3.3　坝基岩体质量特性与可利用岩体研究

藏木水电站为混凝土重力坝，坝基工程地质条件对其设计、施工及运行具有控制性影响。坝基岩体工程地质分类、分级及其物理力学参数是水工建筑物设计的基础，而坝基岩石的性质、岩体结构、风化卸荷特征、岩体强度、变形性质等岩体质量特性的研究则是岩体工程地质分类的基础。

不同部位、不同高度的混凝土重力坝，其基础对岩体的要求并非一致，合理确定建基面位置，最大限度地利用好建基岩体，在满足大坝承载、变形及抗滑稳定等基础上，对减小工程投资、缩短工程工期具重要的现实意义。

3.3.1　坝基岩体质量特性研究

3.3.1.1　坝基岩体风化、卸荷研究

1.坝基岩体风化特征及发育状况

藏木水电站坝基岩质类型单一，均为燕山晚期二长花岗岩。其矿物含量中石英25％～30％、斜长石30％、钾长石小于40％、黑云母1％～3％。岩石颗粒以中细粒为主，且云母含量较低，岩石具有一定的抗风化能力。

岩体的风化主要受岩性和构造控制，坝基浅表岩体以弱风化为主，深部为微新岩体，小断层或长大结构面部位风化较强，产生高岭土类次生矿物。

强风化岩体：呈囊状、团块状局部发育。岩石结构已大部破坏，岩体呈块碎石夹砂状，碎块石松散，易碎，强烈锈染；砂呈中细粒状，多见细粒云母片。

弱风化岩体：岩石仅在表面部分和裂隙面上有风化现象，质感上表现为面粗糙，轻度变色，光泽暗淡，锤击回弹较差，部分长石、黑云母蚀变，但断口基本保持新鲜和原有的光泽。对应的纵波波速vp=3500～4500m/s，回弹值Re=40～50。局部见岩体呈弱偏强风化状，主要表现为岩石中长石颗粒变粗变大、表面褪色、模糊，裂面以强锈为主。

微风化至新鲜岩体：岩体除少量裂面有风化蚀变外，基本保持新鲜光泽，锤击声清脆，矿物蚀变不明显。对应的vp＞4500m/s，回弹值Re=45～55。

工程区强风化岩体仅于坝址右岸上、下游局部可见，呈囊状、团块状分布。裂隙极发育，碎块夹砂状，松散。

两岸弱风化以裂隙风化为主，花岗岩长石矿物出现褪色，裂面以轻微—中等锈染为主，局部强烈锈染，锤击声较清脆，岩体呈次块—镶嵌结构。坝区左岸水平深度一般20～40m，坝区右岸水平深度一般30～50m。河床弱风化岩体厚9.6～47.2m，一般厚20～30m。

微新岩体：岩石新鲜，长大裂面轻度锈染，锤击声清脆，岩体完整呈块状。

2.坝基岩体卸荷特征及发育状况

坝址河谷深切，谷坡陡峻，裂隙较发育，岩体卸荷较明显。根据卸荷张裂缝的发育分布、张开宽度、延伸长度、次生泥充填情况以及坝址区声波测试成果等方面，将坝区岩体大致分为强卸荷带、弱卸荷带。

强卸荷带：带内各方向裂隙发育，密度大，普遍张开，一般都充填次生夹泥或碎石、块石。因卸荷作用原有顺坡中、陡倾坡外的结构面一般张开宽约1～3cm，大者可达20～30cm，具有上宽下窄的特点，有时可见架空现象，并且追踪卸荷也很明显，隐微裂隙显现，甚至沿岩块内部拉开。卸荷带岩体强度显著降低，岩体多呈散体至块裂状结构，具中等透水，平时一般干燥，雨季严重滴水，岩体声波纵波速vp＜3500m/s。

该带在河床部位较浅，河谷两岸水平深度由低高程向高高程呈增加趋势。河床强卸荷垂直深度（基岩面以下）一般4～8m，左岸坝肩谷坡强卸荷水平深度一般10～20m，右岸坝肩谷坡强卸荷水平深度一般5～15m。

弱卸荷带：弱卸荷带内裂隙轻微张开，其张开宽度一般小于1cm，局部充填次生泥膜，但沿长大裂隙亦充填大量的次生泥，一般宽1～2cm。卸荷裂隙发育密度相对减少，弱卸荷带多利用原有结构面卸荷。岩体强度和抗变形性能有所降低，具弱—中等透水，旱雨季地下水渗出量变化不大，岩体声波纵波速vp=3500～4500m/s。

