（地质工程专业论文）深覆盖宽河床多种复杂岩体作为重力坝建基岩体研究——以怒江赛格水电站为例.pdf

深覆盖宽河床多种复杂岩体作为重力坝 建基岩体研究 以怒江赛格水电站为例 作者简介：周洪福，男，1 9 8 0 年7 月出生，2 0 0 5 年9 月师从于成都理工大学 聂德新教授，于2 0 0 8 年6 月获博士学位。 摘要 赛格水电站左岸为三叠系白云岩，右岸为石炭系玄武岩，中间为白云岩玄 武岩接触断层破碎带岩体。怒江深大断裂从坝址区外围通过，区内断裂构造发育， 岩体完整性受到一定的影响，其中玄武岩钻孔揭露岩芯平均r q d 仅3 3 ；白云岩 中细微裂隙极为发育，裂隙间距普遍在数厘米，甚至1 c m 以下，岩体表观结构呈 碎裂状，钻孔岩芯r q d 值多在1 0 以下；白云岩玄武岩接触断层破碎带规模较 大，其中钻孔揭露铅直最大厚度在3 5 4 0 m ，带内断层泥、糜棱岩厚度较大。表 观现象如此破碎的岩体，能否用作高混凝土重力坝的坝基岩体，无论是理论意义 还是工程意义都较为重大。为此，本论文主要从以下几个方面对这一问题进行了 研究： ( 1 ) 根据坝址区钻孔揭露的断层破碎带位置，利用三维模型技术和构造地 质分析方法，研究分析了坝址区断层破碎带的空间展布特征，得到了坝址区主要 断层破碎带的空间位置、产状、规模。 ( 2 ) 通过现场调查和室内的资料分析，得到了白云岩特殊性质的成因机制， 研究结果表明：白云岩虽然裂隙间距很小，但是由于裂隙被钙质充填胶结，使得 碎裂的白云岩由非连续介质向连续介质转变，与传统意义上的碎裂结构岩体有着 本质的不同，本论文将其定名为“充填胶结碎裂岩体 。 ( 3 ) 分别对覆盖层以下坝基白云岩和玄武岩进行了岩体结构划分和岩体质 量分级，论证了岩体质量分级主要指标之间具有较好的相关关系。 ( 4 ) 现场和室内试验结果表明：在不受或者轻微受到外界扰动的情况下， 玄武岩和“充填胶结碎裂白云岩具有高波速、高模量、高完整性系数、高抗剪 强度参数、低渗透性的特点。进入弱风化以后，岩体的力学参数达到i i i 级及以上 岩体的标准。而河床部位断层破碎带的力学参数较低，需要进行特别处理。 ( 5 ) 以力学指标为核心，从岩体质量、岩体风化程度、岩体渗透性等指标 分别选取了建基面的位置，突破了以往单纯依靠风化带选择建基面的限制。经过 综合分析，不考虑河床地段破碎带和影响带，确定的建基面位置最低处为z k l l 5 号钻孔处，高程为6 4 6 7 4 m 。 ( 6 ) 三维数值分析结果表明，当不对坝基断层破碎带进行任何处理时，1 1 坝段将会出现明显的不均匀沉降，大坝的稳定性较差，不能满足工程的需要。采 用钢筋混凝土板和混凝土塞并同时提高破碎带变形模量的综合处理方法以后，可 以有效降低大坝的不均匀沉降，提高1 1 坝段的稳定性系数至2 3 2 4 之间，能够 满足大坝的稳定性要求。 关键词：赛格水电站；玄武岩；白云岩；断层破碎带岩体；充填胶结碎裂岩体； 岩体结构；岩体质量；岩体力学参数；建基面；三维数值分析；处理措施 i l r e s e a r c hf o rm u l t i c o m p l i c a t e dr o c km a s sa s g r a v i t yd a m f o u n d a t i o nl o c a t e di nt h ew i d e i u v e r b e dw i t hd e e po v e i b u r d e nl a y e r - t a l i n gs a i g eh y d r o e i e c t r i cs t a t i o ni nn u j i a n gr i v e rf o ra ne x a m p l e i i l t r o d u c t i o no fa u t h o r ：z h o u h o n g f u ，m a i e ，b o mi nj u l yo f1 9 8 0 ，w a s 伊a l l t e dt h e m a s t e r 仃o mc h e n g d uu n i v e r s i t y0 ft e c h n o l o g yw h o s et u t o rw a sp r o f e s s o rn i e d e x i n a bs t r a c t 1 1 l e r ea r e 嘶a s s i cd o l o s t o n ei nl e f ta i l dc a r b o n i f e r o u sb a s a l ti nr i g l l ta n df a u l t b e l tr o c km 嬲sb e 锕e e nd o l o s t o n ea n db a s a l ti ns a i g eh y d r o p o w e fs t a t i o n t l l e r e s e a r c hr e 西o nh a v em 锄yf a u l t 锄dr o c km a s si n t e 伊a l i t yb ee f ! i e c t e db e c a u s eo ft h e n u