CCS水電站沉沙池主要工程地質(zhì)問題及處理措施

苗棟 齊三紅 李志乾

摘 要：CCS水電站沉沙池是目前全球最大的沉沙池，基礎(chǔ)為軟硬基結(jié)合基礎(chǔ)，通過多種勘察手段查明沉沙池部位約60%坐落在基巖地基上，約40%位于深厚覆蓋層上，覆蓋層厚度變化大、物質(zhì)顆粒組成的粒組分布范圍廣。結(jié)合中美規(guī)范對(duì)基礎(chǔ)工程地質(zhì)條件進(jìn)行評(píng)價(jià)，工程區(qū)地震最大動(dòng)峰值加速度為0.4g，采用建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中規(guī)定方法和SEED法對(duì)液化進(jìn)行判別，表明河床覆蓋層砂和粉砂有液化的可能，液化等級(jí)輕微。根據(jù)查明的地質(zhì)條件，建立三維模型，結(jié)合上部荷載對(duì)沉降進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。針對(duì)存在地基不均勻沉降、沉降大及地震液化等工程地質(zhì)問題，分別對(duì)堆載預(yù)壓、振沖碎石樁、混凝土灌注樁等方法的處理效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，并結(jié)合工程實(shí)際進(jìn)行比選，最終選擇混凝土灌注樁處理方法。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，該方法有效解決了沉沙池地基基礎(chǔ)存在的砂土液化、不均勻沉降、沉降變形量大等問題，同時(shí)滿足合同約定工期、技術(shù)要求。

關(guān)鍵詞：沉沙池;工程地質(zhì);地震液化;不均勻沉降;基礎(chǔ)處理;CCS水電站

中圖分類號(hào)：TV62 ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.11.023

Abstract：The sedimentation basin in CCS project is the largest sand basin in the world at present. It is based on the combination of hard and soft foundations. The main engineering geological conditions of the part of foundation are identified through a variety of investigation methods. About 60% of the base area is located on the base rock foundation. About 40% is located on the deep covering layer and the thickness variation is large. The particle group distribution range of the material particles is wide. The basic engineering geological problems were evaluated in combination with the Chinese and American specifications. The maximum dynamic peak acceleration in the area was 0.4g， and the liquefaction was judged by the method in the Building Anti-Seismic Design Specification and the SEED method. It was indicated that the sand and the silt had the possibility of liquefaction and the liquefaction level was slight. Based on the identification of the geological conditions， we established the three-dimensional model and calculated the settlement with the upper load. In view of the engineering geological problems such as the uneven settlement of the foundation， the large settlement amount and the seismic liquefaction， we compared the treatment method such as the surcharge preloading， the vibro-punching broken stone pile， the concrete filling pile in effect and the construction time limit. The results show that the method of concrete filling pile can effectively solve the problems of sand liquefaction， uneven settlement and large settlement deformation and also can meet the construction period and technical requirements of the contract.

Key words： sedimentation basin; engineering geology; seismic liquefaction; uneven settlement; foundation treatment; CCS Hydropower Station

本文以厄瓜多爾Coca Codo Sinclair水電站（以下簡稱CCS水電站）沉沙池為工程背景，對(duì)海外工程的地質(zhì)勘察手段、評(píng)價(jià)方法和處理措施進(jìn)行探討。該沉沙池為目前全球最大的沉沙池，存在軟硬基結(jié)合、地基沉降量大且不均勻等工程地質(zhì)問題，勘察設(shè)計(jì)過程中通過一系列工程地質(zhì)勘察手段，查明了沉沙池的工程地質(zhì)條件，對(duì)存在的工程地質(zhì)問題予以評(píng)價(jià)，結(jié)合建筑物特點(diǎn)提出合適的處理措施。

