萬(wàn)家寨壩基地質(zhì)環(huán)境淺析

萬(wàn)家寨壩基地質(zhì)環(huán)境淺析

萬(wàn)家寨水庫(kù)位于黃河北支流托克托——龍口峽谷河的河段內(nèi)。攔河大壩為混凝土重力壩,最大壩高105m。河床左側(cè)為溢流壩段,右側(cè)為電站廠房壩段(如圖1)。河床壩基夾層抗滑穩(wěn)定性及其評(píng)價(jià),是該大壩的重大工程技術(shù)問(wèn)題之一,而且專家們的認(rèn)識(shí)一直存在較大的分岐,這是正常的。本文就此問(wèn)題不做具體的穩(wěn)定校核驗(yàn)算,僅從壩基地質(zhì)條件上,給出必要的框算信息,以作為地質(zhì)評(píng)價(jià)的論據(jù)組成部分。1壩內(nèi)夾層結(jié)構(gòu)及滑移面特征萬(wàn)家寨水利樞紐區(qū)地震地質(zhì)環(huán)境簡(jiǎn)單,據(jù)國(guó)家現(xiàn)行1∶400萬(wàn)“中國(guó)地震烈度區(qū)劃圖”上查得萬(wàn)家寨壩址區(qū)地震基本烈度為6度,構(gòu)造穩(wěn)定性很好。壩址河谷呈U字形,兩岸直立。河床壩基持力層主要由寒武系張夏組第五層(∈2Z5)和張夏組第四層(∈2Z4)組成,前者總體厚度約23m,以中厚層灰?guī)r為主,并夾有薄層灰?guī)r和泥灰?guī)r等,后者總體厚度約13m,以薄層灰?guī)r和頁(yè)巖夾泥灰?guī)r為主(如圖2、3)。河床壩基地層產(chǎn)狀平緩?？傮w走向NE30°～NE60°,傾向NW,傾角2°～3°,即傾向上游偏右岸。陡傾角裂隙主要以NNE和NWW向兩組發(fā)育,前者延伸較短。層面裂隙和層間剪切帶為壩基緩傾角結(jié)構(gòu)面,無(wú)斷層展布。層間剪切帶主要發(fā)育在硬質(zhì)巖體間所夾的相對(duì)軟弱的薄層巖體內(nèi)或兩者的界面附近,其成因系在地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力作用下,經(jīng)過(guò)層間擠壓錯(cuò)動(dòng),致使原巖結(jié)構(gòu)遭到破壞,再經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期地下地質(zhì)營(yíng)力的疊加作用,遂形成破裂的薄層巖體結(jié)構(gòu)帶;此即本文所指的夾層或曰層間剪切帶。河床壩基持力層張夏組第五層內(nèi)共發(fā)育10條夾層,除已被挖除和展布范圍很小者外,可能構(gòu)成壩基整體滑移面,并應(yīng)予進(jìn)行抗滑穩(wěn)定驗(yàn)算者,河床左側(cè)溢流壩基有SCJ08和SCJ10,右側(cè)電站壩段地基有SCJ07、SCJ08和SCJ10等3條夾層(如圖2、3)。本文只討論溢流壩基夾層滑移面的抗滑穩(wěn)定問(wèn)題。壩基夾層呈平行展布,其產(chǎn)狀與巖層的產(chǎn)狀大體相同。三者在壩基范圍內(nèi)的展布連通率較高,大于70%,厚度一般約3～5cm,最厚達(dá)8cm,薄者僅1cm左右。結(jié)構(gòu)緊密,呈破裂或碎裂狀,并表現(xiàn)為節(jié)理裂隙帶、劈理帶和巖屑泥化帶,且以前兩者的單元或二元結(jié)構(gòu)為主。夾層物質(zhì)主要由泥灰?guī)r和薄層灰?guī)r巖塊、巖片和巖屑泥組成。據(jù)統(tǒng)計(jì)分析,河床左側(cè)SCJ08和SCJ10兩夾層的巖屑泥含量約占10%～18%,而右側(cè)三夾層的含量均小于5%,其物質(zhì)組成為巖屑、巖粉和粉土混合物;而礦物成分以方解石和伊里石為主;化學(xué)穩(wěn)定性良好。顯而易見(jiàn),萬(wàn)家寨壩基夾層應(yīng)屬于結(jié)構(gòu)相當(dāng)緊密的破碎巖體夾層(或巖塊夾層)類,而不是巖屑夾層類,更不是泥化夾層類。