朱云法, 徐复兴, 吴蒙蒙

(水利部 长江勘测技术研究所,湖北 武汉 430011)

三里坪水电站两岸坝肩主要地质缺陷及处理措施

朱云法, 徐复兴, 吴蒙蒙

(水利部 长江勘测技术研究所,湖北 武汉 430011)

三里坪水电站坝址区地质构造条件复杂,左坝肩多发育缓倾角裂隙,右坝肩有F5断层及一组顺河向小断层,均对坝基的抗滑稳定有一定的不利影响,通过宏观地质分析以及基于裂隙连通率的结构稳定性计算,最终采用左岸大直径混凝土置换洞、右岸EL306～345 m分层设置置换洞的工程处理措施,有效保证了大坝的安全。

缓倾角裂隙;顺河向断层;裂隙连通率;置换洞;三里坪水电站

1 工程概况

三里坪水电站位于湖北省房县,是汉江一级支流南河梯级开发中以防洪、发电为主,兼顾其它效益的骨干工程,正常蓄水位为416.00 m,相应库容4.72亿m3。本工程为Ⅱ等大(2)型工程,主要建筑物为2级。大坝为碾压混凝土对数螺旋形双曲拱坝,最大坝高133 m,在已建碾压混凝土薄拱坝中居于前列。

2 工程地质条件

2.1 地形地貌

大坝两岸岸坡陡峭,山峰呈“尖棱状”。左岸山脊走向近正东,大致垂直河谷,一般在EL350 m以下坡角65°、以上55°;右岸山脊近顺河向,在EL360 m以下坡角70°,以上45°左右;河床平水位EL305 m,对应两岸山峰相对高差分别为445 m、395 m,呈现典型的河流深切峡谷地貌。

2.2 地层岩性

2.3 地质构造

坝址区构造属于义渡—黑山复式褶皱带,区间构造作用强烈,褶皱、断裂发育,近坝地段发育一系列近东西向的线状、尖棱状的歪斜褶皱及与之平行的断裂构造,构成坝区总体构造格局。受构造影响,坝区岩层产状变化较大,倾角较陡,一般70°～85°。

2.3.1 褶皱

坝区自上游三里坪向下游1.3 km的范围内发育有三里坪向斜、三道坪背斜、链子崖向斜及李子沟口背斜,褶皱连续,形态各异,背斜紧闭,向斜舒缓,不论背斜或向斜,均为不对称的褶曲,具有SE翼倾角陡,NW翼倾角稍缓,且背斜皆向NE方向倾伏的特征(图1)。大坝位于三道坪倒转背斜的NW翼即链子崖向斜的SE翼,褶皱构造轴迹NEE。

2.3.2 断层

受构造运动影响,坝址区共发现规模大小不一断层18条,后经平硐、钻孔等揭露小规模断层12条,多为一系列规模不大、延伸不长、并与褶皱方向近一致的迭瓦式逆冲断层及派生压扭性断层。距大坝较近、对大坝稳定性影响较大的有F5以及由平硐揭露的一系列顺河向小断层f21、f22、f23、f24、f30、f50等。

2.3.3 裂隙

坝址区除两岸及冲沟两侧高陡边坡一带见卸荷裂隙外,主要为构造裂隙,其发育明显受构造和岩性的控制。其中左岸裂隙较发育,且以缓倾角裂隙为主;右岸裂隙不发育,且以反倾向中陡倾角裂隙为主。

图1 坝区左右两岸褶皱构造示意图Fig.1 Sketch map of fold structure around both sides in dam area

3 左右坝肩主要地质缺陷

受构造影响,左右坝肩发育的断层、裂隙等有明显区别,其中左坝肩以缓倾角裂隙为主,右坝肩除F5断层外,与之共轭相交的有f21、f22、f23、f24、f30及f50等一系列近平行的顺河向小断层。由于两岸山脊尖棱,冲沟发育,故岩溶现象不发育。

3.1 左坝肩缓倾角裂隙

3.1.1 裂隙分布特征

左岸坝肩为缓倾角裂隙发育区,在坝顶高程420 m以下均有分布,通过对地表及平硐揭露共198条裂隙的统计,其空间展布和发育程度有以下特点:

(1) 高程305～330 m近岸坡地段发育长大缓倾角裂隙密集带,产状较稳定,多倾向NE,倾角15°～20°,单条最长22.7 m。

(2) 高程330～370 m,总体较发育,近岸坡水平深度20 m以上性状较好,以闭合为主,局部缓倾裂隙呈束(带)状构成密集带。

(3) 高程370 m以上,缓倾角发育密度相对较小,长度也较小。

3.1.2 裂隙面地质特性

受层面或层间错动带的控制,缓倾角裂隙多有起伏,并见擦痕,按其壁面形态和粗糙度可分为四种类型:平直光滑面、平直稍粗面、起伏粗糙面、极粗糙面。充填厚度<1 mm的占统计总数的78.8%左右;厚度1～3 mm的占统计总数的17.7%;充填厚度3～5 mm的占统计总数的3.5%;最大充填厚度8 mm,充填物厚度>1 mm的基本为新鲜方解石脉(表1、表2)。

缓倾角裂隙主要有闭合或新鲜方解石充填、风化方解石或岩屑(部分夹泥)充填、泥膜充填三种类型:其中闭合或新鲜方解石充填类型占198条的近90%;风化方解石或岩屑(部分夹泥)充填的占统计的10%左右,充填厚度一般2 mm左右,最大的8 mm且不连续或连续充填长2～3 m,裂面上大都覆铁、锰膜;泥膜充填占5%以下,主要在近岸坡卸荷带内,有的张开、局部充填风化碎屑土,部分见深褐色铁染或灰黄色钙膜。

表1 缓倾角结构面形态分类统计表

表2 缓倾角裂隙充填物厚度统计表

3.1.3 裂隙连通率[1-3]

缓倾角裂隙的连通情况对大坝抗滑稳定影响较大。这里主要采取剖面投影法对其连通率进行了研究。

剖面投影法计算公式及示意图(图2)如下:

图2 剖面投影法缓倾角裂隙连通率计算示意图Fig.2 Sketch map of persistence ratio of gentle inclined fracture by profile projection

分别采用0.25 m和0.5 m两个不同投影距进行统计,得到的连通率见表3。

表3 左岸各高程平硐缓倾角裂隙连通率统计表

综合考虑缓倾角裂隙的分布规律及性状特征,类比其它工程经验,这里裂隙连通率按不同高程分别给值,其中:高程305～330 m间按长大结构面全连通考虑(连通率100%);高程330～370 m间按连通率44%并叠加1条长大结构面考虑(综合后连通率取60%);高程370 m以上取连通率为44%。

3.2 右坝肩F5断层及顺河向小断层[4-5]

右坝肩影响大坝变形及抗滑稳定的主要结构面有横向压扭性断层F5,以及与之相交的顺河向f21、f22、f23、f24、f30及f50小断层,其地质结构剖面示意见图3。

图3 右坝肩地质结构综合剖面示意图Fig.3 Sketch map of composite section of geologic structure on the right abutment1.天河板组第一段;2.地表出露的断层;3.平硐揭露的断层;4.裂隙及编号;5.卸荷带界线;6.平硐及编号。

F5:在地表、平硐及部分钻孔均有揭露,产状185°～195°∠65°～70°。断层带宽度10～30 cm不等,构造角砾岩破碎、风化呈岩块并溶蚀填泥,局部破碎带附近岩体风化呈黄色,风化带宽1～2 m不等。该断层带横穿过坝轴线高程345 m以上拱圈。

ZD1置换洞(高程294 m)进洞12 m破碎带宽度10 cm左右,充填物为碎石夹不连续填泥,其后方解石胶结较好,厚度渐变至5 cm左右。在306 m高程施工支洞内追索揭露情况主要为断续方解石充填的紧密接触结构面。

f22:306 m灌浆洞揭露情况为洞内揭露产状215°∠71°,宽度0.5～3 cm,充填物为钙质胶结的角砾岩、岩屑,弯曲起伏,下游壁卸荷张开约0.5 cm。294 m置换洞中f22产状为220°∠75°,宽度1～2 cm,未张开,多为新鲜方解石脉紧密充填,仅与层面及其它裂隙相交部位见溶蚀,洞内可见延伸长度约24 m,属硬性结构面,并往下游向山里偏转。

f23:在高程306 m灌浆洞揭露,产状215°∠64°,上游壁宽度2～5 cm,充填钙质胶结的角砾岩,局部风化溶蚀填泥;顺306 m置换洞沿走向向下游17 m后宽度不足1 cm、产状也渐变为245°∠77°、主要为新鲜方解石充填的硬性结构面。

L294-1:距坝端21 m,产状为203°∠70°,宽度1 cm,钙质充填、面平整、微风化,受限于反倾向裂隙(产状143°∠56°),其发育长度约5 m,位于高程317 m以下。

L294-2:距坝端34 m,产状为215°∠70°,宽度1 cm左右,碎屑充填,表面微张开,受限于反倾向裂隙(产状173°∠56°),发育长度约8 m,位于高程320 m以下。