该带左岸坝肩水平深度一般20～40m，右岸坝肩水平深度一般30～50m，河床一般厚20～30m。其下限与弱风化下限基本一致。

3.3.1.2　坝基岩体结构面特性研究

结合坝区结构面规模及构造作用强度将结构面分为Ⅲ级、Ⅳ级、Ⅴ1级、Ⅴ2级。Ⅲ级结构面为规模较大的断层破碎带，破碎带宽度0.3～1.0m、延伸长数百米，坝区发现有15条；Ⅳ级结构面为断层破碎带，破碎带宽度0.1～0.3m、延伸长数十米，长者可达百余米，坝区发现有14条；Ⅴ1级结构面为随机分布的节理、裂隙，延伸十米至数十米；Ⅴ2级结构面主要短小裂隙及隐裂隙，连续性差，延伸一般小于10m。坝区结构面分级见表3.3-1。

对结构面性状划分与研究，可理顺坝区岩体结构面的主次，且对坝基岩体的稳定性分析有重要的指导意义。坝区结构面根据其性状和充填情况可划分为刚性结构面和软弱结构面两大类。其中，软弱结构面按其成因类型、充填物厚度、物质组成等可细分为两个亚类（表3.3-2）。

岩体中的刚性结构面新鲜至有锈染，紧密。岩块岩屑型结构面一般宽10～40cm，个别达100cm（f19），主要为碎裂岩、压碎岩和角砾岩，一般较紧密。岩屑夹泥型结构面一般宽10～30cm，主要为碎裂岩和角砾岩，局部泥化，一般较紧密。

3.3.1.3　坝基岩体结构及物理力学特性研究

1.岩体结构类型

根据坝区岩体结构面发育程度、间距，岩块大小等，将岩体结构划分为块状结构（块状结构、次块状结构）、镶嵌结构、碎裂结构3大类5个亚类（表3.3-3）。

岩体的完整性采用节理发育组数、间距和完整性系数Kv、体积节理数Jv来描述。现场平洞统计表明，坝区微新岩体完整性较好，体积节理数Jv一般为5～7条/m3，弱风化、弱卸荷岩体体积节理数一般为10～12条/m3，弱风化、强卸荷岩体积节理数一般大于20条/m3。

2.岩体紧密程度

岩体的紧密程度通过裂隙的张开程度和充填情况来反映。声波纵波速度值的大小也可相对表征岩体的紧密嵌合程度，它是岩块强度、完整性、地下水状况和围压状态的综合反映，也是岩体质量的综合指标。平洞声波测试采用对穿和单孔两种方法。坝区岩体的紧密程度按张开程度、充填情况及纵波波速值（vp）可分为紧密、较紧密、中等紧密、较松弛、松弛五级（表3.3-4）。

3.岩体透水性

坝区基岩裂隙水赋存于裂隙介质中，岩体的含水程度、透水性和储水条件主要受构造控制，一般以断层破碎带及断层上盘影响带或裂隙密集带含水相对较丰富。在强卸荷岩体段，具弱—中等透水性；浅层弱风化、弱卸荷岩体一般具弱透水性，微新岩体具微透水性，随深度的增加或岩体渐趋完整，其透水性具有逐渐减弱的趋势。

由此可见，地下水的活动程度与构造发育程度和岩体结构及其岩体的风化、卸荷有着密切的联系。按地下水出水量q可分为干燥—潮湿、潮湿—渗水、渗水—滴水、滴水—线状流水、线状流水五级（表3.3-5）。

4.岩体地应力

坝区进行了2组现场空间地应力测试，σSPD03-1布置于坝轴线低高程SPD03洞0+94，σSPD05-1布置在SPD05洞0+87，测点位置为完整的微新花岗岩。

测试成果表明：σSPD03-1测点σ1=11.71MPa，量值上属低应力，方向为N80°W，倾角较小，倾角为10.6°，表现为俯角，倾向河谷方向，σ2倾角较大，倾角为77.3°；σSPD05-1测点σ1=7.49MPa，量值上属低应力，方向为N51.2°W，表现为与河流方向交角较小，倾角为17.5°，表现为仰角，倾向河流上游方向，σ2倾角较大，倾角为66.1°。

综合分析认为：左右岸岩体应力测试结果存在一定的差异性，主要表现在最大主应力方向的差异。左右岸两测点σ1量值都较低，均属低应力。此外，坝区最大主应力方向近EW向，与区域构造应力场方向不一致，为深切河谷的二次应力。在坝区SZK02钻孔84～84.3m及SZK022钻孔91～91.6m发现饼状岩芯，表明河谷底部局部应力较高。

5.岩体物理力学特性

坝址区出露基岩为灰白色二长花岗岩，岩石坚硬致密。为了研究岩石（体）的物理力学特性，前期勘察阶段进行了岩块物理力学性试验、岩体（结构面）强度试验，岩体（结构面）变形试验等（表3.3-6～表3.3-10）。