因此,其抗剪強(qiáng)度應(yīng)相對(duì)較高,這是不言而喻的。2溢流壩壩基結(jié)構(gòu)及抗滑性能從宏觀上看,萬(wàn)家寨壩基地質(zhì)條件,應(yīng)屬于國(guó)內(nèi)混凝土高壩工程最簡(jiǎn)單者之一,已不能再簡(jiǎn)單了,主要表現(xiàn)在以下幾點(diǎn):(1)壩基場(chǎng)地地震地質(zhì)條件十分簡(jiǎn)單,地震基本烈度為6度。(2)壩基持力層為寒武系張夏組第五層中厚層灰?guī)r類,巖體堅(jiān)硬完整,無(wú)斷層展布,其工程質(zhì)量與抗震性能都是優(yōu)等的。(3)壩基淺層展布的平緩?qiáng)A層為破碎巖體夾層(或巖塊夾層),其結(jié)構(gòu)十分緊密,又處于三維地應(yīng)力場(chǎng),其抗剪強(qiáng)度相對(duì)較高。(4)溢流壩地基夾層滑移面可延伸至護(hù)坦地基,其抗力體規(guī)模很大,且又絕非100%為夾層。因此,大大地提高了滑移面整體抗滑能力。顯而易見(jiàn),據(jù)國(guó)內(nèi)外高壩工程經(jīng)驗(yàn)判斷,在這樣極其簡(jiǎn)單的地質(zhì)環(huán)境上,建造一座高僅105m的混凝土重力壩,其壩基可靠性如何,應(yīng)當(dāng)說(shuō),壩工、地質(zhì)專家們是心中有數(shù)的。3“壩基穩(wěn)定性”的系統(tǒng)方法論特征壩基抗滑穩(wěn)定性評(píng)價(jià),是由滑移邊界條件(或滑移地質(zhì)模型)、荷載組合、巖體力學(xué)參數(shù)值與安全系數(shù)等多個(gè)要素組成的一個(gè)系統(tǒng)問(wèn)題(如圖4)。系統(tǒng)方法論認(rèn)為,系統(tǒng)中各要素與整體之間有著復(fù)雜的交叉效應(yīng)與動(dòng)態(tài)關(guān)系。一般地說(shuō),如果每個(gè)要素的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)都是好的,則整體功能(即壩基穩(wěn)定性)也會(huì)比較理想。但各個(gè)要素都力爭(zhēng)自身質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(或安全儲(chǔ)備)達(dá)到最高等級(jí),卻不一定能保證系統(tǒng)的整體效應(yīng)最佳。例如,當(dāng)邊界條件取最差的,荷載組合取偏大的,巖體抗剪強(qiáng)度取偏小的,而安全系數(shù)又取最大的,即各要素的安全儲(chǔ)備都取值很大,則采取大量工程措施后,壩基穩(wěn)定性確實(shí)可靠了,但其技術(shù)經(jīng)濟(jì)整體效應(yīng)就必然不佳。因此,系統(tǒng)方法論強(qiáng)調(diào):人們?cè)谘芯亢徒鉀Q系統(tǒng)問(wèn)題時(shí),僅僅重視各要素自身的可靠性(或安全儲(chǔ)備)是不夠的,而應(yīng)當(dāng)將重點(diǎn)放在如何通過(guò)對(duì)具有必要可靠性(或安全儲(chǔ)備)的諸多要素的優(yōu)化組合,以轉(zhuǎn)化成系統(tǒng)的整體效應(yīng)最佳;即技術(shù)目標(biāo)可行,經(jīng)濟(jì)投入合理;而并不追求每個(gè)要素自身可靠性(或安全儲(chǔ)備)都達(dá)到最高等級(jí)?；谏鲜鏊枷?就壩基夾層抗滑穩(wěn)定性評(píng)價(jià)組成要素的地質(zhì)安全儲(chǔ)備與優(yōu)化組合等問(wèn)題略述如下。3.1夾層巖體抗剪強(qiáng)度“真值”的相互關(guān)系壩基夾層滑移面整體抗剪強(qiáng)度計(jì)算值如何選取,筆者在“論萬(wàn)家寨壩基夾層抗剪強(qiáng)度計(jì)算值決斷”一文,已做了詳細(xì)論述。