刘德斌, 张吉良, 李兴华

(中国电建集团 北京勘测设计研究院有限公司 工程勘测科研院,北京 100024)

苏洼龙水电站坝基深厚覆盖层工程地质特性研究及利用

刘德斌, 张吉良, 李兴华

(中国电建集团 北京勘测设计研究院有限公司 工程勘测科研院,北京 100024)

苏洼龙坝址所在河段河床覆盖层深厚,结构层次复杂,性状不一,各地层物理性及力学性指标各异,在坝基渗漏及渗透稳定破坏、地震液化、不均匀沉降等方面存在一定的工程地质问题。为了查清其主要地层岩性、分布规律、物理力学性质,合理利用覆盖层建坝,为工程设计提供合理的设计依据及基础处理方案,改进勘探方法、取样试验方法,综合分析现场及室内试验成果,对各地层物理力学性质做出综合评价,为坝型及持力层的选择提供有利的技术支撑。

深厚覆盖层;渗透破坏;地震液化;持力层

苏洼龙水电站位于金沙江上游河段四川巴塘县和西藏芒康县的界河上,为规划中的金沙江上游川藏段13个梯级电站中的第10级。初拟采用沥青心墙坝作为代表性坝型,挡水建筑物最大坝高112 m,坝顶高程2 480 m,水库正常蓄水位2 475 m,总装机容量1 200 MW,为一等大(Ⅰ)型工程。地震基本烈度Ⅷ度,根据地震安全性评价,工程区地震基本烈度为Ⅷ度,工程区属区域构造稳定性较差区。

苏洼龙坝址所在河段河床覆盖层深厚,结构层次复杂,性状不一,各地层物理性及力学性指标各异,在坝基渗漏及渗透稳定破坏、地震液化、不均匀沉降等方面存在一定的工程地质问题,尤其是第四层细粒土质砂层可能存在地震液化问题。因此,综合评价各地层物理力学性质,科学选择坝型及持力层尤为必要。

1 勘探及取样试验方法

由于坝基河床覆盖层深厚,多为冲洪积成因,地层成分复杂,结构松散,取样难度大。为了能够查清坝基地层岩性和其主要物理力学性质,钻进采用植物胶护壁,保证了岩芯采取率,现场用取土器、取砂器在孔内取样进行天然密度、天然含水率等试验及室内试验,同时,现场在钻孔内进行标准贯入、动力触探、载荷试验、旁压试验等。

2 河床覆盖层结构特征

根据勘探成果,河床覆盖层深厚,一般厚度为60～85 m,最深达91.2 m。具有明显的成层性,各土层的物质组成差异明显,根据其物质组成及其力学性质,自上而下分为六个大层及三个主要的透镜体层。各层基本特性见表1[1]。

3 河床覆盖层工程地质特性

为了查明其物质组成特征及物理力学特性,在现场的钻孔主要进行了天然密度、天然含水率、重力触探、标准贯入、旁压、载荷、剪切波测试等试验工作;室内主要对钻孔原状样及扰动样进行了颗分、密度、压缩固结、直剪及三轴试验工作,通过以上综合试验工作,基本查明了河床覆盖层各层物质的物理力学特征[2]。

3.1 覆盖层的颗粒组成

本阶段对覆盖层各层分别进行了颗分试验工作,细粒的粘土层、砂层采用孔内原装样进行,表部粗粒土采用现场挖坑试验的方法,埋深较大的粗粒土,由于受取样限制,采用了钻孔单层混合取样试验的方法,各土层的级配颗分曲线平均值如图1所示。

3.2 覆盖层各层的物理力学性质

为了查明其物理力学特性,本阶段进行了一系列的现场及室内试验工作,基本查明了河床覆盖层各层物质的物理力学特征。

表1 河床覆盖层基本特征简表Table 1 The basic characteristics of riverbed covering

图1 坝址区各层颗粒大小平均值分布曲线Fig.1 The distribution curve of average size of particle size in dam site area①.砂卵砾石;②.低液限粘土;③.卵石混合土;④.(含)细粒土质砂;⑤-1.粉土质砂;⑤.混合土卵石;⑥冰积碎、块石。

3.2.1 各土层的物理性质

本阶段根据各层的物质组成特点,分别采用现场及室内试验的方法,通过钻孔及探坑分层进行了不同的物理性质试验工作,根据试验成果各层主要物理特性见表2。

表2 各土层及其夹层物理特征参数建议值表Table 2 Suggested values of physical characteristic parameters of different soil layers and interlayers

3.2.2 各土层力学特性

本阶段根据各土层的特点,分别进行了载荷、标贯、动探、旁压等原位试验工作,及以压缩固结、直剪和三轴试验为主的室内试验。

综合上述试验成果,并结合各土层的颗粒级配、埋深、结构特征及试验成果的可靠度分析,类比国内相近工程的经验,提出了苏洼龙坝址区覆盖层各土层及其透镜体夹层的力学参数建议值(见表3)[3]。

表3 各土层及其夹层力学参数建议值表Table 3 Suggested values of mechanical parameters of different soil layers and interlayers