j i a l l gd e e pa i l dm a j o rf 扎l t t h er q do fb 舔a l ti so n l y3 3 a n dr q d o fd o l o s t o n e e v e nu n d e r1 0 t 1 l ed o l o s t o n et h a tt h es p a c co fd i s c o n t i n u i t i e si su i l i v e r s a ls e v e r a l c e n t i m e t e re v e nu n d e r1 c mi sv e r yc a t a c l a s t i c 印p a r e n t l yb e c a u s et h e r ea r em a n y d i s c o n t i n u i t i e si nr o c i km a s s t h es i z eo ff a u l tb e l t 玎d c km a s sb e t w e e nd o l o s t o n ea n d b a s a l ti sl 抓g e t h e r ea r em a n yf 机l tg o u g ei nf a u l tb e l tr o c km a s sw i t ht h i c k n e s so f 3 5 - z “i i li l lb o r e h o l e ：a nt h e s er o c km a s st h a ts u r l 抵t e x t l l r e ss oc a t a c l a s t i cw i ub e 弱 f o u n d a t i o no fh i g hc o n c r c t e 孕a v i t yd a m i tw i l lb ei i i l p o n 柚tt h e o r ) ，觚dp r o j e c t s i 印i f i c 觚c c t h e r e f b r e ，t h em a i nc o n t e n t so ft h i sd i s s e n a t i o na r e ： a c c o r d i i l gt op o s i t i o no ff a u l tb e l tr o c km a s sb yb o r e h o l ed i s c l o s i n g ，g e t t i n g t h ed i s t r i b u t i o n ，t h i c k n e s sa i i do r i e n t a t i o no fm a i l lf a u l tb e l tr o c km a s sm a k eu s eo f t h f e e - d i m e n s i o n a lm o d e l 锄dm e t h o do ft e c t o n i cg e o l o 黟 p 蚴r d i n gt of i e l da n di n d o o ri n v e s t i g a t i o n sa n da n a l y s i s ，f o u n do u te s p e c i a l f o 珊a t i o nm e c h a n i s m0 fd o l o s t o n e a c c o r d i n gt 0r e s u l t0 fr e s e a r c h ，d o l o s t o n ew i t h s m a us p a c eb e t 、e e nd i s c o n t i n u i t i e si sd i 吼r sf r o mt h ec o m m o nc a t a c l a s t i cr o c km a s s b e c a u s et h ed i s c o n t i n u i t i e sa r ef i n e da n dc e m e n t e dw i t hc a l c i u m ，m a k et h ed o l o s t o n e f 如md i s c o n t i n u o u sm e d i u mf e a t u r e st 0c o n t i n u o u sm e d i u mf e a t u r e s i nt h i s d i s s e r t a t i o n ，t h e s en e ws p e c i a ls t r u c t u r er o c km a s s e sw e r en a m e df i l l i n gc e m e n t a t i o n c a t a c l a s t i cr o c km a s s r o c km a s ss t l l l c t u r ea n dr o c km a s sq u a l i t yo fd o l o s t o n ea n db a s a l ta r ee v a l u a t