丰满新大坝地基工程地质条件及地质缺陷处理

邢国军，谢福志，林 牧

（中水东北勘测设计研究有限责任公司，长春130021）

1 概况

丰满水电站位于吉林省吉林市上游16km松花江干流丰满峡谷口，其上游建有白山、红石水电站，坝址距上游白山水电站210km，下游建有永庆反调节水库。

丰满重建工程为一等大（1）型工程，在原大坝下游120m处新建一座大坝， 水库正常蓄水位263.50m，汛限水位260.50m， 死水位242.00m， 校核洪水位268.50m，总库容103.77亿m3。 新建电站安装6台单机容量为200MW的水轮发电机组，利用三期2台单机容量140MW的机组，总装机容量1480MW，多年平均发电量17.09亿kWh。

2 工程地质条件

丰满新建大坝为碾压混凝土重力坝，由左、右岸挡水坝段、 河床溢流坝段、 河床偏右的厂房坝段组成。 大坝基础最低建基高程175.00m， 坝顶高程269.50m，最大坝高94.50m，坝顶总长1068.00m。

大坝建基岩体为变质砾岩， 深灰色， 变余砾状结构，厚层状构造，变余层理产状为走向N25°～35°W，倾向NE∠25°～40°，岩质坚硬，具抗压强度高、弹性模量大、吸水率低等特点；建基岩体为弱风化～微风化，以块状～次块状结构为主；建基岩体工程地质条件总体较好。断层较发育，中陡倾角，走向与坝轴线大角度相交。

开挖揭示大坝坝基岩体以ⅡA、Ⅲ1A类为主，其中ⅡA，Ⅲ1A，Ⅳ1A，Ⅳ2A，Ⅴ类岩体占比分别为32.99%，51.34%，5.62%，9.78%和0.27%。Ⅳ1A类、Ⅳ2A类和Ⅴ类岩体主要分布在各断层两侧及F67断层破碎带（分布在29#坝段～32#坝段。 ）

2.1 左岸挡水坝段

左岸挡水坝段桩号0+000.00～0+162.00m，1#坝段长16.00m，2#坝段～8#坝段各坝段长18.00m，9#坝段为溢流坝检修门库坝段，长度20.00m，左岸挡水坝段总长162.00m。 其中坝基桩号0+000m～0+124.00m段位于左岸山坡下部，地形较陡，坡度一般25°～35°，地面高程200～273m， 覆盖层主要为碎石混合土和块石， 厚度一般1～4m， 最厚约5.5m； 坝基桩号0+124.00～0+162.00m段地处河床， 地形平缓， 坡度5°～8°，地面高程190～195m，基岩多裸露。

组成坝基岩体为变质砾岩，弱风化岩厚度15m左右。 建基岩体纵波速3.2～5.88km/s，岩体完整性系数0.28～0.96，平均值为0.7，综合评定以较完整岩体～完整岩体，局部为完整性差岩体。

坝基主要分布有F3， F13，F23，F304条断层破碎带，除F3走向与坝轴线交角为25°～45°， 出露宽度为0.3～2.0m外， 其余断层走向与坝轴线交角较大为78°～85°，出露宽度（断层及影响带）介于1.0～2.6m之间。岩体节理裂裂隙走向NE的占71%， 走向NW的占29%；陡倾角（61°～89°） 占77%， 中等倾角 （31°～60°）占18%，缓倾角（0～30°）不足5%且延伸局限。 坝基主要为弱透水岩层（埋深一般20～80m），地下水位埋深5～35m，局部分布中等透水岩层透镜体。 相对隔水层埋深25～75m（按透水率小于1Lu控制）。

2.2 溢流坝段

溢流坝段桩号0+162.00～0+342.00m，10#坝段～19#坝段各坝段长18.00m，总长180.00m。

溢流坝段位于左岸河床， 地形平缓， 基岩多裸露，地面高程188～190m。 组成坝基岩体为变质砾岩，岩质较坚硬，弱风化岩厚度4～6m。 据物探声波测试资料，坝基弱风化岩体纵波速一般为3.85～5.91km/s，完整性系数0.41～0.97， 多属完整岩体～较完整岩体，局部为完整性差岩体。

