丰满水电站新坝基F67断层破碎带物理力学指标取值分析

李 松，贾 文，高 健

（中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林长春130021）

丰满水电站位于吉林省境内的松花江干流的丰满峡谷出口处，上游已建有白山、红石水电站，下游建有永庆反调节水库。坝址距上游白山水电站210.00 km，距吉林市市区16.00 km。

原丰满水电站始建于1937 年，首台机组于1943 年发电，后经过多次续建、改造、加固和扩建，丰满水库正常蓄水位为263.50 m，水电站总装机容量为1 002.5 MW。丰满重建工程是基于恢复电站原任务和功能，在原大坝下游120.00 m 处新建一座大坝，并利用三期工程。工程规模为Ⅰ等大（1）型工程，其中挡水建筑物、泄洪建筑物和厂房为1 级建筑物。水库正常蓄水位263.50 m，总库容103.77×108m3，总装机容量1 480.0 MW，多年平均发电量17.09×108kW·h。[1]

1 基本地质条件

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175.00 m，坝顶高程269.50 m，最大坝高94.50 m，坝顶总长1 068.00 m。

大坝主要建基于深灰色变质砾岩上，变余砾状结构，厚层状构造，变余层理产状：走向N25°～35°W，倾向NE，倾角∠25°～40°，呈弱风化～微风化状态，岩质坚硬；建基岩体主要以块状～次块状结构为主；工程地质条件总体较好，局部断层部位较差。断层较发育，中陡倾角，走向与坝轴线大角度相交。其中F67断层破碎带为新坝址区发育规模最大（揭露宽度达40.00～62.00 m）、性状最差的一条断层破碎带，于松花江右岸阶地处顺河道通过坝址区，方向与坝轴线近于正交。F67断层破碎带由多条断层组成，总体走向N15°～50°W，倾向SW，倾角∠60°～85°。由于F67断层受多期次构造活动影响，并且后期风化卸荷作用较强，造成该断层破碎带次断层条数较多、间距较近、宽度不一、性状差异较大的特点；但总体上破碎带出露宽度自上而下逐渐变小，碎裂程度逐渐变弱的特征比较明显。因此按其破碎情况大致可分：为断层泥化带、强烈挤压破碎带和挤压破碎带。

1）断层泥化带：为F67断层核心带，约占断层破碎带总宽度的2.3%（剖面比），分布于每个次断层中心带；其中F67-1 断层泥化带宽0.50～0.70 m，局部可达2.50 m（FZK138 钻孔揭示），由灰～灰黄色断层泥夹岩屑组成，湿时具塑性；F67-2，F67-3 断层泥化带分别宽0.40～0.60 m 和0.05～0.10 m，主要组成物为断层泥夹岩屑。

2）强烈挤压破碎带：F67断层次核心带，约占断层破碎带总宽度的18.7%（剖面比），沿各次断层中心带上盘分布，宽度一般3.00～6.00 m，且破碎带内与次断层方向一致的陡倾角节理密集发育，该区域内的岩石块体大多被挤压呈数厘米至十厘米大小的碎块状，较软弱至中等坚硬，性状较差，部分坝段偶见碎裂岩及断层角砾岩，并多被钙质及硅质次生物重新胶结，局部有绿泥石化、高岭土化现象。

3）挤压破碎带：为F67断层影响带，约占断层带总宽度的79%（剖面比），主要分布于强烈挤压破碎带两侧，影响宽度不一，普遍宽25.00～30.00 m；破碎带内发育有多条陡倾角次断层，岩体多被切割成10.00～30.00 cm 大小的中硬岩块，局部强烈破碎、软弱。主要特征是破碎的岩石块体基本被钙质或硅质次生物重新胶结，造成结果是整个挤压破碎带下盘破碎程度较上盘轻，下盘侧挤压破碎带向断层外侧被压碎岩石块体块径逐渐增大，岩石由中等坚硬逐渐变为坚硬。

F67断层破碎带分带如图1 所示，针对断层破碎带各分带出露宽度不一、岩性复杂多变、分带界限不明显的特性，分别对前期勘察阶段试验成果进行按分带对比整理研究，提出经济、科学、合理的分带物理力学参数，制定完善的处理措施，确保坝块抗滑稳定、变形合理，并且施工开挖阶段对F67断层破碎带有针对性的地质物理力学参数进行复核性原位试验。

