漢江湖北段某航運(yùn)樞紐壩址工程地質(zhì)問題與壩址選擇

欒約生, 潘 霄, 肖 麗

(1.水利部 長(zhǎng)江勘測(cè)技術(shù)研究所,湖北 武漢 430011; 2.長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司,湖北 武漢 430010; 3.長(zhǎng)江科學(xué)院,湖北 武漢 430010)

漢江湖北段某航運(yùn)樞紐壩址工程地質(zhì)問題與壩址選擇

欒約生1, 潘 霄2, 肖 麗3

(1.水利部 長(zhǎng)江勘測(cè)技術(shù)研究所,湖北 武漢 430011; 2.長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司,湖北 武漢 430010; 3.長(zhǎng)江科學(xué)院,湖北 武漢 430010)

介紹漢江湖北段某航運(yùn)樞紐工程概況,分析壩址基本地質(zhì)條件及存在的主要工程地質(zhì)問題,重點(diǎn)從地質(zhì)角度對(duì)三個(gè)壩址進(jìn)行比較分析,并推薦優(yōu)選壩址,提出地基處理的建議,總結(jié)大江軟巖地區(qū)壩址勘察需注意的幾個(gè)問題。

航運(yùn)樞紐;工程地質(zhì);壩址選擇

1 工程概況

漢江某航運(yùn)樞紐位于漢江中游湖北段,主要任務(wù)為航運(yùn)、發(fā)電及降低“南水北調(diào)”對(duì)該區(qū)生態(tài)環(huán)境的影響,兼顧灌溉、旅游等綜合開發(fā)利用功能。樞紐正常蓄水位55.22 m,相應(yīng)庫容6.09億m3,裝機(jī)容量84 MW,航道等級(jí)為Ⅲ級(jí),設(shè)計(jì)通航船舶噸級(jí)1 000 t,相應(yīng)樞紐工程等別為二等,規(guī)模為大(2)型。

初選三個(gè)壩址沿漢江相距1.5 km和1.0 km。樞紐工程的水工建筑物主要有擋水土壩、船閘、電站廠房、泄水閘,次要建筑物有魚道,臨時(shí)建筑物有上下游圍堰和縱向圍堰等。擋水土壩兩端為漢江江堤或基巖岸坡,土壩采用塑性混凝土防滲墻防滲,墻體底部與基巖相接,深處約27 m,壩體采用砂礫石填筑;船閘閘室長(zhǎng)約180 m,寬約44 m,閘室邊墻高約16 m;電站廠房為河床式電站廠房,沿壩軸線方向長(zhǎng)約220 m,主機(jī)段長(zhǎng)約155 m,廠房壩段為擋水建筑物的一部分;泄水閘為鋼筋混凝土開敞式平底閘,單孔寬14 m,閘室總長(zhǎng)約820 m,上游面設(shè)有水平防滲鋪蓋;魚道總長(zhǎng)約495 m,以滴水聲誘魚;圍堰采用塑性混凝土防滲墻形式。

2 壩址基本工程地質(zhì)條件

工程區(qū)位于南襄盆地和江漢平原的過渡地帶,地面高程約53～75 m,河床寬度一般1 200～2 000 m。壩址區(qū)基巖為新近系掇刀石組(Nd)的粘土巖、砂礫巖、砂巖和泥灰?guī)r,部分砂礫巖、砂巖呈疏松—弱膠結(jié)狀態(tài);第四系由中更新統(tǒng)善溪組(Q2s)、上更新統(tǒng)宜都窯組(Q3y)和全新統(tǒng)(Q4)的粉質(zhì)壤土、粉質(zhì)粘土或砂壤土、粉細(xì)砂、卵礫石組成,另有人工填筑堤防。工程場(chǎng)址區(qū)50年超越概率10%時(shí)的地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.35 s,相應(yīng)地震基本烈度為Ⅵ度。