4 河床覆盖层工程地质评价

4.1 粗粒土层工程地质评价

坝址区河床粗粒土为河床①、③、⑤、⑥层,除第①层位于地表,其它均埋深较大。

粗粒土层以碎石、卵石及漂石为主,夹细粒的砂砾质及少量泥质,根据前述工程地质特性可知,土体具有较高的承载能力、压缩性低、抗变形能力强的特点,均可作为坝基持力层。根据其颗分成果可知,粗粒土>5 mm颗粒含量均>70%,土体均不存在液化的可能。

根据前述颗分试验成果及颗分曲线,粗粒土体不均匀系数均>5,采用其级配曲线平均线,可以看出第①及⑥层为级配不连续土,其它为级配连续土体。根据《水力发电工程地质勘察规范》(GB 50287—2016)[4]中对土体的渗透变形形式的判别方法,粗粒土地基土以中等透水—强透水层为主,其渗流破坏形式以管涌或过渡型为主,层间均存在接触流失破坏的可能,允许渗透坡降为0.15～0.2之间,粗粒土一般随着深度的增加其渗透性有所减弱。虽然各层土体颗粒组成及结构差异较大,但其渗透系数一般较为相近。

4.2 细粒土层工程地质评价

坝址区河床细粒土主要为砂层及砂层透镜体。坝址区河床主要分布有第④层(含)细粒土质砂层及③-1粉土质砂层透镜体,⑤-2粉土质砂层透镜体,其中第④层分布较为稳定广泛,本阶段对其工程地质特性进行了专门研究,基本查明了其主要工程地质问题。

细粒土层以砂质为主,夹部分泥质及少量砾石,由于其一般深埋,总体上较为密实,少量甚至可见弱胶结。根据前述工程地质特性可知,河床细粒土具有较好的抗滑稳定性,较高的承载能力,压缩性中等。其抗滑稳定性较好,抗变形能力较强。

砂层渗透系数一般为1.0×10-4～5×10-3cm/s,允许渗透坡降为0.1～0.3,砂层的透水性中等,渗透破坏形式为流土型。

由于砂层为饱和的无粘性土层,地震液化将是制约其工程地质特性的主要工程地质问题,本阶段针对覆盖层内的砂层进行了深入的地震液化分析研究工作,对主要的砂层及砂层透镜体进行了综合评价。

对于河床覆盖层的液化初判方法中,地层年代判别法表明,坝址河床覆盖层存在液化的可能性不大;通过厚度法、颗粒级配的初判,③-1及④层存在液化可能;剪切波速法判定结果显示地震烈度为Ⅷ度时,河床覆盖层第③-1、④层存在液化可能性;复判方法中,平均粒径法及综合指标法判定③-1层在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,相对密度法、液限含水量法及综合指标法判定河床覆盖层第④层不存在地震液化问题;动三轴试验成果表明,50年超越概率5%的地震动峰值加速时,河床覆盖层第④层不存在地震液化问题;100年超越概率2%的地震动峰值加速度时,河床覆盖层第④层有可能存在地震液化问题。考虑各种设计工况,采用三维动力反应分析计算,对地基第④层进行了液化危险性分析。计算结果表明,50年超越概率5%的地震动峰值加速和100年超越概率2%的地震动峰值加速度时,坝基砂层均不会发生液化问题。

由于大部分常规液化判定方法适用范围有限,计算参数多为经验值,而三维动力反应分析计算考虑了大坝建成后的实际工况。综合分析,第③-1粉土质砂层、④层细粒土质砂层在地震烈度Ⅷ度时液化的可能性不大,在地震烈度Ⅸ度时液化的可能性增大。

4.3 低液限粘土层工程地质评价

坝基低液限粘土层主要为第②层及⑤-2层透镜体层,第②层埋深一般3～5 m,分布范围广,厚度一般3～7 m,少量较大可达13 m。⑤-2层埋深较大,一般>50 m,厚度较小,一般1～3 m,由多个透镜体组成,单个透镜体面积较小,对工程影响相对较小。所以本阶段重点对第②层进行了详细的勘察研究工作。

粘土层呈可塑状,相对较为均匀,局部夹有砂质及少量砾石。土体透水性微弱,为坝址区的相对隔水层,允许渗透比降较大,总体渗透稳定性较好。内摩擦角φ一般为18°～20°,内凝聚力较小,允许承载力一般为150～180 kPa,坝体稳定性较好。

根据压缩固结试验成果可知,粘土层孔隙比为0.56～0.99,平均值为0.79;压缩系数av0.1～0.2为0.11～0.50 MPa-1,平均值为0.31 MPa-1;压缩模量Es0.1～0.2为4.09～15.12 MPa,平均值为7.44 MPa;单位沉降量为21.5～103.35 mm/m,平均值为49.83 mm/m。说明土体具有中等压缩性。

