两河口水电站多源复杂防渗土料勘察研究

吴 章 雷， 钟 雨 田

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072)

0 前 言

两河口水电站位于四川省甘孜州雅江县境内的雅砻江干流上，枢纽建筑物由砾石土心墙堆石坝、右岸引水发电系统和左岸泄水建筑物等组成。砾石土心墙堆石坝坝高295 m，心墙底部横河向宽41.71 m，顺河向长140.00 m。大坝坝料包括心墙防渗土料、高塑性接触土料、过渡料及堆石料，共计约3 900万m3。其中防渗心墙料441.14万m3。该电站目前已运行投产，是已建完成的世界第二高土石坝。

堆石坝心墙是大坝防渗的生命线，对大坝的防渗至关重要，心墙料质量的好坏影响到大坝的渗漏和渗透稳定[1-2]，关系到大坝的安危，大坝对防渗土料的质量要求高，建设方对大坝质量也很重视，提出了“好字当头，质量第一”的要求，因此，防渗土料是两河口大坝坝料勘察的重点。

设计院对防渗土料开展了大范围调查和勘察工作，成果表明，在川西地区土料成因复杂，基本不能满足心墙防渗土料质量要求的天然料源，直接可以利用的土料，需对土料进行掺砾改性，方可满足质量要求[3]。鉴于防渗土料需求量大，土料成因复杂，需改性利用，设计院开展了大量的勘探、试验及掺砾改性工作，应用了无人机倾斜摄影技术、三维建模、BIM设计等信息化技术手段[4]。通过大量的研究工作，查清了土料的成因、分布及其工程特性，为土料开采和改性利用提供了技术支撑。室内与现场试验证明，两河口堆石坝心墙砾石土具有较高的承载力、抗剪强度与压实度，防渗性能良好[5]。电站运行以来，大坝心墙监测及检测成果也表明，大坝心墙防渗及变形满足设计要求，表现优良。

两河口水电站防渗土料勘察工作取得了较好的效果，对防渗土料的勘察进行系统的梳理和总结，可供以后类似工程参考和借鉴。

1 防渗土料基本特征

1.1 分布概况

雅砻江中游两河口水电站坝址下游5～10 km、坝址上游25～40 km范围，河谷较宽阶段发育，是土料的主要富集地。预可行性研究阶段，主要在坝址下游开展土料的勘察工作，包括白孜、脚泥堡、呷拉、西地、比地、昆地、朗德、忆扎、亚中、苹果园等土料场。由于受征地移民等影响，坝址下游土料场实施难度大，在可行性研究阶段土料勘察工作重点转移到库区开展，在正常蓄水位以下寻找料源和开展勘察工作，主要集中在坝址上游苹果园、亚中、瓜里及普巴绒，两河口水电站防渗土料分布示意图见图1。

图1 两河口水电站防渗土料分布示意图

经过详细勘察和综合比较，最终选择了上游亚中、苹果园、瓜里、普巴绒料场和下游西地料场，为大坝心墙防渗土料料源，两河口采用防渗土料场基本情况汇总表见表1。

表1 两河口采用防渗土料场基本情况汇总表

1.2 基本特征

两河口水电站防渗土料场有以下特点：

(1)土料场受地形地质条件限制，规模相对较小，料源分散在雅砻江沿岸，但个别料场的面积和储量均不大。

(2)土料成因复杂，有风化作用形成的残积土，如坝址下游西地土料场；有冲积、冲洪积形成的亚中A区、普巴绒等土料场，冲洪积形成的一般是阶地上，具二元结构的上部土层；坡积形成的一般在料场的后缘部分，如亚中土料场C区后缘，瓜里料场A区后缘。

