CCS水电站沉沙池主要工程地质问题及处理措施

苗栋 齐三红 李志乾

摘 要：CCS水电站沉沙池是目前全球最大的沉沙池，基础为软硬基结合基础，通过多种勘察手段查明沉沙池部位约60%坐落在基岩地基上，约40%位于深厚覆盖层上，覆盖层厚度变化大、物质颗粒组成的粒组分布范围广。结合中美规范对基础工程地质条件进行评价，工程区地震最大动峰值加速度为0.4g，采用建筑抗震设计规范中规定方法和SEED法对液化进行判别，表明河床覆盖层砂和粉砂有液化的可能，液化等级轻微。根据查明的地质条件，建立三维模型，结合上部荷载对沉降进行数值计算。针对存在地基不均匀沉降、沉降大及地震液化等工程地质问题，分别对堆载预压、振冲碎石桩、混凝土灌注桩等方法的处理效果进行评价，并结合工程实际进行比选，最终选择混凝土灌注桩处理方法。监测结果表明，该方法有效解决了沉沙池地基基础存在的砂土液化、不均匀沉降、沉降变形量大等问题，同时满足合同约定工期、技术要求。

关键词：沉沙池;工程地质;地震液化;不均匀沉降;基础处理;CCS水电站

中图分类号：TV62   文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.11.023

Abstract：The sedimentation basin in CCS project is the largest sand basin in the world at present. It is based on the combination of hard and soft foundations. The main engineering geological conditions of the part of foundation are identified through a variety of investigation methods. About 60% of the base area is located on the base rock foundation. About 40% is located on the deep covering layer and the thickness variation is large. The particle group distribution range of the material particles is wide. The basic engineering geological problems were evaluated in combination with the Chinese and American specifications. The maximum dynamic peak acceleration in the area was 0.4g， and the liquefaction was judged by the method in the Building Anti-Seismic Design Specification and the SEED method. It was indicated that the sand and the silt had the possibility of liquefaction and the liquefaction level was slight. Based on the identification of the geological conditions， we established the three-dimensional model and calculated the settlement with the upper load. In view of the engineering geological problems such as the uneven settlement of the foundation， the large settlement amount and the seismic liquefaction， we compared the treatment method such as the surcharge preloading， the vibro-punching broken stone pile， the concrete filling pile in effect and the construction time limit. The results show that the method of concrete filling pile can effectively solve the problems of sand liquefaction， uneven settlement and large settlement deformation and also can meet the construction period and technical requirements of the contract.

Key words： sedimentation basin; engineering geology; seismic liquefaction; uneven settlement; foundation treatment; CCS Hydropower Station

本文以厄瓜多尔Coca Codo Sinclair水电站（以下简称CCS水电站）沉沙池为工程背景，对海外工程的地质勘察手段、评价方法和处理措施进行探讨。该沉沙池为目前全球最大的沉沙池，存在软硬基结合、地基沉降量大且不均勻等工程地质问题，勘察设计过程中通过一系列工程地质勘察手段，查明了沉沙池的工程地质条件，对存在的工程地质问题予以评价，结合建筑物特点提出合适的处理措施。

1 工程概况

CCS水电站工程[1]位于COCA河下游，总装机容量1 500 MW，是厄瓜多尔最大的水电站，可提供全国三分之一的用电。该工程包括首部枢纽、输水隧洞、调蓄水库、压力管道和地下厂房5个部分，通过首部枢纽拦河蓄水并沉沙，再经输水隧洞输水至调蓄水库，然后利用天然水头进行发电。

首部枢纽主要包括溢流坝、取水闸、冲沙闸及沉沙池、混凝土面板堆石坝等。沉沙池共布置8个池室，总长260.7 m，底板高程1 258.2～1 260.6 m，单池过流断面净宽度为13 m，沉沙池底部排沙采用SEDICON排沙系统，泥沙通过下部排沙系统管道汇集到排沙廊道，经排沙廊道排至下游海漫。

2 基本工程地质条件

工程区内地震基本动峰值加速度为260 cm/s2（0.26g），相应的地震烈度为8度，可能发生的地震最大动峰值加速度为404 cm/s2。采用工程地质测绘、钻探、物探和试验等勘探手段，对沉沙池部位进行工程地质勘察，查明了该区域的工程地质条件[2]。

COCA河谷呈U形，相对高差500～800 m，该区地貌属于构造-剥蚀-侵蚀中山地貌，中间凸现一锥形花岗岩侵入体（面积约0.05 km2），将河谷分成两个V形峡谷，沉沙池布置于右侧河谷和侵入体上。地表冲洪积物覆盖，坡脚出露基岩，植被发育。

