荒沟抽水蓄能电站工程上水库坝基全风化岩体利用研究

郑以宝, 田作印

(中水东北勘测设计研究有限责任公司,吉林 长春 130021)

荒沟抽水蓄能电站工程上水库坝基全风化岩体利用研究

郑以宝, 田作印

(中水东北勘测设计研究有限责任公司,吉林 长春 130021)

荒沟抽水蓄能电站上水库主坝坝基土状全风化带厚度大、分布广,是坝基的主要地层,对其工程性质的研究是勘察工作中的重点内容。通过可研、招标阶段坑探、钻探及试验,确认该土层是花岗岩风化而形成,可以作为大坝次堆区基础。在面板堆石坝设计中对该层的利用,既减少了料场开采量及弃渣量,又节省了工程量和投资。

抽水蓄能电站;上水库主坝;全风化岩体;面板堆石坝

图1 上水库主坝坝轴线工程地质剖面图Fig.1 The engineering geological section of upper reservoir basin axis

1 工程概况

荒沟抽水蓄能电站位于黑龙江省牡丹江市海林市三道河子乡,下水库为已建的莲花水电站水库,上水库为牡丹江支流三道河子右岸的山间洼地。站址距牡丹江市145 km(公路里程),距莲花坝址43 km(公路里程)。

1991—1992年进行了可行性研究阶段勘察设计工作。1994年开展了初步设计阶段勘察设计工作。上水库坝型为心墙堆石坝,根据地质资料,认为工程地质条件不甚理想,并开展面板堆石坝方案的比较工作。1998年进行了面板坝方案补充勘察设计工作。2005年在收集前期初步设计地质资料基础上开展可行性研究设计(等同初步设计)工作,根据可行性研究报告审批和项目评估意见,2011年6—11月进行招标设计阶段工程地质勘察工作。现该工程正进行施工建设。

2 可研阶段的勘察成果及设计方案

上水库主坝坝址位于八十七沟上部。筑坝地段沟谷呈浅“U”字型,正常蓄水位处谷宽约690 m。左岸山体比高100～160 m,坡度10°～25°;右岸山体比高65～70 m,坡度10°～20°,局部为陡崖。高程670 m以下常见崩塌堆积,沟底局部为沼泽湿地。第四系松散层分布于沟底及两岸山坡,厚度随地貌单元的不同而有所差异(见图1)。

根据可研阶段勘察成果,上水库主坝坝基土共分5层:第①层,碎石混合土;第②层,混合土碎石;第③层,碎、块石;第④层,含砾高液限粘土;第⑤层,粘土质砂[1]。

其中第⑤层是坝基的主要地层,主要分布于沟底基岩面上,在坝址范围内连续分布,厚度变化较大,层厚一般为2～23 m,最厚达30 m左右。可研勘察阶段着重对该土层进行了大量的取样试验和现场原位测试工作,认为该层的渗透系数变化范围较大,分选性及均一性均较差。该土层开挖形式对坝体投资和安全运行有影响,故对不同的基础开挖形式进行了比选。共拟定了3个比选方案(方案A、方案B、方案C)。

方案A:主堆石区局部建基于基岩方案,趾板和主堆石区局部建基于弱风化基岩上部,下游堆石区全部建基于土状全风化层上。其它主堆石区基础分二级开挖,建基面由弱风化基岩上部过渡至土状全风化层上。

方案B:主堆石区建基于基岩方案,趾板和主堆石区局部建基于弱风化基岩上部,其它主堆石区建基于强风化基岩上部,下游堆石区全部建基于土状全风化层上。

方案C:坝体全部建基于基岩方案,趾板和主堆石区局部建基于弱风化基岩上部,其它主堆石区和下游堆石区全部建基于强风化基岩顶部。

虽然主堆石区局部建基于基岩方案和主堆石区建基于基岩方案较经济,但考虑坝基土状全风化层性状差异较大,混凝土面板坝坝体承受不均匀变形能力较差,坝体全部建基于基岩方案可降低坝体主堆石区的变形以及面板的挠度,因此,从安全考虑,推荐坝体全部建基于基岩方案。

3 招标设计阶段的研究成果

将主坝坝基全部建于基岩这一方案,坝基土石方开挖量为154.6×104m3,除了必须挖除的表土外,粘土质砂的开挖量为116×104m3,占总开挖量的75%,如果能得到利用,对节省投资意义重大。

2011年,荒沟抽水蓄能电站上水库坝址招标设计阶段勘察,对第⑤层土重新进行了认识和研究,物理力学性质试验成果详见表1-表3[2-3]。

(1) 天然含水量试验16组,平均值为13.1%;干密度试验5组,平均值为1.86 g/cm3;孔隙比试验5组,平均值为0.44;塑性指数试验16组,平均值为11.51;颗分试验16组,其中砾粒的含量平均值为30.4%,砂粒的含量平均值为30.3%,粉粒含量平均值为16.6%,粘粒含量平均值为23.1%。粗粒含量变化较大,在48%～73%之间。

表1 坝基土状全风化白岗花岗岩三轴试验成果表Table 1 The triaxial test results table of earthy fully weathered white granite from base of dam

表2 土状全风化白岗花岗岩物理性质试验成果表Table 2 The results of main physical properties of earthy fully weathered white granite

表3 土状全风化白岗花岗岩固结试验成果表Table 3 The consolidation test results of earthy fully weathered white granite

(2) 土的标准压缩系数a1-2在0.08～0.25 MPa-1之间,平均值为0.15 MPa-1;压缩模量Es1-2在5.96～18.69 MPa之间,平均值为11.08 MPa;属中等压缩性土。

