水利水電工程分析論文

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1工程概況

黃河沙坡頭水利樞紐工程為國家2000年西部大開發十大項目之一，位于寧夏回族自治區中衛縣境內，其上游12.1km為擬建的大柳樹水利樞紐，下游122km為已建成的青銅峽水利樞紐。工程區距自治區首府銀川市200km，距中衛縣城20km。地處黃河上游干流上，南依香山山脈北麓，北鄰騰格里沙漠南緣，是一座以灌溉、發電為主的綜合利用水利樞紐工程。

該樞紐由主壩和副壩兩部分組成，其中主壩為混凝土閘壩，最大壩高37.8m，壩長338.45m，壩頂高程1242.6m；副壩位于黃河左岸階地上，為土石壩，最大壩高15.1m，壩長529.2m。水庫正常蓄水位1240.5m，總庫容0.26億m3，總裝機容量12.03萬kW，多年年平均發電量6.06億kW·h，設計灌溉面積87.7萬畝。

2物探任務與要求

黃河沙坡頭水利樞紐工程的物探工作始于1996年，至2003年底全部結束。期間歷經了可行性研究階段、初步設計階段和技施設計階段。各階段工作時間及任務要求如下：

⑴可行性研究階段物探工作于1996年進行，主要任務是通過巖體波速測試和聲波測井，劃分巖性并了解巖體動彈性參數。

⑵初步設計階段物探工作于2000年進行，物探任務與要求為：

①通過聲波測井取得主壩壩基、交通橋基礎巖體結構、軟硬巖體分布規律，了解孔內軟弱夾層、構造破碎帶分布情況，以便驗證和補充鉆探資料。

②測定巖體的縱、橫波速度，并求得泊松比、動彈性模量等參數。為壩基巖體質量評價提供依據。

③通過綜合物探方法查明副壩壩基地層結構及古河道分布情況。

④查明導流明渠、交通橋地層結構及古渠道分布情況。

⑤通過對灌漿前、后巖體波速測試，評價灌漿試驗效果。

⑶技施設計階段物探工作于2002～2003年進行，物探任務與要求為：

①通過對壩基巖體進行地震波測試，了解基礎巖體的彈性波參數，為工程基礎巖體評價、驗收提供依據。

②對固結灌漿的基礎巖體進行聲波檢測，通過灌漿前、后巖體波速的變化情況，評價固結灌漿效果。

③通過對壩基混凝土墊層進行回彈檢測，了解并查明混凝土墊層與基巖面的膠結狀況。

3地形及地質簡況

3.1地形地貌

壩址區內地勢南西高而北東低，相對高差500～1000m。黃河自西向東流經壩址區，河谷呈不對稱“U”形谷。壩址左岸地勢相對平坦，為黃河Ⅰ級階地，岸邊有美利渠與黃河平行展布；右岸為香山山脈北麓，岸邊有羚羊角渠與黃河平行展布，羚羊角渠南側地形較陡，且沖溝發育。

3.2地質簡況

壩址區附近有石炭系、第三系、第四系地層發育。

主壩壩基為石炭系下統前黑山組(C1q)、臭牛溝組(C1c)、中統靖遠組(C2j)和第三系上新統臨夏組(N2l)地層。壩區位于窯上復式倒轉向斜的正常翼，巖層遭受構造破壞劇烈，層間擠壓帶、小型褶皺、揉皺，小斷層以及節理、劈理發育，泥巖呈大小不等的菱形塊體，炭質頁巖則呈鱗片狀，并具有失水干裂解體，再遇水泥化的特點，使壩基巖體成為典型的極軟巖。巖層沿走向和傾向均呈舒緩波狀，總體產狀：走向NE45°～EW，傾向SE或S，傾角33°～70°。

副壩、導流明渠、交通橋及水源地部位分布著厚層第四系松散堆積物，表層為風積砂，深部則為厚層砂礫石層；基巖為第三系上新統臨夏組(N2l)的棕紅色、紫紅色砂質粘土巖，局部夾有礫巖。

4物探方法與技術

根據不同勘查階段的任務要求，物探主要開展了聲波法、地震波法、地質雷達法、電阻率法工作。具體方法有：單孔聲波測井、聲波對穿、地震波相遇法、地震波CT、瑞利面波法、高密度電阻率法、地質雷達等。

⑴聲波法：包括單孔聲波和聲波對穿。它是彈性波測試方法之一，其理論基礎建立在固體介質中彈性波的傳播特性上，采用頻率主要為1k～30kHz和50k～1000kHz兩個頻段。該方法以人工激振的方法向介質發射聲波，在一定距離上接收受介質物理特性調制后的聲波，通過觀測和分析聲波在不同介質中的傳播速度、振幅、頻率等參數解決工程問題。本工程使用儀器為SD—1型聲波檢測儀，單孔聲波由下而上逐點測試，點距為0.2m。聲波對穿由下而上水平同步逐點測試，點距為0.1m。

