万家寨坝基地质环境浅析

万家寨坝基地质环境浅析

万家寨水库位于黄河北支流托克托——龙口峡谷河的河段内。拦河大坝为混凝土重力坝,最大坝高105m。河床左侧为溢流坝段,右侧为电站厂房坝段(如图1)。河床坝基夹层抗滑稳定性及其评价,是该大坝的重大工程技术问题之一,而且专家们的认识一直存在较大的分岐,这是正常的。本文就此问题不做具体的稳定校核验算,仅从坝基地质条件上,给出必要的框算信息,以作为地质评价的论据组成部分。1坝内夹层结构及滑移面特征万家寨水利枢纽区地震地质环境简单,据国家现行1∶400万“中国地震烈度区划图”上查得万家寨坝址区地震基本烈度为6度,构造稳定性很好。坝址河谷呈U字形,两岸直立。河床坝基持力层主要由寒武系张夏组第五层(∈2Z5)和张夏组第四层(∈2Z4)组成,前者总体厚度约23m,以中厚层灰岩为主,并夹有薄层灰岩和泥灰岩等,后者总体厚度约13m,以薄层灰岩和页岩夹泥灰岩为主(如图2、3)。河床坝基地层产状平缓。总体走向NE30°～NE60°,倾向NW,倾角2°～3°,即倾向上游偏右岸。陡倾角裂隙主要以NNE和NWW向两组发育,前者延伸较短。层面裂隙和层间剪切带为坝基缓倾角结构面,无断层展布。层间剪切带主要发育在硬质岩体间所夹的相对软弱的薄层岩体内或两者的界面附近,其成因系在地质构造应力作用下,经过层间挤压错动,致使原岩结构遭到破坏,再经过长期地下地质营力的叠加作用,遂形成破裂的薄层岩体结构带;此即本文所指的夹层或曰层间剪切带。河床坝基持力层张夏组第五层内共发育10条夹层,除已被挖除和展布范围很小者外,可能构成坝基整体滑移面,并应予进行抗滑稳定验算者,河床左侧溢流坝基有SCJ08和SCJ10,右侧电站坝段地基有SCJ07、SCJ08和SCJ10等3条夹层(如图2、3)。本文只讨论溢流坝基夹层滑移面的抗滑稳定问题。坝基夹层呈平行展布,其产状与岩层的产状大体相同。三者在坝基范围内的展布连通率较高,大于70%,厚度一般约3～5cm,最厚达8cm,薄者仅1cm左右。结构紧密,呈破裂或碎裂状,并表现为节理裂隙带、劈理带和岩屑泥化带,且以前两者的单元或二元结构为主。夹层物质主要由泥灰岩和薄层灰岩岩块、岩片和岩屑泥组成。据统计分析,河床左侧SCJ08和SCJ10两夹层的岩屑泥含量约占10%～18%,而右侧三夹层的含量均小于5%,其物质组成为岩屑、岩粉和粉土混合物;而矿物成分以方解石和伊里石为主;化学稳定性良好。显而易见,万家寨坝基夹层应属于结构相当紧密的破碎岩体夹层(或岩块夹层)类,而不是岩屑夹层类,更不是泥化夹层类。因此,其抗剪强度应相对较高,这是不言而喻的。2溢流坝坝基结构及抗滑性能从宏观上看,万家寨坝基地质条件,应属于国内混凝土高坝工程最简单者之一,已不能再简单了,主要表现在以下几点:(1)坝基场地地震地质条件十分简单,地震基本烈度为6度。(2)坝基持力层为寒武系张夏组第五层中厚层灰岩类,岩体坚硬完整,无断层展布,其工程质量与抗震性能都是优等的。(3)坝基浅层展布的平缓夹层为破碎岩体夹层(或岩块夹层),其结构十分紧密,又处于三维地应力场,其抗剪强度相对较高。(4)溢流坝地基夹层滑移面可延伸至护坦地基,其抗力体规模很大,且又绝非100%为夹层。因此,大大地提高了滑移面整体抗滑能力。显而易见,据国内外高坝工程经验判断,在这样极其简单的地质环境上,建造一座高仅105m的混凝土重力坝,其坝基可靠性如何,应当说,坝工、地质专家们是心中有数的。3“坝基稳定性”的系统方法论特征坝基抗滑稳定性评价,是由滑移边界条件(或滑移地质模型)、荷载组合、岩体力学参数值与安全系数等多个要素组成的一个系统问题(如图4)。系统方法论认为,系统中各要素与整体之间有着复杂的交叉效应与动态关系。一般地说,如果每个要素的质量标准都是好的,则整体功能(即坝基稳定性)也会比较理想。但各个要素都力争自身质量标准(或安全储备)达到最高等级,却不一定能保证系统的整体效应最佳。例如,当边界条件取最差的,荷载组合取偏大的,岩体抗剪强度取偏小的,而安全系数又取最大的,即各要素的安全储备都取值很大,则采取大量工程措施后,坝基稳定性确实可靠了,但其技术经济整体效应就必然不佳。