谢福志, 周 旭, 朱金来, 于景宗

(中水东北勘测设计研究有限责任公司,吉林 长春 130021)

丰满水电站大坝全面治理工程F67断层带渗透稳定性分析

谢福志, 周 旭, 朱金来, 于景宗

(中水东北勘测设计研究有限责任公司,吉林 长春 130021)

介绍丰满水电站大坝坝基F67断层分带和组成物的物理力学性质及透水性,对F67断层带渗透稳定性进行分析,提出临界与破坏水力比降,并确定允许水力比降。

丰满水电站;断层带;渗透稳定性;临界与破坏水力比降;允许水力比降

图1 坝基F67断层破碎带分带示意图Fig.1 Diagram of zoning of F67 fault fracture zone of dam foundation

丰满水电站全面治理(重建)工程坝基F67断层在右岸阶地部位顺江通过坝址区,与坝轴线近于正交,为坝址区发育规模最大、性状最差,对工程影响最大的一条断层带,因此有必要对F67断层的渗透稳定性进行研究分析。

1 F67断层分带及组成物

F67断层破碎带由F67-1、F67-2、F67-3、F67-4和F67-5等多条断层组成,断层走向整体北西15°～50°,断层面倾向南西,倾角60°～80°。由于F67断层多期活动,致使该破碎带断层条数较多,间距较小,各断层宽度不一,性状亦有差异;但破碎带宽度总体上自上而下逐渐变小,破碎程度随深度的增加而逐渐减弱。整个破碎带岩石破碎程度均一性较差,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,详见图1。

(1) 断层泥化带:约占断层带总宽度的2.3%,即F67-1、F67-2、F67-3断层中心带,断层泥化带分别宽0.4～0.6 m和0.05～0.1 m,由泥夹岩屑组成,F67-1断层泥化带局部可达2.5 m,由灰—灰黄色泥夹岩屑组成,湿时具塑性。

(2) 强烈挤压破碎带:约占断层带总宽度的18.7%,沿F67-1、F67-2、F67-3断层中心带上盘分布,宽一般3～6 m,破碎带内与断层方向一致的陡倾角节理密集分布,破碎带内岩石多被压碎成数厘米—十厘米大小的较软弱—中等坚硬的岩块,部分地段见有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:约占断层带总宽度的79%,分布于F67-1、F67-2、F67-3强烈挤压破碎带两侧,宽度25～30 m,破碎带内见有多条倾角较陡的小断层,岩石多破碎呈10～30 cm大小的中硬岩块,局部强烈破碎、软弱。其特点是压碎岩块多被钙质及硅质次生物重胶结,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外压碎岩块逐渐增大,岩石由中等坚硬逐渐变为坚硬。

2 F67断层的物理力学性质

根据物探声波测试成果[1],断层带岩体纵波速度为2.88～6.26 km/s,岩体完整性系数为0.25～1.0。

据26组断层泥试验成果,断层泥颗粒组成以粘、粉粒为主,约占52%;其物理指标平均值为:含水量20.2%,干密度1.64,孔隙比0.669,饱和度80%;其力学指标平均值为:压缩系数2.19,压缩模量4.8 MPa,凝聚力24 kPa,内摩擦角19.6°。

经对断层泥样品X衍射法分析,其主要矿物成分为绿泥石12%～14.5%、滑石5.4%～13.6%、蒙脱石2.1%～13.3%、钠长石5.5%～40.8%、碳酸钙12.8%～36.8%、石英0.8%～19.6%、高岭土8.9%～14.9%等。

3 F67断层带透水性

据可行性研究阶段钻孔压水试验资料,F67断层破碎带透水率一般为1.2～2.5 Lu,最小0.4 Lu,最大3.9 Lu,其中弱透水岩体约占总数的63%,微透水岩体约占总数的37%,详见表1。

表1 F67断层带钻孔压水试验资料成果统计表Table 1 Statistics data of drilling water pressure test of F67 fault

中水东北勘测设计研究有限责任公司曾于1958年在现丰满大坝35坝段廊道内进行压水试验,此次试验表明:F67断层泥透水率均<1 Lu,两侧块状破碎岩体的透水率绝大部分在5 Lu以下,廊外(帷幕范围以外)三个钻孔岩体的透水率相对较大,一般为3～70 Lu,说明帷幕的固结防渗作用是明显的。

4 F67断层带渗透稳定性分析

4.1 临界与破坏水力比降

1958年在丰满大坝35坝段廊道内进行了现场渗透变形试验:以35A1孔为压水孔,以35A3孔为排水观测孔,两孔相距2 m,孔深相当,均穿过断层泥、碎裂岩及绿泥石化碎块岩,最大水力坡降达20,总延续时间265 h,整个试验过程排水孔始终排出清水,未见细颗粒冲移。证明经过帷幕灌浆后在F67断层破碎带内产生各种类型渗透破坏的可能性不大。