5 坝基持力层选择

堆石坝坝基持力层的选择直接关系到覆盖层的应力应变场、砂土的液化、渗流的防治及地基的处理措施等多个方面。影响持力层选择的因素很多,有坝基的工程地质特性、建筑物特征、施工条件、方法及工艺、经济指标等。从工程角度出发,主要考虑其作为坝基的岩土体的工程地质特性及建筑物的特性。对于一定的建筑物,既要考虑充分利用坝基岩土体的工程地质特性,选择工程特性较好的岩土体作为坝基,以满足建筑物对坝基强度、变形、抗滑稳定性、渗透及液化等方面的要求,又要兼顾开挖、地基处理及施工适宜性等方面的要求。

第①层砂卵砾石层位于地表,其作为地基基础具有开挖少,承载力高的优势,但由于其厚度一般较小,平面高程变化较大,结构松散,透水性强,防渗难度大,其下部覆盖层较厚,且存在较为软弱的粘土层及砂层,容易发生不均匀沉降。

第②层低液限粘土层厚度一般3～7 m,少量较大可达13 m。顶板高程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,为坝址区相对隔水层,但由于其分布不连续,局部地段缺失,不能作为稳定的隔水层,下部为透水性较强的粗粒土及砂层,且厚度较大,防渗难度较大;同时地基土存在不均匀沉降问题,且顶底板高程变化大,作为地基基础其整体工程地质特性较差。

第③层卵石混合土层以冲积卵砾石为主,充填砂质及少量泥质,总体上以中密—密实状为主,分布较为稳定,两岸稍薄,河床深槽部位稍厚,顶板分布高程2 366～2 384 m;地基承载力相对较高,能够充分发挥其承载力较高的优势,减少地基处理工作量;由于第③层卵石混合土以粗粒土为主,坝体堆石料与坝基具有较高的摩擦系数,有利于增加大坝的浅层抗滑稳定性。

第④层(含)细粒土砂层,埋深较大,密实度较高,但厚度变化较大,最大可达17.7 m,最小仅为1.5 m,局部地段甚至缺失,不能作为一个稳定的持力层,根据前述可知该层在Ⅸ度地震烈度下局部可能存在地震液化问题,需要采取适当的防液化处理措施。

第⑤层混合土卵石层,以冲积卵砾石为主,充填砂质及少量泥质,总体上以中密—密实状为主,分布较为稳定,厚度一般20～30 m,河床深槽两侧受下伏基岩面形态控制,厚度变化较大,河床深槽部位稍厚,顶板分布高程2 336.2～2 364 m。该层土体地基承载力相对较高,可达350～450 kPa,能够充分发挥其承载力较高的优势,减少地基处理工作量。由于第⑤层卵石混合土以粗粒土为主,坝体堆石料与坝基具有较高的摩擦系数,有利于增加大坝的浅层抗滑稳定性。将工程地质特性较差的粘土层及砂层开挖,有利于减小基础沉降、消除砂层的地震液化及增加坝体的抗滑稳定性。第⑤层为中等—强透水层,有利于地下水的排出,降低渗透压力。

第⑥层冰积块碎石层,以块碎石为主,挤压紧密,埋深大,位于河床深槽部位,顶板高程2 320～2 330 m,起伏不大,有利于形成基础面。该层土体地基承载力相对较好,可达450～550 kPa,能够充分发挥其承载力较高的优势,减少地基处理工作量。

综上可知,坝基③、⑤、⑥层均具有作为地基基础的条件,但由于第⑥层埋深大,开挖量多,经济性较差;③、⑤层均为粗粒土,地层稳定,容易形成统一的持力层,地基承载力均较高,与坝体材料的摩擦系数较大,有利于增加大坝的浅层抗滑稳定性;下卧层均以粗粒土为主,透水性较强,有利于地下水的排出,减小渗透压力,但透水量均较大,均需要采取可靠的防渗措施;以第③层作为地基基础地基均匀沉降问题较严重,防渗深度更大,但开挖量较小,基坑支护难度小;以第⑤层作为地基基础下伏覆盖层厚度更小,防渗深度小,且由于挖除了第④层(含)细粒土砂层,不存在砂土液化问题,但工程开挖量大,基坑边坡高度高,基坑支护难度大。所以,三种开挖方案从工程角度考虑均成立,且各有优缺点,具体持力层的选择仍需要综合考虑工期、投资、施工方案等因素合理选择。

[1] 罗志虎.苏洼龙水电站河床深厚覆盖层工程地质特性研究专题报告[R].北京:中国电建集团北京勘测设计研究院有限公司,2010.

[2] 中华人民共和国建设部.土工试验方法标准:GB/T 50123—1999[S]. 北京:中国计划出版社,1999.

[3] 中华人民共和国住房和城乡建设部.岩土工程勘察规范:GB 50021—2009[S].北京:中国建筑工业出版社,2009.

[4] 中华人民共和国住房和城乡建设部.水力发电工程地质勘察规范:GB 50287—2016[S].北京:中国计划出版社,2016.

(责任编辑：陈姣霞)

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

刘德斌(1971-),男,高级工程师,工程地质专业,从事水文地质与工程地质勘察设计工作。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

数字出版网址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20170623.0854.004.html 数字出版日期:2017-06-23 08:54