汉江湖北段某航运枢纽坝址工程地质问题与坝址选择

栾约生, 潘 霄, 肖 丽

(1.水利部 长江勘测技术研究所,湖北 武汉 430011; 2.长江勘测规划设计研究有限责任公司,湖北 武汉 430010; 3.长江科学院,湖北 武汉 430010)

汉江湖北段某航运枢纽坝址工程地质问题与坝址选择

栾约生1, 潘 霄2, 肖 丽3

(1.水利部 长江勘测技术研究所,湖北 武汉 430011; 2.长江勘测规划设计研究有限责任公司,湖北 武汉 430010; 3.长江科学院,湖北 武汉 430010)

介绍汉江湖北段某航运枢纽工程概况,分析坝址基本地质条件及存在的主要工程地质问题,重点从地质角度对三个坝址进行比较分析,并推荐优选坝址,提出地基处理的建议,总结大江软岩地区坝址勘察需注意的几个问题。

航运枢纽;工程地质;坝址选择

1 工程概况

汉江某航运枢纽位于汉江中游湖北段,主要任务为航运、发电及降低“南水北调”对该区生态环境的影响,兼顾灌溉、旅游等综合开发利用功能。枢纽正常蓄水位55.22 m,相应库容6.09亿m3,装机容量84 MW,航道等级为Ⅲ级,设计通航船舶吨级1 000 t,相应枢纽工程等别为二等,规模为大(2)型。

初选三个坝址沿汉江相距1.5 km和1.0 km。枢纽工程的水工建筑物主要有挡水土坝、船闸、电站厂房、泄水闸,次要建筑物有鱼道,临时建筑物有上下游围堰和纵向围堰等。挡水土坝两端为汉江江堤或基岩岸坡,土坝采用塑性混凝土防渗墙防渗,墙体底部与基岩相接,深处约27 m,坝体采用砂砾石填筑;船闸闸室长约180 m,宽约44 m,闸室边墙高约16 m;电站厂房为河床式电站厂房,沿坝轴线方向长约220 m,主机段长约155 m,厂房坝段为挡水建筑物的一部分;泄水闸为钢筋混凝土开敞式平底闸,单孔宽14 m,闸室总长约820 m,上游面设有水平防渗铺盖;鱼道总长约495 m,以滴水声诱鱼;围堰采用塑性混凝土防渗墙形式。

2 坝址基本工程地质条件

工程区位于南襄盆地和江汉平原的过渡地带,地面高程约53～75 m,河床宽度一般1 200～2 000 m。坝址区基岩为新近系掇刀石组(Nd)的粘土岩、砂砾岩、砂岩和泥灰岩,部分砂砾岩、砂岩呈疏松—弱胶结状态;第四系由中更新统善溪组(Q2s)、上更新统宜都窑组(Q3y)和全新统(Q4)的粉质壤土、粉质粘土或砂壤土、粉细砂、卵砾石组成,另有人工填筑堤防。工程场址区50年超越概率10%时的地震动反应谱特征周期为0.35 s,相应地震基本烈度为Ⅵ度。

河床段覆盖层具典型的二元结构,上部为河床粉细砂,下部为卵粒石。粉细砂的不均匀系数Cu为2.1～31.3,曲率系数Cc为0.8～7.6,多为级配不良,标准贯入修正后击数为3～11,平均为6击,承载力为90～110 kPa,渗透系数为3.82×10-3～9.53×10-3cm/s,临界比降0.25～0.28,破坏形式主要为管涌、流土—管涌过渡型,抗冲流速为0.25 m/s;砂卵砾石的不均匀系数Cu为4.7～556.3,曲率系数Cc为0.1～9.5,多为级配不良,砂卵砾石动探N120′为7～18,平均为12击,承载力为300～320 kPa,渗透系数为7.24×10-3～5.32×10-2cm/s,临界比降0.22～0.25,破坏形式主要为管涌,抗冲流速为0.50 m/s。

基岩中的粘土岩弹性模量仅0.04 GPa,承载力为250 kPa;弱胶结粉细砂岩弹性模量仅0.08 GPa,承载力为350 kPa;疏松砂砾岩弹性模量仅0.06 GPa,承载力为300 kPa。而粉细砂岩弹性模量则为0.45 GPa,承载力为600 kPa;砂砾岩弹性模量为2.50 GPa,承载力为1 500 kPa。由此可见,胶结程度对岩石强度影响甚大。