(3) 渗透性试验5组,其最大值为5.29×10-5cm/s,最小值为1.35×10-6cm/s,平均值为3.10×10-5cm/s。从土的渗透试验成果分析,也说明该土层均一性较差。

结合可行性研究阶段—招标设计阶段整个勘察过程地质测绘及探坑、探槽、钻孔地质资料,地质人员对第⑤层土的成因有了新的认识,确认第⑤层土实际上是白岗花岗岩风化而形成。根据最终勘察成果,该土层重新被定名为“土状全风化”。由于这一变化,结合各项试验成果数据,勘察设计人员发现坝基中需要挖除废弃的“粘土质砂”可以为工程所用。

4 最终设计开挖方案

根据新的地质认识对主坝基础开挖形式进行设计优化。

由于前期坝基土三轴试验剔除了(0.5 mm以上全部剔除)大颗粒、有扰动、分散性较大、代表性不强,招标阶段重新取原状样进行了三轴、固结等试验,坝基土由“粘土质砂”重新定名为“土状全风化”。根据新的试验成果重新论证了下游堆石区全部建基于土状全风化带的可行性,推荐采用可研方案B,主堆石区建基于基岩方案。即趾板和主堆石区局部建基于弱风化基岩上部,其它主堆石区建基于强风化基岩上部,下游堆石区(坝轴线以后)全部建基于土状全风化层上。

根据新的固结试验,坝基土状全风化层压缩系数在0.2 MPa-1左右,为中等压缩性土偏于低压缩;土的软硬状态为硬塑—坚硬;固结系数(1×10-2cm2/s),较前期(前期平均值为1.54×10-3cm2/s)试验成果增大了一个数量级,即更易固结;干密度为1.77～2.02 g/cm.3,近于砂土指标;土状全风化带渗透系数大值为5.29×10-5cm/s,小值为1.35×10-6cm/s,其下层砂状全风化带渗透系数为2.31×10-3～6.94×10-3cm/s(其上层为排水体,其上游侧为主堆石,可以三向排水)。从坝体安全考虑,对基础土状全风化层渗透系数取大值和取小值(主堆石区建基于基岩方案)分别进行了固结计算。经计算,坝基土状全风化层渗透系数取大值时,施工期结束后,该土层已固结,坝体沉降已完成,可直接进行面板施工、蓄水,不会影响坝体安全;坝基土状全风化层渗透系数取小值时,施工期结束后基础(土状全风化)沉降仍未完成,但未完成的沉降主要在下游堆石区,根据应力应变结果,主堆石区竣工期最大沉降为50.3 cm,运行期为53.5 cm,差值为3.2 cm,即沉降在施工期大部分已完成,总体沉降量相对不大,对面板的影响很小。

根据面板堆石坝的受力特点,本工程主堆石区建基于强风化和弱风化岩石上,坝轴线下游部分建基于土状全风化层上,其变形影响不到面板,所以即使在运行期继续产生垂直沉降也不会影响面板的变形,坝顶沉降是可以修复的,也是易于施工处理的。

基于以上分析,保留土状全风化层作为基础在技术上是可行的,综合考虑土料平衡、坝体稳定、应力应变等因素,采用自坝轴线以后保留土状全风化层的基础开挖形式。

招标阶段基础开挖方案较可研的推荐方案(基础全部建于基岩方案)主坝石料减少约37×104m3,土石方开挖减少约61×104m3,同时也减少了弃渣和占地(约减少189×104m3),节省了工程量和投资。

5 结语

工程地质勘察过程中,要结合重要建筑物的布置、规模,对重要的地质现象开展针对性的地质勘察试验工作,勘察工作量的布置要满足勘察阶段的精度要求。勘察的不同阶段,是对地质现象逐渐认识的过程,正确地认识地质现象,才能合理提出地质结论和建议,对于重要的地质现象,应采用多种勘察手段进行研究。在堆石坝的勘察设计过程中,对坝基的土层应根据勘察试验指标充分论证,土状全风化层的利用带来了显著的经济效益。

[1] 刘录君.荒沟抽水蓄能电站可研设计报告[R].吉林:中水东北勘测设计研究有限责任公司,2010.

[2] 杨宗玲,郑以宝,赵海阔,等.荒沟抽水蓄能电站招标设计报告[R].吉林:中水东北勘测设计研究有限责任公司,2012.

[3] 中华人民共和国国家发展和改革委员会.水电水利工程土工试验规程:DL/T 5355—2006[S].北京:中国电力出版社,2007.

(责任编辑：于继红)

Research on Fully Weathered Soil Use on the Upper ReservoirBasin in Huanggou Pumped-storage Power Station

ZHENG Yibao, TIAN Zuoyin

(ChinaWaterNortheasternInvestigation,Design&ResearchCo.,Ltd,Jilin,Changchun130021)

The fully weathered soil zone from the upper reservoir basin in Huanggou Pumped-storage Power Station is the main dam foundation,which is in weathered large thickness and wide distribution,and the research on the engineering properties of it is the key content in the investigation work. It can be verified with drilling pitting and testing that the soil layer is formed by weathering granite and it can be used as the base of secondary zone in dam. The use of fully weathered soil zone in the design of concrete face rockfill dam,can reducing the produced quantity and the amount of slag,and the amount of engineering and investment can be save.

pumped-storage power station; the upper reservoir basin; fully weathered soil; face rockfill dam

2017-06-20;改回日期:2017-06-29

郑以宝(1981-),男,高级工程师,地质工程专业,从事水利水电工程地质勘察工作。E-amil:376965493@qq.com

TV223

A

1671-1211(2017)04-0389-03

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2017.04.007

数字出版网址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20170622.1655.004.html 数字出版日期:2017-06-22 16:55