西藏拉洛水利樞紐大壩瀝青混凝土心墻地基工程地質評價

黃振偉，杜勝華，雷 明

(1.長江巖土工程有限公司，湖北 武漢 430010； 2.國家大壩安全工程技術研究中心，湖北 武漢 430010)

0 引 言

瀝青混凝土心墻土石壩是一種當地材料壩，具有較多優點。1988年第16屆國際大壩會議就提出，瀝青混凝土心墻壩是今后高土石壩建設最有競爭力的壩型之一。20世紀以來，歐洲、北美等地修建了大量的瀝青混凝土心墻壩，其中葡萄牙瓦勒多蓋奧(Vale de Caio)壩建成年代最早(1939年)，奧地利芬斯特塔爾(Finstertal)壩高度最高(150 m)[1]。中國于20世紀70年代開始修建瀝青混凝土心墻土石壩，起步較晚，但發展很快，尤其是21世紀以來，隨著瀝青質量和施工技術的提高，已建成了如壩高104 m的三峽工程茅坪溪防護大壩、壩高125.5 m的南椏河冶勒水電站大壩等瀝青混凝土心墻壩。

瀝青混凝土心墻壩主要由心墻和壩殼2個部分組成。壩殼適應性強，一般地基均可滿足要求；作為防滲結構的心墻是由瀝青混凝土經碾壓或澆筑而成，對地基的要求較高。現行標準體系中，尚未對瀝青混凝土心墻的地基地質條件作具體要求或對其工程地質評價有專門規定，存在勘察實踐無據可依、主要工程地質問題分析尺度不一、工程地質評價針對性不強等問題。

因西藏特殊的生態環境、地形地質和天然建筑材料條件，瀝青混凝土心墻壩已成為當地土石壩建設所采用的常規壩型，先后建成的拉薩河旁多、夏布曲拉洛水利樞紐工程最具代表性，其中拉洛水利樞紐大壩(以下簡稱“拉洛大壩”)是目前西藏海拔最高的瀝青混凝土心墻壩。在前期勘察中，采取綜合勘察手段查明了拉洛大壩壩基巖土物理力學性質，開展了單孔壓水、群孔觀測的壓水連通試驗，查明了基巖承壓水的水文地質特征，在此基礎上，合理選擇瀝青混凝土心墻建基巖體，并主要從承載能力和滲透性2個方面對心墻地基進行了評價。

1 工程概況

拉洛水利樞紐工程位于西藏自治區日喀則地區，是雅魯藏布江右岸一級支流夏布曲上的控制性工程，主要任務為灌溉兼顧供水、發電和防洪，并促進改善區域生態環境[2]。壩址主要建筑物有攔河大壩、左岸溢洪道、右岸泄洪洞、拉洛水電站等。攔河壩為瀝青混凝土心墻砂礫石壩，最大高度61.5 m，壩頂高程4 305 m，壩長425.6 m。水庫正常蓄水位4 298 m，總庫容2.965億m3。

2 地質概況

2.1 壩址區基本地質條件

壩址處于雅魯藏布江南岸支流夏布曲中游薩迦縣拉洛鄉下游6 km的峽谷進口河段，夏布曲總體流向為南西向，河道位于中部偏右，水面寬38～50 m，枯水期水深一般在0.5～1.0 m。河谷呈不對稱的“U”型，谷頂高程4 500～5 000 m，谷底高程 4 240～4 260 m，谷底寬240～280 m；右岸山體斜坡地形坡度一般為40°～50°，左岸坡度一般為35°～45°。右岸分布 Ⅰ 級階地，階面高程4 262～4 274 m，拔河高度6～15 m。河漫灘寬120～150 m，灘面高程4 255～4 259 m。