1 工程概況

CCS水電站工程[1]位于COCA河下游，總裝機(jī)容量1 500 MW，是厄瓜多爾最大的水電站，可提供全國三分之一的用電。該工程包括首部樞紐、輸水隧洞、調(diào)蓄水庫、壓力管道和地下廠房5個(gè)部分，通過首部樞紐攔河蓄水并沉沙，再經(jīng)輸水隧洞輸水至調(diào)蓄水庫，然后利用天然水頭進(jìn)行發(fā)電。

首部樞紐主要包括溢流壩、取水閘、沖沙閘及沉沙池、混凝土面板堆石壩等。沉沙池共布置8個(gè)池室，總長260.7 m，底板高程1 258.2～1 260.6 m，單池過流斷面凈寬度為13 m，沉沙池底部排沙采用SEDICON排沙系統(tǒng)，泥沙通過下部排沙系統(tǒng)管道匯集到排沙廊道，經(jīng)排沙廊道排至下游海漫。

2 基本工程地質(zhì)條件

工程區(qū)內(nèi)地震基本動(dòng)峰值加速度為260 cm/s2（0.26g），相應(yīng)的地震烈度為8度，可能發(fā)生的地震最大動(dòng)峰值加速度為404 cm/s2。采用工程地質(zhì)測(cè)繪、鉆探、物探和試驗(yàn)等勘探手段，對(duì)沉沙池部位進(jìn)行工程地質(zhì)勘察，查明了該區(qū)域的工程地質(zhì)條件[2]。

COCA河谷呈U形，相對(duì)高差500～800 m，該區(qū)地貌屬于構(gòu)造-剝蝕-侵蝕中山地貌，中間凸現(xiàn)一錐形花崗巖侵入體（面積約0.05 km2），將河谷分成兩個(gè)V形峽谷，沉沙池布置于右側(cè)河谷和侵入體上。地表沖洪積物覆蓋，坡腳出露基巖，植被發(fā)育。

沉沙池基礎(chǔ)左側(cè)坐落于花崗閃長巖侵入體上，地層巖性主要為花崗閃長巖侵入體，巖體為似斑狀結(jié)構(gòu)、塊狀構(gòu)造，局部為花崗閃長巖，侵入體邊緣有重結(jié)晶作用，存在百余米的變質(zhì)巖帶，強(qiáng)風(fēng)化-弱風(fēng)化，節(jié)理裂隙較發(fā)育;右側(cè)則位于河床，屬第四系地層，根據(jù)成因分為崩積物、沖洪積物和殘破積層，崩積物主要分布于沉沙池右岸山坡上，沖洪積物主要分布于河谷底部，殘坡積層厚2～5 m，主要覆蓋于花崗閃長巖侵入體上，巖性為灰褐色壤土、粉質(zhì)黏土，較疏松，層間夾有碎塊石。覆蓋層深厚，厚度變化大，且物質(zhì)顆粒組成的粒組分布范圍廣，包括巨粒、粗粒和細(xì)粒等所有粒徑的粒組。

沉沙池區(qū)域河床覆蓋層主要由a+b、c1、c2、d、f1、f2六層構(gòu)成，其厚度及特性為：①a+b層，沖洪積砂礫石層，位于河床最上層，厚約12 m，礫石巖性以花崗閃長巖為主，弱風(fēng)化狀態(tài)，飽和抗壓強(qiáng)度大于80 MPa，級(jí)配良好，中密-密實(shí)，構(gòu)成沉沙池基礎(chǔ)面;②c1層，砂層，位于表層沖洪積砂礫石層下，厚約10 m，粒徑d<0.1 mm顆粒含量多大于10%，砂層黏聚力為2 kPa左右，內(nèi)摩擦角建議值為20°～25°，壓縮模量約18 MPa;③c2層，粉土層，含粉質(zhì)黏土，在砂層中呈透鏡狀?yuàn)A層分布，厚度為4～6 m，d<0.1 mm的顆粒含量>90%，具有承載力低、強(qiáng)度增長緩慢、滲透性小、觸變性和流動(dòng)性大的特點(diǎn)，稍密，可塑-硬塑狀，壓縮模量集中在10～15 MPa之間，屬高壓縮性土;④d層，沖洪積砂礫石層，性狀與a+b層類似，厚約20 m;⑤f1層，砂層，性狀與c1層相似，厚約5 m;⑥f2層，粉土層，性狀與c2層類似，厚約30 m。d層、f1層和f2層由于埋深大，位于巖層a+b、c1下，形成時(shí)代更早，經(jīng)歷過長時(shí)間上覆蓋層的重壓，因此密實(shí)度更高，物理力學(xué)性質(zhì)更好。

