蘇洼龍水電站壩基深厚覆蓋層工程地質特性研究及利用

劉德斌, 張吉良, 李興華

(中國電建集團 北京勘測設計研究院有限公司 工程勘測科研院,北京 100024)

蘇洼龍水電站壩基深厚覆蓋層工程地質特性研究及利用

劉德斌, 張吉良, 李興華

(中國電建集團 北京勘測設計研究院有限公司 工程勘測科研院,北京 100024)

蘇洼龍壩址所在河段河床覆蓋層深厚,結構層次復雜,性狀不一,各地層物理性及力學性指標各異,在壩基滲漏及滲透穩定破壞、地震液化、不均勻沉降等方面存在一定的工程地質問題。為了查清其主要地層巖性、分布規律、物理力學性質,合理利用覆蓋層建壩,為工程設計提供合理的設計依據及基礎處理方案,改進勘探方法、取樣試驗方法,綜合分析現場及室內試驗成果,對各地層物理力學性質做出綜合評價,為壩型及持力層的選擇提供有利的技術支撐。

深厚覆蓋層;滲透破壞;地震液化;持力層

蘇洼龍水電站位于金沙江上游河段四川巴塘縣和西藏芒康縣的界河上,為規劃中的金沙江上游川藏段13個梯級電站中的第10級。初擬采用瀝青心墻壩作為代表性壩型,擋水建筑物最大壩高112 m,壩頂高程2 480 m,水庫正常蓄水位2 475 m,總裝機容量1 200 MW,為一等大(Ⅰ)型工程。地震基本烈度Ⅷ度,根據地震安全性評價,工程區地震基本烈度為Ⅷ度,工程區屬區域構造穩定性較差區。

蘇洼龍壩址所在河段河床覆蓋層深厚,結構層次復雜,性狀不一,各地層物理性及力學性指標各異,在壩基滲漏及滲透穩定破壞、地震液化、不均勻沉降等方面存在一定的工程地質問題,尤其是第四層細粒土質砂層可能存在地震液化問題。因此,綜合評價各地層物理力學性質,科學選擇壩型及持力層尤為必要。

1 勘探及取樣試驗方法

由于壩基河床覆蓋層深厚,多為沖洪積成因,地層成分復雜,結構松散,取樣難度大。為了能夠查清壩基地層巖性和其主要物理力學性質,鉆進采用植物膠護壁,保證了巖芯采取率,現場用取土器、取砂器在孔內取樣進行天然密度、天然含水率等試驗及室內試驗,同時,現場在鉆孔內進行標準貫入、動力觸探、載荷試驗、旁壓試驗等。

2 河床覆蓋層結構特征

根據勘探成果,河床覆蓋層深厚,一般厚度為60～85 m,最深達91.2 m。具有明顯的成層性,各土層的物質組成差異明顯,根據其物質組成及其力學性質,自上而下分為六個大層及三個主要的透鏡體層。各層基本特性見表1[1]。

3 河床覆蓋層工程地質特性

為了查明其物質組成特征及物理力學特性,在現場的鉆孔主要進行了天然密度、天然含水率、重力觸探、標準貫入、旁壓、載荷、剪切波測試等試驗工作;室內主要對鉆孔原狀樣及擾動樣進行了顆分、密度、壓縮固結、直剪及三軸試驗工作,通過以上綜合試驗工作,基本查明了河床覆蓋層各層物質的物理力學特征[2]。

3.1 覆蓋層的顆粒組成

本階段對覆蓋層各層分別進行了顆分試驗工作,細粒的粘土層、砂層采用孔內原裝樣進行,表部粗粒土采用現場挖坑試驗的方法,埋深較大的粗粒土,由于受取樣限制,采用了鉆孔單層混合取樣試驗的方法,各土層的級配顆分曲線平均值如圖1所示。

3.2 覆蓋層各層的物理力學性質

為了查明其物理力學特性,本階段進行了一系列的現場及室內試驗工作,基本查明了河床覆蓋層各層物質的物理力學特征。

表1 河床覆蓋層基本特征簡表Table 1 The basic characteristics of riverbed covering

圖1 壩址區各層顆粒大小平均值分布曲線Fig.1 The distribution curve of average size of particle size in dam site area①.砂卵礫石;②.低液限粘土;③.卵石混合土;④.(含)細粒土質砂;⑤-1.粉土質砂;⑤.混合土卵石;⑥冰積碎、塊石。

