马来西亚巴勒水电站坝基优化研究应用-中国期刊网

马来西亚巴勒水电站坝基优化研究应用

张士涛

中国葛洲坝集团国际工程有限公司

摘要：在水利水电工程建设中，对大坝地基岩体风化的研究非常重要。在大坝工程建设中多选择硬质或较硬质岩石作坝基。即使在软质岩石上建造大坝等工程，也多大面积选择软岩风化程度弱的岩体作为地基，如中等风化、微风化~新鲜岩体。软岩类强风化岩体作为地基，在水利水电工程中应用不多，针对强风化软岩等相关研究也较少。强风化层是否挖除，对大坝开挖量和填筑工程量影响极大，在巴勒电站设计中进行了一系列的研究，为类似项目的坝基选择提供借鉴和依据。

关键词：坝基设计岩体质量压缩模量

1概述

巴勒（Baleh）水电站工程坝址区岩层主要为页岩夹少量厚度不等的砂岩条带，地质构造发育，岩层产状不稳定，变化频繁，倾角多陡倾。坝址区岩体强风化层厚度大，尤其两岸坝肩厚度很大。最大厚度在30m以上，强风化层是否挖除，对大坝开挖量和填筑工程量影响极大。根据国际大坝委员会技术公告《混凝土面板堆石坝设计与施工概念》：“坝基应清除坝体及趾板下不稳定或不适当的坝基材料，若无法做到，必须采取阻止坝基材料被冲蚀或出现管涌的保护性措施”；国际标准对坝基及趾板基础岩体风化程度，并没有作严格规定。因此在抬高建基开挖高程（坝基优化）方面，存在一定的优化空间。

目前，国内外对岩体风化分带的划分方法可归结为两个方面:岩体风化分带定性研究和岩体风化分带半定量及综合分析研究。

2坝基设计优化思路

巴勒水电站坝基风化岩体厚，且多为页岩。需要对坝基不同风化等级岩体详细分层，通过动力触探测试、标准贯入测试、钻孔旁压试验、钻孔弹模、钻孔和地面波速等原位测试，开展现场大型平板载荷试验，以及现场开挖取样的相关室内试验等，获取风化岩体更多参数，为坝基优化设计确定坝基岩体控制标准提供依据。

3坝基岩体质量评价

3.1坝基岩体基本特性

项目通过专题研究试验测试成果，对坝基各级风化岩体的密度、干密度、单轴抗压强度、纵波速度、剪切波速等基本特性指标进行了试验，并对试验结果进行了汇总。

根据页岩、砂岩岩体工程地质特征和物理力学参数。采用Bieniawski提出的RMR岩体分级方法，进行页岩和砂岩的坝基岩体质量分级。

3.1.1页岩

巴勒电站坝基主要岩体为页岩，岩体层理发育，多呈薄层和极薄层状，少数呈中厚层状；部分页岩层中含有夹层或互层的极薄层粉砂岩；层面间多闭合紧密，少数层面张开，表层多有次生矿物薄膜，节理发育。地表露头多为全风化和强风化岩体。

页岩全风化岩体，多为薄层状结构，为软岩，强度很低，层理和节理发育，大多呈闭合状态，部分张开度大于10mm，充填泥质和岩屑，完整性差。

3.1.2 砂岩

坝基岩体存在少量砂岩条带，宽度9m~20m不等，地面出露砂岩多为全风化和强风化状态。砂岩多呈互层和中厚层状，少量夹有极薄和薄层的页岩条带。岩层间多张开，节理发育，张开度总体不大，多充填钙质膜、次生矿物和泥质等。

因砂岩条带呈互层和中厚层状，且钻进机械扰等因素，上述各风化等级砂岩RQD值，应比实际偏小。

坝基砂岩各风化等级岩体质量RMR分级见表3-1

表 3-1 坝基岩体工程地质分级

岩性	风化状态	RMR 总分值	RMR 质量分级
页岩	强风化上带	25	IV
	强风化上带	30	IV
	中等风化	44	III
	微风化~新鲜	56	III
砂岩	强风化上带	28	IV
	强风化下带	36	IV
	中等风化	50	III
	微风化~新鲜	67	II