e d u n d e r0 v e r b u r d e nl a y e r d e m o n s t r a t et h e s eq u a n t i f i z i b l ei n d e x e sh a v et h ep e r f 色c t c o r r e l a t i v i t y i i l a c c o r d i n gt of i e l da n di n d o o ri n v e s t i g a t i o n sa n dt e s t s ，u n d e r t h ec o n d i t i o n so f n o n - d i s t u r b a n c eo rs l i g h td i s t u r b 锄c e ， b a s a l ta n df i l l i n gc e m e n t a t i o nc a t a c l a s t i c d o l o s t o n eh a v eh i g l ll o n g i t u d i n a lw a v ev e l o c i t i e s ，h i 曲m o d u l u so fd e f 0 册a t i o n ，h i g l l s o u n dd e 伊e ec o e m c i e n t ，h i 曲s h e a rs t r e n 舀ha n dl o wo s m o s i s r o c km a s sm e c h 锄i c a l p a r a m e t e i _ so fb a s a l ta n dd o l o s t o n ea c h i e v eo re x c e e dc r i t e r i o no fg ，a d ei i ie n t e ri n t o w e a k l yw e a t h e r i n gb e l t b u tm e c h a n i c a lp a r 锄e t e f so f f a u l t b e l tf o c km a s si nr i v e r - b e da r c l o w ；a n dn e e dt ob et i e a t e d b ym a k i n gt h er o c km a s sm e c h a n i c a lp a r 锄e t e r sa sk e m e l ，s e l e c tt h er o c k m a s so fd a mf o u n d a t i o nb yi n d e x0 fr 0 c km a s sq u a l i t y ，r o c km a s sw e a t h e r i n g 觚d r o c km 弱so s m o s i s ，觚db f o k et h r o u g l lt h el i m i t a t i o no fd a mf o u n d a t i o nr o c km a s s s e l e c t i o no n l yb a s e do nw e a t h e r i n gz o n e s a l a s tm a d es u r et h el o w e s to fs e l e c t e d d a mf o u n d a t i o nr o c km a s st 0b e dr o c kr o o fi s6 4 6 7 4 mi nt h ep o s i t i o n0 fz k l l 5 w i t h o u tr e g a r dt ot h ef a u l cb e l tr o c km a s si nr i v e r - b e d ( 自p 姗r d i n gt of e s u l to ft h r e e - d i m e n s i o n a lf e ma n a l y s i s ，s t a b i l i t yo fd a m1 1i s 1 0 wb e c a u s eo fu n e q u a ls e t t l e m e n tw h e nd o n tt r e a tt h ef a u l tb e l tr 0 6 km a 豁i nr i v e r - b e d s t a b i l i t yc o e f f i c i e n t0 fd a ml lc 锄b e 扯h i e v e d2 3 - 2 4 a n d r e d u c eu n e q u a ls e t t l e m e n t e 疵c t i v e l yb ym a k i n g u s eo fi i l t e 黟a t i v ep r e v e n t i o nm e a s u r e st h a ta r eb o a r do fc o n c i r e t e w i t hs t e e l ，p l u go fc o n c r e t ea n di n c r e 