3.2.1 各土層的物理性質

本階段根據各層的物質組成特點,分別采用現場及室內試驗的方法,通過鉆孔及探坑分層進行了不同的物理性質試驗工作,根據試驗成果各層主要物理特性見表2。

表2 各土層及其夾層物理特征參數建議值表Table 2 Suggested values of physical characteristic parameters of different soil layers and interlayers

3.2.2 各土層力學特性

本階段根據各土層的特點,分別進行了載荷、標貫、動探、旁壓等原位試驗工作,及以壓縮固結、直剪和三軸試驗為主的室內試驗。

綜合上述試驗成果,并結合各土層的顆粒級配、埋深、結構特征及試驗成果的可靠度分析,類比國內相近工程的經驗,提出了蘇洼龍壩址區覆蓋層各土層及其透鏡體夾層的力學參數建議值(見表3)[3]。

表3 各土層及其夾層力學參數建議值表Table 3 Suggested values of mechanical parameters of different soil layers and interlayers

4 河床覆蓋層工程地質評價

4.1 粗粒土層工程地質評價

壩址區河床粗粒土為河床①、③、⑤、⑥層,除第①層位于地表,其它均埋深較大。

粗粒土層以碎石、卵石及漂石為主,夾細粒的砂礫質及少量泥質,根據前述工程地質特性可知,土體具有較高的承載能力、壓縮性低、抗變形能力強的特點,均可作為壩基持力層。根據其顆分成果可知,粗粒土>5 mm顆粒含量均>70%,土體均不存在液化的可能。

根據前述顆分試驗成果及顆分曲線,粗粒土體不均勻系數均>5,采用其級配曲線平均線,可以看出第①及⑥層為級配不連續土,其它為級配連續土體。根據《水力發電工程地質勘察規范》(GB 50287—2016)[4]中對土體的滲透變形形式的判別方法,粗粒土地基土以中等透水—強透水層為主,其滲流破壞形式以管涌或過渡型為主,層間均存在接觸流失破壞的可能,允許滲透坡降為0.15～0.2之間,粗粒土一般隨著深度的增加其滲透性有所減弱。雖然各層土體顆粒組成及結構差異較大,但其滲透系數一般較為相近。

4.2 細粒土層工程地質評價

壩址區河床細粒土主要為砂層及砂層透鏡體。壩址區河床主要分布有第④層(含)細粒土質砂層及③-1粉土質砂層透鏡體,⑤-2粉土質砂層透鏡體,其中第④層分布較為穩定廣泛,本階段對其工程地質特性進行了專門研究,基本查明了其主要工程地質問題。

細粒土層以砂質為主,夾部分泥質及少量礫石,由于其一般深埋,總體上較為密實,少量甚至可見弱膠結。根據前述工程地質特性可知,河床細粒土具有較好的抗滑穩定性,較高的承載能力,壓縮性中等。其抗滑穩定性較好,抗變形能力較強。

砂層滲透系數一般為1.0×10-4～5×10-3cm/s,允許滲透坡降為0.1～0.3,砂層的透水性中等,滲透破壞形式為流土型。

由于砂層為飽和的無粘性土層,地震液化將是制約其工程地質特性的主要工程地質問題,本階段針對覆蓋層內的砂層進行了深入的地震液化分析研究工作,對主要的砂層及砂層透鏡體進行了綜合評價。

對于河床覆蓋層的液化初判方法中,地層年代判別法表明,壩址河床覆蓋層存在液化的可能性不大;通過厚度法、顆粒級配的初判,③-1及④層存在液化可能;剪切波速法判定結果顯示地震烈度為Ⅷ度時,河床覆蓋層第③-1、④層存在液化可能性;復判方法中,平均粒徑法及綜合指標法判定③-1層在Ⅷ度及以下地震烈度下不存在液化可能,但Ⅸ度地震烈度存在液化可能,相對密度法、液限含水量法及綜合指標法判定河床覆蓋層第④層不存在地震液化問題;動三軸試驗成果表明,50年超越概率5%的地震動峰值加速時,河床覆蓋層第④層不存在地震液化問題;100年超越概率2%的地震動峰值加速度時,河床覆蓋層第④層有可能存在地震液化問題。考慮各種設計工況,采用三維動力反應分析計算,對地基第④層進行了液化危險性分析。計算結果表明,50年超越概率5%的地震動峰值加速和100年超越概率2%的地震動峰值加速度時,壩基砂層均不會發生液化問題。

