地，大部分山峰海拔在1 000 m以上，最高峰邓家山海拔1 913 m。地形总趋势为西北高，东南低，多层状地貌明显。区域内出露的地层除志留系上统、泥盆系下统和石炭系缺失外，从元古界青白口系板溪群至中生界三叠系均有出露，岩性以灰岩为主，次为碎屑岩，无火成岩分布。工程区在大地构造上位于扬子准地台上扬子台褶带的鹤峰穹褶带内，早期形成的构造以褶皱为主，断裂活动不甚强烈，构造走向以北东、北东东向为主。区域新构造运动的特点以缓慢的间歇性隆起与掀斜为特征，区域内除距坝址直线距离在100 km以外的建始—黄金洞断裂西南段和太阳山西支断裂为晚更新世活动断裂外，其他断裂均为早、中更新世和前第四纪。近场区范围内无区域性大断裂，断裂规模较小，以北东向断裂为主，主要为前第四纪断裂，少量早、中更新世断裂，不存在晚更新世活动断裂，无发生6级以上地震的构造条件和潜在震源区。据GB 18306—2015《中国地震动参数区划图》，工程场址区动峰值加速度在0.05g区，相应的地震基本烈度为Ⅵ度，工程场地区域构造稳定性好。

1.2 坝址区地质条件

1.2.1地层岩性

坝址位于峡谷内，溇水总体流向为S86°E，河面宽30～50 m，河床覆盖层厚19～32 m，河床基岩面高程258～270 m，两岸基岩裸露，高程350 m以下两岸为峭壁，以上地形坡度30°～65°，左、右岸均有不对称冲沟发育，在坝址区1.5 km范围内共发育大小冲沟13条(左岸7条，右岸6条)，深度一般为20～50 m。坝址区由下游至上游出露地层分别为：

(1)寒武系。下统龙王庙组下段(∈1l1)泥灰岩、钙质粉砂岩、板岩；上段第一层(∈1l2-1)中～厚层条带状灰岩，第二层(∈1l2-2)薄～中厚层泥质、白云质灰岩、白云岩。中统高台组(∈2g)薄层泥灰岩夹厚层泥质灰岩；孔王溪组下段第一层(∈2k1-1)中厚层灰岩，第二层(∈2k1-2)薄～中厚层泥质、白云质灰岩、砂质灰岩，第三层(∈2k1-3)中厚层以及第四层(∈2k1- 4)中～薄层泥质、白云质灰岩，第五层(∈2k1-5)中～厚层灰岩，第六层(∈2k1- 6)中～薄层泥质、白云质灰岩、泥灰岩；上段(∈2k2)中厚层～厚层灰岩、白云质灰岩、硅质灰岩。

(2)第四系。河床覆盖层厚19～32 m，可分为2层，下部为堰塞湖沉积相灰黑色粉细砂夹砂砾石、块石、黑色腐殖质砂质粘土或淤泥质粘土，厚14～20 m；上部为现代河流冲积物，由砂砾石及漂石组成，厚5～12 m。两岸岸坡残坡积、崩塌堆积以及钙华胶结的崩坡积物各处厚度差异较大，厚0～45 m，其中坝轴线附近厚度0～10 m。

1.2.2地质构造

坝址区地处东山峰复式背斜倾伏端的西北翼，紧靠背斜核部，岩层为单斜构造，总体产状N30°～40°W，SW∠10°～18°，局部岩层产状略有变化，并有小褶曲发育。区域性清官渡压扭性断裂和官屋场压扭性断裂分别从坝址区上游约2 km和下游约4 km处穿过。坝址区断层绝大多数为陡倾角断层和裂隙性断层，依其走向大致可分为6组，第Ⅰ组最发育，其次为第Ⅴ组。