沉沙池基础左侧坐落于花岗闪长岩侵入体上，地层岩性主要为花岗闪长岩侵入体，岩体为似斑状结构、块状构造，局部为花岗闪长岩，侵入体边缘有重结晶作用，存在百余米的变质岩带，强风化-弱风化，节理裂隙较发育;右侧则位于河床，属第四系地层，根据成因分为崩积物、冲洪积物和残破积层，崩积物主要分布于沉沙池右岸山坡上，冲洪积物主要分布于河谷底部，残坡积层厚2～5 m，主要覆盖于花岗闪长岩侵入体上，岩性为灰褐色壤土、粉质黏土，较疏松，层间夹有碎块石。覆盖层深厚，厚度变化大，且物质颗粒组成的粒组分布范围广，包括巨粒、粗粒和细粒等所有粒径的粒组。

沉沙池区域河床覆盖层主要由a+b、c1、c2、d、f1、f2六层构成，其厚度及特性为：①a+b层，冲洪积砂砾石层，位于河床最上层，厚约12 m，砾石岩性以花岗闪长岩为主，弱风化状态，饱和抗压强度大于80 MPa，级配良好，中密-密实，构成沉沙池基础面;②c1层，砂层，位于表层冲洪积砂砾石层下，厚约10 m，粒径d<0.1 mm颗粒含量多大于10%，砂层黏聚力为2 kPa左右，内摩擦角建议值为20°～25°，压缩模量约18 MPa;③c2层，粉土层，含粉质黏土，在砂层中呈透镜状夹层分布，厚度为4～6 m，d<0.1 mm的颗粒含量>90%，具有承载力低、强度增长缓慢、渗透性小、触变性和流动性大的特点，稍密，可塑-硬塑状，压缩模量集中在10～15 MPa之间，属高压缩性土;④d层，冲洪积砂砾石层，性状与a+b层类似，厚约20 m;⑤f1层，砂层，性状与c1层相似，厚约5 m;⑥f2层，粉土层，性状与c2层类似，厚约30 m。d层、f1层和f2层由于埋深大，位于岩层a+b、c1下，形成时代更早，经历过长时间上覆盖层的重压，因此密实度更高，物理力学性质更好。

从区域地质资料分析，沉沙池工程区处于Reventador构造带内，该构造单元边界为区域性断裂带，包括Reventador断裂带（走向30°）与COCA河断裂带（走向约35°）。带内次级断裂较多，多为挤压性的逆断层。

沉沙池区地质构造比较简单，根据沉沙池边坡开挖揭示情况，主要发育F601、F705和F724三条断层，其性状见表1。

岩体节理裂隙较发育，局部发育裂隙密集带，在沉沙池边坡开挖后对该区域节理裂隙进行了统计，主要发育3组节理：①J1，94°～128°∠68°～89°，延伸大于10 m，轻微粗糙，张开度1～5 mm，岩屑充填，2～4条/m;②J2，201°～218°∠67°～84°，延伸长度5～10 m，平直粗糙，张开2～4 mm，黏土氧化物充填，2～3条/m;③J3，21°∠8°～16°，延伸长度5～10 m，粗糙，局部张开，1～2条/m。绘制该区节理等密度图，如图1所示。

该区地下水按赋存介质可分为松散岩类孔隙水和基岩裂隙水。松散岩类孔隙水主要分布于河床、心滩、漫滩中，由于砂砾石层透水性好，且与河水水力联系密切，因此水量丰富，该类孔隙潜水埋藏浅（埋深1～2 m），含水层厚度可达20 m，地下水位动态变化与河流水位保持一致。基岩裂隙水分布于两岸山体内，基岩裂隙水的补给来源主要是大气降水，向沟谷及深部含水层排泄。

该区主要物理地质现象包括岩体风化、卸荷等。受开挖作用影响，岩体卸荷作用较为明顯，竖向裂隙较多，上部张开，主要分布在强风化-弱风化带中。区内右岸地势陡峻，表层覆盖第四系覆盖层，有可能发生小范围滑坡和崩塌，但影响不大。