3.2 坝基岩体物理力学参数

巴勒水电站坝基岩体主要为页岩和少量砂岩条带，坝基中各风化等级页岩、砂岩物理力学参数通过试验分析汇总见表 3-2。

表3-2 坝基岩体推荐物理力学指标

岩石类型	Weathering degree	Density	Ultimate Bearing capacity	Deformation parameters		Shear strength parameter
			Ultimate Bearing capacity	Modulus of deformation	Poisson’s ratio	Rock mass		Rock mass and concrete
			f₀	E	μ	C	φ	C	φ
		g/cm³	MPa	GPa		kPa	°	kPa	°
残积土		1.75~1.85				40(30)	15(13)
页岩 (板岩)	CW	1.85~2.05		0.03~0.10	0.35~0.38	80(60)	16(14)
	HW1	2.05~2.25	1.5~2.0	0.10~0.25	0.32~0.35	300(240)	24(22)	250	24
	HW2	2.25~2.40	2.5~3.0	0.15~0.50	0.30~0.32	200(160)	30(28)	150	30
	HW	2.05~2.40	1.5~3.0	0.10~0.50	0.30~0.35	250(240)	27(25)	200	27
	MW	2.40~2.55	3.5~4.0	1.0~3.0	0.28~0.30	450(360)	30(29)	400	30
	SW ~ Fr	2.55~2.70	5.0~6.0	5.0~6.0	0.26~0.28	800(700)	42(42)	800	42
砂岩	CW	1.85~2.10		0.03~0.10	0.35~0.38	80(60)	16(14)
	HW	2.20~2.50	2.5~4.0	0.20~0.80	0.30~0.33	300(240)	30(28)	250	30
	MW	2.50~2.55	6.0~8.0	5.0~6.0	0.25~0.28	700(600)	41(40)	600	41
	SW ~ Fr	2.55~2.65	10.0~12.0	8.0~10.0	0.20~0.25	1500(1500)	50(50)	1300	50
层理面	MW					100~150	27~28
层理面	SW ~ Fr					200~300	34~35

3.3 风化岩体与堆石料压缩模量对比分析

坝基风化岩体是否能够作为面板堆石坝基础，一般处理原则是把全/强风化层全部挖除，然而，强风化岩层虽然抗剪指标低于坝体堆石体，但压缩指标很可能高于堆石体。对于高坝，基础局部抗剪指标偏低可以用较小的代价予以解决，把具有较低压缩性的强风化基岩挖除而由较高压缩性的堆石替代，不仅浪费投资和工期，还将加大坝体变形，降低工程安全性。因此对面板坝堆石体和坝基强风化岩体的压缩特性对比分析十分必要。

从收集到堆石料试验成果看，多为室内压缩试验，获取的变形参数为压缩模量。根据弹性理论，把岩体变形试验获取的变形模量转换为压缩模量，然后进行对比分析。变形模量 E₀与压缩模量 Es的关系为：

（式 3-1）

首先根据岩体变形试验确定侧压力 σ3，然后计算泊松比 μ。

根据莫尔-库伦准则：

σ₁和 σ₃的对应关系为：

（式 3-2）

对于现场岩体变形试验，达到极限破坏时，试件周边岩体发生隆起破坏，侧边岩土对试件的剪力约束基本消失，当达到极限破坏时，抗剪指标取残余强度，φ 值不变，ｃ=0，按式 3-3、式3 -4 分别计算 σ₃与 μ。

计算出的 μ 值比实际值偏低且接近实际值。根据压缩模量与变形模量的力学关系，泊松比 μ 值取小值时，变形模量 E₀计算值偏大，压缩模量 Es 计算值偏小。因此，利用平板试验成果评价岩体压缩模量时，仍采用三轴试验破坏准则确定泊松比，计算成果偏于安全。

侧压力与泊松比的关系为：

（式 3-3）

（式 3-4）

经计算 3个变形试验点页岩岩体泊松比为 0.36、0.32、0.30（见表 3-3）。

表 3-3 岩体变形点泊松比计算成果表

试验编号	φ	σ₁	σ₃	（σ₁-σ₃）_f	μ
试验编号	°	MPa	MPa	MPa
PLT1 补	18	1.05	0.60	0.45	0.36
PLT2-1	21	2.10	0.99	1.11	0.32
PLT3	24	3.40	1.43	1.97	0.30

经计算，3个现场变形试验点页岩岩体对应的压缩模量见表 3-4 。

表 3-4 岩体变形点压缩模量计算成果表

试验编号	应力分级 σ₁变形模量 E₀压缩模量 E_s						平均值
PLT1 补	应力分级 σ₁（MPa）	0.15	0.30	0.45	0.60	0.75
	变形模量 E₀（MPa）	131.5	78.4	61.9	53.7	46.5	60.1
	压缩模量 E_s（MPa）	223.5	133.3	105.3	91.2	79.0	102.2
PLT2-1	应力分级 σ₁（MPa）	0.15	0.30	0.45	0.60	0.75
	变形模量 E₀（MPa）	373.2	288.5	267.7	254.7	244.8	263.9
	压缩模量 E_s（MPa）	535.7	414.0	384.3	365.6	351.4	378.9
PLT3	应力分级 σ₁（MPa）	0.40	0.80	1.20	1.60	2.00
	变形模量 E₀（MPa）	209.1	148.3	107.0	91.1	77.1	105.9
	压缩模量 E_s（MPa）	278.9	197.9	142.8	121.5	102.9	141.3

