依兰晨光电站抢险的工程地质分析研究

刘 刊，庞 博，史海燕，纪 南

(中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林 长春 130062)

1 概述

晨光电站位于牡丹江下游依兰县晨光村，距牡丹江与松花江汇合口10 km。控制流域面积为36 700 km2，多年平均流量为252 m3/s。

晨光水电站始建于1978年，1983年建成并投入运行。电站枢纽由自由溢流坝、冲砂闸、副坝等拦河工程和进水闸、引水渠、前池、发电厂房、尾水渠等引水发电工程组成。自由溢流坝为过水过冰土石坝，原设计长度为588 m，堰顶高程为101.00 m。由于1991年洪水南侧副坝局部被冲毁，溢流坝又加长72 m，总长为为660 m，最大坝高为6.9 m。1996年为了改善由于上游莲花电站投入运行后给晨光电厂运行带来的影响，同时为了增加晨光电站发电量，将拦河坝堰顶高程由原来的101.00 m加高到101.60 m，为浇筑混凝土。2019年10月12日，泄洪冲砂闸突然倒塌，因此，需要对电站进行抢险指导工作。

2 区域地质稳定性分析

2.1 地层岩性

区内第四系地层广泛分布于高平原区、阶地区和漫滩区，低山丘陵区零星分布，地层及岩性主要有：

① 下元古界二叠系黑龙江群(Pt1)：片岩、大理岩等；② 二叠系土门岭组(P1t)：角岩、砂岩；③ 侏罗系太安屯组(J2t)：板岩、凝灰岩；④ 白垩系淘淇河组(Klt)：砂砾岩、泥页岩；⑤ 第三系达连河组(E2-3d)：砂岩、砂砾岩；⑥ 第四系上更新统(Q3)、全新统(Q4)：亚粘土、砂、砂砾石。

区内侵入岩广泛分布在低山丘陵区，多以岩基状产出，其次为岩株或岩脉状。工程区内侵入岩可划分为元古代、华力西晚期、燕山早期、燕山晚期四个亚旋回。

2.2 地质构造与地震

工程区位于新华夏系第二隆起带中部，老爷岭隆起区和张广材岭隆起区之间，据区域地质资料证实，工程区发育的构造形迹主要有巴彦—虎头断裂带、倭肯河—松木河断裂带、牡丹江断等裂带、依兰—舒兰断裂带、勃利弧形断裂带、苏哈山旋卷构造、岔林河断裂带等。

根据1975年区域地震台网观测，场址100 km范围内记录有10个地震，表明近场地震活动较为频繁，但经能量统计对场址影响不大，并且震级较小，大部分为2.4～4.7级，仅发生过1次6.4级地震，但震源深度为580 km，属于深源地震，对地面建筑影响不大。初步认为本地区区域构造是基本稳定的。

根据《中国地震动参数区划图》(GBl 8306—2015)[1]工程区的基本地震动峰值加速度为0.20 g；地震动反应谱特征周期为0.35 s，对应的地震基本烈度为Ⅷ度(见图1)。

图1 依兰晨光电站地震动峰值加速度动参数示意

3 工程地质条件及评价

3.1 地层岩性

1) 人工填土(Qs)

回填土：杂色，湿，密实。主要成分为砾石，含量约占70%，其余为粘土；砾石成分为砂岩，弱风化状态，磨圆较好。为现围堰主要填筑料，厚度为10 m。

低液限粉土：灰色—灰黑色，湿，可塑，手捻有砂感；分布于左岸阶地上的表部，厚度一般为1.0～1.5 m。

级配不良砂：黄色，稍湿，中密结构，粒径较均匀，具层理，层中夹有粘性土条带。分布于左岸阶地上，最大厚度3.5 m。

含细粒土砾：黄褐色，分选一般，磨圆较好。砾石含量约为50%，粒径一般为10～60 mm；卵石含量约10%，粒径一般为60～100 mm；卵砾石成份为砂岩等，其余为粘土和砂。坝址区及厂房均有分布，厚度一般为3.0～7.0 m。

3) 基岩：白垩系下统淘淇河组(Klt)

泥岩：黑色，矿物成分主要为粘土矿物及少量石英，用小刀刻划见划痕，泥质结构，层状构造。全风化厚度4～6 m，主要为土状、碎块状(见图2～5)。

图2 钻孔ZK01示意

图3 钻孔ZK08示意

图4 钻孔ZK02示意

图5 钻孔ZK05示意

砂岩：灰黑色，矿物成分主要为石英，次为云母、少量粘土矿物，岩质较坚硬，砂质结构，层状构造。全风化厚度为4～6 m，主要为土状、碎块状(见图6)。

基岩面起伏不大，出露高程为91～94 m。在区域地质图查岩层产状为N70°W，倾向SW，倾角为70°。

图6 钻孔ZK03全风化状态砂岩示意

3.2 地质构造

现场未见基岩出露，根据钻孔揭露见断层发育，详述如下：

f1：宽度约为20 cm，组成物为断层泥夹碎裂岩，在ZK01钻孔中出露；钻进过程中水位陡降且不返水(见图7)。

f4：宽度约为40 cm，组成物为断层泥夹碎裂岩，在ZK03钻孔中出露；

f5：宽度约为20 cm，组成物为断层泥夹碎裂岩、片状岩，在ZK03钻孔中出露(见图8)。

图7 钻孔ZK01断层示意

图8 钻孔ZK03断层示意

3.3 水文地质

1) 地表水

地表水主要为江水、降雨径流及围堰渗透径流，地下水主要为覆盖层孔隙潜水和基岩裂隙水。

江水及降雨径流，主要接受河床两侧径流和雨水补给，以潜水蒸发和侧向径流方式排泄为主。工程区附近松花江宽约为700 m，多年平均流量为252 m3/s。

现由上游围堰坡角处见水渗流进入基坑，在冲砂闸前后一直有水汇聚，通过下游围堰或基底向下游排泄。此渗流渗水量稳定，基坑内水位无明显浮动，当汛期径流量增大，随着围堰上下游河道水位的升高，基坑涌水量将显著增大，设计时应考虑基坑排水问题。基坑涌水现状情况如图9所示。