在新構造活動上，該地區屬于喜馬拉雅強烈掀斜隆起區，根據地震安全性評價，工程場地50 a 超越概率10%的地震動峰值加速度為0.12g，對應地震基本烈度為Ⅶ度。壩址位于吉定-直崗復式向斜的南翼，板巖總體為單斜構造，傾向北東(上游)，傾角65°～70°，板理走向與河流流向近正交，河谷屬橫向谷。基巖中分布少量層間擠壓帶，破碎帶寬3～160 cm不等，物質多為碎屑夾泥，部分為片狀巖及石英脈。板理裂隙和板理大角度相交的裂隙較發育，陡傾角，裂面平直，微張，延伸長度1～7 m。

夏布曲是最低排泄基準面，地表水通過坡表、沖溝匯集于夏布曲，沖溝僅有季節性水流。地下水按賦存介質可分為松散覆蓋層孔隙水和基巖裂隙水，覆蓋層孔隙水出露11個泉水點，流量0.5～10.0 L/min；基巖裂隙水出露3個泉水點，具微承壓性質，流量2.0～10.0 L/min。

2.2 地基巖土工程特性

上部砂礫石厚度0.9～5.0 m，充填中細砂，局部夾礫砂、礫質土透鏡體，表層分布厚約0.3～0.5 m的粉砂。顆粒分析試驗成果如圖1所示，結果表明：砂礫石不均勻系數為59～1 143，曲率系數多在3.0～57.9，屬于不良級配礫石；粒徑在5 mm以下的顆粒含量為22.4%～76.2%，平均值為43.8%，其中小于0.005 mm的顆粒含量為4%～21%，平均值為9%。上部砂礫石相對密實度0.206～0.654，個別大者0.839，平均值0.500。動力觸探擊數小值為4擊，大值為19擊，平均值為10擊。該部分砂礫石呈松散-稍密狀，局部呈中密狀。從動力觸探擊數分布頻率看，小于10擊的試段占84%，總體結構為松散-稍密。鉆孔注水試驗滲透系數8.8×10-5～6.8×10-2cm/s，平均值6.3×10-3cm/s；鉆孔抽水試驗滲透系數1.3×10-2～7.5×10-2cm/s，平均值4.4×10-2cm/s。

圖1 拉洛壩址河床、漫灘砂礫石級配曲線Fig.1 Gradation curves of riverbed and floodplain gravel at the dam site of Laluo Hydro Project

下部砂礫石厚度0～8.5 m，充填中細砂，局部夾礫質土透鏡體、漂石。顆粒分析試驗成果表明：礫卵石不均勻系數為700～1 640，曲率系數多為35～89，屬于不良級配礫石；粒徑在5 mm以下的顆粒含量為71.2%～79.9%，平均值75.1%，其中粒徑在0.005 mm以下的顆粒含量為13%～24%，平均值18%。下部砂礫石動力觸探擊數的小值為6擊，大值為30擊，平均值15擊，呈稍密-中密狀，局部呈密實狀。從動力觸探擊數分布頻率看，大于10擊的試段占78%，總體結構為中密-密實。鉆孔注水試驗滲透系數2.2×10-5～5.8×10-2cm/s，平均值3.6×10-3cm/s。

基巖為T3n板巖，出露于兩岸岸坡和分布于谷底覆蓋層之下。試驗成果表明：弱風化巖體飽和抗壓強度8～12 MPa，變形模量2.0～2.5 GPa，泊松比0.30～0.35，一般呈中等透水性；微新巖體飽和抗壓強度15～20 MPa，變形模量2.5～3.0 GPa，泊松比0.25～0.28，一般呈弱透水性。

3 瀝青混凝土心墻地基

3.1 心墻與地基的相互作用

根據SL 501-2010《土石壩瀝青混凝土面板和心墻設計規范》，瀝青混凝土心墻與天然巖土地基不直接接觸，在心墻下端通常設置水泥混凝土板作為基座。心墻對地基的作用實際上是混凝土基座的基底壓力，基底壓力來自于基座以上瀝青混凝土和壩殼料的自重。由于心墻本身厚度較小，為便于計算，基座以上的荷載均視為壩殼料的自重。如圖2所示，根據土石壩地基應力分布可得：

圖2 瀝青混凝土心墻土石壩壩基應力分布Fig.2 Stress distribution of foundation of asphalt concrete core earth rock dam

