萬家寨壩基地質環(huán)境淺析

萬家寨壩基地質環(huán)境淺析

萬家寨水庫位于黃河北支流托克托——龍口峽谷河的河段內。攔河大壩為混凝土重力壩,最大壩高105m。河床左側為溢流壩段,右側為電站廠房壩段(如圖1)。河床壩基夾層抗滑穩(wěn)定性及其評價,是該大壩的重大工程技術問題之一,而且專家們的認識一直存在較大的分岐,這是正常的。本文就此問題不做具體的穩(wěn)定校核驗算,僅從壩基地質條件上,給出必要的框算信息,以作為地質評價的論據(jù)組成部分。1壩內夾層結構及滑移面特征萬家寨水利樞紐區(qū)地震地質環(huán)境簡單,據(jù)國家現(xiàn)行1∶400萬“中國地震烈度區(qū)劃圖”上查得萬家寨壩址區(qū)地震基本烈度為6度,構造穩(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和頁巖夾泥灰?guī)r為主(如圖2、3)。河床壩基地層產狀平緩。總體走向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構面,無斷層展布。層間剪切帶主要發(fā)育在硬質巖體間所夾的相對軟弱的薄層巖體內或兩者的界面附近,其成因系在地質構造應力作用下,經過層間擠壓錯動,致使原巖結構遭到破壞,再經過長期地下地質營力的疊加作用,遂形成破裂的薄層巖體結構帶;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,可能構成壩基整體滑移面,并應予進行抗滑穩(wěn)定驗算者,河床左側溢流壩基有SCJ08和SCJ10,右側電站壩段地基有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)定問題。壩基夾層呈平行展布,其產狀與巖層的產狀大體相同。三者在壩基范圍內的展布連通率較高,大于70%,厚度一般約3～5cm,最厚達8cm,薄者僅1cm左右。結構緊密,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構為主。夾層物質主要由泥灰?guī)r和薄層灰?guī)r巖塊、巖片和巖屑泥組成。據(jù)統(tǒng)計分析,河床左側SCJ08和SCJ10兩夾層的巖屑泥含量約占10%～18%,而右側三夾層的含量均小于5%,其物質組成為巖屑、巖粉和粉土混合物;而礦物成分以方解石和伊里石為主;化學穩(wěn)定性良好。顯而易見,萬家寨壩基夾層應屬于結構相當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,其抗剪強度應相對較高,這是不言而喻的。2溢流壩壩基結構及抗滑性能從宏觀上看,萬家寨壩基地質條件,應屬于國內混凝土高壩工程最簡單者之一,已不能再簡單了,主要表現(xiàn)在以下幾點:(1)壩基場地地震地質條件十分簡單,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,巖體堅硬完整,無斷層展布,其工程質量與抗震性能都是優(yōu)等的。(3)壩基淺層展布的平緩夾層為破碎巖體夾層(或巖塊夾層),其結構十分緊密,又處于三維地應力場,其抗剪強度相對較高。(4)溢流壩地基夾層滑移面可延伸至護坦地基,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,據(jù)國內外高壩工程經驗判斷,在這樣極其簡單的地質環(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,應當說,壩工、地質專家們是心中有數(shù)的。3“壩基穩(wěn)定性”的系統(tǒng)方法論特征壩基抗滑穩(wěn)定性評價,是由滑移邊界條件(或滑移地質模型)、荷載組合、巖體力學參數(shù)值與安全系數(shù)等多個要素組成的一個系統(tǒng)問題(如圖4)。系統(tǒng)方法論認為,系統(tǒng)中各要素與整體之間有著復雜的交叉效應與動態(tài)關系。一般地說,如果每個要素的質量標準都是好的,則整體功能(即壩基穩(wěn)定性)也會比較理想。但各個要素都力爭自身質量標準(或安全儲備)達到最高等級,卻不一定能保證系統(tǒng)的整體效應最佳。例如,當邊界條件取最差的,荷載組合取偏大的,巖體抗剪強度取偏小的,而安全系數(shù)又取最大的,即各要素的安全儲備都取值很大,則采取大量工程措施后,壩基穩(wěn)定性確實可靠了,但其技術經濟整體效應就必然不佳。