(3)土料场分区可以看出土料性状不均一，土料无论在平面上还是在空间上分布不均一，料场土料颗粒在剖面上呈现由粗到细、由细到粗或交替发育。

(4)由于土料不均一，土料掺和工艺及其开采利用难度大。

2 防渗土料勘查研究

2.1 土料调查

土料的分布受地形地貌、地层岩性、河谷形态及河流下切等因素影响，土料一般分布在地形平缓、河谷较宽、阶段较发育及耕地居民较集中部位，两河口防渗土料主要在上述部位开展调查工作。前期土料调查范围主要集中在坝址下游，最远是14 km的白孜土料场。可研阶段、招标阶段主要集中在水库内淹没区，调查范围距坝址最远约40 km的普巴绒土料场。实施阶段在坝址上游普巴绒及瓜里土料场之间增加了普巴绒C区料场，取消了苹果园土料场，下游西地土料场进行了开采，未开挖到终采平台。

从两河口防渗土料的调查来看，土料的调查是一个动态的过程，根据工程的建设进程，征地移民政策的变化进行动态调整。从两河口实施阶段料场的选择来看，在水库库内淹没区有土料分布的情况下，土料的调查工作集中在库内淹没区开展，有利于实施开采、征地移民和节约投资。

2.2 土料勘探布置

土料勘探的目的是查明土料的储量及质量，目前对土料勘探的手段机械化程度不高，主要包括钻探、井探及槽探工作，钻孔的目的是揭穿土料有用层，满足计算地质储量的要求，浅井和坑槽探是为了满足分层及实验取样的要求。

两河口防渗土料除西地土料场为一斜坡外，其余土料场为台地，微地貌前缘缓后缘有一定坡度，土料地形不完整，除苹果园土料场外均有较大冲沟切割。针对以上土料地形地貌特点，对料场勘探布置进行策划。首先结合地表地质测绘，对土料进行了平面分区，两河口五个料场，分了十三个分区，勘探布置按分区考虑，其次确定勘探线，勘探线包括横线和纵线，横线垂直等高线，纵线垂直横线，勘探线呈网格状，亚中土料场典型勘探布置见图2。

图2 亚中土料场典型勘探布置图

初查阶段以钻孔为主，结合部分浅井及坑槽探，勘探点布置于网格状的节点上，勘探间距大于100 m，详勘阶段以浅井为主，钻孔为辅，在初查基础上加密。招标阶段在可研阶段的基础上开展了大量的补充勘探工作，这也是国内首个同类型工程在招标阶段开展补充工作，进一步加密勘探，钻孔用浅井代替。经过各个阶段的逐步加密、加深勘探工作勘探点最大间距50 m，最小间距25 m，勘探点基本全是浅井，均揭穿了土料有用层厚度，两河口防渗土料场勘探布置表见表2。

表2 两河口防渗土料场勘探布置表

2.3 土料取样试验

为了查清防渗土料的物理力学特性，需对土料取样开展试验工作，以便评价防渗土料质量，取样工作一般在浅井及坑槽探中进行，钻孔取样受孔径影响，试验结果有偏差，一般颗分结果偏细，力学强度偏低。两河口防渗土料勘探工作完成后，根据地质编录成果，从成因、土料颜色、颗粒组成上对土料进行宏观分层。依据分层从浅井或坑槽探中取样，即分层取样开展试验工作。考虑到施工开采断面及开采工艺，按每间隔5 m连续取样进行试验工作。

鉴于两河口防渗心墙土料级配较宽，颗粒粒径变化较大，招标阶段结合勘探补充，按每米取样，在浅井井壁上刻槽取样，对取样方法、原则、刻槽深度等都有相关要求。

因此，两河口防渗土料各阶段共计完成近万组物性试验，近几百组的力学试验。试验成果对土料的分层、开挖利用、改性惨拌、信息化工作打下了扎实的基础。

3 防渗土料评价

两河口防渗土料的勘查表明，土料来源较多，级配较宽、不均一性突出。如何对土料进行客观真实的评价，以便后续的开采利用，是两河口防渗土料评价工作面对的难题。经过两河口工程实践，建立了一套土料评价体系，即大量的地质测绘、勘探及试验工作是基础，信息化工作是手段，分区、分层是方法，归纳总结分类是落脚点。

