深厚砂砾石覆盖层坝基特性及处理措施探讨

张拥军

（湖南省水利水电勘测设计规划研究总院有限公司，湖南 长沙 410007）

1 工程概况

新疆塔日勒嘎、大河沿、康苏、乌鲁瓦提、乔诺、阿合奇等坝基砂卵砾石层最大厚度近200 m。目前，塔日勒嘎水库工程已经蓄水多年，康苏水库、大河沿水库即将蓄水，其余几个工程处于前期工作阶段，基本情况见表1。

表1 几个深厚砂卵砾石坝基工程基本情况表

2 砂砾石坝基特性

2.1级配

砂卵砾石的岩性成分主要为砂岩、石英砂岩、流纹岩、灰岩等，岩性坚硬、软弱及片状颗粒少，磨圆度较好，各工程坝基漂石（>200 mm）含量5%～16%，卵石（60～200 mm）含量15%～30%，砾石（2～60 mm）含量35.3%～60%，砂含量15%～26%，泥质（<0.075）含量0.5%～4%；d10为0.17～0.6 mm，d30为2～5.5 mm，d60为17～88 mm，不均匀系数Cu为45～100，个别达220，曲率系数Cc为1.2～1.4，个别达2.3，整体级配良好，见图1。

图1 坝基砂卵砾石级配曲线

2.2 渗透及渗透变形特性

1）渗透系数。砂卵砾石渗透系数与其自身级配、密实度等有关，细颗粒物质含量低（<30%），级配差、结构松散时渗透系数大。根据新疆几个深厚砂卵砾石坝基中800余次注水试验、近50次抽水试验成果，河床两岸阶地及河床中下部中～晚更新统砂卵砾石渗透系数量级一般E-3 cm/s，少量低至E-4 cm/s；河床中上部全新统渗透系数量级一般E-2 cm/s，浅表部松散层渗透系数量级可达E-1 cm/s。

2）渗透变形。大河沿水库利用植物胶钻孔获取的分层芯样进行渗透变形试验，试验装样按相对密度0.8，对应干密度2.05 g/cm3，试验成果如表2。

表2 新疆大河沿水库钻孔砂卵砾石芯样渗透试验成果表

按规范[1]，粗粒土临界水力比降Jcr可根据破坏类型（流土型、管涌型或过渡型）通过计算得到，成果见表2，但与工程经验及室内试验成果相比，过渡及管涌型Jcr计算成果明显偏小，主要原因是d5数值过小，可能与泥浆钻进导致芯样中充填大量泥质有关。

2.3 压缩特性

上述钻孔芯样按干密度2.05，相对密度0.8，固结压力按50，100，200，400，800，1 600 kPa分级，初始孔隙比e约0.3，200 kPa时孔隙比e=0.25～0.28，800 kPa时孔隙比e=0.23～0.26，1 600 kPa时孔隙比e=0.21～0.24。压缩系数随着应力的增大而减小，固结应力200 kPa时压缩系数为0.08～0.05，400 kPa时压缩系数0.07～0.04，固结应力大于800 kPa时压缩系数小于0.04，压缩模量35～55 MPa，压缩系数变化曲线见图2。成果说明：砂卵砾石压缩系数小，压缩模量较高，坝基具有一定抗沉降变形能力。

图2 砂砾石固结试验压缩系数变化曲线

2.4 承载力

承载力的确定主要依据现场承压板试验与动力触探，表3统计了各工程380余次动力触探成果及推荐承载力特征值。

表3 坝基砂卵砾石动力触探与承载力表

动力触探成果分析时应注意几点：

1）动力触探成果在遇到大直径颗粒时，击数会偏大。

2）对于平均粒径大于50 mm，或最大粒径大于100 mm的碎石土宜采用超重型动力触探[2]。

3）由于深部试验时钻杆能量损失大，且建坝后附加应力小，故可不进行该项试验。

2.5 抗剪指标

对河床及阶地砂卵砾石进行了数十组不同工况下的三轴试验，见表4，表明在颗粒粒径与级配没有太大差别情况下，固结排水剪内摩擦角一般38°～42°，凝聚力50～100 kPa；当试验前不进行预饱和时（模拟坝体浸润线以上），内摩擦角较饱和时高约2°，凝聚力略下降。固结不排水剪的内摩擦角一般34°～35°，凝聚力80～120 kPa，较排水剪内摩擦角低4°～6°，而凝聚力略有增大。

表4 砂卵砾石三轴剪切试验成果表

3 砂卵砾石坝基处理

3.1 坝基防渗处理

砂砾石坝基渗漏及渗透破坏问题突出，工程处理措施与设计水头及砂砾石厚度、透水性、渗漏量等因素有关,代表性处理措施如：

大河沿水库拟定：①全灌浆帷幕12排至基岩；②厚1.0 m深120 m刚性混凝土防渗墙下部接5排帷幕灌浆至基岩；③1 m厚刚性混凝土防渗墙至基岩等三种垂直防渗方案进行比较，最终选定“一墙到底方案”，施工中混凝土防渗墙最深达186 m，现已施工完成，达到国际领先水平[3]。

塔日勒嘎水库：右岸岸坡部位砂卵砾石层最深达115.0 m，经渗透稳定和渗漏量计算，采用悬挂式C20塑性混凝土防渗墙处理，墙厚0.8 m；右岸阶地部位坝高较小，清基后采用7.5 m深粘土截渗墙或10.0 m塑性混凝土防渗墙处理。

康诺水库：采用0.8 m厚混凝土防渗墙下接基岩帷幕灌浆处理方案。

3.2 坝基浅部处理

浅部砂卵砾石层结构松散，透水性极强，厚度多小于5 m，为减少其压缩变形量，使之尽量与防渗墙变形相协调，需对其进行压密处理。处理方式主要有两种：

1）振动碾压（塔日勒嘎水库）：采取表部一次性碾压或挖除分层回填碾压。

2）强夯：根据处理厚度，采用不同能级强夯处理，如大河沿、康苏水库、水布垭[4]。不同能级有效加固厚度见表5（括号内为经验值）。

表5 不同能级下砂砾石坝基有效加固厚度表

4 总 结

1）新疆地区几个深厚砂砾石坝基的共同特点为：颗粒粗，密实性好，变形模量大，承载力高，且浅部未见厚的砂层，故工程区地震烈度虽高，但液化可能性小，适宜建设当地材料坝。

2）坝基渗透比降是深厚砂砾石坝基的一个重要设计控制参数，参数基于室内渗透变形试验成果，但试验与制样控制干密度、试样物质级配两因素密切相关，而坝基深部干密度难以测到，试样细颗粒在钻进过程中有带出[5]，或渗入了大量泥浆，影响成果精度，故亟待研究基于孔内原位渗透变形的相关试验设备及方法。

3）砂卵砾石坝壳料的抗剪强度较高，固结排水剪φ为38°～42°，不进行预饱和时内摩擦角较饱和时大约2°；固结不排水剪的内摩擦角一般34°～35°，较不排水剪内摩擦角降低4°～6°。

4）坝基防渗可采用防渗墙、多排灌浆帷幕、截渗槽等方式综合处理。

5）河床砂砾石浅部松散，低于坝体填筑相对密度，为使坝基与防渗墙变形尽量协调，采取碾压及强夯等措施是必要的。

项目名称：深厚砂砾石覆盖层勘探技术研究，编号：湘水科计【2017】230-27。