雙江口水電站壩址區深厚覆蓋層工程地質特性初步研究

馮建明，張世殊，田 雄，袁國慶，李 青，徐 旭

(中國水電顧問集團成都勘測設計研究院，四川 成都 610072)

1 前 言

深厚覆蓋層往往具有結構松散、層次不均勻、成因類型復雜、物理力學性質分異大的特點。在此類第四紀覆蓋層上筑壩，往往易發生滲漏、抗滑穩定、滲透變形、沉陷、砂土液化等問題。據Larocque統計，因壩基失事的大壩，約占失事大壩的25%;另據不完全統計，國外建于軟基及覆蓋層上的水工建筑物，約有一半事故是由于壩基滲透破壞、沉降過大或滑動等因素導致的。因此，研究覆蓋層的工程地質特性，對壩型的選擇、防滲墻的設計等都具有非常重要的意義。

四川省阿壩州雙江口水電站壩址區位于最深達67.8m厚的覆蓋層上，大壩為心墻堆石壩，最大壩高314m，是目前世界上同類壩型中最高的大壩。鑒于此大壩為300m世界級高壩，對壩基變形穩定要求較高，本文結合壩址區覆蓋層的成分、結構特點和分布特征，論述其主要工程地質特性及對物理力學參數評價。

2 壩址區深厚覆蓋層基本特征

雙江口水電站壩址河段長約1.5km，河谷狹窄陡峻，屬典型的高山峽谷地形。壩址階地基本不發育，覆蓋層主要分布于現代河床。據鉆孔揭示，河床覆蓋層一般厚48～57m，最大厚度達67.8m。根據其物質組成、層次結構，從下至上(由老至新)可分為3層，各層空間分布見圖1，基本特征見表1。

各層中均有不同規模的砂層分布。第①層主要砂層位于壩址軸線下游側，為黏土質砂，厚2.42～6.69m，頂面埋深45.96～49.79m，推測順河向長232m，橫河向寬41m。第②層分布7個較厚的砂層透鏡體，其中砂層②－a和②－b規模較大，且距離壩軸線很近。砂層②－a位于壩軸線下游側，為級配良好的粉土質砂，厚3.6～3.73m，頂面埋深19.8～20.5m，推測順河向長約322m，橫河向寬約45m。砂層②－b位于大壩底部，為級配良好的粉土質砂，厚0.64～7.93m，頂面埋深14.18～21.75m，縱向長約390m，橫河向寬約102m。第③層局部夾砂層透鏡體，主要有③ －a、③ －b、③ －c。其中:③ －b貫穿整個壩址區，為含細粒土砂或粉土質砂，厚1.1～7.65m，頂面埋深0～3.2m，推測順河向長462m，橫向最大寬度112m。

3 工程地質特性

3.1 顆粒組成及密實度

覆蓋層的物理力學參數主要取決于密實度、級配及顆粒組成。堆積于河床底部的漂卵(礫)石，大多經歷過長期的搬運、磨蝕過程，強度絕大多數都很高，軟質巖石含量很少。壩址區河床覆蓋層漂卵(礫)石成分主要為花崗巖、砂巖，強度及變形參數都很高，因此，影響覆蓋層變形及強度參數的主要因素為顆粒級配和密實度。

圖1 壩軸線河床剖面

表1 壩址區河床覆蓋層特征

顆粒級配試驗、動力觸探和標貫試驗結果表明:第①層、第③層均為級配不良礫，中等密實度，第①層密實度高于第③層。其中第③層濕密度平均值為2.26g/cm3，干密度平均值為 2.17g/cm3，孔隙比0.25;第②層呈松散～稍密狀態，級配不良。第①、②、③層顆粒級配曲級見圖2～4。

總體而言，壩基河床覆蓋層中的漂卵礫石、砂卵礫石的結構主要屬中等密實度，各透鏡狀砂層多呈松散～稍密狀態。由于受上部土體的壓實作用，各層密實度具有隨其埋深增加而逐漸增大的總趨勢。

3.2 承載力及變形特性

對于建在深厚覆蓋層上的高堆石壩，首先要深入研究基礎的承載力及變形特性。為了研究壩基河床覆蓋層的承載力及變形特性，開展了現場載荷試驗和鉆孔動力觸探、標貫、旁壓試驗及室內壓縮試驗。由于第①、②層埋藏較深，其承載力和變形特性可根據鉆孔動力觸探、標貫和旁壓試驗確定，試驗結果見表2。