⑵地震波法：包括地震波相遇法、地震波CT和面波法。其理論基礎與聲波法相同，采用頻率范圍為1～n×100Hz。該方法利用人工激發的地震波在彈性性質不同的地層內傳播規律，研究與巖土工程有關的地質、構造和巖土體的物理力學特性，可對工程場地和人工建筑物的適應性進行評價。本工程使用儀器為R24型工程地震儀，地震波相遇法采用4～12道接收，檢波點間距1.0m。地震波CT采用二邊對比觀測系統，激發點間距1.0m，接收點間距2.0m。面波法采用雙邊激發，12道接收，檢波點間距2.0m。

⑶高密度電法：以巖土體的電性特征為基礎，通過儀器觀測和分析研究即可取得地下地質結構的變化規律，以此解決巖土工程問題。本工程使用儀器為WDJD－1型多功能電測儀，選用溫納爾裝置，基本點距為2～3m，電極隔離系數為9～16。

⑷地質雷達法：通過地面的發射天線(T)向地下發射高頻電磁波(主頻為數十數百乃至數千兆赫)，當它遇到地下地質體或介質分界面時發生反射，并返回地面，被放置在地表的接收天線(R)接收，并由主機記錄下來，形成雷達剖面圖。由于電磁波在介質中傳播時，其路徑、電磁波場強度以及波形將隨所通過介質的電磁特性及其幾何形態而發生變化。因此，根據接收到的電磁波特征，既波的旅行時間(亦稱雙程走時)、幅度、頻率和波形等，通過雷達圖像的處理和分析，可確定地下界面或目標體的空間位置或結構特征。本工程使用儀器為RAMAC/GPR雷達系統，實測采用剖面法，且收發天線的連線方向與測線方向平行，分別選用主頻50MHz和250MHz兩種天線進行測試，記錄點距0.2～0.5m。

5物探成果概述

在可行性研究階段、初步設計階段、技施設計階段共提交物探測試成果報告7份，取得了一定的技術效果。

5.1可行性研究階段

通過對壩址區附近的鉆孔聲波測試和右岸PD01平硐硐壁巖體的地震波測試初步掌握了壩基巖體的彈性特征及不同巖性巖體的波速分布的基本規律。主要成果為：

⑴鉆孔內基巖巖體波速主要受巖性控制：第三系上新統臨夏組砂質粘土巖的波速均值為2100m/s,而礫巖、砂礫巖的波速均值為2900m/s；石炭系下統泥巖、炭質頁巖的波速均值為2560m/s,泥質灰巖、砂巖的波速均值為3500m/s，灰巖的波速均值為4000m/s。

⑵PD01平硐巖性主要是石炭系泥巖、頁巖等，巖體裂隙發育，實測巖體彈性參數為：縱波速度1500～2500m/s，橫波速度520～1200m/s，動彈性模量1.69～8.10GPa，表明該平硐巖體強度較低。

⑶斷層破碎帶與泥巖、炭質頁巖等低波速巖體間無明顯的波速差異，而與灰巖、砂巖等高波速巖體間的波速差異明顯。

⑷該壩址所測巖體波速與巖體風化分帶的關系不甚明顯。

5.2初步設計階段

5.2.1地層結構

利用地質雷達、高密度電阻率法、瑞利面波法等綜合物探方法，并結合鉆孔資料，基本查明了導流明渠、副壩、交通橋、水源地的地層結構以及古渠道、古河道的分布規律。主要成果如下：

⑴導流明渠、副壩、交通橋、水源地的地層可分為三層結構。表層主要由風積砂等第四系松散堆積物組成，局部出現薄層耕植土，層厚1～12m，電阻率一般為500～1200Ω·m，面波速度一般為150～200m/s；中部巖性為砂卵礫石，層厚8～26m，電阻率一般為200～500Ω·m，面波速度一般為200～350m/s；下部為基巖，巖性為第三系砂質粘土巖，該層作為壩基巖體，層厚大于500m，電阻率一般為80～200Ω·m，面波速度一般為450～650m/s。

⑵古渠道主要分布在美利渠北側，在平面上共有三條展布，主要規律為：位于導流明渠進水口附近為一條；交通橋上游20m至主壩下游100m之間分為三條；主壩下游100m處至導流明渠出水口附近，最北側的兩條古渠道合并為一條，而鄰近美利渠的那條古渠道與美利渠平行向下游繼續延伸。由于這些古渠道都由粉細砂充填，所以物探異常解釋的渠底深度一般為5～10m（古渠道附近正常沉積地層的表層風積砂厚度較薄，一般小于3m）。