河床段覆蓋層具典型的二元結(jié)構(gòu),上部為河床粉細(xì)砂,下部為卵粒石。粉細(xì)砂的不均勻系數(shù)Cu為2.1～31.3,曲率系數(shù)Cc為0.8～7.6,多為級(jí)配不良,標(biāo)準(zhǔn)貫入修正后擊數(shù)為3～11,平均為6擊,承載力為90～110 kPa,滲透系數(shù)為3.82×10-3～9.53×10-3cm/s,臨界比降0.25～0.28,破壞形式主要為管涌、流土—管涌過渡型,抗沖流速為0.25 m/s;砂卵礫石的不均勻系數(shù)Cu為4.7～556.3,曲率系數(shù)Cc為0.1～9.5,多為級(jí)配不良,砂卵礫石動(dòng)探N120′為7～18,平均為12擊,承載力為300～320 kPa,滲透系數(shù)為7.24×10-3～5.32×10-2cm/s,臨界比降0.22～0.25,破壞形式主要為管涌,抗沖流速為0.50 m/s。

基巖中的粘土巖彈性模量?jī)H0.04 GPa,承載力為250 kPa;弱膠結(jié)粉細(xì)砂巖彈性模量?jī)H0.08 GPa,承載力為350 kPa;疏松砂礫巖彈性模量?jī)H0.06 GPa,承載力為300 kPa。而粉細(xì)砂巖彈性模量則為0.45 GPa,承載力為600 kPa;砂礫巖彈性模量為2.50 GPa,承載力為1 500 kPa。由此可見,膠結(jié)程度對(duì)巖石強(qiáng)度影響甚大。

3 壩址主要工程地質(zhì)問題

3.1 土體承載力低與抗沖刷問題

粉細(xì)砂承載力僅90～110 kPa,存在承載力不足的問題,不能直接作為泄水閘等混凝土建筑物的地基。

粉細(xì)砂的不沖刷流速為0.25 m/s,泄水閘、電站廠房、船閘及導(dǎo)流明渠等建筑物地段地基或邊坡存在粉細(xì)砂的水流沖刷問題。

3.2 砂土振動(dòng)液化問題

漫灘及河床部位的粉細(xì)砂直接出露地表,粘粒含量<3.0%,水庫正常運(yùn)行時(shí),粉細(xì)砂層處于飽和狀態(tài),按照《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(GB50487—2008)的地震液化判定方法[1],在Ⅵ度地震作用下,初判不能排除粉細(xì)砂不存在震動(dòng)液化問題;復(fù)判計(jì)算表明,在Ⅵ度地震條件下,淺部2.0 m的粉細(xì)砂存在液化問題。

3.3 壩基滲漏與滲透變形問題

壩基下河床的粉細(xì)砂呈中等透水性,砂卵礫石呈強(qiáng)透水性,疏松砂礫巖、弱膠結(jié)粉砂巖及中粗砂巖、砂礫巖的破碎處透水率多為5～30 Lu,尤其是疏松砂礫巖的透水率很大,可達(dá)50 Lu,存在庫水滲漏問題。

壩址河床段粉細(xì)砂允許比降0.25～0.28,砂卵礫石允許比降0.22～0.25,在庫水滲透力作用下,存在滲透變形問題。

3.4 粘土巖風(fēng)化崩解問題

廠房基坑部分基礎(chǔ)為粘土巖,基坑開挖形成后粘土巖裸露,存在快速風(fēng)化崩解問題。

3.5 軟巖地基不均勻變形問題

壩基巖石為軟巖、極軟巖,有的為半成巖狀態(tài),抗壓強(qiáng)度低,抗變形能力差,且壩基巖性變化大,夾層、透鏡體普遍,分布不均一,存在地基的不均勻變形問題。

3.6 基坑涌水與邊坡穩(wěn)定問題

廠房基坑深20～23 m,粉細(xì)砂厚8.7～11.6 m,砂卵礫石厚9.7～15.2 m,呈中等—強(qiáng)透水性。基坑開挖后,在內(nèi)外高水頭差作用下,若基坑滲控措施失效,將產(chǎn)生基坑涌水問題。

廠房基坑邊坡高20～23 m,導(dǎo)流明渠邊坡高約8 m,泄水閘施工時(shí)形成的臨時(shí)基坑邊坡約8.0 m。這些邊坡由粉細(xì)砂及砂卵礫石等組成,抗剪強(qiáng)度低,存在邊坡穩(wěn)定問題。

