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【摘要】本文对 kat se 水电工程玄武岩的工程地质特征、存在的主要工程地质问题、设计采取的处理措施及施工过程中遇到的其他问题进行了综述
　 Katse 水电工程位于南非共和国境内 , 主坝坝型为双曲拱坝 , 坝高185m , 坝顶长710m。该工程于1991 年 2 月开工兴建 , 1995 年 9 月开始蓄水。工程区位于侵蚀高原区 , 基岩为玄武岩 , 当地气候炎热 , 蒸发量大 , 狭长的河谷地貌适于修建水库 , 但坝址岩石性状却较差。工程区岩体由多期喷发的熔岩叠加构成 , 单层厚 1m～40m。层间接触带厚度一般为100mm～2 mm , 易风化。近2 亿年以来 , 玄武岩层未发生明显的变化 ,岩层近水平 , 褶曲不发育。由于熔岩凝固时常伴生有气孔, 后被方解石充填而形成的圆状或纤维状包体 , 即所说的杏仁体 , 使得玄武岩的性质变化非常大。
     玄武岩中所含有的具膨胀性或粘土质类矿物 ,使其具有迅速风化、快速吸水的特征。此外 , 局部可见同生角砾岩。这是当下伏的熔岩未完全凝固 ,仍较软弱情况下 , 新喷发的熔岩流流动时拖拉、滚压其下的灰积物和半凝固表层而形成的。坝址选在河弯的正前方。已查明 , 坝址处河床部位分布有 2层软弱夹层 , 单层厚度约 215 m。原设计坝基开挖至第一层以下, 但进一步测试表明应加深基础开挖。设计变更加宽了坝基 , 并增加了一条伸入坝踵的预制缝。相应地 , 使开挖量从 1 ×106m3增加到112 ×106m3, 而总的岩石开挖增加了 3 ×105m3。由于基础条件的变化 , 在坝体内增设的预制缝长 165m , 其中 10m 长伸至中间的 11 个坝块的底板。慎重地讲 , 在坝体内设置预制缝是和一般设计原则相抵触的 , 但却是必要的。拱的作用可将坝体所承受的大部分应力传递到两岸 , 但坝中心段局部仍起到直悬臂梁或大体积混凝土坝的作用。当坝体承载时 , 由于拱的偏转 , 该部分有可能会发生轻微旋转。这样坝基附近的下游侧实际上将处于拉张状态 , 这将引起初期裂缝。如果库水进入并扩张裂缝 , 那将是危险的。目前的深基础形式增加了这种可能性。这就是设计预制缝的原因。
     此外, 尚需进行其它设计变更。如为了确保第二层软弱夹层之稳定, 在其内设置了抗剪键。即在河谷两岸、从平行于坝前的灌浆廊道中向上游方向掘进几条40 m长的平洞。每一条抗剪键开挖了两条高3m、宽315m的拱型平洞, 并回填混凝土。然后根据该夹层的厚度, 在两洞之间的中间部位挖至5m深, 回填混凝土, 并留下一条检查、灌浆廊道。最终又出现了一个出人意料的问题 , 即在基础开挖过程中 , 岩体出现开裂现象 , 这是卸荷、应力释放所致。那即意味着要增加开挖工作量 , 并需要补充钻探和灌浆工作。此外 , 玄武岩是该工程唯一可利用的混凝土粗骨料、细骨料料源 , 因此玄武岩的质量也很关键 ,必须谨慎地选择料场位置。最终 , 选定了一个相对稳定的玄武岩区 , 该料场距坝址约 215km , 共开采了 215 ×106t。这种岩石的性质还带来冷却问题 , 其导热性比一般玄武岩都低 , 导致冷却困难 , 超过预计时间(120d) 达 30d。这个问题不是由于水化热过高引起的 , 因为拌和物中的冰可确保混凝土的起始温度在100C左右 ,加之辅以 2m升程的冷却管 , 使温度易于控制。冰运自意大利的 Koeling厂以及D’Andrea , 每小时大约需 8t。因每方混凝土水泥用量仅为 220kg , 30 %用 PFA 来替代 , 拌和物应该属于低水化热类。放入时温度为 150C , 而拌和后却有时可达 350C。而灌注 15m宽的混凝土块需要达到的基础温度应与水库中水的温度相当 , 估计为 90C。这样才能确保大坝运行时 , 已发生了最大收缩 , 且温度应力是平衡的。但是在第一次浇注后发现 , 冷却不够快 , 解决办法是重新布置冷凝水的循环形式。和 Kat se 大坝坝基一样 , 输水洞所穿越的岩体亦为层状玄武岩 , 这种玄武岩构成了 L ESOTHO山体。从地质上讲, 近 2 亿年以来这些无数层的熔岩流保持相对的平静 , 呈近水平分布 , 表面平坦 ,其矿物组成使得其性状较差。部分岩层暴露在空气和水中易风化、崩解 , 呈片状剥落。预计隧洞掘进过程中会遇到这样的“风化玄武岩” 。咨询工程师曾建议要采取安全的掘进方法 , 甚至采取全断面衬砌支护。但业主决定采用更经济的方案 , 仅 7km长的洞段因结构上的要求进行了衬砌 , 其他洞段根据掘进状况来决定。隧洞掘进过程中 , 发现越来越多的洞段存在岩石崩解现象 , 这也可能与地应力有关。但不知道这种地应力效应将持续多久 , 是否随着应力的释放 , 这种效应将减弱或停止。不幸的是 , 崩解破坏机制查不清楚 , 也很难准确地判定哪些玄武岩层是稳定的 , 哪些层是风化的。有时变化得太快了 , 隧洞中清理出时呈近完整的岩块在一个月内就变成“一堆碎石” 。
    整个非洲分布有大范围的玄武岩露头 , 但是查阅资料却没有得到多少启发 , 甚至参观了 Faroe 岛上一条穿过玄武岩区的隧洞 , 但该洞不存在这样的问题。崩解及其引起的稳定性似乎与杏仁状、气泡状或管状的包体关系不很密切 , 但仅凭肉眼是不能判断的 , 至少需要显微镜或 X - 光衍射才能进行分析。
     1994 年夏季 , 业主和咨询工程师决定采取全断面衬砌 , 并调整了通水时间 , 这样包括意外事件和增加条款在内 , 费用由原来的 892M (Maloti)增加到 1357M。另一解决方法是通过对该类岩石的进一步了解 , 得出哪些洞段有可能只需要局部衬砌。通过三年来对该工程存在问题的研究 , 崩解与某种矿物群包体之间的关系已有一些假设性的结论 , 但远未确定。
     其他所预测的问题 , 如埋深达 1200m 隧洞段的高温问题 (近 490C) 、岩爆问题事实证明并不严重 , 但岩锚支护仍是需要的。而周围温度仅为 390C , 在中心导洞中安装冷却装置即可解决。