⑶古河道主要分布在左岸副壩區，其最大深度不小于30m。上覆地層為砂卵礫石，層厚10～30m，且由導流明渠往北逐漸變厚，下伏基巖為第三系砂質粘土巖。

5.2.2聲波測井

通過對鉆孔巖體的聲波測試，較全面地查明了壩址區內不同巖體的聲波變化規律：

⑴第三系(N2l)地層中，砂質粘土巖的巖體縱波平均速度為2120m/s,動彈性模量平均值6.37GPa；礫巖的巖體縱波平均速度為2400m/s，動彈性模量平均值為9.66GPa。

⑵石炭系(C)地層中，泥巖、頁巖、炭質頁巖、灰質泥巖、泥質粉砂巖、長石石英砂巖等巖體的縱波平均速度為2130～2410m/s,動彈性模量平均值為6.78～12.96GPa；泥質灰巖、灰巖、砂巖等巖體的縱波平均速度為3020～3690m/s,動彈性模量平均值為16.70～28.93GPa。

⑶斷層破碎帶的縱波平均速度為2150m/s，動彈性模量平均值為6.91GPa。

5.2.3巖體地震波測試

通過分析右岸PD02平硐硐壁巖體和左岸02#靜載荷試驗場地的地震波測試成果，得出下列基本結論：

⑴巖體彈性波參數均相對較低，縱波速度一般為1000～2500m/s，巖體動彈性模量一般為1.1～9.6GPa。

⑵巖體泊松比（μ）與巖體縱波速度（Vp）具有較好的相關性，相關關系為：

μ=0.4629-0.00006Vp；相關系數R=0.97………………………（1）

⑶巖體縱波速度各向異性差異不顯著，各向異性系數一般小于1.2。

⑷受開挖擾動卸荷的影響，在垂直方向上巖體具有兩層速度結構，表層地震縱波速度僅為400m/s，埋深約為0.6～0.7m。

5.2.4右岸灌漿試驗檢測

綜合分析灌漿前后巖體的聲波和地震波測試結果可知：

⑴壩基巖體具有一定的可灌性，灌漿后巖體強度得到一定的改善。

⑵地震波CT測試效果優于單孔聲波測井的測試效果，既跨孔透射法優于單孔聲波測井。

⑶地震波CT測試，更能客觀地評價灌漿試驗的灌漿效果。灌漿前后整體波速提高率一般為5～12%。

5.3技施設計階段

5.3.1壩基巖體地震波測試

為提供樞紐工程壩基建基面巖體彈性波參數的建議值，我單位于壩基開挖工作前期，在擬開挖的壩基巖體上，模擬現場施工條件，進行了壩基巖體地震波測試的試驗工作?？偨Y出了不同開挖方式對壩基巖體擾動的影響程度、原狀巖體經開挖暴露后縱波速度隨時間的變化規律、物探工作的測試方法、測試時機及壩基巖體的開挖方式，并提交了建基面巖體波速驗收標準的建議值。

在壩基開挖施工期間，采用試驗時確定的測試方法——地震波相遇時距曲線觀測系統，以基巖面巖體基本未擾動為原則，在人工撬挖的保護層上進行了大量的地震波測試工作。測線總長度累計15967m。取得了豐富的壩基巖體的彈性波參數，為壩基巖體的評價、驗收提供了定量指標。壩基巖體地震縱波速度的變化規律基本上反映了壩基巖體分布的規律。

5.3.2安裝間、北干電站、河床電站、隔墩壩基礎巖體固結灌漿聲波檢測

根據初設階段灌漿試驗的檢測成果，并結合灌漿區內巖體親水性強的特點，確定了壩基巖體固結灌漿物探檢測采用鉆孔聲波透射法進行。

通過分析安裝間～隔墩壩的17對鉆孔灌漿前后聲波透射的測試結果表明，雜色泥巖、灰質泥巖灌漿后的波速總體平均提高率為6.3%，此結果與初設階段的測試結果基本一致；砂巖條帶灌漿后波速總體平均提高率為10.1%，說明砂巖條帶的灌漿效果相對較顯著。

5.2.3壩基巖體混凝土墊層回彈檢測

壩基巖體混凝土墊層回彈檢測的目的是了解并查明混凝土墊層與基巖面的膠結狀況。回彈儀主要用于檢測混凝土強度，該工程中使用回彈儀（型號為HT—3000）檢測混凝土墊層與基巖面的膠結狀況是其應用范圍的拓展。檢測的基本原理如下：

當混凝土墊層與基巖膠結緊密或膠結良好時，混凝土與壩基巖體形成一個整體，此時在混凝土表面測試的回彈值應為混凝土強度的真實反映；當混凝土墊層與基巖之間膠結不良或膠結面出現架空時，由于混凝土的約束力降低而使回彈時產生顫動，造成回彈能量損失，從而導致在混凝土表面測試的回彈值低于正常混凝土強度的真實回彈值。由此，可根據實測混凝土表面回彈值的變化規律，來定性地判斷混凝土墊層與基巖的膠結狀況。

