分析周公宅水库高拱坝建坝基础条件

中国水电顽问集团华东勘测设计研究院 肖树煊 陈建兴###。

【摘要】周公宅水库大坝为目前华东地区最高拱坝，大坝对坝址地质条件要求较高。详细查明坝址区岩石物理力学特性、岩体质量，以及不利结构面性状，是拱坝坝基最主要的工程地质工作，是确保拱坝坝基稳定可靠的基础工作。

周公宅水库位于宁波市鄞州区大皎溪皎口水库上游15km处，是一座具有供水、防洪结合发电等综合利用的大（Ⅱ）型水利工程。挡水建筑物为混凝土双曲拱坝，最大坝高125.5m，正常蓄水位高程233.0m，坝顶高程240m。坝址区工程地质条件复杂，存在软弱蚀变岩体，分布规律性差；地质构造发育，有不利组构面组合。应对不同岩性的坝基岩体质量、结构面特性以及所存在的主要工程地质问题与处理措施作可靠性分析。

坝址区河谷深切呈宽“V”字形，两岸山体雄厚.山坡地形基本对称。坡度35°~45°。坝址两岸山坡地形略有起伏，局部发育有小冲沟，其中坝址右岸上下游均发育有深切冲沟。

坝址出露主要地层为中生界侏罗系上统流纹质晶屑玻屑熔结凝灰岩（J₃d）、蚀变岩（J₃d（s）），局部为燕山晚期花岗斑岩（yπ5³）与辉绿岩脉（βμ）侵入以及少量第四系冲洪积和残坡积物。

坝址断层规模均较小，产状以走向N30°~50°E向居多，部分为NW向，均为中高倾角，压扭性为主，断层带宽度一般0.05m~0.40m，少数达0.70m~1.00m。断层带多为碎块岩、角砾、片状岩组成，夹少量岩屑、糜棱岩和泥质。断层产状、宽度及性质往往变化较大，少数断层延伸较短，或逐渐收敛为节理状。

坝址不同高程地段节理发育程度不一，以中缓倾角为主，河床坝段与右岸部分坝段较发育，其余地段较不发育。节理产状变化比较大，其中左岸以N80°~90°ENW或NE＜10°~30°一组近河向中缓倾角节理最发育，延伸多较长，多数充填石英脉细脉，常有晶缝状晶洞，多闭合状，胶结情况较好，少量微张，面铁镒质渲染，局部充填有碎屑、岩屑。

图1 坝址区主要地质构造平面图###。

流纹质晶屑玻屑熔结凝灰岩是坝址区及坝基的主要地层岩性，为晶屑玻屑凝灰结构，晶屑含量较高，假流纹构造，块状。矿物成分以斜长石为主，少许石英及黑云母，由长石石英胶结物组成。新鲜岩石致密坚硬，力学强度高，坝基普遍有分布。

据分析，蚀变岩是由于受后期花岗岩脉和石英脉侵入带来的低湿热液影响，使熔结凝灰岩产生蚀变而成，主要表现在基质绿色矿物化，斑晶晶屑高岭石化、绢云母化。蚀变岩蚀变程度不均匀，多中等，部分蚀变较弱，仍具有晶屑凝灰熔岩结构，在断层带两侧受挤压叠加作用，往往蚀变较严重。蚀变岩呈灰绿色、淡黄绿色，蚀变岩体中多夹杂粉红、浅紫色熔结凝灰岩，呈渐变交互混杂状、团块状，新鲜和微风化蚀变岩致密坚硬，局部珍珠构造与强烈蚀变带岩质较软，较易风化。常于断层带及两侧有分布，大致以断层为界。新鲜和微风化蚀变岩致密坚硬，局部珍珠构造与强烈蚀变带岩质较软，较易风化。

左岸蚀变岩主要分布于180m高程以下山坡地带，呈不规则的团块状分布，一般发育长约100m，宽50m~60m。开挖坝基于河床岸边两坝段出露较多，以F₃，F₃₁断层为界，高程115m~125m，其余地段呈少量零星团块状分布，蚀变中等。