Pmax=γH

(1)

式中：Pmax為建基面上最大應力，即心墻基座的基底壓力，kPa；γ為壩殼填筑料重度，kN/m3；H為壩高，m。

3.2 心墻地基工程地質條件要求

瀝青混凝土心墻是一種彈塑性體[3-4]，其不同于混凝土重力壩剛性體或土質心墻黏塑性體。因此，不能按照 GB 50487-2008《水利水電工程地質勘察規范》和其他相關標準對瀝青混凝土心墻進行工程地質評價。

瀝青混凝土心墻通過水泥混凝土基座對地基產生作用力，地基承載力必須大于基底壓力。若承載力足夠大，則地基不會因強度不足而出現破裂(壞)，也不會發生過大的沉陷變形或不均勻沉降等問題而影響心墻的防滲性能。瀘定大壩心墻地基為沖洪積砂礫卵漂石，為減少沉降變形，對河床范圍的覆蓋層進行深度8 m和10 m的固結灌漿，對岸坡粉土進行高壓旋噴注漿處理，樁徑1 m[5]。大渡河龍頭石電站大壩心墻地基為砂礫卵石，對建基面以下25 m深度范圍內的砂層進行振沖碎石樁加固防治液化，以減少壩基變形，提高其力學性能[6]。

瀝青混凝土心墻作為壩體的防滲結構，必須與地基和兩岸岸坡防滲設施或措施共同組成完整的防滲體系，才能有效進行滲流控制并確保大壩滲流安全[7]。因此，心墻地基滲透系數宜小、抗滲性宜強，且需防止心墻與地基接觸帶發生集中滲漏和滲透破壞。蹺磧水電站壩基為碳質粉砂質千枚巖，為提高地基抗滲性，對弱風化巖體采用2排帷幕進行處理，排距1.2 m；對強風化基巖則相應加強，采用3排帷幕進行處理，排距1.0 m；孔距均為2 m，最大灌漿壓力控制在3.5 MPa以內[8]。

4 大壩心墻地基工程地質評價

4.1 建基巖土體選擇

拉洛大壩心墻所處夏布曲河流谷底覆蓋層由河床、漫灘、階地物質組成，兩岸基巖出露。

河床、漫灘上部砂礫石厚度0.9～5.0 m，結構松散-稍密，承載力200～250 kPa，呈強透水性；下部砂礫石厚度0～8.5 m，結構稍密-中密，承載力300～350 kPa，呈中等透水性；階地礫卵石厚度0.4～15.2 m，結構中密-密實，承載力400～450 kPa，呈強透水性。河床、漫灘上、下部砂礫石和階地礫卵石層承載力較小，呈中等-強透水性，不能滿足結構變形和防滲要求、不能直接作為心墻地基。板巖強風化巖體承載力與階地礫卵石基本相當，具弱-中等透水性，如將其作為心墻地基，則也需要采取加固及防滲措施，且對強風化板巖進行防滲處理較為困難、效果較差，因此該巖體不宜作為心墻地基。

由于心墻部位覆蓋層和基巖強風化層厚度總體較小，經綜合考慮后將其挖除以形成截水槽，再將瀝青混凝土心墻從壩體延伸到截水槽，以弱風化板巖作為心墻建基巖體(圖3)。

圖3 拉洛大壩河床、漫灘部位工程地質橫剖面(滲透系數單位：cm/s)Fig.3 Engineering geological cross section of riverbed and floodplain of the dam of Laluo Hydro Project

4.2 地基承載力

大壩瀝青混凝土心墻最大高度60 m，厚度60～100 cm，為上薄下厚的階梯式，底部設置混凝土基座。對砂礫石壩殼填筑料取γ=20 kN/m3，H取大壩最大壩高61.5 m，得河流谷底壩體最大斷面處心墻基礎的基底壓力Pmax=γH=1230 kPa =1.23 MPa。

