深厚覆盖层水电站水工安全鉴定重难点与应对措施

彭琦 戴涓

摘要：针对在深厚覆盖层地基上修建水电站难度大、安全影响大等问题，有必要充分认识该类水电站的工程特点及安全鉴定重难点。简述了包括基础沉降变形较大、地基渗透性较强、地下承压水影响、地基处理措施复杂、结构易变形、基础地震液化、河水含沙冲蚀破坏等在内的诸多安全鉴定重难点，并提出了多种针对性的组织措施和技术方法。论文研究成果可为科学、客观、公正地开展水电站水工安全鉴定提供借鉴。

关键词：深厚覆盖层;水工安全鉴定;重难点;应对措施;水电站

中图法分类号：TV698.1

文献标志码：A

DOI： 10.15974/j.cnki.slsdkb.2020.05.006

1 工程背景

水电站枢纽工程安全鉴定是我国水电站验收的必要环节和重要依据。水电站安全鉴定一般以枢纽大坝与发电系统为重点，主要为与安全密切相关的工程项目[1]。工程地质条件是影响水电站工程安全的基础条件和重要因素。由于我国特殊的地域条件，一些水电站修建在深厚覆盖层地基上，主要分布在我国西南、西北等地区[2]，如西藏尼洋河多布水电站河床覆盖层深度最大达360 m，主要由冲积含漂石砂卵砾石层、冲积中一细砂层，冰水积碎石砾石层及冰水积含块石砾石层等组成;四川南桠河治勒水电站覆盖层深度超过420m，由第四系中、上更新统冰水河湖相沉积卵砾石层、粉质壤土和块碎石土层等组成。为确保深厚覆盖层修建水电站工程的结构安全性和运行稳定性，工程建设往往需克服更多技术难题。同样地，对深厚覆盖层水电站水工建筑物进行安全鉴定也存在许多问题和难点，需采取有针对性的方法深入研究分析。

2 安全鉴定重难点

2.1 基础沉降变形且处理措施复杂

由于河道冲积、洪积、崩坡积等成因，经过长久沉积形成河床深厚覆盖层，有的覆盖层深度超过100 m，甚至达到几百米，且河道演变导致土层多呈非均一性，对水电站枢纽工程的稳定安全十分不利，可能出现地基承载力不够、稳定性难以满足要求、基础沉降、不均匀沉降过大等问题。为解决这些问题，确保不同高度、不同体型的枢纽建筑物稳定性，工程常采用多种地基处理措施，如换填地基、扩大基础、高压旋喷桩、碎石振冲桩或沉管灌注桩等。安全鉴定既要复核评价地基经不同措施处理后是否符合基础承载力要求，也要复核建筑物不均匀沉降控制要求，对水电站枢纽工程各建筑物长期运行基础稳定、沉降变形安全性及处理措施可靠性评价相对复杂。

2.2 地基透水及防渗处理难度大

深厚覆盖层地基由不同时代、成因的岩土体组成，其结构松散，在水平和垂直方向有较大差异，物理力学性质呈较大不均匀性，分层渗透系数因其土体构成和自然压实程度不同也存在较大差异，大多达不到水电站基础防渗要求，需进行基础防渗处理。如四川治勒水电站深厚覆盖层五大岩组中，1，3，4组渗透系数达10^-3cm/s量级，2，5岩组达10^-5cm/s量级;西藏多布水电站覆盖层按岩性分为14层，2层渗透系数达10^-2cm/s量级，1，3，7，9，10层渗透系数达10^-3cm/s量级，其他为10^-4cm/s量级及以上，地层渗透系数差异大，防渗处理技术难度大[3]。深厚覆盖层基础防渗时应选择可靠的措施，合理确定范围与深度，处理好基础防渗体与枢纽结构可靠连接等都是鉴定的难点。深厚覆盖层基础防渗往往采用悬挂式防渗体，其有效性和可靠性关系到地基渗流稳定和结构安全，应重点分析评价。