4 壩址工程地質(zhì)條件比選

4.1 地形地貌

三個(gè)壩址地形均較平緩,河谷開闊,兩端為基巖山丘或漢江江堤。上壩址壩軸線長(zhǎng)3 730 m,主河道寬380～420 m,水深3.6～5.8 m;中壩址壩軸線長(zhǎng)3 240 m,主河道寬570～620 m,水深4.5～7.1 m;下壩址壩軸線長(zhǎng)2 282 m,主河道寬550～580 m,水深一般4.0～6.0 m。三個(gè)壩址均有利于水工建筑物的布置,主河道水深相差不大,便于施工期的導(dǎo)流和行船,但下壩址壩軸線較短,有利于節(jié)省工程投資。

4.2 地層巖性

三個(gè)壩址覆蓋層均為粉細(xì)砂和砂卵礫石,上壩址粉細(xì)砂厚0.7～9.9 m,砂卵礫石厚0～11.7 m;中壩址粉細(xì)砂厚2.9～9.9 m,砂卵礫石厚5.7～15.6 m;下壩址粉細(xì)砂厚2.0～10.6 m,砂卵礫石厚11.0～16.0 m。三個(gè)壩址基巖主要為粘土巖,但中、下壩址的泥灰?guī)r、粉細(xì)砂巖、砂礫巖透鏡體較多,上壩址的基巖透鏡體較少。

4.3 地質(zhì)構(gòu)造

三個(gè)壩址地質(zhì)構(gòu)造條件都較簡(jiǎn)單,基巖層面微傾下游偏右岸,傾角<5°,斷層不發(fā)育。

4.4 物理地質(zhì)現(xiàn)象

三個(gè)壩址物理地質(zhì)現(xiàn)象不發(fā)育,僅存在輕微的岸坡沖刷崩塌問題,下壩址和中壩址的基巖岸坡存在輕微的表部溶蝕問題。

4.5 水文地質(zhì)條件

三個(gè)壩址地表、地下水腐蝕性微弱;上壩址未揭示到承壓水,中壩址在壩軸線處揭露到高出江面約1.6 m的臨時(shí)性承壓水,下壩址在上游圍堰處揭露到高出江面約0.2 m的臨時(shí)性承壓水,承壓水不具腐蝕性,為局部透鏡體的包含水,水量小,揭穿后承壓性很快消逝,不會(huì)對(duì)水工建筑和施工造成影響。下覆基巖中的粘土巖、泥灰?guī)r為相對(duì)隔水層,粉細(xì)砂巖、中粗砂巖的透水率<10 Lu,而砂礫巖和弱膠結(jié)粉細(xì)砂巖的透水率一般>10 Lu,疏松砂礫巖的透水率一般>20 Lu?？傮w上,上壩址水文地質(zhì)條件較好,中、下壩址水文地質(zhì)條件稍差。

4.6 壩基防滲條件

上壩址防滲線多位于基巖面下約5.0 m,下部夾有厚1.0～3.0 m的透水透鏡體;中壩址右岸的防滲線多位于基巖面下約5.0 m,在左岸有長(zhǎng)1.7 km、厚約10 m的透水巖體;下壩址的防滲線一般位于基巖面下約10.0 m。

4.7 巖土體強(qiáng)度

三個(gè)壩址巖土體強(qiáng)度相差不大,以中、下壩址略優(yōu),但也均為極軟巖夾少量軟巖。

4.8 主要工程地質(zhì)問題

三個(gè)壩址均存在前述的工程地質(zhì)問題。

總體上,三個(gè)壩址地形開闊,地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單,地層結(jié)構(gòu)相似,物理地質(zhì)現(xiàn)象不發(fā)育,巖土體強(qiáng)度和工程地質(zhì)問題基本相同。雖然上壩址壩基防滲條件稍優(yōu),但下壩址壩軸線較短的優(yōu)勢(shì)明顯,所以,從地質(zhì)角度上推薦下壩址為優(yōu)選壩址。

5 建筑物基礎(chǔ)處理建議

(1) 擋水土壩、大部分泄水閘和船閘地基為粉細(xì)砂,其承載力低,淺表部存在地震液化問題,不宜直接作為建筑物基礎(chǔ)[2],建議對(duì)粉細(xì)砂基礎(chǔ)段進(jìn)行攪拌樁處理,外側(cè)采用大塊石進(jìn)行壓蓋與圍封處理。部分泄水閘段地基為砂卵礫石,承載力較高,可以滿足地基強(qiáng)度要求。