坝基见F61，F62，F913条断层破碎带通过，F61和F62断层走向与坝轴线近于正交，中等倾角，出露宽度分别为1～3.4m和0.3～1.5m；F91断层走向与坝轴线交角较小，呈弧形延伸，陡倾角，宽度0.5～2.0m；断层破碎带经处理后可以满足建坝要求。 岩体节理裂裂隙走向NE的占65%，走向NW的占35%；陡倾角（61°～89°）占76%，中等倾角（31°～60°）占15%，缓倾角（0～30°）不足9%且延伸局限。 节理面多较平直， 间距一般30～50cm，多张开1～5mm。坝基除表部弱风化岩为中等透水岩体外， 微风化及新鲜岩石为弱～微透水岩体，相对隔水层（＜1Lu）埋深一般为35～50m。

2.3 厂房坝段

厂房坝段（河床偏右）桩号0+342.00～0+510.00m，20#坝段～25#坝段各坝段长28.00m，总长168.00m。厂房坝段地形平缓，基岩多裸露，地面高程181～184m。

组成坝基岩体为变质砾岩，弱风化岩厚度一般14～17m。 据物探声波测试资料，坝基弱风化岩体纵波速一般为2.94～5.88km/s， 完整性系数0.24～0.96 ， 以完整岩体～较完整岩体为主，局部为较完整～完整性差岩体。

坝基主要见有F63，F64，F65，F664条断层破 碎带通过，其走向与坝轴线近于正交，出露宽度分别为0.4～0.8m，2.1～2.6m，1～2m，5.7～6.3m，F63和F65为陡倾角断层，F64和F66为中等倾角断层。 岩体节理裂裂隙走向NE的占43%，走向NW的占57%；陡倾角（61°～89°）占65%，中等倾角（31°～60°）占27%，缓倾角（0°～30°）不足8%且延伸局限。 节理面多较平直， 间距一般10～80cm，多张开2～10mm。坝基多为弱透水岩体，相对隔水层（＜1Lu）埋深一般为40～50m。

2.4 右岸挡水坝段

为右岸挡水坝段， 桩号0+510.00m～1+068.00m，26#坝段～56#坝段各坝段长18.00m，总长558.00m。 按大坝建基基础条件可分为四个分段阐述。

2.4.1 26#坝段～28#坝段

其中桩号0+510.00m～桩号0+546.00m 段坝坝基位于松花江右岸河床，地形平缓，河床基岩多裸露， 地面高程184～186m； 桩号0+546.00m～桩号0+564.00m段右岸阶地前缘， 前缘陡坎高出河床约10m，地形较平缓，坡度1°～7°，地面高程一般204m左右。坝基覆盖层为杂填土和碎石混合土等组成，厚度一般6～12m。 组成坝基岩体为变质砾岩，弱风化岩厚度一般0～4m。坝基岩体纵波速为3.70～5.88km/s，完整性系数0.38～0.96， 以完整岩体～较完整岩体为主，局部为较完整～完整性差岩体。

坝基断裂构造不发育，仅见局部节理密集带。 坝基多为弱透水岩体，相对隔水层（＜1Lu）埋深一般为53～66m。

2.4.2 F67断层坝段（29#坝段～32#坝段）

桩号0+564.00m～桩号0+636.00m段坝基位于松花江右岸阶地，地形平缓，地面高程203.80～209.00m，地形较平缓，坡度3°～5°。 坝基覆盖层为杂填土和碎石混合土等组成，局部地段分布级配不良砂，厚度一般6～12m。

组成坝基岩体为变质砾岩， 坝址区Ⅰ级断层F67在本段通过。F67断层为坝基揭露的规模最大、性状最差的一条断层破碎带，与坝轴线近于正交。断层破碎带由多条断层组成，各断层宽度不一，总体走向N15°～50°W，倾向SW，倾角60°～85°。整个破碎带岩石破碎程度不均一，按其破碎情况大致可分断层泥化带、强烈挤压破碎带和挤压破碎带三个部分， 各带大体呈条带状分布，宽窄不一，变化复杂，多为渐变缺乏明显界线。

（1） 断层泥化带： 约占断层带统计总面积的3.58%，为断层中心带，开挖建基面范围内见有连续贯穿的断层泥化带2条，此外尚有零星分布的泥化团块、泥化条纹等，泥化带由灰～黄灰色泥夹岩屑组成，湿时具塑性。