由于大部分常規液化判定方法適用范圍有限,計算參數多為經驗值,而三維動力反應分析計算考慮了大壩建成后的實際工況。綜合分析,第③-1粉土質砂層、④層細粒土質砂層在地震烈度Ⅷ度時液化的可能性不大,在地震烈度Ⅸ度時液化的可能性增大。

4.3 低液限粘土層工程地質評價

壩基低液限粘土層主要為第②層及⑤-2層透鏡體層,第②層埋深一般3～5 m,分布范圍廣,厚度一般3～7 m,少量較大可達13 m。⑤-2層埋深較大,一般>50 m,厚度較小,一般1～3 m,由多個透鏡體組成,單個透鏡體面積較小,對工程影響相對較小。所以本階段重點對第②層進行了詳細的勘察研究工作。

粘土層呈可塑狀,相對較為均勻,局部夾有砂質及少量礫石。土體透水性微弱,為壩址區的相對隔水層,允許滲透比降較大,總體滲透穩定性較好。內摩擦角φ一般為18°～20°,內凝聚力較小,允許承載力一般為150～180 kPa,壩體穩定性較好。

根據壓縮固結試驗成果可知,粘土層孔隙比為0.56～0.99,平均值為0.79;壓縮系數av0.1～0.2為0.11～0.50 MPa-1,平均值為0.31 MPa-1;壓縮模量Es0.1～0.2為4.09～15.12 MPa,平均值為7.44 MPa;單位沉降量為21.5～103.35 mm/m,平均值為49.83 mm/m。說明土體具有中等壓縮性。

5 壩基持力層選擇

堆石壩壩基持力層的選擇直接關系到覆蓋層的應力應變場、砂土的液化、滲流的防治及地基的處理措施等多個方面。影響持力層選擇的因素很多,有壩基的工程地質特性、建筑物特征、施工條件、方法及工藝、經濟指標等。從工程角度出發,主要考慮其作為壩基的巖土體的工程地質特性及建筑物的特性。對于一定的建筑物,既要考慮充分利用壩基巖土體的工程地質特性,選擇工程特性較好的巖土體作為壩基,以滿足建筑物對壩基強度、變形、抗滑穩定性、滲透及液化等方面的要求,又要兼顧開挖、地基處理及施工適宜性等方面的要求。

第①層砂卵礫石層位于地表,其作為地基基礎具有開挖少,承載力高的優勢,但由于其厚度一般較小,平面高程變化較大,結構松散,透水性強,防滲難度大,其下部覆蓋層較厚,且存在較為軟弱的粘土層及砂層,容易發生不均勻沉降。

第②層低液限粘土層厚度一般3～7 m,少量較大可達13 m。頂板高程2 370～2 388.2 m,底板高程2 366.1～2 384 m,埋深一般不大,透水性微弱,為壩址區相對隔水層,但由于其分布不連續,局部地段缺失,不能作為穩定的隔水層,下部為透水性較強的粗粒土及砂層,且厚度較大,防滲難度較大;同時地基土存在不均勻沉降問題,且頂底板高程變化大,作為地基基礎其整體工程地質特性較差。

第③層卵石混合土層以沖積卵礫石為主,充填砂質及少量泥質,總體上以中密—密實狀為主,分布較為穩定,兩岸稍薄,河床深槽部位稍厚,頂板分布高程2 366～2 384 m;地基承載力相對較高,能夠充分發揮其承載力較高的優勢,減少地基處理工作量;由于第③層卵石混合土以粗粒土為主,壩體堆石料與壩基具有較高的摩擦系數,有利于增加大壩的淺層抗滑穩定性。

第④層(含)細粒土砂層,埋深較大,密實度較高,但厚度變化較大,最大可達17.7 m,最小僅為1.5 m,局部地段甚至缺失,不能作為一個穩定的持力層,根據前述可知該層在Ⅸ度地震烈度下局部可能存在地震液化問題,需要采取適當的防液化處理措施。