本節(jié)僅摘錄主要結(jié)論如下:(1)壩基夾層系由薄層巖體經(jīng)地質(zhì)構(gòu)造破壞作用轉(zhuǎn)化而成,兩者在力學(xué)強(qiáng)度上因果關(guān)系密切,因此,需對(duì)兩者抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)成果進(jìn)行綜合對(duì)比分析,以找出其分布規(guī)律。(2)據(jù)試驗(yàn)成果說(shuō)明,無(wú)論是薄層巖體,還是夾層巖體,其常規(guī)抗剪試驗(yàn)都無(wú)法求得其各自的凝聚力C′“真值”,而要偏小許多;其試驗(yàn)值只能代表試件的“真值”。但常規(guī)試驗(yàn)求得的剪摩系數(shù)f′試驗(yàn)值,可近似理解為原巖(薄層巖體或夾層巖體)的“真值”。這正是萬(wàn)家寨壩基薄層巖體與夾層巖體抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)成果的“個(gè)性”重要表現(xiàn)所在。(3)既然無(wú)力進(jìn)行夾層巖體非常規(guī)抗剪試驗(yàn)(即恢復(fù)夾層天然緊密結(jié)構(gòu)的抗剪試驗(yàn)),可采取綜合對(duì)比分析薄層巖體與夾層巖體抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)值的分布規(guī)律,以內(nèi)插法判斷壩基夾層巖體抗剪強(qiáng)度的“真值”,即:夾層巖體質(zhì)量應(yīng)介于薄層巖體試件質(zhì)量與夾層巖體試件質(zhì)量之間,則其抗剪強(qiáng)度“真值”應(yīng)介于試驗(yàn)值f2′與f4′(或f5′)以及試驗(yàn)值C2′與C4′或(C5′)之間。因此,壩基夾層自身整體平均抗剪強(qiáng)度“真值”可近似取內(nèi)插值f3′=0.7,C3′=0.30MPa,這是合理的(如圖5)。(4)據(jù)壩基地質(zhì)實(shí)際可斷定:夾層滑移面整體地質(zhì)質(zhì)量(包括工程措施效應(yīng))要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于夾層自身整體地質(zhì)質(zhì)量;而夾層自身整體地質(zhì)質(zhì)量又要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于夾層試件地質(zhì)質(zhì)量。因此,壩基夾層滑移面整體(絕非100%為夾層)抗剪強(qiáng)度計(jì)算值可取剪摩:0.55<f′≤0.60,0.30MPa≤C′<0.5MPa;后者考慮了夾層巖體三維地應(yīng)力場(chǎng)、結(jié)構(gòu)緊密、連通率、起伏差和固結(jié)灌漿等要素的強(qiáng)化效應(yīng),但前者不予考慮,而純摩可取f=0.5,C=0。顯然,無(wú)論從薄層巖體與夾層巖體抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)值的分布規(guī)律上看,也無(wú)論從夾層滑移面地質(zhì)條件或工程經(jīng)驗(yàn)上判斷,上述建議計(jì)算值的地質(zhì)安全儲(chǔ)備是足夠的。此外,壩基持力層中厚層灰?guī)r類,順河向立面上切層整體抗切強(qiáng)度計(jì)算值可取C″=5MPa,其地質(zhì)安全儲(chǔ)備也是足夠的。其實(shí)通過(guò)巖體抗切試驗(yàn)予以論證也是很容易的。3.2壩段夾層滑移面中巖體“側(cè)抗”能力壩基淺部夾層滑移面抗滑穩(wěn)定驗(yàn)算,一般說(shuō),其巖體側(cè)向抗滑作用(簡(jiǎn)稱“側(cè)抗”)只作為地質(zhì)安全儲(chǔ)備,而不予考慮是合理的。