從區(qū)域地質(zhì)資料分析，沉沙池工程區(qū)處于Reventador構(gòu)造帶內(nèi)，該構(gòu)造單元邊界為區(qū)域性斷裂帶，包括Reventador斷裂帶（走向30°）與COCA河斷裂帶（走向約35°）。帶內(nèi)次級(jí)斷裂較多，多為擠壓性的逆斷層。

沉沙池區(qū)地質(zhì)構(gòu)造比較簡單，根據(jù)沉沙池邊坡開挖揭示情況，主要發(fā)育F601、F705和F724三條斷層，其性狀見表1。

巖體節(jié)理裂隙較發(fā)育，局部發(fā)育裂隙密集帶，在沉沙池邊坡開挖后對(duì)該區(qū)域節(jié)理裂隙進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，主要發(fā)育3組節(jié)理：①J1，94°～128°∠68°～89°，延伸大于10 m，輕微粗糙，張開度1～5 mm，巖屑充填，2～4條/m;②J2，201°～218°∠67°～84°，延伸長度5～10 m，平直粗糙，張開2～4 mm，黏土氧化物充填，2～3條/m;③J3，21°∠8°～16°，延伸長度5～10 m，粗糙，局部張開，1～2條/m。繪制該區(qū)節(jié)理等密度圖，如圖1所示。

該區(qū)地下水按賦存介質(zhì)可分為松散巖類孔隙水和基巖裂隙水。松散巖類孔隙水主要分布于河床、心灘、漫灘中，由于砂礫石層透水性好，且與河水水力聯(lián)系密切，因此水量豐富，該類孔隙潛水埋藏淺（埋深1～2 m），含水層厚度可達(dá)20 m，地下水位動(dòng)態(tài)變化與河流水位保持一致?；鶐r裂隙水分布于兩岸山體內(nèi)，基巖裂隙水的補(bǔ)給來源主要是大氣降水，向溝谷及深部含水層排泄。

該區(qū)主要物理地質(zhì)現(xiàn)象包括巖體風(fēng)化、卸荷等。受開挖作用影響，巖體卸荷作用較為明顯，豎向裂隙較多，上部張開，主要分布在強(qiáng)風(fēng)化-弱風(fēng)化帶中。區(qū)內(nèi)右岸地勢(shì)陡峻，表層覆蓋第四系覆蓋層，有可能發(fā)生小范圍滑坡和崩塌，但影響不大。

3 主要工程地質(zhì)問題

沉沙池左側(cè)為花崗閃長巖基礎(chǔ)，右側(cè)為河床軟基。基礎(chǔ)開挖至建基面后，約60%為花崗閃長巖基礎(chǔ)，其余為覆蓋層基礎(chǔ)。巖石與砂礫石土層交接部位坡度較陡，坡度51°～87°。其中軟基主要有沖洪積砂卵礫石層（a+b）、粉土層（c2）、粉細(xì)砂層（c1）、砂礫石層（d）、砂質(zhì)黏土層（f2）。砂卵礫石層粒徑大于5 mm的土粒占總質(zhì)量的含量均小于30%，巖性以花崗閃長巖為主，為堅(jiān)硬不軟化巖石。其不均勻系數(shù)Cu平均為15.10，級(jí)配良好，作為基礎(chǔ)不會(huì)對(duì)工程造成控制性危害。砂層、粉土層粒徑d<0.1 mm，顆粒含量多大于10%，為高壓縮性土，不宜直接作為建筑地基基礎(chǔ)，需進(jìn)行挖除或加固處理。黏土層中黏土顆粒粒徑d<0.1 mm的含量>90%，具有承載力低、強(qiáng)度增長緩慢、滲透性小、觸變性和流動(dòng)性強(qiáng)的特點(diǎn)。粉土層中粉土d<0.1 mm的顆粒含量>60%，土體內(nèi)摩擦角、滲透系數(shù)明顯降低。