因河床改道演变，有些深厚覆盖层河道深度大、范围宽，不仅河床覆盖层厚，且坝端距两岸山体较远。在此种地层上修建水电站枢纽，考虑经济等因素，其坝端结构及防渗体未能与岩石山体衔接，坝端结构及防渗体与岩石山体之间也为透水覆盖层，同时还可能存在坝端绕坝渗漏问题。因此需特别注意对坝端绕坝渗透问题分析和防渗处理效果的评价。

2.3 地下承压水对枢纽稳定性有潜在不利影响

深厚覆盖层分层渗透系数差异大，形成透水层和相对不透水层交替分布，透水层埋藏地下水较丰富。经过长期地层演变，局部地层形成较稳定的承压含水层，对枢纽建筑物存在潜在的不利影响，这是安全鉴定时容易忽视的问题。典型的承压含水层可分为补给区、承压区及排泄区。水电站建设及其基础开挖会改变承压含水层结构，尤其是对承压区直接开挖或钻孔，会使承压水喷出，导致承压区泄压，影响枢纽建筑物结构稳定。

2.4 结构防渗止水存在薄弱环节

为形成连续封闭的防渗体系，需对枢纽工程建筑物结构采取可靠的防渗止水措施，如设铜止水或其他止水结构，且建筑物防渗止水系统需與基础防渗体可靠衔接。因建筑高度、结构形式、地质条件或基础处理措施不同，不同类型建筑物之间往往容易产生过大不均匀沉降而破坏防渗止水结构。水库蓄水运行后，建筑结构会发生较明显的水平位移，而基础防渗体水平位移很小，易使建筑结构防渗止水系统与基础防渗体之间的防渗止水结构因过大变形拉裂失效。这些是安全鉴定时需重点关注的防渗止水薄弱环节。

2.5 建筑物裂缝较多

建筑物产生裂缝有多种原因，基础沉降变形是主要因素之一。深厚覆盖层地基水电站建筑物裂缝往往较多，且形式多样、宽度不一。有些裂缝为表面裂缝，对结构基本无影响;有些裂缝可能大幅削减混凝土结构整体强度，影响结构安全;有的水电站甚至在建设过程中就出现了大量裂缝，需接受专项处理。对裂缝进行检查、分析和评价，找出影响结构安全的贯穿性裂缝，评价其危害程度，并对相应处理措施进行评价，也是水电站建筑物安全评价的重难点之一。

2.6 基础地震液化问题

深厚覆盖层河道多分布于山区地震带区域，在我国西南部较多，这些区域建筑物需满足相应抗震设防要求。有的深厚覆盖层存在粉细砂层透镜体等不利地质条件，对于饱和无黏性土和少黏性土往往存在地震液化的可能性，影响水电站工程建筑物安全，需进行地震液化判别和处理。地震液化问题较为复杂，与地基土体结构、颗粒组成、松密程度、排水条件、边界条件及地震特性等多方面的因素有关，需结合经验，在现场勘察和室内试验综合分析基础上进行判别。对判别为液化的地基土层还需采取针对性的研究处理措施，如采用挖除换填、振冲加密、强夯击实、上覆盖重、复合地基和混凝土连续墙围封等。对地基土层地震液化判别结果和处理措施合理性进行评价鉴定较为复杂。

2.7 含沙河水易冲蚀泄水建筑物

深厚覆盖层河道河水往往含沙量较高，水电站枢纽泄水闸流速较大时，水流冲蚀磨损水闸底板、边墩或消能工混凝土结构表面。多泥沙河水类型分为推移质型和悬移质型，其对泄水建筑物混凝土表面冲蚀受河水含沙量、泥沙颗粒形状、粒径、硬度、运动方式、水流流速及流态等因素综合影响。在水电站运行初期或枯水期，一般较难察觉多泥沙河水对混凝土表面的冲蚀，但在汛期泄洪时就可能会暴露;开始为表面冲蚀，随着运行时间加长、泄水量增大、泄水次数增多，会导致结构严重磨损，甚至露筋，从而影响结构安全，这是安全鉴定不容忽视的问题。