（2）强烈挤压破碎带：约占断层带统计总面积的13.73%，沿断层泥化带两侧分布，宽度变化较大，一般1.0～9.0m，节理间距多小于10cm，破碎带内岩体多被压碎成数厘米大小较软的碎裂岩，节理多张开，无充填或泥质充填，局部有绿泥石化、高岭土化现象，受构造影响强烈。

（3） 挤压破碎带： 约占断层带统计总面积的82.69%，由断层挤压破碎带和断层影响带组成，二者犬牙交错、穿插分布，界线不清，难以准确划分，总体上以断层影响带较完整岩体为主， 比例大于三分之二，原岩（变质砾岩）结构基本未发生变化；挤压破碎带见数十条倾角较陡的小断层， 节理间距一般介于10～30cm， 岩石多破碎呈10～30cm大小的较软弱岩块，节理多张开，无充填或泥质、钙质充填，未胶结。

F67断层坝段（29#坝段～32#坝段）坝基Ⅲ1A类岩体占面积比11.25%，Ⅳ1A类岩体占面积比63.75%，Ⅳ2A类岩体占面积比21.73%，Ⅴ类岩体占面积比3.27%。

2.4.3 F67断层影响坝段（33#坝段～36#坝段）

桩号0+636.00m～桩号0+708.00m。本段坝基位于坝址右岸阶地，地形较平缓，坡度1°～7°，地面高程209～217m。 坝基覆盖层为杂填土和碎石混合土，局部地段分布级配不良砂，厚度20～24m。 组成坝基岩体为变质砾岩， 弱风化岩厚度15～20m， 局部可达40m。 坝基岩体纵波速为3.70～5.88km/s，完整性系数0.38～0.96，属完整性差岩体～较完整岩体。

坝基发育有F68，F92，F93和F964条断层破碎带。断层F68和断层F96与坝轴线交角为46°；断层F92与坝轴线交角为60°；F68，F92，F96均为陡倾角断层； 断层F93呈弧形延伸，与坝轴线交角为14°～34°，倾角中等～陡倾角。

坝基岩体与断层破碎带平行的节理裂隙亦极为发育，节理裂隙以65°～75°的陡倾角节理为主，间距一般20～40cm，节理多张开1～2mm，部分为泥质或岩屑所充填，节理裂隙相互切割，岩体破碎。

坝基多为弱透水岩体，局部为中等透水岩体，相对隔水层（＜1Lu）埋深一般为60～80m，地下水位埋深一般14～20m。

2.4.4 37#坝段～56#坝段

桩号0+708.00m～桩号1+068.00m。 其中桩号0+708.00m～桩号0+888.00m段坝址右岸阶地，地形较平缓，坡度1°～7°，地面高程一般217～240m，坝基覆盖层为杂填土和碎石混合土等组成， 局部地段分布级配不良砂，厚度一般8.5～33m；桩号0+888.00m～桩号1+068.00m段位右岸山坡，地形较平缓，坡度一般10°～20°，地面高程一般240～280m，坝基覆盖层为碎石混合土，厚度一般2～6m，局部可达10m。 坝基岩体为变质砾岩，弱风化岩厚度一般14～17m，局部可达30m。坝基岩体纵波速一般为3.47～5.89km/s， 完整性系数0.33～0.96，多属较完整岩体～完整性差岩体，部分为完整岩体～较完整岩体，局部为破碎～较破碎岩体。

坝基主要见有F75，F77，F78，F92，F94和F956条断层破碎带通过，F75，F77和F95断层其走向与坝轴线大角度相交；断层F92与坝轴线交角为60°；断层F94与坝轴线交角为35°， 为中等倾角； 断层F78与坝轴线近于平行；F75，F77，F78，F92和F955条为陡倾角断层。 F75，F77，F78，F92，F94和F956 条 断 层 出 露 宽 度 分 别 为0.1 ～0.5，0.5 ～1.0，1.0，0.1～2.9，1.5和4.4m。坝基节理裂隙以65°～80°陡倾角为主，间距一般20～60cm，节理多张开1～2mm，部分为泥质或岩屑所充填。