由沉沙池的基礎(chǔ)組成來看，其40%位于強(qiáng)風(fēng)化-弱風(fēng)化花崗閃長巖上，其余位于河床深厚覆蓋層上，兩者之間的壓縮模量和變形模量相差較大，在沉沙池結(jié)構(gòu)的影響下，覆蓋層的沉降必然比基巖部分的沉降大得多。覆蓋層部分厚度不一，左右兩側(cè)靠近基巖出露部分覆蓋層相對(duì)較薄，大多為10～20 m，而河床中部覆蓋層深厚，最厚的近80 m，且不同部位覆蓋層性質(zhì)有差異，巖相變化大，厚度相差很大，可能會(huì)產(chǎn)生較大的不均勻沉降問題。

3.1 砂土液化

根據(jù)前期地震危險(xiǎn)性分析結(jié)果，可能發(fā)生的地震最大動(dòng)峰值加速度為0.4g，河床覆蓋層具備產(chǎn)生震動(dòng)液化的外在地震條件。

3.1.1 規(guī)范判別法[3]

（1）沉沙池基礎(chǔ)部位砂層和粉土層均形成于第四系全更新統(tǒng)，不排除其地震液化的可能。

（2）砂卵礫石層中大于5 mm粒徑的顆粒含量都大于70%，屬不液化層。砂層和粉土巖層小于0.005 mm粒徑的黏粒含量為1.98%～6.48%，平均為4.23%，按黏粒含量初判，沉沙池基礎(chǔ)下的可能液化地層主要是砂層c1、粉土層c2。

（3）根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50011—2010）中淺埋天然地基的建筑采用上覆非液化土層厚度和地下水位深度計(jì)算規(guī)則進(jìn)行判別。在沉沙池部位選取兩個(gè)典型剖面P1和P2，根據(jù)剖面上鉆孔成果，對(duì)其進(jìn)行液化判別計(jì)算，由于最大動(dòng)峰值加速度為0.4g，因此最大液化深度按20 m考慮。c2層的最淺埋深為11 m，故c1和c2層均有可能發(fā)生地震液化，計(jì)算成果見表2。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，兩個(gè)剖面附近均存在液化的可能性，須進(jìn)一步對(duì)其進(jìn)行復(fù)判。

對(duì)沉沙池區(qū)域覆蓋層鉆孔并進(jìn)行標(biāo)貫試驗(yàn)，按照規(guī)范對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)加以修正，對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)值，判斷c1和c2層的液化性，見表3。

由圖2可知，在地震作用下，只有基礎(chǔ)頂面抗液化安全系數(shù)小于1，其下部一定埋深處安全系數(shù)均較大。

3.2 沉降變形

為計(jì)算沉沙池基礎(chǔ)沉降變形，建立模型并進(jìn)行數(shù)值模擬[7]。按照沉沙池的結(jié)構(gòu)，取沉沙池基礎(chǔ)330 m×450 m×158 m的范圍進(jìn)行剖分（模型垂直方向模擬至1 258 m高程），垂直向基本按照地質(zhì)分層進(jìn)行剖分。為了提高計(jì)算精度，采用20節(jié)點(diǎn)六面體單元（2階單元）。全模型共剖分38 982個(gè)單元、166 921個(gè)節(jié)點(diǎn)。

沉沙池自重及上部荷載、地基附加應(yīng)力均以等效應(yīng)力的方式施加在計(jì)算模型的相應(yīng)區(qū)域。計(jì)算時(shí)，底部巖石邊界采用全約束，四周邊界采用法向約束。計(jì)算參數(shù)見表4。