因此,系統(tǒng)方法論強調:人們在研究和解決系統(tǒng)問題時,僅僅重視各要素自身的可靠性(或安全儲備)是不夠的,而應當將重點放在如何通過對具有必要可靠性(或安全儲備)的諸多要素的優(yōu)化組合,以轉化成系統(tǒng)的整體效應最佳;即技術目標可行,經濟投入合理;而并不追求每個要素自身可靠性(或安全儲備)都達到最高等級?；谏鲜鏊枷?就壩基夾層抗滑穩(wěn)定性評價組成要素的地質安全儲備與優(yōu)化組合等問題略述如下。3.1夾層巖體抗剪強度“真值”的相互關系壩基夾層滑移面整體抗剪強度計算值如何選取,筆者在“論萬家寨壩基夾層抗剪強度計算值決斷”一文,已做了詳細論述。本節(jié)僅摘錄主要結論如下:(1)壩基夾層系由薄層巖體經地質構造破壞作用轉化而成,兩者在力學強度上因果關系密切,因此,需對兩者抗剪強度試驗成果進行綜合對比分析,以找出其分布規(guī)律。(2)據(jù)試驗成果說明,無論是薄層巖體,還是夾層巖體,其常規(guī)抗剪試驗都無法求得其各自的凝聚力C′“真值”,而要偏小許多;其試驗值只能代表試件的“真值”。但常規(guī)試驗求得的剪摩系數(shù)f′試驗值,可近似理解為原巖(薄層巖體或夾層巖體)的“真值”。這正是萬家寨壩基薄層巖體與夾層巖體抗剪強度試驗成果的“個性”重要表現(xiàn)所在。(3)既然無力進行夾層巖體非常規(guī)抗剪試驗(即恢復夾層天然緊密結構的抗剪試驗),可采取綜合對比分析薄層巖體與夾層巖體抗剪強度試驗值的分布規(guī)律,以內插法判斷壩基夾層巖體抗剪強度的“真值”,即:夾層巖體質量應介于薄層巖體試件質量與夾層巖體試件質量之間,則其抗剪強度“真值”應介于試驗值f2′與f4′(或f5′)以及試驗值C2′與C4′或(C5′)之間。因此,壩基夾層自身整體平均抗剪強度“真值”可近似取內插值f3′=0.7,C3′=0.30MPa,這是合理的(如圖5)。(4)據(jù)壩基地質實際可斷定:夾層滑移面整體地質質量(包括工程措施效應)要遠遠優(yōu)于夾層自身整體地質質量;而夾層自身整體地質質量又要遠遠優(yōu)于夾層試件地質質量。因此,壩基夾層滑移面整體(絕非100%為夾層)抗剪強度計算值可取剪摩:0.55<f′≤0.60,0.30MPa≤C′<0.5MPa;后者考慮了夾層巖體三維地應力場、結構緊密、連通率、起伏差和固結灌漿等要素的強化效應,但前者不予考慮,而純摩可取f=0.5,C=0。顯然,無論從薄層巖體與夾層巖體抗剪強度試驗值的分布規(guī)律上看,也無論從夾層滑移面地質條件或工程經驗上判斷,上述建議計算值的地質安全儲備是足夠的。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度計算值可取C″=5MPa,其地質安全儲備也是足夠的。其實通過巖體抗切試驗予以論證也是很容易的。3.2壩段夾層滑移面中巖體“側抗”能力壩基淺部夾層滑移面抗滑穩(wěn)定驗算,一般說,其巖體側向抗滑作用(簡稱“側抗”)只作為地質安全儲備,而不予考慮是合理的。但就萬家寨壩基地質實際(下游護坦地基抗力體規(guī)模很大)而言。分析一下它究竟有多大地質安全儲備是十分重要的。現(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個壩段視為一個完整的統(tǒng)一剛體同步滑移,其SCJ10夾層滑移面以上兩側(即3#與4#以及10#與11#壩段分界面)巖體立面面積(包括護坦地基)取1200m2(偏小值),并取巖體C″=5MPa,則巖體總“側抗”可達600萬kN。如圖1、3。(2)6#～10#共5個壩段視為一個完整的統(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(即5#與6#以及10#與11#壩段分界面)巖體立面面積(包括護坦地基)取800m2(偏小值),并取巖體C″=5MPa,則巖體總“側抗”可達400萬kN。當然,11#壩段右側電站壩段地基,因開挖較深,它可能給10#壩段右側巖體“側抗”效應帶來多大程度不利影響,尚需做具體分析。但“側抗”之力確實存在,而且量級不小,這是無疑的。所以,壩基夾層滑移面抗滑穩(wěn)定性評價,不考慮巖體“側抗”作用,其邊界條件的地質安全儲備是較大的。必要時,即使動用適量“側抗”儲備也是合理的。而且,力求充分發(fā)揮巖體自身的天然強度,以降低工程造價,這正是任何巖體工程建設都應遵守的基本準則。