3 坝址主要工程地质问题

3.1 土体承载力低与抗冲刷问题

粉细砂承载力仅90～110 kPa,存在承载力不足的问题,不能直接作为泄水闸等混凝土建筑物的地基。

粉细砂的不冲刷流速为0.25 m/s,泄水闸、电站厂房、船闸及导流明渠等建筑物地段地基或边坡存在粉细砂的水流冲刷问题。

3.2 砂土振动液化问题

漫滩及河床部位的粉细砂直接出露地表,粘粒含量<3.0%,水库正常运行时,粉细砂层处于饱和状态,按照《水利水电工程地质勘察规范》(GB50487—2008)的地震液化判定方法[1],在Ⅵ度地震作用下,初判不能排除粉细砂不存在震动液化问题;复判计算表明,在Ⅵ度地震条件下,浅部2.0 m的粉细砂存在液化问题。

3.3 坝基渗漏与渗透变形问题

坝基下河床的粉细砂呈中等透水性,砂卵砾石呈强透水性,疏松砂砾岩、弱胶结粉砂岩及中粗砂岩、砂砾岩的破碎处透水率多为5～30 Lu,尤其是疏松砂砾岩的透水率很大,可达50 Lu,存在库水渗漏问题。

坝址河床段粉细砂允许比降0.25～0.28,砂卵砾石允许比降0.22～0.25,在库水渗透力作用下,存在渗透变形问题。

3.4 粘土岩风化崩解问题

厂房基坑部分基础为粘土岩,基坑开挖形成后粘土岩裸露,存在快速风化崩解问题。

3.5 软岩地基不均匀变形问题

坝基岩石为软岩、极软岩,有的为半成岩状态,抗压强度低,抗变形能力差,且坝基岩性变化大,夹层、透镜体普遍,分布不均一,存在地基的不均匀变形问题。

3.6 基坑涌水与边坡稳定问题

厂房基坑深20～23 m,粉细砂厚8.7～11.6 m,砂卵砾石厚9.7～15.2 m,呈中等—强透水性。基坑开挖后,在内外高水头差作用下,若基坑渗控措施失效,将产生基坑涌水问题。

厂房基坑边坡高20～23 m,导流明渠边坡高约8 m,泄水闸施工时形成的临时基坑边坡约8.0 m。这些边坡由粉细砂及砂卵砾石等组成,抗剪强度低,存在边坡稳定问题。

4 坝址工程地质条件比选

4.1 地形地貌

三个坝址地形均较平缓,河谷开阔,两端为基岩山丘或汉江江堤。上坝址坝轴线长3 730 m,主河道宽380～420 m,水深3.6～5.8 m;中坝址坝轴线长3 240 m,主河道宽570～620 m,水深4.5～7.1 m;下坝址坝轴线长2 282 m,主河道宽550～580 m,水深一般4.0～6.0 m。三个坝址均有利于水工建筑物的布置,主河道水深相差不大,便于施工期的导流和行船,但下坝址坝轴线较短,有利于节省工程投资。

4.2 地层岩性

三个坝址覆盖层均为粉细砂和砂卵砾石,上坝址粉细砂厚0.7～9.9 m,砂卵砾石厚0～11.7 m;中坝址粉细砂厚2.9～9.9 m,砂卵砾石厚5.7～15.6 m;下坝址粉细砂厚2.0～10.6 m,砂卵砾石厚11.0～16.0 m。三个坝址基岩主要为粘土岩,但中、下坝址的泥灰岩、粉细砂岩、砂砾岩透镜体较多,上坝址的基岩透镜体较少。

4.3 地质构造

三个坝址地质构造条件都较简单,基岩层面微倾下游偏右岸,倾角<5°,断层不发育。

4.4 物理地质现象

三个坝址物理地质现象不发育,仅存在轻微的岸坡冲刷崩塌问题,下坝址和中坝址的基岩岸坡存在轻微的表部溶蚀问题。

4.5 水文地质条件

三个坝址地表、地下水腐蚀性微弱;上坝址未揭示到承压水,中坝址在坝轴线处揭露到高出江面约1.6 m的临时性承压水,下坝址在上游围堰处揭露到高出江面约0.2 m的临时性承压水,承压水不具腐蚀性,为局部透镜体的包含水,水量小,揭穿后承压性很快消逝,不会对水工建筑和施工造成影响。下覆基岩中的粘土岩、泥灰岩为相对隔水层,粉细砂岩、中粗砂岩的透水率<10 Lu,而砂砾岩和弱胶结粉细砂岩的透水率一般>10 Lu,疏松砂砾岩的透水率一般>20 Lu。总体上,上坝址水文地质条件较好,中、下坝址水文地质条件稍差。