圖2 第①層顆粒級配曲線

圖3 第②層顆粒級配曲線

圖4 第③層顆粒級配曲線

從上述各試驗和室內試驗成果可知，河床覆蓋層第①、③層漂卵礫石承載力和抗變形能力較高，第②層砂卵礫石次之，砂層透鏡體低，且同一層承載力和變形模量亦有一定差異，表明了河床覆蓋層物質組成結構的不均一性而導致力學性質的差異。

表2 承載變形實驗成果 MPa

3.3 抗剪強度

由于第①、②層埋藏較深，原狀試樣難以取得，本次剪切試驗主要在第③層中進行。第③層現場大剪試驗結果顯示內摩擦角φ=34.2°～40.6°，凝聚力c=0.0～0.034MPa;根據擾動樣室內大三軸試驗表明，其顆粒平均線固結排水剪內摩擦角 φ=38.19°～39.2°，凝聚力 c=0～0.035MPa。另外，擾動樣室內飽固快直剪試驗也反映出其內摩擦角φ=37.3°～42.4°，凝聚力 c=0.08～0.085MPa。上述試驗成果均表明該層漂卵礫石總體抗剪強度較高。

3.4 動力特性

為了獲取壩基河床覆蓋層的縱、橫(剪切)波波速及相關參數，進行了跨孔波速測試，測試結果見表3。

表3 動力變形特性試驗結果

根據剪切波速值等試驗成果看，漂卵礫石層的剪切波速、動彈模、動剪模均大于砂卵礫石層，下部剪切波速、動彈模、動剪模大于上部。根據剪切波速判別，河床覆蓋層屬中硬場地土，場地類別屬Ⅱ類。又根據室內動三軸測試表明:(1)動強度和動剪應力比隨振次的增大而減小;(2)動強度和動剪應力比隨固結應力比的增大而增大;(3)同一砂層不同鉆孔砂樣的動強度和動剪應力比有一定差異，但總體規律仍較強，且與其干密度有一定關系。

3.5 滲透特性及滲透變形

為了查明壩基河床覆蓋層的滲透特性，評價其滲漏和滲透變形穩定性，進行了現場抽水試驗、標準注水試驗、現場滲透變形試驗和室內滲透變形試驗。由于第①、②層埋藏較深，試驗主要在上部第③層中進行。抽水、注水等試驗結果見表4。

滲透性及滲透變形試驗表明，壩基河床覆蓋層多具強透水特性，滲透變形破壞型式為管涌，抗滲透變形能力差。

3.6 各層物理力學參數建議值

根據本工程覆蓋層的基本地質條件，各層物理力學參數選取的總原則是以現場和室內試驗成果為依據，結合已建工程經驗進行工程地質類比分析綜合確定。壩址河床覆蓋層物理力學指標參數選取見表5。

表4 壩址區覆蓋層抽(注)水試驗結果

表5 雙江口壩址覆蓋層物理力學指標參數選取

4 小 結

(1)由于覆蓋層往往具有結構復雜、透水性強、夾有砂層，故壩基存在抗滑穩定、滲透穩定、壓縮變形及抗震穩定等工程地質問題。因此，對覆蓋層的研究要采用多種勘探和試驗手段，以便相互驗證，利用物理指標與力學特性的相關關系來判定覆蓋層的力學特性，從而較合理地評價軟基建壩的工程地質問題，提出可靠的工程處理措施。

(2)對覆蓋層的滲透變形特性研究具有非常重要的意義。對含有砂層透鏡體、滲透性強且具多層結構的覆蓋層，除需要防止發生管涌破壞外，還要注意由于滲透性的差異，有可能產生的接觸沖刷。

(3)若覆蓋層壩基中夾有砂層透鏡體且當地地震基本烈度較高時，應加強對砂層地震液化問題的研究。對于雙江口壩址區，范圍較大的砂層③－b埋藏淺，結構較松散，地震液化的可能性較大;砂層②－b在天然狀態下的抗振動液化能力處于臨界狀態或液化狀態，建議結合心墻和反濾層地基開挖對兩砂層作全部挖除處理。

這是初設階段的研究并用于設計的主要地質依據，在該工程壩基全面揭露以后，將繼續深入研究，特別是對承載力、穩定性、砂層液化和高邊坡的詳細研究。