图9 基坑涌水情况(2019年12月)

2) 地下水

主要为覆盖层孔隙潜水和基岩裂隙水。

覆盖层孔隙潜水主要分布在漫滩区，含水层岩组以级配不良砂、砾为主，潜水水位埋深为2.0～5.0 m，于江水位基本持平。主要接受大气降水入渗和地下水的侧向径流补给，以潜水蒸发和侧向径流方式排泄为主。

基岩裂隙水赋存于岩石孔隙裂隙中，分布不均，受岩石风化孔隙、裂隙的发育程度控制；主要补给源为江水入渗，富水性差异较大，排泄于河谷阶地漫滩之中。

3) 水质分析

分别对地表水和地下水取样进行水质分析。水化学类型均为HCO3·CL—K·Na，根据《水利水电工程地质勘察规范》(GB 50487—2008)[2]，工程区环境水对混凝土为重碳酸型弱腐蚀性、环境水对钢筋混凝土中的钢筋无腐蚀(见表1～2)。

表1 环境水对混凝土的腐蚀性评价成果[2-5]

表2 环境水对钢筋混凝土中钢筋的腐蚀性评价成果

3.4 不良地质现象

根据现场地质调查，未见明显滑坡、泥石流等不良地质现象。

冲砂闸左侧砌石挡土墙，高约为9 m，水下部分约为2 m。挡墙现已出现裂缝、变形，裂缝长约为15～20 m，宽度为5～20 cm，平行多条，墙后大部分地区出现不同程度塌陷。其中墙后在下游侧见塌陷坑，长约为15 m，宽为4 m，深为4 m。冲砂闸倒塌后，在左侧坝肩见塌陷坑，长约为15 m，宽为10 m，深为3 m，塌陷坑附近见多条水平裂缝。推测原因为挡墙底部渗透破坏，细颗粒流失，地基形成空腔、骨架，地基不稳发生变形、塌陷(见图10)。

图10 冲砂闸左侧挡墙裂缝示意

3.5 物理力学性质

1) 取样试验

在钻孔中取岩样4组进行物理力学试验，取强风化砂岩样1组做点荷载试验，取全风化泥岩原状样1组进行分析试验，取粗粒土样5组进行颗粒分析实验。试验成果见表3。

表3 岩石物理力学性质试验成果[5-9]

2) 原位力学测试

在覆盖层和全风化基岩中进行标准贯入和动力触探试验，试验成果见表4。

表4 含细粒土砾标准贯入试验成果

含细粒土砾为密实状态，在地震动峰值加速度为0.05g时不会液化。

3) 渗透测试

在基岩中进行注水和压水试验，试验成果见表5～6。由表5～6可以看出，全—强风化基岩渗透系数主要为i×10-4cm/s，中等透水[3]。高程77～80 m之下岩体透水率开始小于5 Lu，曲线类型一般A(层流)和C(扩张)型[10-12]。

表5 全—强风化基岩注水试验成果[6-8]

表6 弱风化基岩压水试验成果[4-6]

3.6 工程地质问题及评价

原冲砂闸已经冲毁，围堰内较平坦，地面高程为95.5～97.5 m。下游消力池混凝土翘起、变形，冲砂闸左侧砌石挡土墙出现裂缝、变形，挡土墙后见塌陷坑。

地表为砌石、混凝土板及近期冲积的淤泥和砂，厚度为1～3 m；之下为原始覆盖层，主要为含细粒土砾，厚度为1～4 m，承载力建议值0.4 MPa。基岩为泥岩和砂岩，全风化厚度为3～6 m，承载力建议值0.65 MPa；强风化基岩承载力建议值1.0 MPa，为良好的持力层[6-8]。

未见缓倾角结构面，坝基较稳定。覆盖层在地震动峰值加速度为0.05g时不会液化[13]。

现由上游围堰坡角处一直见水渗流进入基坑，设计时应考虑基坑排水[12-13]。基岩表部岩体破碎，透水率较高，5 Lu线位于高程80 m附近。可能发生渗透稳定问题，设计时应考虑防渗处理。

表7 粗粒土渗透破稳定评价

4 结语

1) 工程区的地震动峰值加速度为0.20g；地震动反应谱特征周期为0.35 s，对应的地震基本烈度为Ⅷ度。

2) 本区标准冻土深度为1.8～2.0 m。

3) 地下水和地表水的水化学类型为重碳酸型水(HCO3·CL—K·Na)，对混凝土为弱腐蚀性，对钢筋混凝土中的钢筋无腐蚀。

4) 冲砂闸现基础主要位于含细粒土砾上，厚度为1～4 m，承载力建议值为0.4 MPa。基岩为泥岩和砂岩，全风化状态厚度为3～6 m，承载力建议值为0.65 MPa；强风化基岩承载力建议值为1.0 MPa，为良好的持力层。

5) 冲砂闸的含细粒土砾层为主要的渗透破坏通道，破坏类型主要以流土型为主，允许水力比降建议值J允许=0.15。基岩表部岩体破碎，透水率较高，5 Lu线位于高程80 m附近。设计时应考虑防渗处理。