瓦托水電站左岸埋藏谷松散堆積物滲透穩定性分析

王寶文，許蘊寶，席海軍，賈 文，高 博

(中水東北勘測設計研究有限責任公司，吉林長春 130021)

1 基本情況

瓦托水電站位于西藏昌都市卡若區瀾滄江右岸一級支流金河上，下距金河水電站大壩約4.5 km，為金河水能開發的次末級。瓦托水電站正常蓄水位3 315 m，壩頂高程3 317.8 m，最大壩高 65.0 m，壩長 219.5 m，水庫回水長約5.73 km，庫容1 224 ×104m3，初擬電站裝機容量54 MW。樞紐由混凝土重力壩、左岸當地材料壩及壩后式廠房等建筑物組成。

壩址左岸發育有多級階地，階地下伏埋藏谷，埋藏谷呈向山里突出的弧形，上、下游均存在基巖豁口，豁口被漂卵石充填，豁口處基巖面低于現代河床，埋藏谷松散堆積層厚度45～55 m。

瓦托壩址左岸埋藏谷松散堆積層厚度巨大，壩基防滲問題尤顯突出。

2 埋藏谷松散堆積物的結構特征

2.1 埋藏谷松散堆積物的結構特征

埋藏谷表部為2～6 m厚的坡積(Qdl4)混合土碎石覆蓋，其下沖洪積層(Qpal2)厚度巨大，自上而下可分為卵石混合土、粉土質礫、混合土漂石等。

(1)卵石混合土，稍濕—飽和，結構中密—密實，局部架空，泥分布不連續，可見次棱角狀的塊石、碎石。鉆孔注水試驗滲透系數大值平均值K=2.66×10－3cm/s，室內滲透試驗滲透系數大值平均值K=6.42×10－3cm/s，總體屬中等透水層。

(2)粉土質礫，灰黃—灰白色，稍濕，中密—密實，以透鏡體的形式分布于卵石混合土層中。鉆孔注水試驗滲透系數大值平均值 K=2.06×10－3cm/s，總體屬中等透水層。

(3)混合土漂石，灰—灰白色，稍濕—飽和，中密—密實。鉆孔注水試驗滲透系數K=1.29 cm/s，室內滲透試驗滲透系數K=6.51×10－3cm/s。鉆探過程中該層發生過漏漿掉鉆現象，說明局部存在架空現象。考慮到沉積環境的差異，該層總體應屬中等透水層，局部為強透水。

下伏基巖為侏羅系下統細砂巖與泥質砂巖互層。

2.2 埋藏谷松散堆積物的物理力學性質

左岸埋藏谷松散堆積層由沖洪積卵石混合土、粉土質礫和混合土漂石組成，共取樣15組，其中卵石混合土層中取樣11組、粉土質礫取樣3組、混合土漂石取樣1組。繪制了三層土顆粒分布范圍圖，見圖1。

圖1 左岸埋藏谷三種土粒徑分布范圍圖Fig.1 Grain size distribution of the buried valley at the left bank

埋藏谷松散堆積物物理力學試驗成果見表1。

瓦托壩址左岸埋藏谷松散堆積層由卵石混合土、混合土漂石等組成，粉土質礫透鏡體分布連續性差。該層顆粒組成由于自上至下變粗，中密—密實，滲透差異性不大，總體屬中等透水，故可把沖洪積層視為結構及滲透性相似的不均勻無粘性土層。

表1 左岸埋藏谷松散堆積物物理力學性質試驗成果表Table 1 Loose deposits physical mechanics characteristic experiment results of the buried valley under the left bank

3 埋藏谷松散堆積層滲透穩定性分析

3.1 滲透變形類型判別方法的選擇

國內外學者對土的滲透及滲透穩定性機理和發生發展的條件研究較多，原理基本相似，但一些參數的取值略有不同，有單一因素法、雙因素法和綜合分析的方法［1］，目前采用綜合分析的方法居多。

(1)細粒含量法［2－3］。細粒含量法的理論基礎是認為滲透破壞形式決定于土體的內部結構是否穩定，決定于細料填充粗料孔隙的程度，當細料含量小于某一數值，由于填不滿粗料骨架形成的孔隙，細料處于不受約束狀態，在一定的水動力條件下，容易被滲流帶走，形成管涌型破壞。當細料填滿粗料孔隙時，粗細料成為一個整體，因而在滲流作用下以整體形式破壞，形式為流土。

筆者采用區分(界限)粒徑的方法為《水力發電工程地質勘察規范》(GB 50287—2006)附錄 L.0.3的規定:

①流土型:Pc≥35%;②過渡型:25% ≤Pc＜35%;③管涌:Pc＜25%。

式中:Pc為土的細粒含量，以質量百分率計(%);Cu=為土的不均勻系數為粗細粒的區分粒徑(級配連續的土);d70、d60、d10為占總土重 70%、60%、10%的顆粒粒徑(mm)。