3.1 分区分层

通过各阶段大量的地质测绘、勘探及试验工作，查明了各防渗土料场土料的分区分层情况，两河口防渗土料分区、分层汇总表见表3。平面分区主要考虑地形、土料颜色、成因及组成颗粒粒径等因素，根据以上条件，对防渗土料5个料场进行分区，最终分为十三个区。依据浅井分层编录，结合颗分试验和统计，对各料场进行分层分析统计，西地土料场、苹果园土料场、亚中A区、D区、瓜里B2区、普巴绒A区土料较均一，无论在平面上或剖面上土料变化不大，除了浅表根植土外，均为有用层，但不同的区土料的厚度变化较大，土为含(砾)粉质黏土。亚中B、C区、瓜里A、B区、普巴绒B区土料不均一，除了瓜里土B2区分为①、②、③、④层外，其余在里面上分为①、②、③层。各料场第①层为灰黄色砾石土，位于剥离层之下；②层为褐黄—褐红色含砾粉质黏土；第③层为含(块)碎砾石土，夹含砾粉质黏土；第④层为浅黄色粉土，土质均匀，水平层理极发育，瓜里B2区局部分布。

表3 两河口防渗土料分区、分层汇总表

3.2 分类归纳

两河口防渗土料料源多且分散，既有分区又有分层，根据料场的成因结合物理力学试验，对两河口土料进行分类归纳，分为第一、二、三类土，防渗土料分类汇总表见表4。

表4 防渗土料分类汇总表

第一类土料包括西地、苹果园B区、亚中A区、普巴绒A区土料，成因冲积或残积土，为含砾粉质黏土。

颗分试验表明平均线<5 mm颗粒含量为86.0%～92.0%，即P5含量平均值0～15%。<0.075 mm细粒平均线含量63.2%～80.0%，<0.005 mm黏粒平均线含量16.6%～31.3%，天然含水率平均11.6%～15.1%，塑性指数均值11.8～16.4。力学试验表明压缩模量ES(0.1～0.2 MPa)为11.6～19.9 MPa，平均为16.7 MPa，为低压缩性土。黏聚力c值为12 ～30 kPa，平均为23.8 MPa；摩擦角φ值为14.6°～24.8°，平均为19.8°，抗剪能力较低。破坏比降if值>15，渗透系数k小于10-7cm/s。

第二类土料包括苹果园A区、瓜里B区、普巴绒B区土料，成因冲洪积，为砾石土。

颗分试验表明平均线<5 mm颗粒含量为75.2%～78.4%，即P5含量平均值15%～25%。<0.075 mm细粒平均线含量49.9%～63.2%，<0.005 mm黏粒平均线含量14.9%～21.0%，含水率平均8.7%～11.7%，塑性指数均值11～15.6。力学试验表明压缩模量ES(0.1～0.2 MPa)为19.4～21.6 MPa，平均为20.6 MPa，为低压缩性土。黏聚力c值为30～45 kPa，平均为36.6 MPa；摩擦角φ值为24.2°～26.6°，平均为25.3°，抗剪能力较低。破坏比降if值>12，渗透系数k小于10-7cm/s。

第三类土料包括亚中B、C区第①、③层瓜里A区土料，成因为冲洪积和坡积混合作用。

颗分试验表明平均线<5 mm颗粒含量为49.8%～58.7%，即 P5含量平均值30%～40%。<0.075 mm细粒平均线含量29.9%～34.7%，<0.005 mm黏粒平均线含量8.9%～12.0%，含水率平均7.1%～8.3%，塑性指数均值11.6～14.1。力学试验表明压缩模量ES(0.1～0.2 MPa)为21.2～26.1 MPa，平均为22.98 MPa，为低压缩性土。黏聚力c值为35～50.0 kPa，平均为43.75 MPa；摩擦角φ值为27.1°～29.4°，平均为28.13°，抗剪强度中等。破坏比降if值>13.4，渗透系数k小于10-7cm/s。