因此,系统方法论强调:人们在研究和解决系统问题时,仅仅重视各要素自身的可靠性(或安全储备)是不够的,而应当将重点放在如何通过对具有必要可靠性(或安全储备)的诸多要素的优化组合,以转化成系统的整体效应最佳;即技术目标可行,经济投入合理;而并不追求每个要素自身可靠性(或安全储备)都达到最高等级。基于上述思想,就坝基夹层抗滑稳定性评价组成要素的地质安全储备与优化组合等问题略述如下。3.1夹层岩体抗剪强度“真值”的相互关系坝基夹层滑移面整体抗剪强度计算值如何选取,笔者在“论万家寨坝基夹层抗剪强度计算值决断”一文,已做了详细论述。本节仅摘录主要结论如下:(1)坝基夹层系由薄层岩体经地质构造破坏作用转化而成,两者在力学强度上因果关系密切,因此,需对两者抗剪强度试验成果进行综合对比分析,以找出其分布规律。(2)据试验成果说明,无论是薄层岩体,还是夹层岩体,其常规抗剪试验都无法求得其各自的凝聚力C′“真值”,而要偏小许多;其试验值只能代表试件的“真值”。但常规试验求得的剪摩系数f′试验值,可近似理解为原岩(薄层岩体或夹层岩体)的“真值”。这正是万家寨坝基薄层岩体与夹层岩体抗剪强度试验成果的“个性”重要表现所在。(3)既然无力进行夹层岩体非常规抗剪试验(即恢复夹层天然紧密结构的抗剪试验),可采取综合对比分析薄层岩体与夹层岩体抗剪强度试验值的分布规律,以内插法判断坝基夹层岩体抗剪强度的“真值”,即:夹层岩体质量应介于薄层岩体试件质量与夹层岩体试件质量之间,则其抗剪强度“真值”应介于试验值f2′与f4′(或f5′)以及试验值C2′与C4′或(C5′)之间。因此,坝基夹层自身整体平均抗剪强度“真值”可近似取内插值f3′=0.7,C3′=0.30MPa,这是合理的(如图5)。(4)据坝基地质实际可断定:夹层滑移面整体地质质量(包括工程措施效应)要远远优于夹层自身整体地质质量;而夹层自身整体地质质量又要远远优于夹层试件地质质量。因此,坝基夹层滑移面整体(绝非100%为夹层)抗剪强度计算值可取剪摩:0.55<f′≤0.60,0.30MPa≤C′<0.5MPa;后者考虑了夹层岩体三维地应力场、结构紧密、连通率、起伏差和固结灌浆等要素的强化效应,但前者不予考虑,而纯摩可取f=0.5,C=0。显然,无论从薄层岩体与夹层岩体抗剪强度试验值的分布规律上看,也无论从夹层滑移面地质条件或工程经验上判断,上述建议计算值的地质安全储备是足够的。此外,坝基持力层中厚层灰岩类,顺河向立面上切层整体抗切强度计算值可取C″=5MPa,其地质安全储备也是足够的。其实通过岩体抗切试验予以论证也是很容易的。3.2坝段夹层滑移面中岩体“侧抗”能力坝基浅部夹层滑移面抗滑稳定验算,一般说,其岩体侧向抗滑作用(简称“侧抗”)只作为地质安全储备,而不予考虑是合理的。但就万家寨坝基地质实际(下游护坦地基抗力体规模很大)而言。分析一下它究竟有多大地质安全储备是十分重要的。现已知3#和11#两坝段地基稳定可靠。据此前提,按最不利工况假定:(1)4#～10#共7个坝段视为一个完整的统一刚体同步滑移,其SCJ10夹层滑移面以上两侧(即3#与4#以及10#与11#坝段分界面)岩体立面面积(包括护坦地基)取1200m2(偏小值),并取岩体C″=5MPa,则岩体总“侧抗”可达600万kN。如图1、3。(2)6#～10#共5个坝段视为一个完整的统一刚体同步滑移,其SCJ08夹层(4#与5#坝段地基已被挖除)滑移面以上两侧(即5#与6#以及10#与11#坝段分界面)岩体立面面积(包括护坦地基)取800m2(偏小值),并取岩体C″=5MPa,则岩体总“侧抗”可达400万kN。当然,11#坝段右侧电站坝段地基,因开挖较深,它可能给10#坝段右侧岩体“侧抗”效应带来多大程度不利影响,尚需做具体分析。但“侧抗”之力确实存在,而且量级不小,这是无疑的。所以,坝基夹层滑移面抗滑稳定性评价,不考虑岩体“侧抗”作用,其边界条件的地质安全储备是较大的。必要时,即使动用适量“侧抗”储备也是合理的。而且,力求充分发挥岩体自身的天然强度,以降低工程造价,这正是任何岩体工程建设都应遵守的基本准则。