复杂层状建基岩体可利用性及开挖深度优化研究

1 研究背景

混凝土重力坝是目前经济性和安全性最好的坝型之一，它主要是利用自重抵抗水压力、浮力等，并以大坝-基础联合作用的形式来完成挡水任务，亦将各类合力传递给岩基，这要求基岩应具有足够强度、整体性和均匀性等。但坝基岩体工程地质特性不仅受岩性、地质构造、地下水、风化、卸荷及坝体传递荷载等影响，还受勘察手段、方法和深度等影响，使得岩基可利用性及开挖深度难以确定。虽然开挖深度越深，建基岩体工程特性及大坝安全性等越好，但坝体所承受合力亦不断增大，亦可导致坝基回弹变形和高边坡稳定、增加建设工期及投资成本等问题。因此，如何在保证工程安全的前提下，充分利用坝基岩体，减少开挖深度、施工工期及投资成本等已成为水电设计中研究的重要问题。

在国内，建基岩体的可利用性及建基面选择评价指标以风化程度和岩体质量为主[1-5]，国外则更强调基础处理和加固后满足设计要求[4-7]。张勇[4]、黄春华等[8]通过对施工风钻孔纵波测试及试验、地质模型构建等基础上，基于声波与岩体质量及力学参数的预测评价模型，建立岩基的可利用标准，并对坝基开挖深度进行了优化，显示出了较好的经济性与实用性；王仁坤在建立坝基岩体力学与损伤模型、地基加固理论等基础上[5，9]，通过数值计算模型与地质力学模型对特高拱坝建基面嵌深进行了优化研究，亦从工期及造价方面进行了对比分析；王文杰[10]、邹浩等[11]通过建立数值计算模型对建基面进行了优化设计；陈志坚等[12]通过岩级及其影响因素建立了建基面优选模型。由于建基岩体优化研究主要集中于次块-块状或中厚-厚层状为主的高坝中，而对于薄层-互层状软硬相间岩体为主的可利用性则较少，国内主要见于阿海、卡拉、乌弄龙等水电站中[13-14]。

因此，本文针对以薄层-互层状砂、板岩为建基岩体的阿海水电站,通过对建基岩体的岩性、结构特性、岩石(体)力学特性等研究，对河床坝段建基岩体的可利用性及开挖深度进行了优化，此举减少了基岩开挖量及混凝土方量均约6.1万m3[15]，节约直接工程投资约3 000余万元，并缩短了工期。目前，阿海水电站运行正常，表明建基岩体及开挖深度优化研究方案的科学合理性，其研究方法、理论等也可为其他不同地质体作为建基岩体的利用标准及优化设计提供理论依据。

4.论著中的图表（包括图表题和图表注）全部使用英文，要求图表自明。图表注内容包括分组设计、药物浓度、给药顺序、作用时间、指标测试时间、各种缩写的解释说明、对观察内容必要的描述和统计方法等。

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2 工程概况

阿海水电站位于云南省丽江市金沙江中游河段，电站采用碾压混凝土重力坝、坝后厂房的方案，其中最大设计坝高138 m，正常蓄水位1 504 m，电站装机容量2 000 MW，总库容8.82亿m3。阿海水电站坝址部位金沙江流向大致由北向南，河谷两岸地形高陡，呈“V”形，且基岩多裸露。坝址区地层为泥盆系(D1)下统浅变质砂、板岩及华力西晚期顺层侵入的辉绿岩坝基则以中厚-薄层状砂岩、板岩相间分布的泥盆系浅变质岩为主，岩层产状为N80～90°E/NW∠45～60°，倾向上游。

前期勘察成果表明[13，16]：阿海水电站共分为19个坝段，其中9～12号坝段为河床坝段，其冲积层厚5～20m，下覆基岩为互层状微风化-新鲜的砂、板岩，且岩性相对均一，岩石强度较高，岩层层间结合紧密，RQD值一般为40%～60%，部分达70%，岩体完整性较好；拟定1 372 m高程微风化-新鲜Ⅲ类岩体为河床坝段建基面，开挖深度为基岩面下10 m左右，并要求建基岩体纵波度大于3 000 m/s，变形模量6～10 GPa。