參照《回彈法檢測混凝土抗壓強度技術規程》(JGJ/T23—2001)及回彈儀的率定結果并結合工程實際情況，C20混凝土(齡期大于28天)的實測回彈平均值應不小于25.0。而實測回彈平均值小于25.0的測區是由于混凝土墊層與基巖間膠結不良或脫空所至。檢測結果表明：

基礎巖體為雜色泥巖、灰質泥巖的壩段，實測回彈平均值小于25.0的測區約占測區總數的28.0%。說明混凝土墊層與基巖間脫空現象較明顯；而在南干電站，基礎巖體主要為砂巖。實測回彈平均值小于25.0的測區僅占該部位測區總數的3.8%，說明混凝土墊層與砂巖的膠結狀況相對較好。

6總結

可行性研究階段、初步設計階段的物探成果在技施設計階段均得到驗證，如5.2.1中的地層結構空間變化規律已在基礎開挖后得到證實，其開挖結果與物探解釋成果基本一致，取得了較好的應用效果，發揮了物探的應有作用。

縱觀可行性研究階段、初步設計階段和技施設計階段的物探成果及其工作量，黃河沙坡頭水利樞紐壩址區的主要工程地質問題是建基巖體的質量問題，所以在工程建設的每個階段都進行了大量的基礎巖體彈性波測試，使得測試成果得到進一步加強。下面僅就壩基巖體的質量特征進行總結。

6.1壩基巖體彈性特征

⑴壩基巖體彈性波普遍偏低，主要是因為巖體主要由泥、頁巖等泥質巖類組成，且巖體中破裂結構面發育，巖體破碎所致。

⑵實測壩基巖體地震縱波速度一般為1000～2500m/s，巖體動彈性模量一般為1.10～9.60GPa。巖體泊松比與巖體縱波速度具有較好的相關性，相關關系見（1）式。

⑶受巖石結構、微裂隙、劈理、層理發育影響，致使巖體波速值各向差異不顯著。壩基巖體彈性波測試結果表明：雜色泥巖、薄層灰質泥巖、厚層灰質泥巖、炭質頁巖、砂巖的平行地層走向和垂直地層走向的地震縱波速度比值分別為1.04、1.08、1.06、1.07、1.03。

⑷壩基巖體同一巖性的聲波速度比地震波速度一般高約20%～40%。地震波主頻約為n×100Hz，屬低頻范圍，而聲波主頻約為10k～20kHz，屬高頻范圍，雖然兩者均屬于彈性波的范疇，但由于兩者的震源擾動機制、波源頻率、測段長度的不同以及測試巖體具有的低通濾波作用的影響，使得同一巖性的聲波速度高于地震波速度。

6.2壩基巖體卸荷特征

⑴爆破開挖、機械開挖對壩基巖體擾動明顯。經爆破開挖和機械開挖后，表層的縱波速度一般為400～700m/s，影響深度為0.2～0.6m。

⑵原狀巖體經開挖暴露后，縱波速度有隨時間延長而降低的趨勢，在11小時內縱波速度值下降5%左右。

⑶壩基邊坡巖體較建基面巖體卸荷影響相對較大，一般邊坡巖體地震縱波速度略低于建基面巖體地震縱波速度。如雜色泥巖、薄層灰質泥巖、厚層灰質泥巖邊坡的實測地震縱波速度平均值分別為1430m/s、1380m/s、1840m/s，而其建基面的實測地震縱波速度平均值分別為1510m/s、1460m/s、1910m/s。

⑷開挖方式和暴露時間直接影響巖體卸荷程度和彈性波速，因此采取有效的開挖方式，減少對基礎的擾動，并及時保護對工程來講非常重要。

7體會

物探工作是各個設計階段工程勘察的重要組成部分。隨著我國水利水電事業的快速發展，類似工程今后可能還會遇到。通過黃河沙坡頭水利樞紐的工程實踐，頗有體會：

⑴要充分理解《規范》和《任務書》對每一勘探階段所要求的精度和深度，扎實做好每一勘探階段的基礎工作。筆者認為，黃河沙坡頭水利樞紐物探工作的布置、資料解釋比較合理，起到了前期成果指導后期工作，后期成果補充、驗證前期工作的效果。

⑵努力提高自身的技術水平，加大物探新方法、新技術的投入。如在重要壩段或地質條件復雜壩段，進行地震波CT測試，這樣既可加強技術效果，又可提高經濟效益。

⑶加大試驗工作力度，不要想當然，盲目地確定工作方法以及技術參數。該水利樞紐工程，在初設階段和技施階段均進行了大量的試驗工作，效果較好。

水平有限，定有謬誤，敬請指教。