3 主要工程地质问题

沉沙池左侧为花岗闪长岩基础，右侧为河床软基。基础开挖至建基面后，约60%为花岗闪长岩基础，其余为覆盖层基础。岩石与砂砾石土层交接部位坡度较陡，坡度51°～87°。其中软基主要有冲洪积砂卵砾石层（a+b）、粉土层（c2）、粉细砂层（c1）、砂砾石层（d）、砂质黏土层（f2）。砂卵砾石层粒径大于5 mm的土粒占总质量的含量均小于30%，岩性以花岗闪长岩为主，为坚硬不软化岩石。其不均匀系数Cu平均为15.10，级配良好，作为基础不会对工程造成控制性危害。砂层、粉土层粒径d<0.1 mm，颗粒含量多大于10%，为高压缩性土，不宜直接作为建筑地基基础，需进行挖除或加固处理。黏土层中黏土颗粒粒径d<0.1 mm的含量>90%，具有承载力低、强度增长缓慢、渗透性小、触变性和流动性强的特点。粉土层中粉土d<0.1 mm的颗粒含量>60%，土体内摩擦角、渗透系数明显降低。

由沉沙池的基础组成来看，其40%位于强风化-弱风化花岗闪长岩上，其余位于河床深厚覆盖层上，两者之间的压缩模量和变形模量相差较大，在沉沙池结构的影响下，覆盖层的沉降必然比基岩部分的沉降大得多。覆盖层部分厚度不一，左右两侧靠近基岩出露部分覆盖层相对较薄，大多为10～20 m，而河床中部覆盖层深厚，最厚的近80 m，且不同部位覆盖层性质有差异，岩相变化大，厚度相差很大，可能会产生较大的不均匀沉降问题。

3.1 砂土液化

根据前期地震危险性分析结果，可能发生的地震最大动峰值加速度为0.4g，河床覆盖层具备产生震动液化的外在地震条件。

3.1.1 规范判别法[3]

（1）沉沙池基础部位砂层和粉土层均形成于第四系全更新统，不排除其地震液化的可能。

（2）砂卵砾石层中大于5 mm粒径的颗粒含量都大于70%，属不液化层。砂层和粉土岩层小于0.005 mm粒径的黏粒含量为1.98%～6.48%，平均为4.23%，按黏粒含量初判，沉沙池基础下的可能液化地层主要是砂层c1、粉土层c2。

（3）根据《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2010）中浅埋天然地基的建筑采用上覆非液化土层厚度和地下水位深度计算规则进行判别。在沉沙池部位选取两个典型剖面P1和P2，根据剖面上钻孔成果，对其进行液化判别计算，由于最大动峰值加速度为0.4g，因此最大液化深度按20 m考虑。c2层的最浅埋深为11 m，故c1和c2层均有可能发生地震液化，计算成果见表2。

根据计算结果，两个剖面附近均存在液化的可能性，须进一步对其进行复判。

对沉沙池区域覆盖层钻孔并进行标贯试验，按照规范对各项指标加以修正，对比标准值，判断c1和c2层的液化性，见表3。

由图2可知，在地震作用下，只有基础顶面抗液化安全系数小于1，其下部一定埋深处安全系数均较大。

3.2 沉降变形

为计算沉沙池基础沉降变形，建立模型并进行数值模拟[7]。按照沉沙池的结构，取沉沙池基础330 m×450 m×158 m的范围进行剖分（模型垂直方向模拟至1 258 m高程），垂直向基本按照地质分层进行剖分。为了提高计算精度，采用20节点六面体单元（2阶单元）。全模型共剖分38 982个单元、166 921个节点。

沉沙池自重及上部荷载、地基附加应力均以等效应力的方式施加在计算模型的相应区域。计算时，底部岩石边界采用全约束，四周边界采用法向约束。计算参数见表4。

沉沙池基础沉降云图如图3所示，基岩基础部分沉降很小，深厚覆盖层处沉降较大，最大沉降量为1.17 m，位于沉沙池左右两侧。由于基础不均匀，沉降变形将产生近50 cm的沉降差，因此沉沙池基础需要加固处理。

4 处理措施

针对沉沙池区域可能存在的不均匀沉降、覆盖层大变形和砂土液化问题，按照从易到难、造价由低到高的顺序，提出基础处理措施，并根据设计要求和合同要求进行决策。

4.1 堆载预压

采用堆载预压的方法来处理，该方法仅涉及挖填、碾压，工程技术要求简单且可以有效消除基础液压和不均匀沉降。按一维固结理论[8]计算，当基底压力为250 kPa时，竖向固结系数Cv取7×10-3 cm2/s;按双向排水计算，基础固结度达80%，竖向固结时间元素Tv为0.6，固结周期约1.24 a。