3 复杂层状岩体工程地质特性

3.1 岩石强度特性及组合特征

坝址区砂岩为长石石英细砂岩和粉砂岩，板岩为含炭质、钙质板岩。考虑到砂板岩呈互层状及板岩的各向异性，岩石饱和单轴抗压强度试验时分别让加载方向与层面垂直、平行和45°方向加载，成果见表1[16]。从表1中可知：砂岩近似为均质体，为坚硬岩；板岩各向异性较明显，除加载方向与倾角夹角呈45°(铅垂方向)时饱和单轴抗压强度较低为较软岩外，其余均为中硬岩；互层状砂、板岩为中硬岩，但铅垂方向饱和单轴抗压强度较低，并随板岩含量的增加而逐渐降低。

表1 微新单一岩石和组合岩石饱和单轴抗压强度

Tab.1 Rock saturated uniaxial compressive strength of micro - fresh single rock and composite rock

岩性Rb/MPa工程类型砂岩94.3坚硬岩板岩41.7 (⊥)中硬岩37.3 (∥)16.3 (∠)较软岩砂、板岩互层(板岩约占60%)55.3 (⊥)中硬岩56.1 (∥)中硬岩 33.9 (∠)中硬岩

注：“⊥”垂直层面、“∥”平行层面、“∠”约45°夹角(铅垂方向)。

对坝基岩性比例的精细量测及岩性展布图分析表明，河床坝段砂岩类及砂板岩互层约占61%，粉砂质板岩约35%，挤压带约4%(见图1)，左、右岸砂岩类及砂板岩互层约占60%～64%，粉砂质板岩约31%～35%，挤压带约5%，表明坝基岩体仍是以坚硬岩为主的互层状砂、板岩，基本满足规范对高坝坝基岩性强度之要求[1-3]。

了解中谷水热活动区的热储特征及热储温度对于合理开发利用鲜水河断裂带的地热资源具有重要意义。赵庆生等(1984)利用混合模型计算了康定至道孚的水热活动区热储温度，并认为存在上下两层相对封闭热储，康定榆林地区属于上层热储；此外庞忠和等(2017)通过Fix-Al方法计算了康定中谷及榆林河地热田的热储温度，并认为榆林河地热田的开发潜力大过康定中谷地区。卞跃跃等(2018)采用SiO2温标计算出康定榆林地区热储温度为192 ℃～288 ℃。

图1 河床坝段岩性展布
Fig.1 The lithologic distribution map of river bed section

3.2 坝基复杂层状岩体结构研究

3.2.1 复杂层状岩体结构特征及划分方案

坝基岩体岩层层面为主要结构面，层厚小于10 cm的薄层状岩体约占整个坝基的65%，10～30 cm互层状约占16%，30～50 cm中厚层状约占7%，50～100 cm厚层状约占8%，挤压带约占4%，因此，坝基岩体结构以薄层-互层状为主。

《元史·天文志》载：“其制以木为圆球，七分为水，其色绿；三分为土地，其色白，画江河湖海脉络，贯穿于其中，画作小方井，以计幅员之广袤，道里之远近。”[23]七分为水，则指七海，其意则为环绕陆地之海的分布。元代初期七海观念已进入了中国人的视野。

另据钻孔资料显示，坝岩层状岩体受风化影响，在强-弱上风化段，钻孔岩石质量RQD值在30%～50%间，其对应岩体结构为互层状岩体。在进入弱下及以下后，RQD值均在65%～90%之间，其对应岩体结构为中厚-厚层状岩体，这也表明弱下及以下互层状砂岩、板岩的层间效应减弱(图2)，多数层面表现为类似“纹理构造”[13]。再者，建基岩体在弱下以下、层厚小于30 cm的声波纵波波速多在4 000 m/s以上，岩体完整性系数均在0.55以上，为较完整-完整岩体，对应岩体结构为中厚-厚层状，且各向异性表现不明显。