沉沙池基礎(chǔ)沉降云圖如圖3所示，基巖基礎(chǔ)部分沉降很小，深厚覆蓋層處沉降較大，最大沉降量為1.17 m，位于沉沙池左右兩側(cè)。由于基礎(chǔ)不均勻，沉降變形將產(chǎn)生近50 cm的沉降差，因此沉沙池基礎(chǔ)需要加固處理。

4 處理措施

針對(duì)沉沙池區(qū)域可能存在的不均勻沉降、覆蓋層大變形和砂土液化問題，按照從易到難、造價(jià)由低到高的順序，提出基礎(chǔ)處理措施，并根據(jù)設(shè)計(jì)要求和合同要求進(jìn)行決策。

4.1 堆載預(yù)壓

采用堆載預(yù)壓的方法來處理，該方法僅涉及挖填、碾壓，工程技術(shù)要求簡單且可以有效消除基礎(chǔ)液壓和不均勻沉降。按一維固結(jié)理論[8]計(jì)算，當(dāng)基底壓力為250 kPa時(shí)，豎向固結(jié)系數(shù)Cv取7×10-3 cm2/s;按雙向排水計(jì)算，基礎(chǔ)固結(jié)度達(dá)80%，豎向固結(jié)時(shí)間元素Tv為0.6，固結(jié)周期約1.24 a。

堆載需要較長的壓載周期，難以滿足合同工期要求，因此提出采用振沖碎石樁對(duì)覆蓋層進(jìn)行加固處理。

4.2 振沖碎石樁

振沖碎石樁直徑取1.0 m，正方形布置，樁間距1.6 m，排距1.6 m，樁長根據(jù)d層砂礫石層頂面控制，當(dāng)砂礫石頂面距沉沙池基礎(chǔ)底面小于20 m時(shí)處理深度至砂礫石層頂面;砂礫石頂面距沉沙池基礎(chǔ)底面大于20 m時(shí)處理深度取20 m。

為檢測(cè)振沖碎石樁處理效果，在沉沙池基礎(chǔ)完成開挖后，選擇具有代表性的典型部位進(jìn)行碎石樁試驗(yàn)性施工，開展振沖碎石樁處理效果試驗(yàn)研究。試驗(yàn)性施工按9（根）×9（根）布樁，碎石樁施工完畢后在檢測(cè)鉆孔（編號(hào)SPT-A-1～SPT-A-4、SPT-B-1～SPT-B-4），試驗(yàn)布置如圖4所示，試驗(yàn)場場地高程1 267.00 m?，F(xiàn)場試驗(yàn)主要進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)SPT、跨孔試驗(yàn)、地震層析試驗(yàn)和相對(duì)密度試驗(yàn)等[9]。

對(duì)碎石樁處理前后的地層參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，見表5?？梢?，樁體置換土體指標(biāo)有較大改善，但樁間土擠密效果不明顯。

振沖碎石樁處理后地基的液化評(píng)價(jià)應(yīng)用SEED法并按照PRIEBE法計(jì)算的折減系數(shù)對(duì)地震產(chǎn)生的應(yīng)力進(jìn)行折減，碎石樁處理后地基抗液化安全系數(shù)均大于1，不存在液化可能。

振沖碎石樁處理后地基的沉降評(píng)價(jià)應(yīng)用分層總和法，對(duì)基礎(chǔ)附加應(yīng)力及沉降進(jìn)行計(jì)算。沉沙池基礎(chǔ)下任意點(diǎn)地基附加應(yīng)力計(jì)算采用布辛尼斯克法（BOUSSINESQ），計(jì)算結(jié)果顯示，由于沉沙池基礎(chǔ)寬達(dá)110 m，因此基底應(yīng)力擴(kuò)散較慢，在結(jié)構(gòu)下部60 m處附加應(yīng)力仍然有基底應(yīng)力的80%，而碎石樁處理深度僅20 m，導(dǎo)致基礎(chǔ)沉降在處理后仍然較大，最大沉降量約72.6 cm。振沖碎石樁無法有效改善沉沙池深厚覆蓋層沉降，仍需采用堆載預(yù)壓來減小沉沙池基礎(chǔ)沉降量，而鑒于工期該法不可行。