(2) 針對(duì)粉細(xì)砂和砂卵礫石存在滲漏、滲透變形、抗沖刷能力差問題,建議對(duì)壩軸線采取塑性混凝土防滲墻防滲處理、放緩壩坡坡比為1∶3.0、延長(zhǎng)混凝土壓蓋及水流滲徑等防護(hù)處理措施;對(duì)壩基透水巖體采取帷幕灌漿的方式處理。

(3) 廠房基坑邊坡、導(dǎo)流明渠和船閘邊坡存在邊坡穩(wěn)定問題,建議放緩坡比為1∶3.0或?qū)吰虏扇“鍓χёo(hù)措施,加強(qiáng)坡腳的固腳措施。

(4) 廠房基坑部分基礎(chǔ)為粘土巖,存在快速風(fēng)化崩解問題,基坑開挖時(shí),建議預(yù)留保護(hù)層并及時(shí)澆筑混凝土。

6 結(jié)語

(1) 勘察大綱編寫時(shí)要嚴(yán)格制定安全措施與應(yīng)急預(yù)案措施,勘察期間需密切關(guān)注水情雨情,保證施工安全。

(2) 由于近期人工活動(dòng)對(duì)河床影響大,后期沖積物也會(huì)覆蓋人工構(gòu)筑物或掩埋早期的河汊深溝,充分訪問當(dāng)?shù)厝罕娪兄谔岣叩刭|(zhì)測(cè)繪質(zhì)量,順利開展后續(xù)勘察工作。

(3) 粉細(xì)砂和砂卵礫石取顆分試驗(yàn)樣時(shí),宜采用植物膠循環(huán)液鉆探來保證細(xì)顆粒土不被流失;軟巖、極軟巖樣品在運(yùn)輸、制樣過程中易于損壞,取樣累計(jì)長(zhǎng)度宜超過試驗(yàn)所需樣長(zhǎng)的2倍以上;大江大河灘地發(fā)育,水頭邊界條件清楚,便于開展抽水試驗(yàn),并可采用鉆孔電視檢查套管是否隔住江水而考慮水上鉆孔的抽水試驗(yàn)。

(4) 平原地區(qū)江面開闊,地基承載力不足,適宜修建人工地基上的低矮閘壩;壩址比選可考慮基本地質(zhì)條件、防滲條件、巖土體強(qiáng)度、工程地質(zhì)問題等因素,而采用層次分析法進(jìn)行比較,抓住主要問題和影響大的因子優(yōu)先考慮,有時(shí)甚至是關(guān)鍵一票就起決定性作用。

[1] 中華人民共和國(guó)水利部.水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范:GB 50487—2008[S].北京:中國(guó)計(jì)劃出版社,2009.

[2] 長(zhǎng)江航道局.渠化工程地質(zhì)勘察規(guī)范:JTJ 241—98[S].北京:人民交通出版社,1999.

(責(zé)任編輯：于繼紅)

Engineering Geological Problems and Dam Site Selection of a Shipping Hubin the Hanjiang River of Hubei Province

LUAN Yuesheng1, PAN Xiao2, XIAO Li3

(1.ChangjiangReconnaissanceTechnologyResearchInstitute,MinistryofWaterResources,Wuhan,Hubei430011;2.ChangjiangInstituteofSurveyPlanningDesignandResearch,Wuhan,Hubei430010; 3.ChangjiangRiverScientificResearchInsitute,Wuhan,Hubei430010)

This paper introduces the general engineering survey of a shipping hub situated in the Hanjiang river of Hubei province.It analyzes the basic geology conditions of the dam site and points the main engineering geology problems exited.It compares and analyses the geology conditions of three dams and chooses the best dam site from geology view.It also proposes the suggestions how to deal with the buildings foundation.At last,it summarizes a few questions of exploring at great rivers and soft rock site.

shipping hub; engineering geology; dam site selection

2016-04-15;改回日期:2016-05-05

欒約生(1974-),男,高級(jí)工程師,水文地質(zhì)與工程地質(zhì)專業(yè),從事水利水電工程地質(zhì)勘察及水資源評(píng)價(jià)工作。E-mail:Luanys2006@126.com

TV61; P642

A

1671-1211(2016)03-0407-03

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2016.03.037

數(shù)字出版網(wǎng)址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20160504.0924.006.html 數(shù)字出版日期:2016-05-04 09:24