4.6 坝基防渗条件

上坝址防渗线多位于基岩面下约5.0 m,下部夹有厚1.0～3.0 m的透水透镜体;中坝址右岸的防渗线多位于基岩面下约5.0 m,在左岸有长1.7 km、厚约10 m的透水岩体;下坝址的防渗线一般位于基岩面下约10.0 m。

4.7 岩土体强度

三个坝址岩土体强度相差不大,以中、下坝址略优,但也均为极软岩夹少量软岩。

4.8 主要工程地质问题

三个坝址均存在前述的工程地质问题。

总体上,三个坝址地形开阔,地质构造简单,地层结构相似,物理地质现象不发育,岩土体强度和工程地质问题基本相同。虽然上坝址坝基防渗条件稍优,但下坝址坝轴线较短的优势明显,所以,从地质角度上推荐下坝址为优选坝址。

5 建筑物基础处理建议

(1) 挡水土坝、大部分泄水闸和船闸地基为粉细砂,其承载力低,浅表部存在地震液化问题,不宜直接作为建筑物基础[2],建议对粉细砂基础段进行搅拌桩处理,外侧采用大块石进行压盖与围封处理。部分泄水闸段地基为砂卵砾石,承载力较高,可以满足地基强度要求。

(2) 针对粉细砂和砂卵砾石存在渗漏、渗透变形、抗冲刷能力差问题,建议对坝轴线采取塑性混凝土防渗墙防渗处理、放缓坝坡坡比为1∶3.0、延长混凝土压盖及水流渗径等防护处理措施;对坝基透水岩体采取帷幕灌浆的方式处理。

(3) 厂房基坑边坡、导流明渠和船闸边坡存在边坡稳定问题,建议放缓坡比为1∶3.0或对边坡采取板墙支护措施,加强坡脚的固脚措施。

(4) 厂房基坑部分基础为粘土岩,存在快速风化崩解问题,基坑开挖时,建议预留保护层并及时浇筑混凝土。

6 结语

(1) 勘察大纲编写时要严格制定安全措施与应急预案措施,勘察期间需密切关注水情雨情,保证施工安全。

(2) 由于近期人工活动对河床影响大,后期冲积物也会覆盖人工构筑物或掩埋早期的河汊深沟,充分访问当地群众有助于提高地质测绘质量,顺利开展后续勘察工作。

(3) 粉细砂和砂卵砾石取颗分试验样时,宜采用植物胶循环液钻探来保证细颗粒土不被流失;软岩、极软岩样品在运输、制样过程中易于损坏,取样累计长度宜超过试验所需样长的2倍以上;大江大河滩地发育,水头边界条件清楚,便于开展抽水试验,并可采用钻孔电视检查套管是否隔住江水而考虑水上钻孔的抽水试验。

(4) 平原地区江面开阔,地基承载力不足,适宜修建人工地基上的低矮闸坝;坝址比选可考虑基本地质条件、防渗条件、岩土体强度、工程地质问题等因素,而采用层次分析法进行比较,抓住主要问题和影响大的因子优先考虑,有时甚至是关键一票就起决定性作用。

[1] 中华人民共和国水利部.水利水电工程地质勘察规范:GB 50487—2008[S].北京:中国计划出版社,2009.

[2] 长江航道局.渠化工程地质勘察规范:JTJ 241—98[S].北京:人民交通出版社,1999.

(责任编辑：于继红)

Engineering Geological Problems and Dam Site Selection of a Shipping Hubin the Hanjiang River of Hubei Province

LUAN Yuesheng1, PAN Xiao2, XIAO Li3

(1.ChangjiangReconnaissanceTechnologyResearchInstitute,MinistryofWaterResources,Wuhan,Hubei430011;2.ChangjiangInstituteofSurveyPlanningDesignandResearch,Wuhan,Hubei430010; 3.ChangjiangRiverScientificResearchInsitute,Wuhan,Hubei430010)

This paper introduces the general engineering survey of a shipping hub situated in the Hanjiang river of Hubei province.It analyzes the basic geology conditions of the dam site and points the main engineering geology problems exited.It compares and analyses the geology conditions of three dams and chooses the best dam site from geology view.It also proposes the suggestions how to deal with the buildings foundation.At last,it summarizes a few questions of exploring at great rivers and soft rock site.

shipping hub; engineering geology; dam site selection

2016-04-15;改回日期:2016-05-05

栾约生(1974-),男,高级工程师,水文地质与工程地质专业,从事水利水电工程地质勘察及水资源评价工作。E-mail:Luanys2006@126.com

TV61; P642

A

1671-1211(2016)03-0407-03

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2016.03.037

数字出版网址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20160504.0924.006.html 数字出版日期:2016-05-04 09:24