弱e0 fm o d u l u so fd e f o 衄a t i o no ff a u l tb e l tr o c k m a s s k e y w o r d s ：s a i g eh y d r o p o v 陀rs t a t i o n ；b 鹪a l t ；d o l o s t o n e ；f a u l tb e l tr o c km 弱s ；f i l l i n g c e m e n t a t i o nc a t a d 硒t i cr o c km a s s ；r o c km 勰ss t m c t u r e ；r o c km a s sq u a l i t y ；r o c km a s s m e c h a i l i c a lp a r a m e t e l l s ；d 锄f o u n d a t i o nf o c ks e l e c t i o n ；t h r e e - d i m e n s i o n a lf e m ( f i n i t e e l e m e n tm e t h o d ) 锄a l y s i s ；p r e v e n t i o nm e a s u r e s i v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得成都理王太堂或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：司j 彩多 p 谚年 乡月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盛都堡王太堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权盛都理王太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：习夕面 学位论文作者导师签名姚 枷多年厶月矽日 第1 章前言 第1 章前言 1 1 选题依据及研究意义 我国西南环青藏高原地区地形陡峻，地质构造复杂，河流众多，水能资源十 分丰富。大规模的水电开发不仅遇到了高陡河谷岩体风化、卸荷、高地应力、边 坡稳定性问题，而且不少大型电站坝址因为构造复杂、结构面发育而遇到块裂、 镶嵌、碎裂等结构类型较差岩体的利用问题，以及宽阔河床深厚覆盖层河床下部 坝基岩体因为不能直接观测和现场试验，从而难以定量评价岩体结构、岩体工程 特性和岩体质量的问题。在工程地质条件相对较优的电站开发完成后，西部一大 批大型电站也面临上述重大工程地质问题。作者参与了导师负责的“怒江赛格水 电站坝基岩体结构、岩体质量、岩体力学参数及建基面工程地质研究”科研项目， 该电站坝址位于怒江大断裂带，4 、= 仅构造十分复杂，深覆盖宽河床下部发育有较 大规模的断层破碎带，而且受历次构造运动影响，坝址区玄武岩、白云岩块度小， 岩体结构差，是该电站和西部不少大型电站遇到的重大工程地质问题。作者在现 场进行了长达3 个多月的调查、试验工作，在狭得了较丰富资料的基础上，以怒 江赛格水电站为例，选择“深覆盖宽河床多种复杂岩体作为重力坝建基岩体研究” 为博士论文题目并展开研究。 怒江赛格水电站位于云南省保山市隆阳区的怒江上，为怒江第一座即将兴建 的大型电站，坝址距保山市8 0 k m ，s 3 2 0 省道从坝址右岸通过，交通方便( 图 1 1 ) 。水电站坝型为混凝土重力坝，坝高8 5 m ，正常蓄水位高程7 3 2 m ，库容量 3 9 3 亿m 3 ，装机1 1 0 0 m w 【2 】o 坝址区岩体一共有三种，分别是右岸石炭系玄武岩 和左岸三叠系白云岩以及玄武岩和白云岩接触部位的断层破碎带岩体，怒江深大 断裂东西两支分别从坝址区外围通过，区内断裂构造发育，坝址区玄武岩、白云 岩岩体完整性受到较大的影响：玄武岩钻孔揭露岩：醛较为破碎，平均r q d 仅3 3 ； 白云岩中细微裂隙极为发育，现场在平洞和路边可直观感受岩体被裂隙强烈切 割，裂隙间距普遍在数厘米，甚至1 c m 以下，岩体表观结构呈碎裂状，钻孔岩：签 r o d 值多在1 0 以下；白云岩玄武岩接触破碎带规模较大，其中钻孔揭露铅直 最大厚度在3 5 4 0 m ，带内断层泥、糜棱岩厚度较大。 从上面的分析可知，赛格水电站坝基岩体存在较多的工程地质问题，主要有 这些破碎带的规模究竟有多大? 空间展布特征是怎么样的? 破碎带的力学性能 究竟怎么样? 能否直接用作高混凝土重力坝的坝苯岩体? 如果不行，应该采取什 么样的处理措施? 对于白云岩而言，岩体中密集发育的结构面对于岩体的性质究 竟有怎样的影响? 表观现象如此破碎的岩体其力学性能和可利用性如何? 对玄 成都理工大学博士学位论文 武岩而言，临近怒江断裂带地区其岩体结构有什么特点? 岩体质量以及岩体的可 利用性怎么样? 加上河床部位分布大面积的深厚覆盖层，这些覆盖层对勘探、试 验的严重制约，评价覆盖层以下岩体结构因难以获得直接量化指标和难以开展大 型岩体力学试验，给重力坝坝高最大的河床地段岩体质量评价和建基面的选择带 来了较大的难点和问题，成为赛格水电站混凝土重力坝兴建的重大问题，在西部 水电开发中具有普遍的代表性。