(1)第Ⅰ组为NW向组，产状为N30°～60°W，SW或NE∠65°～85°，规模较大的断层有F11、F41、F71、F111、F141、F311，其破碎带宽0.3～1.0 m，影响带宽1～3 m，倾SW者为正断层，倾NE者为逆断层，错距5～10 m。其中，沿F71在左岸高程392～455 m范围内的∈1L2-1厚层灰岩中发育岩溶管道，宽5～15 m；沿F11在左岸该层厚层灰岩中发育溶缝，宽10～20 cm，局部充填次生黄泥和钙质胶结物，有地下水渗出。

(2)第Ⅴ组为NEE向组，产状为N65°～85°E，NW或SE∠70°～85°，规模稍大的断层有F35、F195、F235，破碎带宽0.2～0.5 m，影响带宽0.5～2 m，一般为压扭性断层。

(3)第Ⅲ组为NNE向组，产状为N10°～30°E，NW或SE∠75°～85°，规模稍大的断层有F53、F73、F83、F93、F243，破碎带宽0.3～0.8 m，影响带宽0.5～1.5 m。

(4)第Ⅳ组为NE向组，产状为N40°～60°E，NW或SE∠75°～85°，规模稍大的断层有F34、F54、F74、F94、F224、F244，破碎带宽0.2～0.6 m，影响带宽0.5～2.0 m。

(5)第Ⅱ组为NNW向组，产状为N10°～20°W，NE或SW∠75°～85°，规模稍大的断层有F22、F52、F102、F112，破碎带宽0.21～0.8 m，影响带宽1.0～2.0 m。

(6)第Ⅵ组为NWW向组，产状为N75°～85°W，NE或SW∠70°～80°，破碎带宽0.1～0.3 m，影响带宽0.5～1.0 m。

此外，坝址区还发育15条层间错动、8条泥化夹层等软弱夹层。主要层间错动多在以白云岩、泥质、白云质灰岩为主的地层中，胶结较差，顺层有溶蚀现象。坝址区节理裂隙除倾角平缓的层面外，还发育有3组陡倾角节理，产状分别为N20°～40°W/NE或SW∠75°～77°，N25°～45°E/SE(少量NW)∠70°～85°，N65°～85°E/NW(少数SE)∠77°～88°。

1.2.3岩体风化与卸荷

岩体风化、卸荷深度主要受地形、岩石类型、层厚和构造结构面、岩溶发育程度的影响和控制。一般峡谷坝址河谷斜坡，表部至深部岩体的风化均呈现渐近分带特征。但江坪河水电站坝址勘探中揭露两岸谷坡出现了与一般峡谷谷坡风化分带规律相反或不对应的状况，在进入弱或微风化带后深部顺层出现范围较大的强风化、强卸荷岩体，这些深部顺层强风化岩体的出现，构成了完全不同于正常河谷岸坡的风化分带。坝址岩体风化主要表现为面状风化、顺层层状风化和沿断层、夹层的楔状风化。

(1)坝址两岸龙王庙组上段第一层(∈1l2-1)、孔王溪下段第一层(∈2k1-1)、第三层(∈2k1-3)、第五层(∈2k1-5)等以灰岩为主的岩体主要表现为正常面状风化，强风化岩体下限埋深0～18 m，弱风化岩体下限埋深50～70 m，微风化与新鲜岩体的界线不十分明显。其他以白云岩、泥质白云质灰岩夹灰岩为主的岩体抗风化能力差，除表现为面状风化外，还表现为顺层风化。

(2)龙王庙组上段第二层 (∈1l2-2)、高台组(∈2g)泥质、白云质灰岩、白云岩、泥灰岩岩体，除浅表部呈强风化外，深部整层呈弱风化，如钻孔ZK12、ZK38、ZK40孔深159、168、126 m和平硐PD8、PD10、PD13洞深113、130、206 m时，大部分岩石呈弱风化、少量呈强风化状。

(3)孔王溪组下段第二层(∈2k1-2)、第四层(∈2k1- 4)、第六层(∈2k1- 6)等薄～中厚层泥质白云岩、泥质白云质灰岩中顺层风化严重，大部分为强风化岩体，如钻孔ZK12、ZK38、ZK40孔深101、98、124 m和平硐PD14、PD12、PD16洞深153、164、130 m时，∈2k1-2、∈2k1- 4地层中大部分岩石仍呈强风化状。沿一些断层、夹层呈现楔状风化特征。