4.3 混凝土灌注樁

由于上述兩種方法不可行，因此考慮采用混凝土灌注樁復(fù)合基礎(chǔ)，利用樁與樁間土共同承擔(dān)沉沙池結(jié)構(gòu)的豎向荷載和水平荷載。采用混凝土灌注樁既可消除地基液化對(duì)沉沙池的影響，也可避免較大的地基沉降，并縮短工期。

沉沙池基礎(chǔ)灌注樁處理設(shè)置兩個(gè)區(qū)域，Ⅰ區(qū)樁徑1.5 m，Ⅱ區(qū)樁徑1.8 m，樁均布置在沉沙池隔墻下部，樁基都為嵌巖樁，對(duì)樁頂部分進(jìn)行擴(kuò)頭處理，分別擴(kuò)為3.5 m和3.8 m;樁頂和結(jié)構(gòu)之間布置0.5 m回填砂卵石墊層;在樁頂以下15 m范圍內(nèi)，根據(jù)樁基結(jié)構(gòu)計(jì)算成果布置樁筋。

沉沙池基礎(chǔ)采用鋼筋混凝土灌注樁處理后，計(jì)算結(jié)果顯示沉沙池基底正常運(yùn)行工況下最大沉降量約6.38 cm，非常工況下最大沉降量約為7.2 cm，地震工況最大沉降量為6.4 cm。

為驗(yàn)證沉沙池基礎(chǔ)處理效果及后續(xù)安全運(yùn)行，在沉沙池施工過程中布置沉降觀測(cè)標(biāo)點(diǎn)40個(gè)，對(duì)沉沙池各部位的沉降予以監(jiān)測(cè)。

由監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，沉沙池工作段相對(duì)基準(zhǔn)值累計(jì)沉降量為1.9～41.8 mm。其中工作段SBSS20右側(cè)導(dǎo)墻A6測(cè)點(diǎn)（靠近堆石壩壩后公路）累計(jì)沉降量最大，即該段LP4-89測(cè)點(diǎn)累計(jì)沉降量為41.8 mm，最大周變量為0.9 mm，仍小于計(jì)算允許沉降量（6.38 cm）。沉沙池基礎(chǔ)穩(wěn)定，基礎(chǔ)沉降在允許范圍內(nèi)，混凝土灌注復(fù)合基礎(chǔ)對(duì)沉沙池地基的處理有較好的效果。

5 結(jié) 語

（1）CCS水電站沉沙池基礎(chǔ)左側(cè)坐落于花崗閃長巖侵入體上，強(qiáng)風(fēng)化-弱風(fēng)化，節(jié)理裂隙較發(fā)育;右側(cè)則位于河床，覆蓋層深厚，厚度變化大，最深的近80 m，且物質(zhì)顆粒組成的粒組分布范圍廣，存在不均勻沉降和地震液化問題。

（2）分別利用《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》和國際上通用的SEED法對(duì)砂層和粉砂層進(jìn)行液化判別，判別結(jié)論基本一致，即存在地震液化可能。

（3）針對(duì)覆蓋層基礎(chǔ)的地震液化和不均勻沉降問題，對(duì)可能的處理措施由易到難、造價(jià)由低到高分別評(píng)價(jià)，最終選擇混凝土灌注樁對(duì)基礎(chǔ)進(jìn)行處理。從監(jiān)測(cè)結(jié)果來看，此次地基處理有效解決了沉沙池地基基礎(chǔ)的砂土液化、不均勻沉降變形問題，同時(shí)保證了結(jié)構(gòu)在地震工況下的穩(wěn)定性。

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