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综上可知，坝基岩体在原位状态下，弱风化及以下各岩层之间粘结十分紧密，层面效应基本消失，岩体完整性大幅提高[13]，这也即砂、板岩互层状岩石具有较高饱和单轴抗压强度之因。因此，坝基岩体结构划分主要指标应为波速和RQD，其划分方案见表2。

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图2 开挖坝基极薄层-薄层黏结砂、板岩及长柱状岩芯
Fig.2 The very thin layer - thin layer of bonded sand,slate and
long column cores at excavated dam foundation

表2 坝基岩体结构划分方案Tab.2 Classification of rock mass structure of dam foundation

岩体结构类型岩体特征 代表性指标 波速/(m·s-1)完整性系数KvRQD/%厚层状黏结层状结构极薄层-互层初始层面呈现紧密黏结或胶结,具整体性,岩体呈厚层—巨厚状特征。钻孔钻进或轻度冲击下保持厚层巨厚层特征,岩体完整>47000.75>75中厚层状黏结层状结构厚层-巨厚层粘结层状,风化、卸荷作用轻微,个别初始层面再现,钻进或轻度部击下少部分层面开启,岩体呈现中厚层状结构特征,岩体较完整4000～47000.55～0.7562.5～ 75.0互层状结构粘结的薄层状,在风化、卸荷作用下岩体中早期的层面再次显现,在弱下和少部分弱上风化带呈现互层状结构特征,岩体完整性较差3200～40000.35～0.5550.0～ 62.5薄层状结构层状结构面发育,岩层呈薄层状,少部分为互层状。有硅质胶结的层间挤压带,岩体完整性差2100～32000.15～0.3525～50碎裂结构岩体呈散体、碎屑状,层间挤压带及破碎带<2100<0.150～24

3.2.2 河床坝段岩体结构

将河床坝段施工潜孔钻声波测试成果转化为波速钻孔柱状图(见图3)。

(1) 各坝段表部约0～3 m范围内岩体波速较低(约3 200 m/s以下的红色部分)，岩体呈薄层—互层状，而下部岩体波速又较高，这应与爆破开挖有关。

(2) 表部以下约3～5 m厚范围内，岩体波速大于3 200 m/s，岩体呈互层—中厚层状，部分为厚层状，这应受爆破开挖影响，为过渡段。

(3) 孔深5 m以下时，岩体波速较普遍大于4 000 m/s，对应岩体以厚层状为主，部分呈中厚状和互层状，为正常原位状态下岩体。

图3 河床坝段钻孔波速柱状
Fig.3 The wave velocity histogram of river bed section

3.3 坝基复杂层状岩体力学特性

砂岩、板岩及其互层组合岩体的变形试验及其配套声波测试成果，及其关系曲线图见(图4)。

图4 坝基砂、板岩岩体变形模量与声波关系曲线
Fig.4 The relationship between deformation modulus and acoustic wave of sand and slate rock mass of dam foundation

(1) 弱下-新鲜岩体中，砂岩变形模量受加载方向影响较小，变形模量均较高，约10～16.5 GPa；而薄层纯板岩变形模量受加载方向影响较大，铅垂方向加载时，其最小变形模量约5 GPa，垂直层约4 GPa，平行层面则可达10 GPa[13]；砂、板岩组合岩体变形模量普遍较高，以8～10 GPa为主，并随板岩含量的增加而降低，且当板岩含量占比≥50%时，其变形模量变化较小，仍可达7GPa以上[14]，而坝基砂岩占比约在60%，则坝复杂层状岩体也具有较高的变形模量，可达8 GPa及以上。

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(2) 可研、施工阶段及全部岩体的变形模量与配套波速的回归分析表明，各阶段及全部试验变形模量与波速均具有较高的相关性，且当波速为4 000 m/s时，全部数据变形模量回归计算值约9.4 GPa，施工阶段变形模量计算值仍较高，约8.2 GPa。

