冶勒水电站深厚覆盖层建坝的工程地质条件研究

2015-02-11谷江波

水电站设计 2015年4期

关键词：岩组透水性覆盖层

李静，谷江波

（中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川成都 610072）

冶勒水电站深厚覆盖层建坝的工程地质条件研究

李静，谷江波

（中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川成都 610072）

冶勒水电站大坝坝基覆盖层深厚，层次结构复杂，各层物理力学特性差异较大。本文主要就冶勒水电站深厚覆盖层建坝的工程地质条件、主要工程地质问题及处理措施等有关研究成果进行了分析说明，对同类工程具有一定的类比及指导意义。

冶勒水电站；深厚覆盖层；工程地质问题；类比

1 概况

冶勒水电站为四川南桠河“一库六级”梯级开发的龙头水库电站工程。电站主要由沥青混凝土心墙堆石坝、泄洪放空建筑物、引水发电系统等枢纽建筑物组成。沥青混凝土心墙堆石坝最大坝高125.5 m，大坝地基防渗深度达200 m，采用防渗墙与帷幕联合防渗处理方式。水库总库容2.98亿m3，具多年调节能力，电站装机容量240 MW，年发电量5.88亿kW·h。

工程区处于川滇南北向构造带北段的冶勒断块上，区域地质和地震地质条件复杂。坝址覆盖层深厚，层次结构复杂，各层物理力学特性差异较大，覆盖层工程地质特性研究、基础防渗处理等是冶勒水电站建坝的关键技术问题。

2 坝基覆盖层工程地质条件

冶勒水电站坝址右岸及河床下部由第四系中～上更新统的卵砾石层、粉质壤土和块碎石土组成，属冰水河湖相沉积层，厚度大于420 m。根据沉积环境、岩性组合及工程地质特征，自下而上（由老至新）分为五大岩组［1］。

第一岩组（Q22Ⅰ）弱胶结卵砾石层：以厚层卵砾石层为主，偶夹薄层状粉砂层。该岩组深埋于坝基下部，最大厚度大于100 m，最小厚度仅15～35 m，具有弱透水性，并构成坝基深部承压含水层，承压水具有埋藏深、水头高、动态稳定的特点。

第二岩组（Q31Ⅱ）褐黄或灰绿色块碎石土夹硬质粘性土层：结构密实，呈超固结压密状态，透水性微弱。该岩组在坝址河床部位其顶板埋深18～24 m，厚度一般为31～46 m。该岩组既是坝址深部承压水的相对隔水、抗水层顶板，又是坝基防渗处理工程的主要依托对象。

第三岩组（Q32-1Ⅲ）卵砾石层与粉质壤土互层：分布于坝基上部及右岸坝肩下部，总厚度45～154 m，是坝基主要持力层，同时也是坝基和右坝肩下部防渗处理的主要地层。粉质壤土其间夹数层炭化植物碎屑层，局部含砾粉质壤土透境体，在空间分布上由盆地边缘向中心具有厚度增大、层次增多的变化趋势。

第四岩组（Q32—2Ⅳ）弱胶结卵砾石层：厚度65～85 m，层间夹数层透镜状粉砂层或厚约0.2～3 m粉质砂壤土。泥钙质空隙式弱胶结为主，局部基底式钙质胶结，多呈层状或透镜状分布，存在溶蚀现象。具较弱的含水、透水性能，为右岸坝肩上部防渗处理的主要地层。

第五岩组（Q32—3Ⅴ）粉质壤土夹炭化植物碎屑层：系一套以湖沼相为主的冰水—河湖相沉积层，厚约90～107 m，与下伏巨厚卵砾石层呈整合接触。层内夹3～8层砾石层，单层厚度0.8～5 m，具粒度小、胶结程度相对较差的特点。

构成坝基五大岩组的含水性和透水性不均一。其中，第一、第四、第三岩组的卵砾石具弱透水性，第三、五岩组粉质壤土和第二岩组块碎石土夹硬质土具微弱～极弱透水性。据水文地质测试成果，各岩组的含水、透水性具有如下特征：

第一、四岩组以弱透水的卵砾石层为主，夹薄层微弱透水的粉细砂或粉质壤土透镜体。由于卵砾石层的充填与胶结程度不一，以及局部存在溶蚀空洞，其透水、含水性也存在不均一性，渗透系数一般（1.0～5.0）×10-3cm／s，小者仅（1.58～3.16）×10-4cm／s，第四岩组卵砾石层局部达9.86×10-3cm／s。