但就萬(wàn)家寨壩基地質(zhì)實(shí)際(下游護(hù)坦地基抗力體規(guī)模很大)而言。分析一下它究竟有多大地質(zhì)安全儲(chǔ)備是十分重要的?，F(xiàn)已知3#和11#兩壩段地基穩(wěn)定可靠。據(jù)此前提,按最不利工況假定:(1)4#～10#共7個(gè)壩段視為一個(gè)完整的統(tǒng)一剛體同步滑移,其SCJ10夾層滑移面以上兩側(cè)(即3#與4#以及10#與11#壩段分界面)巖體立面面積(包括護(hù)坦地基)取1200m2(偏小值),并取巖體C″=5MPa,則巖體總“側(cè)抗”可達(dá)600萬(wàn)kN。如圖1、3。(2)6#～10#共5個(gè)壩段視為一個(gè)完整的統(tǒng)一剛體同步滑移,其SCJ08夾層(4#與5#壩段地基已被挖除)滑移面以上兩側(cè)(即5#與6#以及10#與11#壩段分界面)巖體立面面積(包括護(hù)坦地基)取800m2(偏小值),并取巖體C″=5MPa,則巖體總“側(cè)抗”可達(dá)400萬(wàn)kN。當(dāng)然,11#壩段右側(cè)電站壩段地基,因開(kāi)挖較深,它可能給10#壩段右側(cè)巖體“側(cè)抗”效應(yīng)帶來(lái)多大程度不利影響,尚需做具體分析。但“側(cè)抗”之力確實(shí)存在,而且量級(jí)不小,這是無(wú)疑的。所以,壩基夾層滑移面抗滑穩(wěn)定性評(píng)價(jià),不考慮巖體“側(cè)抗”作用,其邊界條件的地質(zhì)安全儲(chǔ)備是較大的。必要時(shí),即使動(dòng)用適量“側(cè)抗”儲(chǔ)備也是合理的。而且,力求充分發(fā)揮巖體自身的天然強(qiáng)度,以降低工程造價(jià),這正是任何巖體工程建設(shè)都應(yīng)遵守的基本準(zhǔn)則。3.3抗震地質(zhì)條件壩區(qū)地震基本地震烈度為6度,大壩按7度設(shè)防,符合國(guó)家法定標(biāo)準(zhǔn)。河床壩基地形平坦,巖體堅(jiān)硬完整,無(wú)斷層展布,其抗震地質(zhì)條件很好,應(yīng)屬于6度區(qū)的低烈度異常帶。因此,實(shí)際采用的地震荷載,其地質(zhì)安全儲(chǔ)備是很大的。3.4壩基穩(wěn)定性的后三古開(kāi)放系以高值為基當(dāng)壩基抗滑穩(wěn)定性由軟弱夾層滑移面控制時(shí),如果其剪摩安全系數(shù)取值為3.0,往往不夠現(xiàn)實(shí),尤其是高壩地基。而究竟取值多大為宜,目前尚無(wú)法定標(biāo)準(zhǔn)。一般說(shuō),決策者可根據(jù)壩基地質(zhì)與工程實(shí)際自行決斷。安全系數(shù)的實(shí)質(zhì),即在采用的邊界條件、荷載組合和巖體力學(xué)參數(shù)值等要素組合作用下,壩基抗滑穩(wěn)定性整體安全儲(chǔ)備的集中表達(dá)形式。但即使安全系數(shù)取同一值(如3.0),其安全儲(chǔ)備的真實(shí)涵義并非是個(gè)確定性儲(chǔ)備量,而是因后三者安全儲(chǔ)備的不同,隨機(jī)變化的儲(chǔ)備量;即前者與后三者密切相關(guān)。顯然,當(dāng)后三者的安全儲(chǔ)備很小,即使安全系數(shù)取大值,壩基也可能是不穩(wěn)定的,或其安全儲(chǔ)備是不夠的。反之,當(dāng)后三者的安全儲(chǔ)備很大,即使安全系數(shù)取小值,壩基也是穩(wěn)定的,或其安全儲(chǔ)備是足夠的,所以,一般地說(shuō),K1=3.0,壩基是很穩(wěn)定的,而K1=2.5,壩基穩(wěn)定性就差了的論點(diǎn),就不一定符合實(shí)際。其實(shí),也可能恰恰相反,這要看后三者各自的安全儲(chǔ)備如何而定。