因此，弱下-微新复杂层状原位岩体具有较高的变形模量，满足规范对高混凝土坝建基岩体的抗变形要求[3]。

3.4 建基岩体质量分级

由于坝基弱下风化以下复杂层状原位岩体层间粘结性能较好，岩体结构较完整、岩石(包括组合岩石)饱和单轴抗压强度、岩体波速、变形模量均较高，建基岩体满足规范要求。因此，岩体质量分级主要考虑岩性、结构及物理力学特性等主要因素，其分级见表3。

表3 坝基复杂层状岩体质量分级

Tab.3 The quality classification of complex layered rock masses in dam foundation

分级 岩级亚岩岩体特征岩体结构类型 主要量化指标Rb/MPaRQD/%Vp /(m·s-1)E0/GPaⅡ 新鲜-微风化薄层、互层砂岩、粉砂岩、板岩,初始层面紧密粘结或胶结,岩体呈厚-巨厚层状。岩体完整性系数和RQD高,可作为高混凝土坝地基,抗变形、抗滑能力较高呈厚—巨厚层粘结层状>60>75>4700>12ⅢⅢ1弱下～部分微风化岩体,呈厚层紧密粘结层状,部分受风化、卸荷作用初始层面再现,岩体呈似中厚黏结层状,岩体较完整和RQD较高,抗变形能力强,无控制性缓倾结构面,可作为中高混凝土重力坝地基,个别质差地段需经处理中厚黏结层状>3062.5～75.04000～47008～12Ⅲ2弱上风化带,早期紧密黏结层状岩体,受风化、卸荷作用部分初始层面再现,岩体呈互层状粘结层状结构,似完整性变差,抗变形能力降低。但因无缓倾结构面,无大的岩体抗滑稳定性问题,可作低混凝土坝地基互层粘结层状>3050.0～62.53200～40005～8ⅣⅣ1薄层状岩体,结构面松弛,因风化、卸荷,早期黏结层状结构已安全松弛。岩体完整性差,不宜作为混凝土坝地基薄层状<3025～502100～3200<5.0Ⅴ 层间挤压带及断层破碎带<2100

4 河床建基岩体开挖深度优化研究

4.1 建基岩体可利用标准及开挖优化方案

由于波速与岩体结构、变形模量具有较好的对应性，因此，对河床坝基岩体的质量预测，主要通过钻孔声波波速的跟踪测试，确定岩体质量和变形模量，并以此确定能作为建基面的最佳位置。对于阿海电站河床坝基，当坝高达到设计最大坝高138 m时，应以Ⅲ1类岩体(即岩体波速大于4 000 m/s，变形模量大于8 GPa)作为坝基可利用岩体，并以此标准来确定建基面的位置。为此，清除河床覆盖层后，在距原设计建基高程10 m以上位置(约1 382～1 390 m高程)布置了6条声波测试剖面，共计36个优化测试孔(图5)。

图5 河床坝段建基面优化声波孔布置
Fig.5 The optimization of acoustic wave hole layout for river bed dam foundation

4.2 河床建基面开挖深度优化分析

为便于更直观地反映优化后建基岩体质量，将36个优化测试孔及施工钻孔声波测试成果转化为波速钻孔柱状图，如图6所示(在此以9～10号坝段为例)。

图6 9～10号坝段优化测试孔波速钻孔柱状
Fig.6 The borehole histogram of wave velocity of optimization test hole on No.9～10 dam section

(1) XZ1剖面中，Ⅳ类和Ⅲ2类岩体的最低高程在XZ1-4号孔中1 378.5 m。在1 378.5～1 372 m间各孔波速以大于4 000 m/s为主，岩级以Ⅱ类和Ⅲ1类为主，仅局部夹少许Ⅲ2类岩体，且全孔段平均波速约4 360 m/s，属Ⅲ1类岩体，满足建基岩体要求。

(2) XZ2剖面中，Ⅳ类岩体较集中出现的最低高程在XZ2-5号孔中的1 378 m，其余各孔在1 382～1 378 m之间均存在较多Ⅳ类和Ⅲ2类岩体；而在1 378～1 372 m之间各孔波速以大于4 000 m/s为主，岩级以Ⅱ类和Ⅲ1类为主，仅局部夹少许Ⅲ2类岩体，且全孔段平均波速约4 525 m/s，达到Ⅲ1类岩体的上限值，满足建基岩体的要求。