第⑤層混合土卵石層,以沖積卵礫石為主,充填砂質及少量泥質,總體上以中密—密實狀為主,分布較為穩定,厚度一般20～30 m,河床深槽兩側受下伏基巖面形態控制,厚度變化較大,河床深槽部位稍厚,頂板分布高程2 336.2～2 364 m。該層土體地基承載力相對較高,可達350～450 kPa,能夠充分發揮其承載力較高的優勢,減少地基處理工作量。由于第⑤層卵石混合土以粗粒土為主,壩體堆石料與壩基具有較高的摩擦系數,有利于增加大壩的淺層抗滑穩定性。將工程地質特性較差的粘土層及砂層開挖,有利于減小基礎沉降、消除砂層的地震液化及增加壩體的抗滑穩定性。第⑤層為中等—強透水層,有利于地下水的排出,降低滲透壓力。

第⑥層冰積塊碎石層,以塊碎石為主,擠壓緊密,埋深大,位于河床深槽部位,頂板高程2 320～2 330 m,起伏不大,有利于形成基礎面。該層土體地基承載力相對較好,可達450～550 kPa,能夠充分發揮其承載力較高的優勢,減少地基處理工作量。

綜上可知,壩基③、⑤、⑥層均具有作為地基基礎的條件,但由于第⑥層埋深大,開挖量多,經濟性較差;③、⑤層均為粗粒土,地層穩定,容易形成統一的持力層,地基承載力均較高,與壩體材料的摩擦系數較大,有利于增加大壩的淺層抗滑穩定性;下臥層均以粗粒土為主,透水性較強,有利于地下水的排出,減小滲透壓力,但透水量均較大,均需要采取可靠的防滲措施;以第③層作為地基基礎地基均勻沉降問題較嚴重,防滲深度更大,但開挖量較小,基坑支護難度小;以第⑤層作為地基基礎下伏覆蓋層厚度更小,防滲深度小,且由于挖除了第④層(含)細粒土砂層,不存在砂土液化問題,但工程開挖量大,基坑邊坡高度高,基坑支護難度大。所以,三種開挖方案從工程角度考慮均成立,且各有優缺點,具體持力層的選擇仍需要綜合考慮工期、投資、施工方案等因素合理選擇。

[1] 羅志虎.蘇洼龍水電站河床深厚覆蓋層工程地質特性研究專題報告[R].北京:中國電建集團北京勘測設計研究院有限公司,2010.

[2] 中華人民共和國建設部.土工試驗方法標準:GB/T 50123—1999[S]. 北京:中國計劃出版社,1999.

[3] 中華人民共和國住房和城鄉建設部.巖土工程勘察規范:GB 50021—2009[S].北京:中國建筑工業出版社,2009.

[4] 中華人民共和國住房和城鄉建設部.水力發電工程地質勘察規范:GB 50287—2016[S].北京:中國計劃出版社,2016.

(責任編輯：陳姣霞)

Research and Utilization of Engineering Geological Characteristics ofDeep Overburden in Suwalong Hydropower Station Dam Foundation

LIU Debin, ZHANG Jiliang, LI Xinghua

(PowerChinaBeijingEngineeringCo.,Ltd,InstituteofEngineeringProspecting,Beijing,China100024)

The overburden of the riverbed is deep in reaches of the site of the Suwalong dam site,the structure of overburden is complex and has different traits,and there are various physical and mechanical indexes in different layers. Therefore,the riverbed has vary engineering geological problems in the dam foundation leakage,seepage failure,earthquake liquefaction and uneven settlement. In order to find out the rock properties,distribution law,physical and mechanical properties of main layers,and rational use of overburden to build dam,provide reasonable design basis and basic treatment scheme for engineering design. Through the improvement of exploration method and sampling method,combined with comprehensive analysis of field and laboratory test results,the physical and mechanical properties of layers are evaluated to provide a favorable technical support for the selection of the dam type and bearing stratum.

deep overburden layer; seepage failure; earthquake liquefaction; bearing stratum

2017-06-20;改回日期:2017-07-13

劉德斌(1971-),男,高級工程師,工程地質專業,從事水文地質與工程地質勘察設計工作。E-mail:lsr-999@163.com

P64; TV223

A

1671-1211(2017)04-0385-04

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2017.04.006

數字出版網址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20170623.0854.004.html 數字出版日期:2017-06-23 08:54