3.3抗震地質條件壩區(qū)地震基本地震烈度為6度,大壩按7度設防,符合國家法定標準。河床壩基地形平坦,巖體堅硬完整,無斷層展布,其抗震地質條件很好,應屬于6度區(qū)的低烈度異常帶。因此,實際采用的地震荷載,其地質安全儲備是很大的。3.4壩基穩(wěn)定性的后三古開放系以高值為基當壩基抗滑穩(wěn)定性由軟弱夾層滑移面控制時,如果其剪摩安全系數(shù)取值為3.0,往往不夠現(xiàn)實,尤其是高壩地基。而究竟取值多大為宜,目前尚無法定標準。一般說,決策者可根據(jù)壩基地質與工程實際自行決斷。安全系數(shù)的實質,即在采用的邊界條件、荷載組合和巖體力學參數(shù)值等要素組合作用下,壩基抗滑穩(wěn)定性整體安全儲備的集中表達形式。但即使安全系數(shù)取同一值(如3.0),其安全儲備的真實涵義并非是個確定性儲備量,而是因后三者安全儲備的不同,隨機變化的儲備量;即前者與后三者密切相關。顯然,當后三者的安全儲備很小,即使安全系數(shù)取大值,壩基也可能是不穩(wěn)定的,或其安全儲備是不夠的。反之,當后三者的安全儲備很大,即使安全系數(shù)取小值,壩基也是穩(wěn)定的,或其安全儲備是足夠的,所以,一般地說,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,就不一定符合實際。其實,也可能恰恰相反,這要看后三者各自的安全儲備如何而定。因此,安全系數(shù)的選定,要與后三者的安全儲備相配套;即后三者安全儲備很小,則安全系數(shù)取高值;反之,后三者安全儲備很大,則安全系數(shù)取低值。例如:美國和日本等國家壩基表層抗滑穩(wěn)定設計,傳統(tǒng)上按剪摩公式計算,取f′>1.0,C′=2～4MPa,其安全儲備已不復存在,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,我國壩基表層抗滑穩(wěn)定設計、傳統(tǒng)上按純摩公式計算,取f=0.55～0.75,C=0,其安全儲備很大,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)定性的整體安全儲備很可能是大體一致的。當然,有的也可能恰恰相反。顯而易見,其一,壩基夾層滑移面抗剪強度建議計算值已有足夠的地質安全儲備;其二,實際采用的壩基滑移邊界條件,又有較大的地質安全儲備;則與之相配套的安全系數(shù)K1取值2.5是合理的;此乃“儲備”疊加“儲備”,因而,其地質安全儲備應是足夠的。其實,這正是力求“系統(tǒng)”的技術經濟整體效應最優(yōu)的集中表現(xiàn)所在。4水庫基本穩(wěn)定地質決策和工程措施4.1壩基穩(wěn)定計算時相關系數(shù)的問題(1)當取剪摩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,即剪摩建議計算值足以滿足壩基穩(wěn)定之需。(2)當取純摩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,純摩建議計算值也足以滿足壩基穩(wěn)定之需。(3)當取剪摩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。即只需微調一點C′計算值,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個或7個相鄰壩段地基,以剛體模式沿SCJ08和SCJ10夾層滑移面同步滑移,只需動用適量巖體“側抗”儲備,亦足以滿足壩基穩(wěn)定之需。至于任何單一壩段地基獨立滑移,或2～3個壩段地基同步滑移的可能性,由于巖體“側抗”的存在,就絕對不會發(fā)生了。簡而言之,即正常荷載條件,取K1=2.5,f′=0.60,C′=0.30MPa,不動用巖體“側抗”儲備,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),只需動用適量巖體“側抗”儲備,壩基也同樣是穩(wěn)定可靠的。其實,兩種評價方法的地質安全儲備是相同的。此外,萬家寨庫水位在970m條件下(正常蓄水位為977m),已曾運用月余時間,并無任何影響壩基穩(wěn)定的異常工程地質信息出現(xiàn),值得分析。4.2壩基夾層施工措施萬家寨壩基加固工程措施的首要目標是增強