按卸荷带内、外统计,侧向潜在滑移面性状加权比例如下:卸荷带,即泥夹碎石14%、碎石夹泥28%、闭合或充填胶结较好58%;非卸荷带,即泥夹碎石10.1%、碎石夹泥8.2%、闭合或充填胶结较好81.7%。

经过坝肩开挖及二次开挖,EL345 m以上F5及f系列断层基本已经挖除,但EL345 m以下部分在河床坝基开挖及各层置换洞开挖过程中,f22、f23以及裂隙性结构面L294-1、L294-2其性状、延伸长度及连通率均较前期勘察有所变化:按揭露长度推算断层f22连通率应为40%,性状为胶结好的硬性结构面;L294-2外坡揭露性状比f22要差,为碎屑(夹泥)充填长度8 m,连通率约15%。

各类型结构面力学性质建议值见表4。

表4 结构面力学参数建议值表

4 处理措施[6]

(1) 据计算模型,拱坝左坝肩缓倾结构面构成随机底滑面,是左坝肩抗滑稳定的控制性因素。针对左岸坝肩下部高程305～318 m 连通率100%的缓倾角裂隙区域,通过计算比较最终采用了抗剪洞方案。

(2) 断层F5,考虑其变形对大坝稳定及应力变形的影响,采取在高程306、318、330、345 m布置4层置换洞的处理方案。

(3) 对顺河向小断层f22、f23,采取在高程306、294 m分别设置两层抗剪洞的深层处理方案;由于顺河向断层f21、f30不影响拱座的抗滑稳定,仅对拱坝的变形有影响,因此对其采取利用F5断层置换洞进行部分置换的处理措施(图4)。

图4 右坝肩置换洞立面图Fig.4 Elevation of replacement hole of the right abutment

5 结语

三里坪电站坝址区地质条件复杂,两岸坝肩均发育有对大坝稳定影响较大的不利结构面。其中左岸以缓倾角为主,主要影响坝基的抗滑稳定;右岸以F5断层及f系列小断层为主,主要影响大坝的变形稳定。

通过前期勘察及施工期间地质编录,分别对左岸缓倾角裂隙及右岸不利结构面进行统计分析,提出裂隙连通率,建立地质结构模型,进行稳定性计算,并根据计算结果采取左岸抗剪洞、右岸置换洞的处理措施,最终有效保证了大坝的安全。

[1] 薛果夫.长江三峡水利枢纽工程地质勘察与研究[M].武汉:中国地质大学出版社,2008.

[2] 徐瑞春.清江隔河岩水利枢纽工程与地质[M].武汉:中国地质大学出版社,2010.

[3] 孙玉科,牟会宠,姚宝魁,等.边坡岩体稳定性分析[M].北京:科学出版社,1988.

[4] 周维垣,王仁坤,林鹏.拱坝基础不对称性影响研究[J].岩石力学与工程学报,2006,25(6):1081-1085.

[5] 王运生,黄润秋,王士天.西南某坝区右岸复杂岩体成因初步分析[J].地质灾害与环境保护,2002,13(1):69-72.

[6] 龚道勇,向光红,杨晓红.三里坪碾压混凝土双曲拱坝基础处理[J].水电与新能源,2010(3):42-44.

(责任编辑：陈文宝)

Main Geological Defects and Treatment Measures of Both Sides ofDam Abutment of Sanliping Hydroproject

ZHU Yunfa, Xu Fuxing, WU Mengmeng

(ChangjiangReconnaissan&TechnologyResearchInstitute,MinistryofWaterResources,WuhanHubei430011)

The geological condition of Sanliping dam foundation is complicated due to tectonic action.In left abutment,there exisits lots of qentle-angle fracture,and in right abutment exists the F5 fault and a set of small faults parallel to river. Which is unfavorable to the dam stability against sliding. Through macro-geological analysis and the structural stability calculation combined of fracture connectivity,the engineering treatment measures are used to effectively ensure safety of the dam,through the large diameter concrete replacement hole on the left bank,and hierarchical replacement hole between EL306～345 m on the right bank.

qentle-angle fracture; faults parallel to river; fracture connectivity; replacement hole; Sanliping Hydroproject

2016-04-22;改回日期:2016-05-09

朱云法(1981-),男,高级工程师,水文地质与工程地质专业,从事水利水电工程地质勘测及研究工作。E-mail:1302800054@qq.com

TV642.4+2; P64

A

1671-1211(2016)03-0335-04

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2016.03.021

数字出版网址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20160505.1531.002.html 数字出版日期:2016-05-05 15:31