(2)粗細料含量對比法［4］。粗細料含量對比法的原理是以太沙基反濾層設計概念為基礎，以粗細料的比值作為保護細料不產生破壞為條件。細料含量指粒徑＜1 mm的顆粒所占整個土重的比例(%)，粗料D15和細料D85是先將土樣按粗粒和細粒分開，分別求出粗粒土D15和細粒土D85。

筆者采用《水利水電工程地質手冊》(1985年第一版)介紹的方法:

對瓦托水電站左岸埋藏谷松散堆積層滲透變形類型進行判別時，主要采用《水力發電工程地質勘察規范》(GB 50287—2006)附錄L、《水力發電工程地質手冊》(2011年版)及《水利水電工程地質手冊》(1985年第一版)的方法，并參考了《土的滲透穩定與滲流控制》(劉杰)等專著。由于埋藏谷組成物多為不均勻系數＞5的不均勻土，所以只選用與顆粒組成相關、針對不均勻土的判別公式。

3.2 滲透變形類型的判別結果

左岸埋藏谷沖洪積土顆粒特征值見表2，沖洪積土滲透變形型式判定結果見表3。

表2 左岸地埋藏谷沖洪積土顆粒特征值Table2 Grain size characteristics of pluvial alluvial sediments at the buried valley under the left bank

表3 左岸埋藏谷沖洪積土滲透變形判定分析計算成果表Table 3 Seepage deformation assessment analysis of pluvial alluvial sediments at the buried valley under the left bank

3.2.1 細粒含量法

以Pc≥35%判定為流土型，Pc＜25%為管涌型，35% ＞Pc≥25%為過渡型。卵石混合土層中判定有1組為流土型，占9%;有7組為管涌型，占64%;有3組為過渡型，占27%。粉土質礫土層中判定1組為管涌型，占33%;2組為過渡型，占66%。混合土漂石土層中判定1組為管涌型，占100%。

3.2.2 粗細料含量對比法

瓦托壩址左岸埋藏谷部位松散堆積層所取15組樣中，細粒含量法判定卵石混合土層中有1組為流土型，占9%;管涌型為7組，占64%;過渡型3組，占27%。粉土質礫土層中有1組為管涌型，占33%;2組為過渡型，占66%。混合土卵石為管涌型。粗細料含量對比法判定均為管涌型。

綜合評價:左岸埋藏谷松散堆積層滲透變形的主要型式為管涌型，少數有發生流土型變形的可能，過渡型按土的密度、粒級、形狀等其滲透變形的型式為管涌型。

3.3 臨界水力比降的確定

《水力發電工程地質勘察規范》(GB 50287—2006)附錄L.0.4采用公式計算，確定滲透變形臨界水力比降。孔隙率是一個非常重要的物性指標，瓦托水電站左岸埋藏谷沖洪積土試驗測定了5組孔隙率，由于沖洪積土組成物結構中密—密實，具不均一性，測定的5組孔隙率指標基本上可代表沖洪積土的實際情況。

管涌型臨界水力比降采用(L.0.4-2)計算，采用(L.0.4-3)進行驗證:

式中:Gs為土粒密度與水的密度之比;n為土的孔隙率;d5、d20分別占總重的5%和20%的土粒粒徑(mm)。

式中:K為土的滲透系數(cm/s);d3為分別占總重的3%的土粒粒徑(mm)。

計算結果見表4。

表4 管涌型臨界比降J cr計算表Table 4 Gradient critical J cr values of piping type

左岸埋藏谷卵石混合土層取樣4組進行室內滲透試驗，測得的滲透系數試驗大值平均值為7.34×10－3，臨界比降的平均值為0.443;混合土漂石取樣1組，測得的滲透系數為6.51 ×10－3，臨界比降為 0.445。

依表4計算結果，結合室內試驗綜合分析確定瓦托水電站左岸地埋藏谷松散堆積層臨界水力比降值為0.45。

3.4 允許水力比降的確定

根據《水力發電工程地質勘察規范》(GB 50287—2006)附錄L.0.5規定:無粘性土的允許水力比降以土的臨界水力比降除以1.5～2.0的安全系數。考慮到瓦托水電站左岸埋藏谷部位松散堆積層埋深2～6 m，層厚一般25～45 m，厚者達58 m，結構中密—密實，具不均一性，安全系數取1.5較為合適。所以埋藏谷松散堆積層滲透變形允許比降J允許=0.30較為適宜。