堆石材料压缩模量由室内压缩试验获得，根据试验资料成果：部分堆石坝堆石料试验成果见表 3-5。

表 3-5部分堆石坝堆石料压缩模量汇总表

序号	工程名称	坝高（m）	岩性	Es（MPa）
1	大坳	90.2	泥岩/砂岩	21~62
2	十三陵水库		安山岩	18.6~52.1
3	盘石头	105.8	页岩	13.8~40.1
4	西北口		灰岩	41.2~139.2
5	珊溪坝	132.5	凝灰岩	66~232.5
6	洪家渡	179.5	灰岩	45~197.4
7	马肯托士	75	砂岩/板岩	40~75
8	天生桥一级	178	灰岩/泥灰岩	45
9	三板溪	185.5	砂岩/板岩	120
10	巴贡	205	3B 砂岩	82~232(80~161)
	巴贡	205	3B：90%砂岩+10%页岩	84~212(75~140)
	巴贡	205	3C：70%砂岩+30%页岩	87~139(43~103)
11	塞沙那	110	石英	145
12	阿尔托·安其卡亚	140	角页岩闪长岩	145
13	阿里亚	160	玄武岩	47.5
14	塞格雷多	145	玄武岩	62.5
15	辛戈	151	花岗岩	37
16	阿瓜密尔帕	187	砾石	260
17	萨尔瓦琴娜	148	砾石	390
18	格里拉斯	130	砾石	210
19	希罗罗	125	花岗岩	76
20	利斯	122	辉绿岩	85
21	马琴托斯	75	硬砂岩	40
22	穆奇松	89	流纹岩	225
23	巴斯图	75	硬砂岩	150
24	考兰	130	石灰岩	46
25	科特梅尔	97	片麻岩	50
26	滩坑	161	火山集块岩	135
27	紫坪铺	156	石灰岩	180

在马来西亚巴勒电站坝基优化设计期间，分别对页岩、砂岩料，进行了不同分区、不同岩性比例的堆石料大型固结试验，

从巴勒堆石料压缩试验成果看，主堆 3BI 区堆石料（微新砂岩 95%+微新页岩 5%）

0.10~0.80 MPa 压力下的压缩模量为 191.3 MPa~289.6 MPa，主堆 3B II 区堆石料（微新砂岩 45%+中等风化砂岩 45%+微新页岩 10%）0.10~0.80 MPa 压力下的压缩模量为 151.8 MPa~256.4 MPa，3C 区堆石料（微新砂岩 35%+中等风化砂岩 35%+微新页岩 30%）0.10~0.80 MPa 压力下的压缩模量为 144.6 MPa~237.0 MPa。

对比 3 个岩体变形试验的压缩模量可以看出，全风化页岩 PLT1 号试验点 0.15~0.75 MPa 压力下压缩模量为 79.0MPa~133.3MPa；平均 102.2MPa，但试验破坏应力 1.05 MPa，当坝基最大主应力达到约 3.6 MPa 时，压缩模量可能下降到较低水平，不宜作为大坝基础。

强风化上带 PLT2 号试验点 0.15~0.75 MPa 压力下压缩模量为 351.4~414.0MPa，高于主堆区 3B I区堆石料的压缩模量，在较高压力区段堆石料的压缩模量虽然有所降低，但仍高于主堆区堆石料的压缩模量。该试验点破坏应力为 2.1MPa，高于坝基平均主应力（约 1.8 MPa），从压缩模量 Es对比看，可以作为大坝基础。

强风化下带 PLT3 号试验点 0.40~2.00 MPa 压力下压缩模量 102.9MPa ~197.9MPa，平均 141.3 MPa，总体低于主堆区堆石料的压缩模量。从密度试验成果来看，该点附近平均干密度为 2.01，高于 PLT2 号点，压缩模量较小的原因是 PLT3 点附近卸荷裂隙较发育有关，导致 PLT3 试验点变形参数偏低，但其压缩模量总体仍与巴贡主堆区压缩模量接近。

4.结语

马来西亚巴勒电站的坝基优化研究结果表明强风化岩体变形模量总体高于堆石料，可考虑做为大坝基础，保留强风化岩体不挖除。通过本次地基岩体风化研究对于巴勒项目产生的经济效益主要反映在减少强风化层开挖总量约200万方，同时减少了填料运输和大量的料场开挖弃料，不仅可产生较大的经济效益同时缓解了料场弃料对周边环水保等情况的影响。但坝基岩体开挖至设计建基面后，及时复核岩体类别和风化状态，地质构造等。如与勘察设计情况差别较大，需根据地质条件，调整相应区域坝基开挖面。同时建基面开挖后，应及时采取保护措施，防止页岩受水、干湿崩解、风化。

马来西亚巴勒水电站坝基优化研究应用