第二岩组为微弱透水的块碎石土夹硬质土，第五岩组以极弱透水的粉质壤土及粉质砂壤土为主，其含水性差，渗透系数小于2.2×10-5cm／s，具有相对隔水的特点。

第三岩组总体以弱透水卵砾石层与极弱透水粉质壤土互层，具有弱透水层与局部隔水层相间分布的特点。该岩组上部以极弱透水的粉质壤土夹弱透水卵砾石透镜体，具有微弱透水性。其中，卵砾石层渗透系数一般（1.27～5.19）×10-3cm／s，小者约4.32×10-4cm／s；粉质壤土渗透系数小于2.2× 10-5cm／s，透水性微弱。

3 土体的物理力学特性

坝址区上述的五大岩组地层在堆积过程中经历了不同程度的泥钙质胶结和超固结压实作用。据卵砾石层的胶结物质和粉质土的化学成分分析，第三、四岩组卵砾石层胶结物的CaO、MgO和烧失量之和均高达50%以上；粉质土中以第三岩组青灰色粉质壤土的CaO、MgO和烧失量较高（45%左右），第二岩组的黄色硬质粘性土则仅占10%。可见第三、四岩组钙质胶结作用较强，第二岩组基本不具钙质胶结特征。坝段内五大岩组的原始堆积面高程达2 750 m，取自坝址河谷底部2 540 m高程的第二岩组黄色硬质粘性土和第三岩组青灰色粉质壤土，在压缩试验中求得其先期固结压力分别为6.0 MPa和4.5 MPa，这种较高的先期固结压力与河谷底部土层所承受过的上覆历史荷载基本一致，反映出坝段各岩组土层皆属超压密土。故具有密度大、强度高、压缩性低和透水性弱的特点［1］。

3.1 土体的物理性质

（1）颗粒组成及结构特征。根据岩组的颗粒组成可以分为粗、细粒土两大类。粗粒土以砾石为主，其含量占43%～63%，不均匀系数178.57～828.6，累积曲线基本上呈含砂率少的低缓坡型；细粒土以粉粒含量为主，占50%～63%，不均匀系数8.3～15.0，属级配良好的粉土。

（2）物理性。据五大岩组物理性指标，粗粒土类比重为2.77～2.83，干密度为1.94～2.24 g／cm3，空隙比为0.48～0.64。它们均具有较大的干密度和较小的空隙比，属密实土层；尤以细粒土因受到较大的先期固结压力，达到较高的固结程度，其干密度较一般土层高。

（3）渗透性。由现场和室内试验成果可知，坝址区五大岩组密度较大，结构紧密，其透水性一般较弱。其中，粉质壤土、黄色硬质土和块碎石土渗透系数K＝3.51×10-5～5.6×10-9m／s，属极弱～微弱透水层，可视为相对隔水层；卵砾石层K＝5.19× 10-3～1.58×10-4cm／s，属弱透水层。

3.2 土体的力学性质

（1）变形特性。对坝基第二岩组块碎石土夹硬质粘土、第三岩组青灰色粉质壤土和第三、四岩组卵砾石层进行了10组大型现场荷载试验，最大荷载达2.2 MPa，试验成果如图1所示。由试验成果表明：其P～S关系曲线未出现明显转折点；用作图法求得的比例界限Pkp荷载的沉降量仅为0.314～1.122 cm，其沉降量不大。

图1 现场载荷试验P-S曲线

细粒土原状样室内试验共进行了19组，其中第二岩组黄色硬质粘性土和第三岩组粉质壤土各9组，第五岩组粉质壤土1组，最大垂直荷载为1.6 MPa，试验成果表明，均属于低压缩土。水利水电科学研究院对第二岩组黄色硬质粘性土和第三岩组之青灰色粉质壤土进行压缩性试验时，当施加最大压力达3.2MPa时，其压缩曲线的正常压密段仍未出现，经使用图解法求得的第二、三岩组细粒土的先期固结压力在4.5～6.0MPa之间。

这种承受过较高的先期固结压力的超固结压密土体，其表部变形模量值是通过原位承载试验，以比例极限Pkp对应的沉降量为基准，按布氏理论计算确定的。根据太沙基、弗洛林、雅罗申柯等研究，土体的变形模量具有随埋深增加、围压增大而增大的规律性，故对于3～5m深度以下的土体可适当的提高变形模量值。

（2）抗剪强度。坝址第三岩组之粉质壤土及第二岩组块碎石土夹黄色硬质粘性土是控制坝基抗滑稳定的土层。现场原位大剪试验及室内小三轴剪等试验成果表明，同一种土体在不同试验条件下，其抗剪强度值均较高，且差值不大，摩擦角φ介于33.27°～35.94°之间，凝聚力C值均大于0.1MPa。小三轴剪试验所得到的应力～应变曲线均有峰值出现，一般呈驼峰型软化形式脆性破坏，显示出具超固结压密土的剪切破坏特征。