1.2.4岩溶及水文地质条件

坝址区内可溶岩和非可溶岩相间分布，属多层含水结构类型。水文地质结构及水动力与可溶岩地层的厚度、产状、断层发育程度关系密切。 ∈1l1-2层钙质粉砂岩、板岩碎屑岩裂隙含水层为隔水地层，以上各层为岩溶含水层，岩溶含水层的渗流形式主要有岩溶管道渗流和岩溶裂隙性渗流。地下水可归为孔隙水、基岩裂隙水、岩溶地下水3类地下水系统。左岸施工期灌前岩体透水率q<3 Lu的约占66.62%，右岸约占86.09%。

2 岩体深层风化对坝基的影响

2.1 对拱坝

混凝土重力拱坝轴线河床部位位于堆石坝轴线上游约90 m，左岸位于11、13号冲沟之间，右岸位于8、10号之间。河床覆盖层厚19～32 m，不能利用河床覆盖层作为坝基。坝基基岩为寒武系地层，河床下部∈1l1-2钙质粉砂岩、板岩微风化岩体的单轴饱和抗压强度RW=50～60 MPa，变形模量E0=8～10 GPa；坝基中下部∈1l2-1灰岩微风化岩体的RW=70～80 MPa，E0=10～12 GPa；坝基中部∈1l2-2、∈2g泥灰岩、白云质灰岩RW=30 MPa～40 MPa，E0=4～6 GPa；坝基中上部为∈2k1-1～∈2k1-5层，其中∈2k1-2、∈2k1- 4层为泥质白云质灰岩，抗风化能力差，物理力学性状差，RW=5～15 MPa，属软岩，E0=0.5～1 Gpa，而∈2k1-1、∈2k1-3、∈2k1-5层微风化岩体RW=50～60 MPa，E0=8～10 Gpa；河床深部及坝址下游∈1l1-2层粉砂岩、板岩为隔水低层。拱坝坝踵、坝基岩体变形模量分区见图1。拱坝坝趾、坝基岩体变形模量分区见图2。

图1 拱坝坝踵、坝基岩体变形模量分区(单位：GPa)

图2 拱坝坝趾、坝基岩体变形模量分区(单位：GPa)

由于高拱坝对坝基的地质条件要求高，建基面要求置于弱风化岩体下限至微风化岩体上，但坝基范围内出露的地层∈1l2-2、∈2g、∈2k1-2、∈2k1- 4以泥质白云质灰岩为主，具有强烈的深层风化特征，∈2k1-2、∈2k1- 4层岩体整体呈强风化，完整性差，强度低，且∈1l2-2层及以上岩体中有层间错动、泥化夹层等软弱夹层发育，右岸更为发育，且分布高程较低，在坝基范围内开挖深度大，无法予以全部挖除，只能采用其他工程处理措施解决。拱坝坝踵和坝趾2条剖面统计的拱坝两岸坝基建基面以下深层风化岩体及软弱夹层分布情况见表1。深层风化岩体及软弱夹层占最低建基面以上岩体厚度的比例见表2。

表1 拱坝两岸坝基建基面以下深层风化岩体及软弱夹层统计 m

表2 深层风化岩体及软弱夹层占最低建基面以上岩体厚度的比例 %

从表2可知，右岸∈2k1-2、∈2k1- 4层强风化岩体占最低建基面以上岩体厚度的百分比平均值为22.3%(左岸无)，弱风化及以上岩体占最低建基面以上岩体厚度的百分比平均值为15.8%(左岸为24.2%)。右岸层间错动和泥化夹层等软弱夹层厚度占最低建基面以上岩体厚度的百分比平均值为5.2%(左岸为1.3%)。左右两岸坝基建基面以下的岩体条件差异性很大，不均一性非常明显。