3.5 滲透穩定性評價

影響土滲透變形的因素較為復雜，如土體的結構特征、成因類型、膠結程度、地下水動態、地形地質條件等，決定無粘性土滲透破壞特性的主要因素是顆粒組成及密實程度。

根據瓦托水電站預可研、可研地質資料:左岸埋藏谷松散堆積物由卵石混合土、粉土質礫、混合土漂石組成，呈灰—灰白色，結構中密—密實，漂、卵、礫石成分復雜，主要為強風化—微風化花崗巖、砂巖等，分選較差，蝕圓度中等，局部可見泥和次棱角狀的碎塊石，漂、卵石中局部見全強風化花崗巖。卵石混合土中卵石粒徑一般為60～140 mm;混合土漂石中漂石粒徑一般為220～350 mm;粉土質礫中礫石含量約60%，粒徑一般為10～40 mm，在空間分布上連續性差。

埋藏谷松散堆積層埋深2～6 m，在長期固結壓力作用下，土體密實度較大，孔隙率較小。而采用的判別方法是按無粘性土進行判定，從理論上講偏于安全。

從表4的分析可知，金河瓦托水電站左岸埋藏谷松散堆積層滲透變形型式主要為管涌。發生滲透管涌變形必須具有兩個條件:一是滲透變形的水動力條件，即要有足夠的水力比降作用下才能發生;二是要有相應的幾何條件，即要有使細顆粒移動的足夠的空隙和空間。

從圖1可以看出，埋藏谷松散堆積層卵石混合土與混合土漂石土兩層平均顆分曲線顆粒組成差別不大，滲透系數相近，只是混合土漂石相比卵石混合土顆粒較粗，結構相對較為密實，其兩層發生接觸流失、接觸沖刷的可能性不大，在其滲流向上的情況下更不可能。粉土質礫以透鏡體的形式分布于卵石混合土層中，其橫向與縱向上呈不規則狀，結構中密—密實，細粒含量較卵石混合土多，通過試驗比較滲透系數相差不是很大，其兩層發生接觸流失、接觸沖刷的可能性亦不大，在其滲流向上的情況下更不可能。

實踐證明，滲流出口滲透穩定的控制是滲流安全控制的關鍵，無論是管涌或流土破壞，滲流都是首先由出口帶出顆粒，然后逐步向上游發展，直至全部破壞，沒有發現先從內部破壞而向上游發展的任何實例。

由于瓦托水電站左岸Ⅱ級階地埋藏谷松散堆積物卵石混合土層上覆2～6 m左右坡積的碎石混合土層，自重壓力不大，壩下大部地表卵石混合土出露，為中等—強透水層，排泄條件較好，可能使細粒隨滲透水流產生位移，產生管涌破壞。粉土質礫以透鏡體的形式分布于卵石混合土層中，上覆卵石混合土層，且為中等—強透水層，排泄條件較好，其抗滲比降明顯提高，發生管涌破壞的可能性要小一些。混合土漂石下伏于卵石混合土層中，上覆自重壓力較大，結構較為密實，卵石混合土層為中等—強透水層，排泄條件較好，發生管涌變形的可能性要小。

從表3的分析可知，有1組滲透變形判定為流土型，結合工程的實際情況，該樣品取樣位置多位于正常蓄水位以上，基本不會受到水動力條件作用的影響，故不會發生流土坡壞。

根據以上分析，認為瓦托水電站左岸埋藏谷松散堆積物不會發生滲透流土變形，可能會發生管涌變形，需采取防滲措施進行處理。

4 結語

通過瓦托水電站左岸埋藏谷松散堆積物結構特征及滲透穩定性分析的研究，得出如下:

(1)埋藏谷松散堆積物樣品的采集要有代表性是首要的，這樣顆分資料才能準確反映地層的實際情況，判別的結果才具有可靠性。

(2)無粘性土的滲透變形類型的判別方法有單一因素法(不均勻系數法、細料粒徑對比法)、雙因素法和綜合分析的方法。綜合分析法相對客觀真實。

(3)孔隙率是確定臨界水力比降的重要物性指標。

(4)流土破壞是整體破壞，對水工建筑物的危害較大，允許比降安全系數取2，對于特重要的工程也可用2.5;管涌破壞是土粒在孔隙中開始移動并被帶走時的水力比降，一般情況下，土體在此水力比降下還有一定承受水力比降的潛力，允許比降取1.5倍的安全系數較適宜。

［1］ 劉杰.土的滲透穩定與滲流控制［M］.北京:水利電力出版社，1992.

［2］ GB 50287—2006，水力發電工程地質勘察規范［S］.

［3］ 彭土標，袁建新，王惠明，等.水力發電工程地質手冊［M］.北京:中國水利水電出版社，2011.

［4］ 水利電力部水利水電規劃設計院.水利水電工程地質手冊［M］.北京:水利電力出版社，1985.