为了验证F67断层泥和碎粉岩(碎屑夹泥)的渗透破坏比降,在189平硐内采取断层泥和碎粉岩的原状样进行了室内渗透变形试验,试验仪器筒身内径为10 cm,仪器高度为12.8 cm。当试样的渗流比降达到24.0～44.1时,其渗流量明显加大,水流变黄、浑浊,试样发生破坏。

根据渗透速度与渗透坡降关系曲线(图2-图7),判定6组试样破坏形式均为流土,试样的临界比降、破坏比降及相应的渗透系数见表2。

图2 F67断层泥渗透变形成果图Fig.2 Mud seepage deformation results of F67 fault

图3 F67断层泥渗透变形成果图Fig.3 Mud seepage deformation results of F67 fault

根据189平硐内观察,产生渗水的部位主要在挤压破碎带内,沿裂隙渗出,断层泥及碎粉岩带渗水少,主要是断层泥与接触带密实、且裂隙中有泥质充填,渗透性差。

4.2 允许水力比降确定

1973年中水东北勘测设计研究有限责任公司进行的现场渗透变形试验是在经过帷幕灌浆和固结灌浆后的坝基进行的,因此,没有取得临界或破坏水力比降,但却反映出断层带是可灌的,经灌浆处理后,断层带的抗渗透变形能力较强。

图4 F67断层泥渗透变形成果图Fig.4 Mud seepage deformation results of F67 fault

图5 F67断层碎粉岩渗透变形成果图Fig.5 Powdery rock seepage deformation results of F67 fault

图6 F67断层碎粉岩渗透变形成果图Fig.6 Powdery rock seepage deformation results of F67 fault

2008年进行的室内试验,与原位试验相比边界条件差异很大,有一定的局限性。但两次试验成果对确定断层带的允许水力比降有重要意义。

图7 F67断层碎粉岩渗透变形成果图Fig.7 Powdery rock seepage deformation results of F67 fault

表2 F67断层泥及碎粉岩渗透变形成果表Table 2 Seepage Deformation results of mud and powdery rock of F67 fault

试样编号断层分带临界坡降ik破坏坡降iF渗透系数k20189平硐-1断层泥/30.42.08×10-5189平硐-2断层泥15.844.12.73×10-6189平硐-3断层泥/24.01.66×10-5F67-17-01碎粉岩12.332.84.40×10-6F67-17-01碎粉岩11.131.11.90×10-6F67-17-01碎粉岩14.234.53.06×10-6

根据《水力发电工程地质勘察规范》(GB 50287—2006)附录L的规定[2],结合渗透变形试验成果及断层泥物理力学性质试验成果,并类比其他工程经验,提出F67泥化带的允许水力比降建议值J≤5。

5 结语

(1) 现场渗透变形试验是在经过帷幕灌浆和固结灌浆后的坝基进行的,反映出F67断层带是可灌的,经灌浆处理后,断层带的抗渗透变形能力较强。

(2) 6组室内渗透变形试验,渗透破坏形式均为流土。

(3) 根据《水力发电工程地质勘察规范》,结合渗透变形试验成果及断层泥物理力学性质试验成果,并类比其他工程经验,提出F67泥化带的允许水力比降建议值J≤5。

[1] 中华人民共和国建设部.水力发电工程地质勘察规范:GB 50287—2006[S].北京：中国计划出版社，2006.

[2] 中水东北勘测设计研究有限责任公司.吉林省丰满水电站大坝全面治理工程可行性研究报告[R].长春：中水东北勘测设计研究有限责任公司，2010.

(责任编辑：费雯丽)

Analysis of Seepage Stability of F67Fault Zone in All-RoundManagement Project of Fengman Hydropower Station

XIE Fuzhi, ZHOU Xu, ZHU Jinlai, YU Jingzong

(ChinaWaterNortheasternInvestigation,Design&ResearchCo,Ltd,Jilin,Changchun130021)

The F67fault zoning and physical mechanical properties and water permeability of dam foundation composition in Fengman Hydropower Station are introduced in this paper. Through the analysis of the permeability stability of F67fault zone,the critical and failure hydraulic gradient is put forward and the allowable hydraulic gradient is determined.

Fengman Hydropower Station; fault zone; seepage stability; critical and failure hydraulic gradient; allowable hydraulic gradient

2017-06-15;改回日期:2017-06-22

谢福志(1973-),男,教授级高级工程师,水文地质与工程地质专业,从事水利水电勘察工作。E-mail:xiexie1106@qq.com

TV223.3+2; TV697.3+2

A

1671-1211(2017)04-0377-03

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2017.04.004

数字出版网址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20170620.1320.004.html 数字出版日期:2017-06-20 13:20