2.2 对面板堆石坝

堆石坝轴线左岸位于11号冲沟中，右岸位于8、10号冲沟之间。混凝土趾板沿线跨过8、9号冲沟后，在6、7号冲沟出口下游30 m处伸入河床。河床覆盖层厚19～32 m，不能利用河床覆盖层作为坝基。坝基基岩与风化、软弱夹层分布与拱坝坝基大同小异，也为寒武系地层，各层岩体及其间的软弱夹层分布位置略有差异。对于面板堆石坝，河床坝基在全部清除河床覆盖层，两岸坝基在清除坝轴线与面板之间少量强度较低的强风化岩体和其他部位的覆盖层或全风化岩(土)体后，无大的地基稳定和变形问题。

3 构造及岩溶对坝基、坝肩的影响

3.1 对拱坝

坝基第Ⅰ组(NW向)断层最发育，主要有F11、F41、F71、F311，右岸第Ⅳ组断层较发育，左岸第Ⅴ组断层发育。两岸岩层倾向上游偏右岸，层间软弱夹层较为发育，左岸为斜交顺向边坡，右岸为斜交反向边坡。对于左岸坝肩，走向与岸坡走向近于平行的第Ⅴ组断层与拱坝轴线交角较小，对拱肩不利；NW向第Ⅰ组断层与倾角比较平缓的层间软弱夹层组合形成的块体对拱坝坝肩稳定不利。右岸NE向的第Ⅳ组与层间软弱夹层组合形成的块体对拱坝坝肩稳定也不利。

坝基及两岸为岩溶含水地层，岩溶发育，尤其是左岸∈1l2-1层中岩溶较右岸发育，如左岸揭露到了规模较大的沿断层F71发育的管道系统和沿断层F141发育的大型溶洞，岩溶水文地质条件复杂，防渗处理也复杂。左坝肩沿NW向断层岩溶较发育，垂直该组断层方向会产生大的压缩变形。对于对地基要求高的高拱坝坝基存在变形稳定问题。

3.2 对面板堆石坝

左岸有NW、NEE向断层切割，右岸有NW、NE向断层切割，软弱夹层发育，但面板堆石坝坝基开挖主要为趾板开挖，边坡高度小于100 m，坝基、坝肩边坡稳定性较好，面板堆石坝的适宜性较好[2]，地质构造对坝基、坝肩稳定影响较小。左岸高程410 m以上岩溶强发育，其他地段为中强发育；左右岸均可接下游∈1l1-2层防渗。

4 坝型选择

混凝土重力拱坝虽然存在地形条件适合修建拱坝、施工期交通要求没有堆石坝那么高、相对于堆石坝方案填筑工程量小等优点，但由于坝址区近水平地层中岩性软硬不均，右岸深层风化岩体和软弱夹层分布范围大，高程更低，左右岸坝肩刚度不协调；左坝肩沿NW向断层岩溶较发育，会产生大的压缩变形等；两岸坝肩都存在抗滑稳定问题；较差的地质条件对于边坡高度达300 m以上的开挖高边坡的稳定很不利，同时边坡开挖后，在狭窄河谷还会引起应力重新调整，对开挖高边坡的稳定性也会产生不利影响。以上不利地质条件，对于对地基要求高的高拱坝坝基存在强度和变形稳定问题，虽然通过工程处理可部分改善以上不利地质条件给高拱坝坝基带来的不利影响，但其可实施性及实施效果有待论证。

面板堆石坝虽然存在河谷狭窄、施工条件较差、在两岸布置泄洪建筑物增加了工程地质问题等缺点，但面板堆石坝对地基条件要求低，对地质地形条件适应性较好[2]，深层风化岩体和软弱夹层处理工程量有限，难度较小，边坡高度和范围有限，开挖高边坡稳定性问题不突出。

综上，坝址区存在深层风化岩体和软弱夹层左右岸差异性很大、不均一性非常明显，两岸坝肩都存在抗滑稳定问题等难以避开的不利地质条件，对修建碾压混凝土重力拱坝的适宜性较差，最后选择混凝土面板堆石坝，比拱坝方案节省投资约3亿元。