（3）抗渗强度。坝段土体现场及室内原状样渗透变形试验结果表明，第三岩组之粉质壤土和第二岩组块碎石土、黄色硬质土的抗渗强度均较高，破坏比降为12.2～13.93以上，其破坏形式主要是流土，试件破坏时在土体下游面仅出现局部开裂或鳞片状剥落。第三、四岩组卵砾石由于具有泥钙质胶结作用，其抗渗强度亦较高，破坏比降为4.25～10.4以上。坝段各岩组抗渗强度较高，临界比降和破坏比降值均超过一般同类的非超压密土。

（4）动力特征。标准惯入法、跨孔法和动三轴剪力特性试验成果表明，第二岩组黄色硬质粘性土标贯击数为46～59击，横波速度为488～499m／s；第三岩组青灰色粉质壤土标贯击数为56～106击，横波速度为463～499m／s。在动三轴试验中，土样在振动过程中，孔隙水压力普遍发展缓慢，多呈软化型脆性破坏，动强度值高。故该类土具有标贯击次高、波速高和动强度值高的特点，属超固结压密土。

4 坝基（肩）覆盖层工程地质问题及处理措施

4.1 坝基（肩）渗漏

埋藏于坝基下部49～70m的第一岩组（Q22Ⅰ）为深部承压含水层，渗透系数K＝（1.15～5.75）× 10-3cm／s，承压水体迳流缓慢，排泄不畅。根据大型三向电模拟渗流试验，在无任何防渗情况下，建库后库水通过第一岩组的渗流量由建库前的0.165～0.177m3／s增加到0.285～0.298m3／s，仅增加0.12 m3／s，其渗漏量和增加值均很小。因此，对分布于坝基下部的第一岩组可不考虑进行防渗处理。

右坝肩2650m高程以下至坝基河床下部深约18～24m一带为第四、第三岩组，垂直厚度128～137m，卵砾石层透水性不均一，岸坡地下水位低。蓄水后坝基及右坝肩的第三、第四岩组（特别是第四岩组）将是其渗漏的主要途迳。据三向电模拟渗流试验结果，建库后无防渗设施情下，通过第三、第四岩组的渗流量为0.665～0.669m3／s，约占总渗流量0.957～0.95m3／s的70%左右。应对其采取相应的防渗工程处理措施，以减少其渗漏量，确保抗渗稳定性。根据基础土体的水文工程地质条件，在河床坝基部位可将垂直防渗插入到第二岩组块碎石土夹硬质土层之中，在右岸坝肩（或7号沟一带），由于第二岩组埋藏较深，综合考虑基础渗透及防渗处理难度，可采用悬挂式防渗处理方式。

左岸坝肩2700m高程以下为坡崩积块碎石土和第二岩组块碎石土层所覆盖，坡崩积层厚度小，一般3～5m，结构松散，工程地质性状差；第二岩组黄色块碎石土层，结构密实，透水性微弱，工程地质性状好。

坝基防渗漏及防渗透处理措施应与大坝基础地质条件相适宜，基础防渗布置形式采用混凝土防渗墙与帷幕灌浆相结合的防渗方式，从左岸～河床～右岸基础防渗分别采用帷幕灌浆、防渗墙＋帷幕、防渗墙、防渗墙＋帷幕的布置方式，可有效减少绕坝渗漏量；河床和右岸坝肩基础防渗均以第二岩组为防渗依托层，构成了一个完整的防渗体系；右岸台地采用悬挂式防渗方式，可有效减少坝肩绕渗量。

4.2 坝基（肩）抗渗稳定

坝基及右岸坝肩分布的第三、第四岩组卵砾石层及粉质壤土层，抗渗性能好，设置一定的防渗工程后即可使该岩组处于抗渗稳定状态。

（1）坝下游河床中分布有厚约50 m的第二岩组，由于下伏第一岩组未进行防渗处理，因此第二岩组将承受较高的水头压力。根据大型三向电模试验表明，水库蓄水后，第二岩组顶板水头差达70.9 m，其渗透比降为1.418，小于第二岩组块碎石土的允许比降3.8～4.8，故第二岩组不存在管涌问题。此外，由于坝下游河床下部厚约50 m的第二岩组土体自重小于其下部第一岩组承压水的渗透压力，在70.9 m水头差的渗透压力作用下，是否会发生整体性的流土破坏，主要取决于被移动土体与周围土体间的抗剪强度。也就是说若发生整体流土破坏现象，可视为土体间产生垂直剪切破坏，判别如下［2］：