2.8 电站投产要求高、时间紧

水电站建设是一项复杂的系统工程，在确保枢纽建筑结构安全稳定的同时，需要保障水轮机组发电系统安全可靠运行。因此，水电站建设较一般水利工程要求更高，且电站投产速度与发电效益直接挂钩，电站投运时间往往较紧迫，需确保按时完工并及时验收。因此，在工程完工和验收之间开展安全鉴定工作，时间较为紧张，在短时间内找出影响工程安全的主要问题，并对发现的问题进行充分的分析评价，总结得出安全鉴定结论，这也给安全鉴定工作提出了更高的要求。

3 应对措施

3.1 组建安全鉴定专家组

鉴于深厚覆盖层水电站技术难点较多，应首先组建安全鉴定专家组。专家组成员应具备地质、水工、施工等方面的专业知识，承担过类似工程的勘察设计技术工作且经验丰富，最好对深厚覆盖层地基上修建闸坝工程技术有系统研究，对深厚覆盖层水电站容易出现的问题有深入理解，并熟知安全鉴定工作方法和流程。

3.2 深入现场开展安全检查

安全鉴定要求人员必须深入现场，检查内容包括：①建筑物沉降变形情况，以及各坝段分缝部位的不均匀沉降情况，必要时进行定量量测;②建筑物表面裂缝，对裂缝类型、长度与宽度进行量测、记录、统计;③下游坝面及坝脚渗水情况，深入电站内部检查厂房水下部分渗漏情况，并量测记录渗水量;④枢纽建筑物下部承压水分布情况，了解其补给和排泄路径，以便对其下部承压水分布特征及补、径、排条件及对建筑物的影响作进一步分析论证;⑤泄水建筑物混凝土表面冲刷磨损情况，对出现严重磨损的部位，应了解其磨损程度和范围，从水力学和结构设计角度分析磨损原因，评价水流流速流态的影响及结构抗冲磨设计可靠性。通过对现场进行安全检查能够直接找到具体问题，再结合收集资料进一步深入分析，从而准确查出影响水工结构安全的主要原因。

3.3 计算复核定量分析评价

对设计成果进行计算复核，必要时进行补充计算，是分析评价水工结构安全性状的重要方法。计算复核包括对主要建筑物结构稳定、基础沉降变形、地基渗流稳定、泄流能力、消能防冲和土层地震液化判别等。

坐落在深厚覆盖层上的拦河坝、泄水闸和发电站等主要建筑物需按土质地基结构稳定要求，进行抗滑、抗倾和基底应力计算复核。通过建筑结构主要构件配筋验算，分析结构受力安全性。对深厚覆盖层应分坝段分析基础沉降变形值，进而计算不均匀沉降。根据有关规范要求，采用二维或三维有限元进行渗流稳定计算，了解地基渗透稳定性。有限元计算模型地基应有足够深度和范围，根据计算结果分析基础悬挂式防渗体等措施的有效性，关注防渗墙转折处或接头处应力与变形，以及防渗墙顶部与上部建筑物连接部位的变形协调性。计算复核泄流能力后，根据相应消能防冲标准，复核下游消能防冲设施安全性、护坦抗冲性能，避免尾水直接冲刷或回流淘刷建筑物基础，防止下游河床形成较大冲坑。对地震设计烈度为7度及以上的水电站建筑物，地基中存在饱和无黏性土和少黏性土时，应进行地震液化判别，防止发生地震液化破坏;还应根据土层的天然结构、颗粒组成、松密程度、地震受力状态及排水条件等因素进行地震液化初判或复判[4]。对经判别存在地震液化问题的地基，应采取工程措施进行处理，对地震液化判别结果和处理措施可靠性与效果应进行评价。