因此,安全系數(shù)的選定,要與后三者的安全儲(chǔ)備相配套;即后三者安全儲(chǔ)備很小,則安全系數(shù)取高值;反之,后三者安全儲(chǔ)備很大,則安全系數(shù)取低值。例如:美國(guó)和日本等國(guó)家壩基表層抗滑穩(wěn)定設(shè)計(jì),傳統(tǒng)上按剪摩公式計(jì)算,取f′>1.0,C′=2～4MPa,其安全儲(chǔ)備已不復(fù)存在,而與之相配套的安全系數(shù)K1=4～6;即采用高值。70年代以前,我國(guó)壩基表層抗滑穩(wěn)定設(shè)計(jì)、傳統(tǒng)上按純摩公式計(jì)算,取f=0.55～0.75,C=0,其安全儲(chǔ)備很大,而與之相配套的安全系數(shù)K=1.10～1.00;即采用低值。盡管兩方法安全系數(shù)取值相差很大,但壩基抗滑穩(wěn)定性的整體安全儲(chǔ)備很可能是大體一致的。當(dāng)然,有的也可能恰恰相反。顯而易見(jiàn),其一,壩基夾層滑移面抗剪強(qiáng)度建議計(jì)算值已有足夠的地質(zhì)安全儲(chǔ)備;其二,實(shí)際采用的壩基滑移邊界條件,又有較大的地質(zhì)安全儲(chǔ)備;則與之相配套的安全系數(shù)K1取值2.5是合理的;此乃“儲(chǔ)備”疊加“儲(chǔ)備”,因而,其地質(zhì)安全儲(chǔ)備應(yīng)是足夠的。其實(shí),這正是力求“系統(tǒng)”的技術(shù)經(jīng)濟(jì)整體效應(yīng)最優(yōu)的集中表現(xiàn)所在。4水庫(kù)基本穩(wěn)定地質(zhì)決策和工程措施4.1壩基穩(wěn)定計(jì)算時(shí)相關(guān)系數(shù)的問(wèn)題(1)當(dāng)取剪摩K1=2.5,f′=0.60,正常荷載條件,并考慮下游帷幕作用,則各壩段地基夾層SCJ08和SCJ10滑移面整體所需要的C′值均小于0.3MPa,即剪摩建議計(jì)算值足以滿足壩基穩(wěn)定之需。(2)當(dāng)取純摩K=1.10,C=0,正常荷載條件,并考慮下游帷幕作用,則各壩段地基夾層SCJ08和SCJ10滑移面整體所需要的純摩系數(shù)f均小于0.5。同樣,純摩建議計(jì)算值也足以滿足壩基穩(wěn)定之需。(3)當(dāng)取剪摩K1=2.5,f′=0.60,正常荷載條件,不考慮下游帷幕作用,則各壩段地基夾層SCJ08和SCJ10滑移面整體所需要的C′值約0.3MPa。即只需微調(diào)一點(diǎn)C′計(jì)算值,就可滿足壩基穩(wěn)定之需。(4)如果仍不放心,再退一步講,正常荷載條件,取K1=3.0,f′=0.60,C′=0.30MPa(或再降低些),按最不利工況假定5個(gè)或7個(gè)相鄰壩段地基,以剛體模式沿SCJ08和SCJ10夾層滑移面同步滑移,只需動(dòng)用適量巖體“側(cè)抗”儲(chǔ)備,亦足以滿足壩基穩(wěn)定之需。至于任何單一壩段地基獨(dú)立滑移,或2～3個(gè)壩段地基同步滑移的可能性,由于巖體“側(cè)抗”的存在,就絕對(duì)不會(huì)發(fā)生了。簡(jiǎn)而言之,即正常荷載條件,取K1=2.5,f′=0.60,C′=0.30MPa,不動(dòng)用巖體“側(cè)抗”儲(chǔ)備,壩基是穩(wěn)定可靠的,否則,取K1=3.0,f′=0.60,C′=0.30MPa(或再降低些),只需動(dòng)用適量巖體“側(cè)抗”儲(chǔ)備,壩基也同樣是穩(wěn)定可靠的。其實(shí),兩種評(píng)價(jià)方法的地質(zhì)安全儲(chǔ)備是相同的。此外,萬(wàn)家寨庫(kù)水位在970m條件下(正常蓄水位為977m),已曾運(yùn)用月余時(shí)間,并無(wú)任何影響壩基穩(wěn)定的異常工程地質(zhì)信息出現(xiàn),值得分析。4.2壩基夾層施工措施萬(wàn)家寨壩基加固工程措施的首要目標(biāo)是增強(qiáng)