研究宽阔、深厚覆盖层、结构和构造复杂、力学 参数评价难度大的岩体作为高重力坝建基岩体，具有十分重要的理论意义和广泛 的工程意义，同时也具有十分重大的经济价值。 1 2 国内外研究现状 图1 1 赛格水电站交通位置图 1 2 1 断层破碎带力学性质研究现状 在工程建设中，岩土体作为工程建( 构) 筑物的地基围岩、环境或建材，大 多会存在规模不等的断层。由于断层破碎带的工程地质性质，特别是强度与变形 方面，较邻近的岩体差，常常成为控制各类工程建筑物稳定的制约因素，同时也 是许多重大地质灾害发生的主要边界条件之一。因此，在上世纪八十年代以前， ， 第l 章前言 从工程安全角度出发，对于断层破碎带的力学参数取值都是较为保守和偏低的。 这与当时工程建设规模和对断层破碎带力学性能研究的深入程度有关。而随着一 大批水电工程的兴建以及我国地质工作者的不懈研究，对于这类破碎带岩体的力 学参数取值已经取得了较大的发展，其总体趋势是随着研究的深入、试验方法的 改进以及对断层破碎带所处应力环境的正确分析，对于断层破碎带在天然状态下 的真实力学参数有了更新的认识，其在天然状态下的力学参数也有了一定的提 高。张咸恭、聂德新、符文熹、任光明、韩爱果、左三胜、米德才等人对处于岩 体深部的破碎带和弱面( 包括断层、夹层、滑带土) 的研究成果表明1 3 d2 j ：处于 岩体深部的破碎带，其力学性能与所受到的应力环境以及本身的含水量有很大关 系，由于上覆岩体自重和围压的影n 向，在不受到外界扰动的情况下，具有较高的 力学性能。又如聂德新、韩文峰【】”j 等人在李家峡9 号半涧内对f 2 7 断层泥所做的 室内和现场变形模量对比试验可知，在现场对断层泥进行常规变形试验得到的最 大变形模量为0 2 2 8 g p a ，而在室内当荷载达到1 1 5 m p a 时，其变形模量也达到 3 2 2 7 g p a 。另外，周瑞光，成彬芳等人研究了断层泥的力学性能及其本构关系、 断层泥破坏特征以及断层泥蠕变特性与含水量的关系【1 3 1 7 1 。刘惠掣18 1 ，任光明【1 9 】 等人对断层泥和软弱层带的粒度进行了分形特征研究，研究结果表明，粒度的分 形特征与其物理力学参数之间具有较好的相关性【5 孓5 6 】。 表1 一l 李家峡9 8 硐f 2 ，断层泥不排水变形模量 试样高 泊松比 荷载水平压缩曲线斜率变形模量最大常规变模( g p a ) ( c m )( m p a )( g p a c m 1 )( g p a )( 改进承压板法) 5 0o 6o 5 2 3 1 4 00 3 5 l o o3 12 7 0 4 o 2 2 8 1 1 53 73 2 2 7 在国外，意大利的f a b r i z i os t o r t i 【2 0 1 和a n d r e ab i l l i 【2 l 】等人研究了断层岩体粒径 的影响因素和断层岩粒度特征。r 。m s t e s k y 等人研究了断层岩体在高温和高压 下的抗剪强度特征【2 2 】。韩国的c h a n go hc h o o 研究了d o n g r a e 断层泥的粘 土矿物成分，并根据断层的粘土矿物成分分析了断层的活动性【2 3 1 。另外，j t e n g e l d e r 【2 4 1 、r h s i b s o n 【2 5 1 、e h r u t t e r 【2 6 】【3 1 1 、f m c h e s t e r 【2 7 1 、i h a t t o r i 【2 8 1 、c j m a r o n e 【2 9 】、c a j w i b b e r l e y 【3 0 1 、j e w i l s o n 【3 2 】等人也对断层破碎带和断层泥的物 理力学性质进行了广泛的研究。 从国内外的研究现状可知，现阶段对于破碎带力学性质的研究主要利用室内 和现场试验结果进行分析计算。但是对于赛格水电站河床部位的破碎带，由于破 碎带顶部为厚达十几米的覆盖层，按照传统方法要想获得覆盖层以下破碎带岩体 的力学参数，特别是变形模量通常是采用开挖大直径竖井或者过河平洞，然后利 用现场试验从而获得。这种传统试验方法无疑将会耗费巨大的人力和物力，由予 成都理工大学博士学位论文 破碎带本身力学性能相对较差，这些方法还存在着极大的风险。并且由于开挖松 弛的影响，试验的结果往往不能代表破碎带岩体真实的力学性能。因此，对于这 种被河床表部第四系物质所覆盖的深部破碎带岩体变形模量参数，本论文将从另 外一个方面用一种新的方法来进行研究：首先从现场钻孔岩芯中取得破碎带的原 状样，立即封装后尽量保持原状带回室内在m t s 机上进行试验，然后利用配套的 理论公式计算获得破碎带岩体的变形模量参数。这种新的试验方法不仅节约了大 量的人力和物力，大大减小了现场试验人员的风险，而且试验成本低，试验结果 准确，为我国西部大量的水电工程河床部位覆盖层以下破碎带岩体的变形模量参 数的获取开辟了一种新的方法。 1 2 2 白云岩工程特性研究现状 白云岩作为一种常见的地质岩体，在我国有较大面积的分布，并且在多个地 层时代中均有出露。在地质的各个相关科学中对其均有一定程度的研究，尤其是 在石油地质、矿产及成因机制、工程地质等领域的研究较为深入。