图1 坝基F67断层破碎带分带示意图

2 可研勘察阶段F67断层破碎带的物理力学性质的研究成果

1）可研勘察阶段对1973 年在189 平硐内进行的现场原位测试成果进行了重新整理，并且针对F67断层不同分带布置了相应的新原位试验。根据实验结果结合F67断层分带情况进行分组统计，绘制τ~P曲线，求取c，φ值。抗剪（断）试验、变形试验数据分组统计情况分别见表1，2。

表1 F67断层带抗剪（断）试验成果统计表（东勘院）

表2 189 平洞F67断层变形模量与弹性模量成果表（东勘院）

2）中国水电顾问集团华东勘测设计研究院亦曾于2008 年在189 平硐内进行了现场原位测试，试验项目包括岩石/岩石、混凝土/岩石抗剪、抗剪断和原位变形试验。试验结果如表3，4。

表3 F67断层带混凝土/岩石抗剪强度试验成果（华东院）

表4 F67断层带变形模量与弹性模量试验成果综合统计表（华东院）

对比2 次189 平硐F67断层破碎带原位试验成果，发现试验数据相对离散，为了消除偶然性影响，经过反复分析论证，混凝土/岩石抗剪断强度采用1973 年和2008 年2 次试验成果的平均值作为试验值。考虑到试验资料有限，断层带岩石变化复杂，不确定因素多，结合GB 50287-2016《水力发电工程地质勘察规范》附录D 的有关规定，对试验值乘相应折减系数并去零取整作为地质建议值，见表5。

表5 坝基建基面F67断层带主要地质参数建议值

3 技施阶段F67断层破碎带的物理力学指标的复核

技施阶段坝基开挖至建基高程，分别对F67断层泥化带进行岩体抗剪试验1 组，强烈挤压破碎带进行岩体抗剪试验1 组，挤压破碎带进行岩体抗剪试验2 组，岩体变形试验2 组、强烈挤压破碎带进行岩体变形试验1 组。试验结果与可研勘察阶段进行对比，见表6，7。

表6 可研阶段与技施阶段原位试验断层各带岩体抗剪参数对比表

表7 可研阶段与技施阶段原位变形试验（P=2 MPa）参数对比表

通过整理对比研究发现：

1）F67断层带断层破碎带岩体抗剪参数技施阶段,现场复核原位试验值加权后计算综合值大于可研阶段地质建议值。

2）F67断层泥化带和强烈挤压破碎带的变形模量和弹性模量,现场复核试验统计值加权后计算综合值小于可研阶段地质建议值。

通过分析数据得出上述两种不同的试验结果，出于大坝安全考虑，必须谨慎分析并找出可能造成技施阶段原位变形试验结果低于可研阶段的原因，主要体现在以下几个方面：

1）断层泥化带组成物质主要为灰～黄灰色泥夹岩屑；试验点位置正好选择在泥化带中心部位，试块地质描述岩性主要为灰～黄灰色泥，且岩屑含量极低，是相对抗变形能力薄弱的部位。

2）断层泥化带按岩体的变形试验原理（弹性理论方法）计算变形参数。

3）断层泥化带原位变形试验是在人工泡水（饱和状态）无约束条件下进行的，并且核心部位断层泥饱和状态塑性明显，稠度状态可达软塑，因此，塑性变形远大于弹性变形。

4）工程开挖造成坝基岩体卸荷，F67断层坝段开挖厚30.00～35.00 m，建基岩体中陡倾角的小断层、节理较发育，工程开挖失去上覆荷载，坝基岩体就会沿着卸荷方向产生应力释放或变形，形成深卸荷，主要体现在节理张开，节理开度为3.00～5.00 mm，一般无充填。强烈挤压破碎带变形复核试验点在已形成深卸荷部位进行，在同等压力下全变形增大，取得的试验结果值偏小。

5）岩（土）体的变形模量、弹性模量为动弹模与静弹模试验值及经验值的综合取值，通常情况下，动弹模试验值大于静弹模试验值，静弹模试验值小于岩（土）体变形模量、弹性模量的综合取值。

4 结语

1）综上所述丰满电站新坝坝基F67断层的断层泥化带、强烈挤压破碎带和挤压破碎带岩体抗剪（断）强度指标建议值是适宜的。

2）考虑到技施阶段原位变形试验结果低于可研阶段这一事实，根据GB 50287-2006《水力发电工程地质勘察规范》，结合工程实践经验，经过分析论证和目前大坝安全运行情况可以得出：可研阶段提出的F67断层不同分带的变形模量、弹性模量建议值是适宜的。