右岸蚀变岩以断层Fl为界线，主要分布于170m高程以下山坡，呈宽条带状，产状：N22°~45°E SE＜45°~65°，宽度34m~45m，长度大于200m。开挖坝基以F₁为界，高程为140m以下均有分布，其中在近河床14#、15#坝段蚀变较强烈，风化较深，局部岩石呈弱风化。

河床于两侧河岸坝段分布有蚀变岩，其中右岸13#坝段蚀变较强烈，岩质相对较软。

周公宅水库拦河坝设置23个坝段，其中1#~9#坝段位于左岸，10#~14#坝段为河床坝段，15#~23#坝段位于右岸，坝基开挖后宽度8m~30m，两岸坝基开挖形成最大基槽深度40m~60m，开挖建基面岩石为微风化岩，岩质坚硬，抗压强度75MPa~150MPa，属坚硬岩。变形模量总体较高，为13GPa~25GPa，岩石物理力学性质总体良好（表1）。

表1 岩石主要物理性质指标###。(www.xing528.com)

为确定坝基岩体质量，依据GB 50218-94《工程岩体分级标准》公式：BQ= 90+3Rc+250K，修正值[BQ]=BQ-100（Kl+K2+K3），根据岩体强度、完整性、构造、物探等指标对坝基岩体进行岩体分级（表2）。根据各项指标分析计算结果，坝基总体为微风化岩，微风化熔结凝灰岩纵坡坡速Vp=4500m/s~5600m/s，完整性系数Kv>0.75，属完整，节理间距1.0m~1.5m，呈整体状，质量指标BQ值多在460~625，属Ⅰ~Ⅱ类；微风化蚀变岩纵坡坡速VP=4300m/s~5100m/s，完整性系数Kv>0.75，属完整，节理间距0.5m~lm，呈块状、整体状，质量指标BQ值多在460~550，多属Ⅱ类。根据以上分析成果，按国棕GB 50287-99《水利水电工程地质勘察规范》进行坝基岩体分类，综合各项岩体特征，可以确定微风化熔结凝灰岩坝基岩体类别总体属A_Ⅰ~A_Ⅱ对蚀变岩考虑存在蚀变不均匀等因素的影响，确定微风化蚀变岩坝基岩体类别总体属A_Ⅰ~A_Ⅲ1。

表2 坝基岩体质量分级成果汇总表###。

按照以上岩体分级结果，对坝基开挖揭露的各段岩体进行了对照区分分类分级，分析坝基岩体质量：

左岸建基面岩性以熔结凝灰岩为主，在高程170m以下5#、6#、8#、9#坝段部分地段分布有蚀变岩，蚀变中等，其中近河床9#坝段在中部少量蚀变较强烈，坝基岩体呈微风化，岩质致密坚硬，地质构造简单，断层规模小，坝基岩体质量等为A_Ⅱ级，仅局部断层带为A_Ⅲ1级，左岸建基面岩体质量良好。

右岸建基面岩性多以熔结凝灰岩为主，其中在高程140m以下的近河床15#~17#坝段以蚀变岩为主，其余在F₂₀断层两侧分布有蚀变岩。坝基岩体呈微风化，岩质坚硬，地质构造简单，断层规模小，坝基岩石质量以A_Ⅱ级为主。其中15#坝段下游侧的F₂₀与f₄断层交汇段岩石蚀变较强烈；高程205以上22#~23#坝段f₁与F₂₄断层交汇处完整性差，为弱风化下限，岩体属为A_Ⅲ1级，部分地段岩体质量较差。