在工程地质方 面，特别是水电工程上，由于白云岩本身易溶解的特性，对其研究主要集中在岩 溶和水库渗漏问题。卢耀如院士、袁道先院士在这方面较早的开展过白云岩岩溶 方面的研究，取得了丰富的研究成果。邹成杰在其水利水电岩溶工程地质一 书中对我国岩溶地区的分布范围、工程地质勘查方法以及坝基、边坡、地下洞室 稳定性进行了系统的研究p 5 1 。谢群研究了红岩水电站和鲁布格水电站的岩溶问题 【3 6 1 。刘再华对白云岩的溶蚀速率和控制因素进行了深入的研究【3 - 3 8 1 。李国珍对汾 河二库坝址白云岩结构和岩体结构面岩溶发育规律，论述了坝址区岩溶的特征和 岩溶工程地质问题，并提出了相应的处理措施【m 】。 总的来说，国内外学者对于白云岩在水电工程方面的研究主要集中在岩溶和 水库渗漏问题的研究上，得到了一大批应用于工程实践的丰富成果。但是对于赛 格水电站坝址区这种裂隙密集发育的特殊类型自云岩的成因、力学性质、基本特 征、能否直接用作高混凝土重力坝坝基岩体等问题的研究较少，研究的深度也较 浅，而这也正是本论文重点研究和主要的创新点之一。 1 2 3 建基面选择以及坝基岩体可利用性研究现状 混凝土重力坝设计规范( s l 3 1 9 _ - 2 0 0 5 ) 对于建基面有明确的规定：坝高超 过1 0 0 m 时，可建在新鲜、微风化至弱风化下部基岩上；坝高l o o m 5 0 m 时， 可建在微风化至弱风化中部基岩上；坝高小于5 0 m 时，可建在弱风化中部至上 部基岩上。两岸地形较高部位的坝段，可适当放引3 9 】。水利水电工程地质勘察规 范( g b 5 0 2 8 7 9 9 ) 则从岩体质量方面对建基面的选择做了规定【4 0 】：i 、i i 级岩 体为优良的高混凝土坝地基；i i i 级岩体当有弱面存在时应进行专门处理后，可作 4 第l 章前言 高混凝土坝地基；级岩体能否作为高混凝土坝地基视处理效果而定。虽然规范 对于建基面的选择给出了一些定性和定量的指标，但是在实际工程中，对于建基 面的选择仍然有较大的弹性，比如弱风化中部至微风化岩体之间的厚度一般可以 达到十几米，甚至几十米，那么建基面究竟应该选在弱风化岩体的中部，还是弱 风化岩体的底部，甚至是微风化岩体内，规范并没有给出一个明确的答案。 应该说自从人类开始修建水电站以来，就开始对建基面的选择进行了研究。 在二十世纪8 0 年代以前，受技术水平以及实际工程经验的限制，我国对于水电站 大坝建基面的开挖深度以及坝基可利用岩体的标准都高于国外同类型的水电站。 水电工程的设计都是从偏于安全的角度出发，在一定程度上增加了坝基的开挖 量。到了二十世纪8 0 年代以后，随着二滩、三峡、小浪底、拉西瓦、溪洛渡、向 家坝等一批大型、超大型水电项目的陆续开工建设，对于建基面的研究也进入了 一个新的阶段。任自民【4 5 】、彭启友f 4 2 】、鲁先元【4 1 】、张建清【4 3 1 、李张明等对三 峡建基岩体的可利用性进行了深入的研究并使用弹性波速检测技术进行建基面 质量验收。余波【4 6 1 、王旭红【4 。7 】等人对水电站建基面进行了优化研究。周火明等 人通过多种试验手段和评价方法对清江水布垭建基面验收标准做出了如下规定： 硬岩声波波速大于3 8 i 涮s ，相对软岩声波波速大于3 2 s 1 4 引。孙少锐等人则采 用统计学方法，通过实例进行岩体风化定量指标分布规律的研究，从大坝要求的 安全性出发，获得了建基面的位型4 9 1 。崔银祥、聂德新等人通过大量现场和室内 试验分析结果，在碎裂状的绿泥石化玄武岩上确定了建基面位型5 u j 。 在国外，土耳其的a l e m d a rb a y r a k t a r 石开究了在地震作用下大坝一水库一基岩 三者之间的相互作用以及坝基岩体特征【5 。y s w a i l g 对风化岩体作为水电站坝 基岩体进行了研究，采取相应的处理措施后成功的用于修建水电站大坝1 5 2 1 。g a s c o t t 对美国的罗斯福( t h e o d o r er o o s e v e l t ) 大坝基岩岩体利用地震层析成像 技术方法进行了研究分卡斤【5 3 】。u l r i c hg l a w e 对印度尼西亚蛇纹岩地区修建水电站 的建基面从岩体的力学参数入手进行了研究1 5 4 j 。w i l l i a m a f r a s e r 就坝基嵌深( 建 基岩体选择) 的施工影响因素提出了如下几点【1 0 3 j ：一是要达到某一指定的地质 单元体；二是建基面要满足原位监测结果；三是要达到指定的岩体质量级别；四 是建基面要达到建设控制的监测指标；五是开挖深度需考虑开挖器械的功能；六 是开挖深度还要依赖于设计分析等。 坝基岩体的可利用性，从本质上来说与建基面位置的选取有着密切的内在联 系：可利用的岩体也就是可以用作坝基建基岩体，不可利用的岩体通常会被挖除。 因此，通常可利用与不可利用岩体的界限也就是建基面的位置。根据岩体的风化 程度不同，通常将岩体分为强风化、弱风化、微风化和新鲜岩体四个带。对于坚 硬岩石而言，强风化岩体由于岩体破碎，力学性能较差，一般不能用于高坝的建 成都理工大学博士学位论文 基岩体；微风化和新鲜岩体的力学性能较好，岩体完整，用于高坝建基岩体没有 大的问题；而弱风化岩体处于强风化和微风化的过渡阶段，能否用作高坝的建基 岩体，是现阶段的一个研究热点。