（1）中细粒二长花岗岩，烘干密度（算术平均值，下同）：微新2.64g/cm3、弱风化2.63g/cm3；普通吸水率：微新0.31％、弱风化0.37％；饱和吸水率：微新0.36％、弱风化下段0.42％。微新和弱风化岩石的密度较大，吸水率较低。

（2）微新中细粒二长花岗岩的弹性模量29.5～45.5GPa，平均38.7GPa；弱风化17～34GPa，平均25.8GPa，岩石的模量总体较高，但从微新至弱风化岩石的平均弹性模量降低33％左右。

（3）微新中细粒二长花岗岩的波速4300～5700m/s，平均5295m/s，岩石波速中等偏高；弱风化4000～5200m/s，平均4821m/s。从微新至弱风化岩石的平均波速下降9％。

（4）微新中细粒二长花岗岩的湿抗压强度53.9～111MPa，平均72.3MPa，属坚硬岩；弱风化31.1～62.9MPa，平均48.8MPa，属中硬岩，从微新至弱风化岩石，其平均湿抗压强度降低33％。

（5）岩体、结构面及混凝土/花岗岩接触面抗剪（断）强度参数整理取值采用优定斜率法，能更客观地反映其抗剪（断）强度性质的总体趋势，以此成果整理值作为试验成果标准值和建议参数选取的基本依据。

（6）根据藏木电站混凝土重力坝的实际受力状态，以及坝区岩体的变形特性，确定以包络线模量为模量标准值。岩石风化和岩体结构完整性对模量值的影响十分明显，微新Ⅱ类岩体的包络线模量值离散性比较大，不同岩类岩体变形参数各向异性表现不同，Ⅲ类花岗岩的各向异性更明显。

3.3.1.4　坝基岩体质量分类及建议指标

1.工程岩体质量分类

坝区基本岩体质量是取决于多种因素的综合，各种因素对岩体力学性质的影响是不同的，任何单一因素的分类都不可能全面反映岩体的整体特性，必须采用多因素综合评判的方法，考虑各种因素的相互影响，进行系统的分析评价，进而建立完整的工程岩体质量体系。针对藏木电站坝区的岩体特点，根据《水力发电工程地质勘察规范》（GB 50287—2006）将坝区工程岩体质量分为四大类，其中Ⅲ类岩体进一步划分为Ⅲ1和Ⅲ2两个亚类。微风化—新鲜块状结构花岗岩岩体为Ⅱ类；弱风化、弱卸荷次块状—镶嵌结构花岗岩岩体为Ⅲ1类；弱风化、弱卸荷镶嵌结构花岗岩岩体（分布在河谷底板）为Ⅲ2类；弱风化、强卸荷块裂—碎裂结构花岗岩岩体为Ⅳ类，碎裂—散体结构断层破碎带为Ⅴ类。各类岩体质量特征见表3.3-11。

2.工程岩体建议指标

坝址区工程岩体质量主要受岩石强度、岩体的风化卸荷程度、岩体结构类型、岩体完整性和紧密程度等控制，根据坝址区岩体（石）工程特性及物理力学试验成果，类比相似工程经验，结合《水力发电工程地质勘察规范》（GB 50287—2006）提出各类岩体、结构面物理力学参数地质建议值（表3.3-12、表3.3-13）。

3.3.2　坝基可利用岩体研究

根据《混凝土重力坝设计规范》（DL 5108—1999）的规定，重力坝坝高超过100m时，可建在新鲜、微风化或弱风化下部基岩上，坝高100～50m时，可建在微风化至弱风化中部基岩上；坝高小于50m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，可适当放宽。

综合考虑藏木水电站坝基岩体的工程地质条件及大坝对坝基变形、稳定的要求，对建基面可利用岩体选择如下：

（1）河床部位挖除冲积层，Ⅱ级、Ⅲ1级岩体能够满足坝基承载变形规范要求，Ⅲ2级岩体物理力学指标相对较低，需加固工程处理后才能满足坝基承载变形规范要求。建基面应尽量利用较完整的微新无卸荷的Ⅱ类岩体及弱卸荷、弱风化的Ⅲ1级岩体，Ⅲ2类岩体经过加固工程处理后可以利用，完整性差的Ⅳ类、Ⅴ类岩体，不宜作为坝基建基面岩体，应挖除。建基面最低高程（在9号、10号坝段）为3198.00m，向两侧逐渐升高。

（2）左、右岸坝基应清除覆盖层，Ⅱ级、Ⅲ1级岩体能够满足坝基承载变形规范要求。建基面应尽量利用较完整的微新无卸荷的Ⅱ类岩体及弱卸荷、弱风化的Ⅲ1级岩体，完整性差的Ⅳ类、Ⅴ类岩体，不宜作为坝基建基面岩体，应挖除。