①临界上浮力包括土体自重压力与侧向约束力两部分，临界上浮力Pk为：

式中 r′—土体浮容重，T／m3；取r′＝1.3 T／m3；

H—土体厚度，取H＝50 m；

R—土体半径，取R＝20 m；

C—凝聚力，取C＝0.1 MPa。

②承压水上升作用的渗透压力（上浮力）

式中 γω—水的密度，γω＝1.0 T／m3；

h—蓄水后作用于土体顶底板的水头差，取h＝70.9 m。

③当Pk≥P时，土体不会发生流土破坏；Pk＜P时，土体可能发生流土破坏。

通过验算复核，第二岩组的自重压力与侧向约束力之和Pk＝1.127 MPa，大于作用在该土体顶底板的上浮力P＝0.695 MPa，安全系数K＝1.62。因此，埋藏于坝下游第二岩组在建库后将不会发生整体流土破坏现象，即该部分土体是处于稳定状态的。

（2）坝基及右岸坝肩部位的弱胶结卵砾石层与超固结粉质壤土层接触面结合紧密，透水性较弱。据在坝体下游的第三岩组卵砾石层与粉质壤土接触面上进行的一组渗透变形试验成果，其渗透破坏比降达4.25时（与卵砾石层破坏比降一致），除在卵砾石中发生少量的细粒带出及小裂纹之局部管涌外，在接触面上未发生任何其它破坏现象，蓄水后不会发生接触冲刷问题。

4.3 坝基变形

坝址区左岸坝肩基岩面埋藏相对较浅，坝基及右岸坝肩下基岩面变化大，埋深较大，总体变形趋势是自上游向下游、从左岸往右岸盆地中心倾斜，形成左岸覆盖层较薄，坝基覆盖层较厚、右岸覆盖层深厚的特点。由于坝基下部基覆界面变化大，覆盖层厚薄不同，各岩组物理力学性能存在一定的差异，坝基变形存在不对称性和不均一性，有由左岸向右岸发生“倾斜”变形的现象，对坝体及心墙的应力分布及变形带来一定的影响。

河床坝基浅层部位，分布的“ⅢB”粉质壤土层，其顶板埋深0.5～4 m，厚0.5～17.5 m，自坝基上游往下游逐渐增厚，亦应考虑“ⅢB”层厚度不等引起的坝基不均一沉降变形。虽然坝基基础存在不均一变形问题，由于坝基持力层范围内的土体，均属超固结密实土体，力学性能较好，抗变形能力较强，其变形量不大，加之堆石坝底宽较大，对基础变形的适应性强，故坝基变形对坝体的影响问题不突出。为尽可能减少基础不均一沉降变形对心墙的影响，要求心墙部位基础置于密实的原状土体内，并在基础面上设置混凝土基座，可改善基础的应力状态。

坝基由多层结构土体组成，其中坝下游的“ⅢB”粉质壤土层和“ⅢB”粉质壤土与下伏的卵砾石层或块碎石夹硬质土层之接触面，埋藏较浅，构成坝基潜在浅表层可能“滑移面”。当大坝填筑完成后，“滑移面”处于受压状态，对坝基抗滑稳定有利，且接触面力学性能及胶结状态均较好。此外，在坝体下游设置了宽约200 m，厚20～30 m的坝体压重区，坝基抗滑稳定满足要求。

4.4 坝基地震液化

据土体物理性试验研究，坝基粉质壤土夹炭化植物碎屑层，粘粒含量Pc＝8%～28.5%，塑性指数Ip＝8.4～17.9，沉积时代为晚更新世中期，曾受到高达4.5～6.0 MPa的先期固结压力作用，结构密实，动、静强度指标高，标准贯入击数在56击以上。通过经验判别法和H·B·Seed剪应力对比法判断如下：

（1）地面最大加速度amax时，地面下深度H处的地震剪应力：

式中 amax—地面最大水平地震加速度，取0.30 g、0.45 g；

rd—水平地震剪应力随深度折减系数；

rf—上覆土层平均饱和密度，T／m3；

△h—上覆土层分层高度，m。

（2）同一深度饱和土层抗震液化剪应力：

式中 τd／σ3c—室内动剪应力比，采用Kc＝1，Nf＝8、12、20的试验值；

Cr—室内与现场应力比校正系数，取0.63；r′—土的有效容重，地下水位以下取浮容重，T／m3。

（3）判定：当τs≥τc，土层不液化；τs＜τc土层可能液化。

当地面最大水平地震加速度按50年超越概率5%和100年超越概率2%分别取amax＝0.30 g、0.45 g情况下，坝基不同深度饱和状态的粉质壤土均不发生液化破坏。由于粉质壤土在坝基下埋藏较浅，且分布范围较大，强震波及可能引起的局部孔隙水压升高，降低抗剪强度，对坝基变形稳定和抗滑稳定不利。为此，在坝基分别设置减压孔、反滤排水垫层和坝下游压重等工程处理措施。