而随着技术的进步和研究的深入，弱风化岩体 已经成功的用作我国一些著名高坝的坝基岩体，如三峡工程已部分利用弱风化下 部岩体，二滩直接利用下部弱风化岩体，中部岩体适当处理利用，上部岩体经加固 处理局部利用。王恒元以湖南中小型水电站为例，在四个水电站中对坝基岩体的 可利用性进行了研究 5 5 1 。陈伊清从工程地质环境和水工建筑物要求出发，分析了 桑园水电站弱风化上部岩体可利用性【5 7 1 。卢建平用有序的质量最优分割法对岩 体进行弱风化亚带的定量划分，为水电工程确定建基面提供了较为科学的方法 【5 8 1 。另外，沈光伟【5 9 1 、黄扬一【6 0 1 等人也都对弱风化岩体用作坝基岩体的可利用 性进行了研究。 总体来说，从国内和国际上对建基面和坝基岩体可利用性研究趋势来看，在 选择建基面和可利用岩体标准时，不应该只局限于岩体的风化程度，而应该从坝 基岩体的变形稳定性、渗透变形稳定性、承载力等方面入手，选用结构面间距、 岩体波速、岩体完整性系数、坚硬岩体的吕荣值，岩体变形模量等多项指标，最 终统一在岩体质量和岩体力学参数上，从大坝的变形和稳定性要求来选择建基面 位置并确定坝基岩体的可利用性。本论文也是从这一思路入手，从多角度论证分 析赛格水电站建基面位置。 1 2 4 坝基岩体稳定性研究现状 从大的方面来说，坝基岩体稳定性分析主要有以下三方面的内容：变形稳定 性、抗滑稳定性、渗透稳定性( 图1 2 ) 。其分析的方法主要有工程类比法、物理 模拟法、刚体极限平衡法、数值分析法等。 坝基岩体沉降( 陷) 和不均匀沉降( 陷) 量 坝基岩体和大坝拉应力分布范围和量值 坝基岩体和大坝破坏区分布范围 表层抗滑稳定性 浅层抗滑稳定性 深层抗滑稳定性 对于坝基岩体稳定性，在国内较早进行研究的是潘家铮院士，在二十世纪七 八十年代就对坝基岩体稳定性进行过大量卓有成效的研究，如重力坝深层抗滑稳 6 厂，、l厂，、l 第l 章前言 定性问题、扬压力问题、超载稳定性系数问题等方面【1 3 8 j 4 3 1 。另外陈祖煜等人也 对坝基和坝肩边坡抗滑稳定性进行过较为深入的研究【1 】【3 3 】【6 1 】【1 0 1 】【1 1 1 】【1 1 2 1 ，取得 了一大批运用于工程实践的丰硕成果。张倬元、王士天、王兰生在工程地质分 析原理一书中对于坝基岩体的稳定性及破坏形式进行了系统的分析研究，并得 到了一些稳定性的计算公式【6 引。从工程地质的角度来说，对于坝基岩体稳定性， 主要是要分析清楚破坏的边界条件和力学参数，然后再选用合理的计算方法和软 件来计算分析。 张吉波【6 3 】、蒙覃军6 4 1 、康增爿6 5 1 利用三维数值分析方法、安全监控指标、 三维地质力学模型试验等方法对多座水电站坝基岩体的变形稳定性进行了分析 计算。i t o v ae m i o s h o r 等人提出了2 种分析重力坝和坝基稳定的方法：种是基于 刚体极限平衡原理的直接分析方法；另一种是基于弹塑性理论的间接分析方法 【6 6 1 。王俊臣采用邓肯e k 模型，对水电站坝基和坝体在填筑和蓄水条件下的应力和 变形进行了动态模拟计算【6 7 】。陈在铁等人提出了几点高坝变形破坏准则：点破坏 准则、极限变形准则、整体滑动破坏准则、稳定临界准则【6 引。徐卫亚利用三维数 值分析方法成功的计算了坝基岩体中存在破碎带情况下重力坝各坝段的稳定性 系数以及工程处理措施【6 9 - 7 0 1 。h o m o u d 等人对约旦两个水电站坝基岩体稳定性进 行了研究，并提出了应该考虑的特殊工况以及解决措施【7 l 】。加拿大的p i e r r e 等人 利用三维数值分析的方法研究了混凝土重力坝存库水推力和地震作用下的稳定 性【7 2 】。希腊的m a n o l i s 等人则利用基于蒙特卡罗的神经网络分析了混凝土重力坝 的失稳破坏概率p 川。 对于抗滑稳定性问题，国内外学者研究较多的是深层抗滑稳定性问题，而对 于表层和浅层抗滑稳定性问题研究的相对少一些。葛修润等人利用三维数值分析 的方法研究了三峡大坝左厂3 # 坝段的深层抗滑稳定性问题，提出了一个合理实用 的坝基安全系数的判断原则【7 引。张发明，陈祖煜等人基于塑性力学上限解的基本 理论，将边坡稳定性评价的三维极限分析方法应用于坝基深层抗滑稳定分析中， 取得了较好的效果【7 5 】。戴会超【7 6 1 、刘建【7 7 】、毛巨省【7 8 1 等人对三峡水电站左岸厂 房坝段的深层抗滑稳定性进行了分析计算。张学文【7 9 】、林宗禹【8 0 】等人对汾河二 库水电站坝基深层抗滑稳定性进行了分析计算，并提出了加固处理措施。付爱华 【8 、张书滨8 2 1 、简祥f s 3 1 等人也对坝基的深层抗滑稳定性进行了研究。美国的 m a i 汀t 则对奥斯汀( a u s t i n ) 坝由于抗滑问题导致大坝失稳破坏的原因进行了 分析【8 4 1 。 由于重力坝和坝基岩体的材料决定，重力坝较少的考虑渗透稳定性问题，国 内外对于渗透稳定性问题的研究一般集中在土坝或堆石坝上。