河床建基面基础岩性以熔结凝灰岩为主，在右侧13#、14#坝段上游侧与左侧10#坝段为蚀变岩，11#坝段有零星蚀变岩出露。坝基岩体总体呈微风化，岩质坚硬，断层较发育，发育F₁、F₂₀、F₃₂、f₂、f₄、f₆、f₈多条断层，节理发育，以高倾角为主，发育间距30cm~50cm不等，岩体较完整〜完整性差，局部密集发育，岩体质量较差，坝基岩体质量属A_Ⅱ为主。其中13#、14#坝段节理中等~较发育，另发育f₈断层；坝段发育F₃与f₇断层，断层规模较大，带宽0.1m~1.0m，两侧节理密集发育呈节理密集带，岩体完整性差，局部蚀变岩蚀变强烈，多处为弱风化带下限，其岩体质量多处为AM级，因此河床段坝基岩体质量一般。

周公宅水坝址两岸坝肩断层规模均较小，但较为发育，两岸有多组以断层为侧裂面，缓倾角断层、缓倾角节理为底滑面组合构成的不利棱体，可影响坝端的稳定性，需准确确定各不利结构面的力学性质。

坝址发育断层一般宽0.05m~0.4m，多由碎块岩、片状岩、角砾、岩屑及少量断层泥组成，产状以走向NE向为主，均为中高倾角；坝基缓倾角节理较发育，以近EW走向为主，一般延伸长，出露高程130m~190m，有较多为岩块岩屑型或无充填型结构面。坝址区各种类型结构面均有发育，为此根据各结构面性状，对结构面类型进行了分类。根据实验成果，参照规范经验值，得出了影响坝端稳定性结构面的计算参数（见表3）。

表3 结构面分类抗剪强度值###。

据坝基岩体质量与结构面分析，依坝基开挖实际情况，坝基岩石致密坚硬，地质构造较简单，规模小，岩体多较完整，力学强度高，坝基岩体以A_Ⅱ类岩体为主。坝基存在的主要问题为蚀变岩蚀变强烈、风化深，造成部分岩体坝基岩体质量较差，不利于坝基的稳定；坝址断层规模虽较小，但在右岸高程205m以上及河床坝基较为发育，局部造成节理密集发育，同时部分断层规模较大，受地质构造影响较大地段，岩体质量较差，造成多数岩体质量为A_Ⅲ1级。

在河床15#坝段为蚀变强烈地段，力学性质较差，作了加深开挖处理，降低该坝段建基面高程，对局部仍存在蚀变强烈地段采取槽挖，及增设基础层纲筋加固措施。22#、23#受断层构造影响，岩体质量差，也采取了加深开挖措施。并均进行了加密固结灌浆，加密间距为2.0m。

在11#、13#~15#、17#、21#~23#坝段节理较发育〜发育，岩体多完整性差，局部较破碎，尤其是河床13#~14#坝段近NE向高倾节理发育，对其采取了全坝段加密固结灌浆，加密间距为2.0m。在f₇断层两侧的节理密集带，岩体较破碎，作深挖0.5m~lm处理，增设基础层钢筋加固措施求。

坝基断层多规模较小，一般宽度0.1m~0.5m，带内岩石风化破碎，但两侧岩石较完整，对此类断层带进行一般刻槽技术处理。在受F₂₃、f₁、F₁、F₂₀、f₄、f₇、F₃等断层影响岩体破碎段，断层两侧岩体完整性差，和加密固结灌浆加固，加密间距为2.0m。其中F₃断层厚度较大，为0.9m~1.0m，作槽挖处理，处理深度1.0m~1.5m，宽约2m~3m；F₂₀与f₄断层交汇带岩体破碎，进行槽挖.槽挖深度1.5m~2.0m，并布置结构钢筋等处理措施。

周公宅水库双曲拱坝坝高，工程规模大，通过坝基地质条件的系统分析，分区分类统计，对各坝段建基面作出了准确可靠评价。对地质条件较差区段，有针对性地采取了相应处理措施，简化了工程处理措施，节约工程投资，加快了工程进度。大坝经一年多下闸蓄水检验，运行情况良好。