堆载需要较长的压载周期，难以满足合同工期要求，因此提出采用振冲碎石桩对覆盖层进行加固处理。

4.2 振冲碎石桩

振冲碎石桩直径取1.0 m，正方形布置，桩间距1.6 m，排距1.6 m，桩长根据d层砂砾石层顶面控制，当砂砾石顶面距沉沙池基础底面小于20 m时处理深度至砂砾石层顶面;砂砾石顶面距沉沙池基础底面大于20 m时处理深度取20 m。

为检测振冲碎石桩处理效果，在沉沙池基础完成开挖后，选择具有代表性的典型部位进行碎石桩试验性施工，开展振冲碎石桩处理效果试验研究。试验性施工按9（根）×9（根）布桩，碎石桩施工完毕后在检测钻孔（编号SPT-A-1～SPT-A-4、SPT-B-1～SPT-B-4），试验布置如图4所示，试验场场地高程1 267.00 m。现场试验主要进行了标准贯入试验SPT、跨孔试验、地震层析试验和相对密度试验等[9]。

对碎石桩处理前后的地层参数进行对比，见表5。可见，桩体置换土体指标有较大改善，但桩间土挤密效果不明显。

振冲碎石桩处理后地基的液化评价应用SEED法并按照PRIEBE法计算的折减系数对地震产生的应力进行折减，碎石桩处理后地基抗液化安全系数均大于1，不存在液化可能。

振冲碎石桩处理后地基的沉降評价应用分层总和法，对基础附加应力及沉降进行计算。沉沙池基础下任意点地基附加应力计算采用布辛尼斯克法（BOUSSINESQ），计算结果显示，由于沉沙池基础宽达110 m，因此基底应力扩散较慢，在结构下部60 m处附加应力仍然有基底应力的80%，而碎石桩处理深度仅20 m，导致基础沉降在处理后仍然较大，最大沉降量约72.6 cm。振冲碎石桩无法有效改善沉沙池深厚覆盖层沉降，仍需采用堆载预压来减小沉沙池基础沉降量，而鉴于工期该法不可行。

4.3 混凝土灌注桩

由于上述两种方法不可行，因此考虑采用混凝土灌注桩复合基础，利用桩与桩间土共同承担沉沙池结构的竖向荷载和水平荷载。采用混凝土灌注桩既可消除地基液化对沉沙池的影响，也可避免较大的地基沉降，并缩短工期。

沉沙池基础灌注桩处理设置两个区域，Ⅰ区桩径1.5 m，Ⅱ区桩径1.8 m，桩均布置在沉沙池隔墙下部，桩基都为嵌岩桩，对桩顶部分进行扩头处理，分别扩为3.5 m和3.8 m;桩顶和结构之间布置0.5 m回填砂卵石垫层;在桩顶以下15 m范围内，根据桩基结构计算成果布置桩筋。

沉沙池基础采用钢筋混凝土灌注桩处理后，计算结果显示沉沙池基底正常运行工况下最大沉降量约6.38 cm，非常工况下最大沉降量约为7.2 cm，地震工况最大沉降量为6.4 cm。

为验证沉沙池基础处理效果及后续安全运行，在沉沙池施工过程中布置沉降观测标点40个，对沉沙池各部位的沉降予以监测。

由监测结果可知，沉沙池工作段相对基准值累计沉降量为1.9～41.8 mm。其中工作段SBSS20右侧导墙A6测点（靠近堆石坝坝后公路）累计沉降量最大，即该段LP4-89测点累计沉降量为41.8 mm，最大周变量为0.9 mm，仍小于计算允许沉降量（6.38 cm）。沉沙池基础稳定，基礎沉降在允许范围内，混凝土灌注复合基础对沉沙池地基的处理有较好的效果。

5 结 语

（1）CCS水电站沉沙池基础左侧坐落于花岗闪长岩侵入体上，强风化-弱风化，节理裂隙较发育;右侧则位于河床，覆盖层深厚，厚度变化大，最深的近80 m，且物质颗粒组成的粒组分布范围广，存在不均匀沉降和地震液化问题。

（2）分别利用《建筑抗震设计规范》和国际上通用的SEED法对砂层和粉砂层进行液化判别，判别结论基本一致，即存在地震液化可能。

（3）针对覆盖层基础的地震液化和不均匀沉降问题，对可能的处理措施由易到难、造价由低到高分别评价，最终选择混凝土灌注桩对基础进行处理。从监测结果来看，此次地基处理有效解决了沉沙池地基基础的砂土液化、不均匀沉降变形问题，同时保证了结构在地震工况下的稳定性。

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