心墻地基為T3n灰色、深灰色板巖，板理傾向上游，走向與心墻軸線近于平行。左岸高程4 280 m以上斜坡和Ⅰ級階地左側局部分布有強風化帶巖體，厚度2.4 m左右，已全部清除至心墻建基巖體為弱風化帶板巖。

河流谷底弱風化巖體厚度6.00～16.20 m，兩岸斜坡弱風化巖體厚度12～37 m，其下為微新巖體。弱風化巖體飽和抗壓強度8～12 MPa，根據地基與基礎設計規范，折減系數取0.3，則地基承載力f為2.4～3.6 MPa。瀝青混凝土心墻基底壓力P小于地基承載力f，且地基承載力約是心墻最大基底壓力Pmax的2～3倍，地基承載能力滿足要求。

4.3 地基滲透性

根據設計要求，拉洛大壩地基防滲標準為透水率在3 Lu以下。心墻地基巖體總體具弱透水性，微、極微透水巖體約占11%，弱透水巖體占80%，中等透水巖體占9%。對于透水率在3 Lu以下的巖體，其頂板在基巖面以下的埋深：① 左岸斜坡處35～40 m，河床、漫灘一帶2～24 m，Ⅰ級階地一帶3.7～32.5 m；② 右岸斜坡處18～20 m。建議大壩防滲帷幕在基巖面的埋深為：① 左岸斜坡處40 m，相應底界高程4 223～4 300 m；② 河床、漫灘一帶20～30 m，相應高程4 220 m；③ Ⅰ級階地一帶10～35 m，相應底界高程4 220～4 226 m；④ 右岸斜坡處20～30 m，相應底界高程4 240～4 300 m。

心墻軸線上有4個鉆孔揭露裂隙性承壓水。工作過程中實施了單孔壓水、群孔觀測的壓水連通試驗，并結合鉆孔巖心、鉆孔電視資料進行綜合分析[9]。承壓水賦存于板理裂隙、層間擠壓帶中，板巖在揉皺變質過程中，順板理面局部或部分脫開形成裂隙，巖層之間相互錯動形成擠壓帶，帶內物質破碎，地下水賦存其間，因上部封閉而具有承壓性質，為順板理走向的脈狀裂隙承壓水。承壓水的水頭高度27～42 m，但各出水點位于心墻基座基巖面以下5.5～21.5 m，基槽開挖出現承壓水的可能性小，對心墻地基穩定基本無不利影響，但防滲帷幕施工時會鉆遇承壓水，應加強滲控處理。在可行性研究階段，基巖承壓水曾被判斷為壩址主要工程地質問題之一，對大壩穩定不利，并在設計方面針對承壓含水層采取了灌漿封閉、消壓槽減壓等相應措施。在初步設計階段，對基巖承壓水進行了專門勘探研究，查明了承壓水性質、分布及埋藏條件、水位、流量、水力聯系，認為其對大壩穩定基本無不利影響，與水庫也不會有水力聯系，不會出現庫水通過承壓水賦存空間而產生的滲漏問題，因此取消了壩基消壓槽設施，優化了帷幕灌漿方案，節省了大量地基防滲處理工程量。

5 結 語

拉洛水利樞紐工程是國家172項節水供水重大水利工程之一，也是西藏自治區迄今投資規模最大的水利工程，對促進西藏經濟跨越式發展、全面協調可持續發展，具有重要意義。拉洛水利樞紐工程從2004年開始進行河流綜合規劃，到2013年初步設計完成，前期勘察設計工作歷時近10 a，最終成功解決了大壩瀝青混凝土心墻建基巖體選擇、心墻地基承載能力評價、防滲性能及承壓水對建壩的影響評價等主要工程地質及勘察技術問題。

2014年6月8日，拉洛水利樞紐工程開工建設；2019年9月，大壩封頂；2020年12月，工程正式發電試通水。在基坑開挖和地基處理、帷幕灌漿過程中，前期勘察的工程地質、水文地質條件與施工揭示情況一致，地質評價結論合理正確。運行以來，大壩變形、應力、滲流等監測結果正常，運行狀況良好。該工程地質評價方法及勘察技術探索實踐可為類似工程提供參考。