坝基多为弱透水岩体，相对隔水层（＜1Lu）埋深一般为30～85m，地下水位埋深一般15～25m。

3 存在地质缺陷及处理措施

3.1 断层及破碎带构成的软弱破碎的软基处理措施

坝基揭露的断层及断层破碎带有21条， 出露宽度一般0.2～6.0m不等， 其中F67断层破碎带的规模最大，宽度达40～62m。 断层及断层破碎带导致局部坝基岩体较破碎、完整性差、强度低，压缩变形大，易使坝基产生不均匀变形，引起不利的应力分布，导致坝体开裂，需要处理。 综合处理措施如下：

（1）断层及断层破碎带开挖。对坝基出露的断层及断层破碎带进行二次槽挖， 槽挖深度根据断层破碎带宽度B（断层中心带+两侧影响带）以及断层倾角（以45°为界分为陡倾角和缓倾角断层） 等的不同合理取值，两侧开挖坡比不陡于1∶0.5。其中，对B≤0.5m的陡倾角断层适当掏挖。

（2）混凝土塞。对二次槽挖部位回填混凝土形成混凝土塞，使混凝土回填基础与岩体形成组合地基，同时坝体传来的荷载通过混凝土塞体均匀传向两侧坚硬岩石， 以达到均匀坝体应力和减少坝体不均匀沉降的目的。回填混凝土采用三级配微膨胀混凝土，其中B≤0.5m的陡倾角断层采用二级配。

宽度小于等于0.5m的陡倾角断层掏挖后回填混凝土不配筋， 不设锚杆； 缓倾角断层塞及宽度超过0.5m的陡倾角断层塞顶面坝体内全配筋防裂； 缓倾角断层塞及宽度超过1m的陡倾角断层塞底面配筋承载，两侧壁设置锚杆。

倾角大于45°的陡倾角断层处理典型断面如图1～图3； 倾角小于45°的陡倾角断层处理典型断面如图4。

图1 B=3～6m处理典型断面

图2 B=1～3m处理典型断面

图3 B=0.5～1m处理典型断面

图4 缓倾角断层处理典型断面

3.2 左岸挡水坝段

断层破碎带、 节理密集带和破碎岩体通过部位为Ⅳ2A类岩体占6.6%（面积比）。

（1）由于左岸边坡走向与岩层走向近于平行，为顺向坡，岩层层面与走向NE、NW两组节理构成不利结构面组合，施工开挖形成临空面以后，开挖边坡稳定性差， 故坝基开挖时对局部存在边坡稳定问题的部位进行了锚喷支护。

（2）左岸挡水坝段陡倾角断层有F3，F13，F30和F234条，均规模较小，对出露较宽部位进行了二次槽挖，回填混凝土形成混凝土塞， 以达到均匀坝体应力和减少坝体不均匀沉降的目的。

3.3 溢流坝段

断层破碎带通过部位为Ⅳ2A类岩体 （占面积比1.2%）。施工中将早期施工的三条沟槽内松散物全部挖除至基岩，并采用并回填三级配微膨胀混凝土塞进行处理。

陡倾角断层F91进行了二次槽挖，采用直径22mm锚杆，1.5m×1.5m间排距梅花形布置，入岩深度2.5m；配筋布置形式： 主钢筋采用φ25@25， 分布筋采用φ16@25（主钢筋采用φ28@25，分布筋采用φ20@25），贴紧岩面布置，回填混凝土形成混凝土塞，以达到均匀坝体应力和减少坝体不均匀沉降的目的； 断层F61和F62开挖后采用三级配常态微膨胀混凝土回填形成混凝土塞。

3.4 厂房坝段

断层破碎带、 节理密集带和破碎岩体通过部位为Ⅳ2A类岩体（占面积比12.7%）。

陡倾角断层F91进行了二次槽挖， 采用φ22mm锚杆，1.5m×1.5m间排距梅花形布置，入岩深度2.5m；配筋布置形式： 主钢筋采用φ25@25， 分布筋采用φ16@25（主钢筋采用φ28@25，分布筋采用φ20@25），贴紧岩面布置，回填混凝土形成混凝土塞，以达到均匀坝体应力和减少坝体不均匀沉降的目的； 陡倾角断层F63规模较小，对出露较宽部位进行了二次槽挖，回填混凝土形成混凝土塞。