3.3 防渗土料评价

两河口水电站挡水大坝高，心墙防渗土料要求高，对防渗土料质量要求高，主要防渗土料指标如下：粒径大于5 mm的颗粒含量不超过50%，不低于30%；小于0.075 mm的颗粒含量应不小于15%；小于0.005 mm的颗粒含量应大于8%，渗透系数应小于1×10-5cm/s[6]。

从防渗土料颗分和渗透性角度要求看，各类土料均满足要求，但从力学强度来看，第一、二类土料力学强度偏低。心墙防渗土料需要一定的强度及变形模量，以满足大坝的变形和沉降要求[7]。因此，需对第一、二类土掺砾改性，方可满足要求，第三类土可以直接利用。经过试验研究，第一类土需按6∶4(重量比)掺砾，第二类土需按7∶3(重量比)掺砾[8]。

4 土料信息化工作

由于防渗心墙料源共计5个土料场，物性差异明显，分区、分层复杂。为直观了解各料区空间分层情况，为后期各类土的开采利用提供依据。对防渗土料开展了信息化设计工作。

(1)模型建立思路。以亚中土料场可研阶段、招标阶段勘探试验为依据，选定和大坝心墙砾石土料设计关键指标和参数(P5含量、含水率、黏粒含量)，物性参数为试坑中不同深度的试验值，通过空间插值计算分别得出P5含量、含水率、黏粒含量三套属性模型。

(2)模型建立过程。建模过程中首先完成各试坑中不同深度数据的采集和整理，亚中土料场A区不同深度试坑参数属性见图3。

图3 亚中土料场A区不同深度试坑参数属性

然后以料场剥离面和开采底面为空间范围建立亚中土料场A区空间三维体网格(图4)，并将参数值赋值于空间三维体网格，通过不同插值计算方法得出亚中土料场A区P5含量属性模型(图5)、亚中土料场A区黏粒含量属性模型(图6)、亚中土料场A区含水率变化属性模型(图7)。

图4 亚中土料场A区空间三维体网格

图5 亚中土料场A区P5含量属性模型

图6 亚中土料场A区黏粒含量属性模型

图7 亚中土料场A区含水率变化属性模型

(3)模型分析结果解译。从P5含量属性模型可以看出：亚中土料场A区绝大部分区域为一类土(P5含量<15%)。后缘原老乡房屋部位、下游侧邻沟部位P5含量较高，最高为16.8%，开采表明该部位存在崩坡积碎砾石、冲洪积块、碎砾石集中现象，模型分析结果和现场高度吻合。另外从三个属性模型综合分析看：黏粒含量较高、P5含量较低的部位含水率普遍较高，最高为21.6%，集中在料场的中部及前缘部位。利用信息化技术手段，可以直观地表达不同属性土料空间分布情况，能实现自动分层、分区，更好地解决复杂土料的设计利用，指导现场开采和掺拌利用。

5 结 语

(1)两河口水电站为已建世界第二高土石坝，心墙防渗土料设计用量大，单个土料场不能满足设计用量要求，因此，两河口防渗土料料源多，且分散，土料来源多。

(2)防渗土料料源复杂，一是土料形成的成因类型较多既有风化作用形成的残积土，又有冲积、冲洪积、坡积等形成的含砾土及碎砾石土；二是土料空间分布不均一。

(3)鉴于防渗土料料源的复杂性，并针对防渗土料的特点，从勘探布置及试验取样进行了研究，形成了土料分区网格化布置勘探，随着工程建设阶段逐步加密加深勘探，最终以井探为主，实现每米连续取样的土料勘查方法，工程实践证明，应用该方法基本查清了多源复杂防渗土料的工程地质特性，为土料评价、开采及利用打下了坚实的基础。

(4)依据测绘、勘探及试验成果，对防渗土料评价体系进行了研究。经过两河口工程实践，建立了以地质测绘、勘探及试验为基础，以信息化为手段，以分区、分层为方法，对防渗土料分类归纳，服务于土料的开采、利用及改性，实现土料质量优良为目标的评价体系。