如董新荣【s 5 1 、罗长 军【8 6 】、王初生【8 7 】、刘兴云【88 1 、郝永刚【8 9 1 、王亮清【9 0 】、张立杰9 1 1 、金仁祥9 2 1 、陈 成都理工大学博士学位论文 永贵【9 3 1 、李立刚【9 4 】等人对土坝或堆石坝渗透稳定性都有过研究。孙从炎等人则 对混凝土砌石重力坝根据原型观测资料采用一元回归分析，得到了坝基的渗流场 和扬压力的特点【9 5 j 。在国外，a u r o m e i h y 对伊朗的c h a p a r - a b a d 水电站的渗透稳 定性问题进行了分析，并提出了相应的处理措施【9 6 】。t u r k m e n 【9 7 j 和s e d a t t u r k m e n 【9 8 】对土耳其的k a l e c i k 大坝、g h o b a d i 【9 9 1 对伊朗的s h a h i da b b a s p o u r 大坝、 m a l k a w i 【i o o 】对k a f r e i n 大坝的渗透稳定性也有过一定的研究。 总体来说，从坝基岩体稳定性研究现状可知，国内外的学者采用多种模型试 验和计算方法对不同类型大坝的稳定性进行了分析。但是其计算结果的合理性是 建立在边界条件和计算参数的准确性基础上的，而对于这两方面的研究相对要少 一些。从工程地质的角度来看，对于坝基岩体稳定性的研究主要是要把握两个方 面的内容：边界条件和岩体参数。本论文对于破碎带空间展布特征以及岩体力学 特性的研究就是为这两方面提供坚实的基础，也是本论文重点研究的内容。 1 3 研究思路及技术路线 本论文以怒江赛格水电站为实例，为了对左岸白云岩、右岸玄武岩、坝址区 断层破碎带的工程特性进行深入的研究，在工地开展了大量的现场试验和调查工 作，对平洞和钻孔揭露的断层破碎带规模、位置、性状等进行了详细的记录和分 析，然后取回了数十组的自云岩、玄武岩、断层破碎带试样带回成都进行室内的 试验分析，获得了一大批试验资料。在此基础上进行了资料整理工作，并进行了 大量的分析计算工作，为本论文的完成奠定了坚实的基础。在现场调查和室内资 料分析整理的基础上，本论文主要研究内容和研究思路如下： ( 1 ) 区域和坝址区地质概况 根据大地构造纲要图和区域地层岩性资料，分析研究坝址区所在的大地构造 分区和区域构造格架。以国家地震局测定的地震烈度和新构造分区资料确定坝址 所在区域的基本地震烈度和新构造运动的强烈程度。利用平面有限元开展赛格地 区地应力的反演研究，以获得赛格地区构造应力的基本量值、最大主应力方向和 量值、最小主应力量值、最大剪应力量值。 以钻孔揭露的地层岩性以及前人分析得到的结果，研究坝址和库区出露的地 层岩性和地质构造。以坝址区测量的大量断裂的产状进行分组统计，获得坝址区 断裂的优势方位和构造特征。 ( 2 ) 坝址区断层破碎带基本情况调查 从地形地貌特征上分析白云岩玄武岩接触破碎带的规模。对钻孔、探槽、 平洞( 主要是p d l 4 和p d l 5 号平洞) 揭露的接触破碎带产状、宽度进行调查， 从而获得坝址区白云岩玄武岩接触破碎带的基本特征。 8 第l 章前言 ( 3 ) 河床坝址区破碎带三维空间展布 首先根据钻孔揭露破碎带的情况初步确定坝址区主要断层破碎带的走向。然 后建立坝址区的三维实体模型，将钻孔和平洞嵌入三维实体模型中根据不同钻孔 揭露断层破碎带的坐标，利用三点法初步计算出破碎带的产状。根据平面位置和 初步产状将断层破碎带嵌入三维实体模型中，根据破碎带在空问与钻孔揭露破碎 带位置相交的情况，不断调整破碎带产状，从而确定破碎带空间展布特征。按照 上述方法对坝址区的多条断层破碎带进行逐一分析确定。 将后期新打钻孔纳入三维实体模型中，分析前期确定的破碎带空间位置是否 通过后期所打钻孔中揭露的破碎带位置，从而检验前期确定的破碎带空间展布特 征是否正确。 ( 4 ) 岩体结构和岩体质量研究 首先根据勘探揭露的情况从岩性、构造、完整程度、镶嵌紧密程度、渗透性 强弱、r q d 值大小等方面分析坝址区三种不同岩体的基本特征。 现场调查白云岩岩体破碎情况，从白云岩体力学性质入手，研究其力学性能 与表观现象不对等的特殊现象。从白云岩与玄武岩的接触关系、性状、区域构造 特征等方面入手，分析特殊类型白云岩的成因机制以及基本特征。根据白云岩的 特殊性质，采取适当的指标划分岩体结构并得到岩体质量分级方案。 河床坝基岩体由于被河水及第四系覆盖，通常情况下无法得到岩体中裂隙的 间距，而河床部位的钻孔也仅仅只能得到坝基岩体的r q d 值、岩体波速和渗透 性等指标，因此也就无法直接对河床坝基岩体划分岩体结构。而在本论文的研究 工作中，通过多方论证，表明了岩体中裂隙的间距与岩体波速之间具有内在的相 关性，河床部位的大量钻孔中可以很容易的测得不同深度岩体的波速，因此可以 根据岩体波速与岩体中裂隙间距之间的关系得到河床坝基覆盖层以下岩体中的 裂隙间距，从而划分岩体结构。这样一来就克服了传统方法无法对河床坝基以下 岩体结构进行划分的局限，为此类岩体结构的划分开辟了一条新的评价方法。 根据上述对岩体结构的评价方法，可以对坝基覆盖层以下的岩体结构进行划 分，最后根据玄武岩本身的特点，选取合适的指标来划分岩体质量。 ( 5 ) 岩体力学参数及可利用性研究 根据新开发的试验手段，将钻孔中取得的断层破碎带、影响带以及白云岩和 玄武