3.4 收集并利用试验资料数据

对于在深厚覆盖层地基上修建的大型或中型水电站工程，为确保建成后工程稳定安全，一般需进行三维有限元数值模拟或相关模型试验分析。在水电站工程建设实施过程中还要进行现场试验，单元或分部工程完工时进行质量检测试验，安全鉴定工作开展前应充分收集试验资料数据，并在鉴定工作过程中分析利用。①三维有限元数值模拟试验内容包括对地基渗流、基础沉降、结构受力、变形和应力分析，使其可模拟和反映水电站工程整体和局部安全状态。②模型试验有水工模型试验或构件力学试验等，水工模型试验结果应与水力学计算结果进行比对分析，如同频率洪水標准的水面线及消能防冲流速等对比分析，应重点关注下游水流流态和河床冲淤情况，应对影响建筑物安全的异常情况重点分析和评价。③施工过程中试验包括混凝土试件强度试验、填筑料碾压试验和灌浆试验等，施工过程试验是确保施工质量的前提，应分析统计试验结果是否符合规范与设计要求。④单元工程或分部工程完工进行的质量检测试验主要是按照规范和设计要求进行的试验项目，直接反映工程的施工质量，应统计分析施工合格率和优良率，应对不符合要求的检测成果重点分析原因，并评价其对工程安全的影响。

3.5 总结工程实例经验

我国在深厚覆盖层地基上成功修建了许多水电站工程，一些水电站设计经过大量论证工作，解决了许多技术难题。在有些电站建设过程中也遇到过诸多问题，并采取了补救措施。总结类似工程实例设计经验和施工问题处理经验，有益于深厚覆盖层水电站枢纽工程安全鉴定工作，有助于鉴定专家聚焦相关问题的技术重点，快速查找影响工程质量安全的问题，通过与类似工程经验进行对比分析，对水电站枢纽工程安全作出合理评价。

3.6 加强施工期监测资料分析

施工期埋设安全监测仪器后，应开展施工期安全监测，所形成的安全监测资料是反映枢纽建筑物安全性态的重要资料，施工单位应及时整编。开展安全鉴定工作时：①应收集施工期（包括运行初期）安全监测资料，并对枢纽建筑物表面变形、不均匀沉降、基础渗流、闸墩应力、机组混凝土应力、钢筋应力和温度等进行深入分析。②应了解库水与监测数据的相关性，分析监测仪器是否能正常施测。③应密切关注蓄水后建筑物沉降变形情况和防渗止水结构完好性。若在坝脚或坝端发现明显渗水点，应分析相应部位监测断面渗压计监测成果，查明渗水原因，评价其渗流稳定性。

3.7 重视运行初期问题及处理效果评价

水电站工程截流和蓄水均应进行安全鉴定，对于枢纽建筑物而言，截流和实施蓄水，都是考验建筑物安全的里程碑事件，标志着其运行条件发生重大改变，应加强截流或蓄水初期观测，以及时发现问题;对已处理的问题，应重点分析处理效果，评价问题是否得到有效处理，以及对水电站水工建筑物长期运行安全性的影响。

4 结语

深厚覆盖层地基对水电站枢纽建筑物安全影响大，存在如基础沉降变形大、易产生不均匀沉降、地基渗漏及承压水、基础地震液化、河水含沙量大易冲蚀泄水建筑物等不利影响。对深厚覆盖层上修建的水电站进行安全鉴定存在诸多难点，需熟悉深厚覆盖层水电站特点，抓住安全鉴定重点深入研究分析，综合采取多种针对性的工作方法，才能对水电站枢纽工程安全性态作出科学、客观、公正的鉴定。

参考文献：

[1]杨泽艳，方光达，赵全胜.水电工程水工安全鉴定的特点与对策[J].水力发电，2013（39）：75-78.

[2]杨晓东，覃新闻，郑亚平，等.深厚覆盖层防渗技术[M].北京：中国水利水电出版社，2011.

[3]彭琦，周和清，位敏，等.西藏尼洋河多布水电站工程竣工安全鉴定报告[R].武汉：长江勘测规划设计研究有限责任公司，2017.

[4]

GB 50287-2016水力发电工程地质勘察规范[S].

（编辑：李晓潆）

作者简介：彭琦，男，高级工程师，主要从事水利水电工程设计、研究及水库大坝安全评价、鉴定工作。E-mail：pengqi@cjwsjy.com.cn