3.5 右岸挡水坝段

（1）26#坝段～28#坝段坝基小断层通过部位为Ⅳ2A类岩体（占面积比2.0%）。 断层规模较小对出露较宽部位进行了二次槽挖，回填混凝土形成混凝土塞。

（2）F67断层坝段（29#坝段～32#坝段）坝基的Ⅳ类岩体占面积比85.48%，Ⅴ类岩体占面积比3.27%。 岩体为完整性差～较完整。主要工程地质问题为坝基不均匀变形及渗漏、渗透破坏、抗滑稳定问题。 为满足抗滑稳定，在坝段上游和下游均采用倒梯形刻槽。其中上游倒梯形刻槽29#坝段，30#～31#坝段，32#坝段的宽度26m，深度分别为4，6，8m；下游倒梯形刻槽宽度26m，深度4m。 槽内回填坝体标号混凝土并与坝块混凝土形成整体，满足抗滑稳定要求；对断层泥化带通过部位采用局部倒梯形刻槽，深度不小于宽度，并回填三级配微膨胀混凝土塞进行处理， 宽度≤0.5m的陡倾角断层采用二级配混凝土塞进行处理； 同时加深了固结灌浆的处理措施。

（3）F67断层影响坝段（33#坝段～36#坝段）断层破碎带通过部位为Ⅳ2A类岩体（占面积比15.8%）。

坝基断裂构造发育， 破碎带岩体多具有岩质软弱、强度低、易变形和渗透稳定性差等特点，对坝基岩体抗滑稳定和渗透稳定带来极为不利影响， 岩体抗滑、 抗变形性能受结构面及其破碎物之间的胶结情况所控制， 建基面混凝土/岩体抗剪断参数较一般的Ⅲ1A类岩体低， 需要进行特殊处理，33#坝段～36#坝段下游增设了深度为4m的齿槽， 提高了坝基面的抗滑稳定安全裕度。 陡倾角断层F68进行了二次槽挖，采用直径22mm锚杆，1.5m×1.5m间排距梅花形布置，入岩深度2.5m；配筋布置形式：主钢筋采用φ25@25，分布筋采用φ16@25（主钢筋采用φ28@25，分布筋采用φ20@25），贴紧岩面布置，回填混凝土形成混凝土塞，以达到均匀坝体应力和减少坝体不均匀沉降的目的；中陡倾角断层F92，F93和F96规模较小， 对出露较宽部位进行了二次槽挖，回填混凝土形成混凝土塞，回填混凝土采用三级配微膨胀混凝土。

（4）右岸挡水坝段（37#坝段～56#坝段）断层及断层破碎带通过部位为Ⅳ1A类岩体和Ⅳ2A类岩体占面积比分别为1.84%和6.64%。

F75，F77，F78，F92，F94和F956条断层出露宽度变化较大， 对出露较宽大于0.05m的部位进行了二次槽挖，回填混凝土形成混凝土塞。 坝基出露的断层及断层破碎带经处理后满足建坝要求。

4 结语

（1）一般（指宽度小于6m）断层及断层破碎带宽度小于等于0.5m的陡倾角断层掏挖后回填混凝土不配筋，不设锚杆；缓倾角断层塞以及宽度超过0.5m的陡倾角断层塞顶面坝体内全配筋防裂； 缓倾角断层塞以及宽度超过1m的陡倾角断层塞底面配筋承载，两侧壁设置锚杆。

（2）F67断层坝段基础处理总体处理方案为采用回填混凝土+上、下游齿槽方案，并加强（固结、帷幕灌浆）处理措施。

（3）F67断层影响坝段基础处理总体处理方案为采用回填混凝土+下游齿槽方案，并加强（固结灌浆）处理措施。

（4）F68断层通过坝段基础处理总体处理方案为采用二次槽挖，两侧壁设置锚杆，塞底面配筋承载，回填混凝土方案，并加强固结灌浆处理措施。

（5）自水库蓄水以来，安全监测大坝整体发生向下游方向的水平位移，变化范围在-3.58～10.51mm之间； 坝体最大沉降2.46mm， 向下游倾斜最大角度27.08″，各坝段沉降变形基本稳定。 坝踵建基面相对于最深处的变形在-3.10～0.59mm之间， 坝址建基面相对于最深处的变形在-3.21～-0.40 mm之间。 目前坝基变形基本稳定，无异常发展趋势；坝体坝基各横缝、接缝、裂缝变形蓄水以来变幅均较小，无异常发展趋势。