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(3) XZ3剖面中，Ⅳ类岩体较集中出现的最低高程在XZ3-4号孔中的1 375 m，其次为XZ3-5号孔中的1 377.3 m，其余各孔在1 377～1 375 m之间均无Ⅳ类岩体；而在1 377～1 372 m之间各孔岩体波速仍以大于4 000 m/s为主，岩级以Ⅱ类和Ⅲ1类为主，仅XZ3-4号孔中存在2 m厚的Ⅳ类岩体，且全孔段平均波速达到4 305 m/s，属于Ⅲ1类岩体，满足建基岩体的要求。

综上可知，XZ1、XZ2剖面可以选用的建基面最高位置为1 378 m；XZ3剖面为1 377 m；若XZ3剖面也选用1 378 m，则只有XZ3-4号～XZ3-5号孔存在0.5～3 m的较差岩体，但其周围声波孔在1 378 m以下均无较差岩体分布，故其较差岩体分布范围很小。因此，综合确定10号坝段可用建基面的最高位置为1 378 m，平均波速约4 400 m/s，属较好的Ⅲ1类。同理，据图7可确定其它坝段最高建基高程，其中11号坝段建基面最高为1 382 m，且1 382～1 372 m之间岩体平均波速约4 760 m/s，对应岩级达到Ⅱ级；9号坝段分别以8号坝段1 387 m和10号坝段1 378 m为边坡顶底的缓坡面，波速以大于4 700 m/s为主，对应岩级达到Ⅱ级；12号坝段保持原坡比，以1 382 m为坡底，波速仍以大于4 700 m/s为主，仅表部存在部分低波速段，对应岩级以Ⅱ级为主。

4.3 河床坝段最优建基面工程开挖方案分析

结合坝基波速柱状图及岩级综合确定最优建基面岩体的开挖方案(图7)。

(1) 将10号和11号坝段建基面高程抬至1 378 m，9号和12号坝段坡比不变，可少挖约4.3万m3(图7中1区)，但需对局部低波速段岩体进行清除或灌浆加固。

(2) 在①的基础上将11号坝段建基面抬高至1 382 m，9号和12号坝段坡比不变，亦可少挖约1.5万m3(图7中2区)。

(3) 在①和②的基础上将9号坝段坡比由1∶1.6变为1∶2.67，亦可再少挖约0.3万m3(图7中3区)。

因此，河床9～12号坝段共可减少坝基岩体开挖量约6.1万m3，可节约混凝土方量6.1万m3以上，节约直接工程投资约3 000余万元，并缩短工期，达到建基面优化目的。

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图7 河床9～10号坝段最优建基面综合位置及开挖方案分析
Fig.7 Analysis on comprehensive location and excavation plan for optimal foundation surface of No.9～10 dam section at river bed

5 结 论

(1) 在砂岩占比约60%的整个坝基岩体中，微新及以下砂岩、板岩及其组合以硬岩类为主。砂岩具各向同性，板岩及二者组合呈互层状的岩石均具各向异性，且组合岩石饱和单轴抗压强度随板岩占比增加而降低，当板岩占比约60%时，组合岩石为中硬岩，坝基岩体以坚硬岩为主。

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(2) 复杂层状岩基在原位状态下各层间粘结紧密，层面效应基本消失，岩体完整性大幅提高；而波速与岩体结构、变形参数间具有很好的对应性。

(3) 建立以波速为主要指标的岩体结构和岩体质量划分方案，可利用钻孔声波柱状图较直观地显示出建基岩体质量，判定岩体可利用性。

(4) 基于声波与岩体结构、质量及变形参数的预测评价模型，将河床建基面的开挖深度从1 372 m高程分别提高至1 378 m和1 382 m，可少挖岩基约6.1万m3，节约混凝土6.1万m3以上，节约直接工程投资约3 000余万元，缩短了工期。

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