3.3抗震地质条件坝区地震基本地震烈度为6度,大坝按7度设防,符合国家法定标准。河床坝基地形平坦,岩体坚硬完整,无断层展布,其抗震地质条件很好,应属于6度区的低烈度异常带。因此,实际采用的地震荷载,其地质安全储备是很大的。3.4坝基稳定性的后三古开放系以高值为基当坝基抗滑稳定性由软弱夹层滑移面控制时,如果其剪摩安全系数取值为3.0,往往不够现实,尤其是高坝地基。而究竟取值多大为宜,目前尚无法定标准。一般说,决策者可根据坝基地质与工程实际自行决断。安全系数的实质,即在采用的边界条件、荷载组合和岩体力学参数值等要素组合作用下,坝基抗滑稳定性整体安全储备的集中表达形式。但即使安全系数取同一值(如3.0),其安全储备的真实涵义并非是个确定性储备量,而是因后三者安全储备的不同,随机变化的储备量;即前者与后三者密切相关。显然,当后三者的安全储备很小,即使安全系数取大值,坝基也可能是不稳定的,或其安全储备是不够的。反之,当后三者的安全储备很大,即使安全系数取小值,坝基也是稳定的,或其安全储备是足够的,所以,一般地说,K1=3.0,坝基是很稳定的,而K1=2.5,坝基稳定性就差了的论点,就不一定符合实际。其实,也可能恰恰相反,这要看后三者各自的安全储备如何而定。因此,安全系数的选定,要与后三者的安全储备相配套;即后三者安全储备很小,则安全系数取高值;反之,后三者安全储备很大,则安全系数取低值。例如:美国和日本等国家坝基表层抗滑稳定设计,传统上按剪摩公式计算,取f′>1.0,C′=2～4MPa,其安全储备已不复存在,而与之相配套的安全系数K1=4～6;即采用高值。70年代以前,我国坝基表层抗滑稳定设计、传统上按纯摩公式计算,取f=0.55～0.75,C=0,其安全储备很大,而与之相配套的安全系数K=1.10～1.00;即采用低值。尽管两方法安全系数取值相差很大,但坝基抗滑稳定性的整体安全储备很可能是大体一致的。当然,有的也可能恰恰相反。显而易见,其一,坝基夹层滑移面抗剪强度建议计算值已有足够的地质安全储备;其二,实际采用的坝基滑移边界条件,又有较大的地质安全储备;则与之相配套的安全系数K1取值2.5是合理的;此乃“储备”叠加“储备”,因而,其地质安全储备应是足够的。其实,这正是力求“系统”的技术经济整体效应最优的集中表现所在。4水库基本稳定地质决策和工程措施4.1坝基稳定计算时相关系数的问题(1)当取剪摩K1=2.5,f′=0.60,正常荷载条件,并考虑下游帷幕作用,则各坝段地基夹层SCJ08和SCJ10滑移面整体所需要的C′值均小于0.3MPa,即剪摩建议计算值足以满足坝基稳定之需。(2)当取纯摩K=1.10,C=0,正常荷载条件,并考虑下游帷幕作用,则各坝段地基夹层SCJ08和SCJ10滑移面整体所需要的纯摩系数f均小于0.5。同样,纯摩建议计算值也足以满足坝基稳定之需。(3)当取剪摩K1=2.5,f′=0.60,正常荷载条件,不考虑下游帷幕作用,则各坝段地基夹层SCJ08和SCJ10滑移面整体所需要的C′值约0.3MPa。即只需微调一点C′计算值,就可满足坝基稳定之需。(4)如果仍不放心,再退一步讲,正常荷载条件,取K1=3.0,f′=0.60,C′=0.30MPa(或再降低些),按最不利工况假定5个或7个相邻坝段地基,以刚体模式沿SCJ08和SCJ10夹层滑移面同步滑移,只需动用适量岩体“侧抗”储备,亦足以满足坝基稳定之需。至于任何单一坝段地基独立滑移,或2～3个坝段地基同步滑移的可能性,由于岩体“侧抗”的存在,就绝对不会发生了。简而言之,即正常荷载条件,取K1=2.5,f′=0.60,C′=0.30MPa,不动用岩体“侧抗”储备,坝基是稳定可靠的,否则,取K1=3.0,f′=0.60,C′=0.30MPa(或再降低些),只需动用适量岩体“侧抗”储备,坝基也同样是稳定可靠的。其实,两种评价方法的地质安全储备是相同的。此外,万家寨库水位在970m条件下(正常蓄水位为977m),已曾运用月余时间,并无任何影响坝基稳定的异常工程地质信息出现,值得分析。4.2坝基夹层施工措施万家寨坝基加固工程措施的首要目标是增强