金沙江某水電站壩基覆蓋層的成因及其滲透穩(wěn)定性

趙 華 王運(yùn)生

(成都理工大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院,成都610059)

金沙江某水電站壩址位于麗江市玉龍縣,迪慶州香格里拉縣、維西縣交界的金沙江中游河段上。電站初擬正常蓄水位的海拔高度為 2 150 m,推薦壩型為心墻堆石壩,最大壩高365 m。壩前壅水高度約達(dá)270 m,庫(kù)長(zhǎng)約165 km,總裝機(jī)4 500 MW,總庫(kù)容約17.737×109m3,屬高山峽谷型高壩大庫(kù),具有多年調(diào)節(jié)功能,將會(huì)對(duì)金沙江下游甚至長(zhǎng)江的防洪發(fā)揮極為重要的作用,并成為滇中具調(diào)水功能的龍頭水庫(kù)。

近年來,西南地區(qū)水利水電工程地質(zhì)勘測(cè)工作常常遇到河谷中的深厚覆蓋層問題,據(jù)統(tǒng)計(jì),中國(guó)已建的土石壩工程中,由于滲流控制及防滲措施不當(dāng),導(dǎo)致存在隱患和發(fā)生事故的工程約占35%～40%。在河谷深厚覆蓋層上修建水利水電工程時(shí),滲透穩(wěn)定、不均勻沉降及砂土液化等問題均較突出[1]。因此研究河床覆蓋層的工程特性及其穩(wěn)定性意義重大。

本文研究的水電站壩址區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查,壩址區(qū)河床及階地分布有厚達(dá)60～127 m深的覆蓋層,其成因復(fù)雜,壩基存在砂土液化、接觸沖刷、管涌、流土等滲透破壞的可能;同時(shí),壩基覆蓋層物質(zhì)組成較復(fù)雜,存在不均勻沉降問題,直接影響壩基的抗滑、變形穩(wěn)定性。對(duì)深厚覆蓋層的利用與處理,關(guān)系到工程的安全與經(jīng)濟(jì),對(duì)壩址、壩線選擇及樞紐布置方案等均有重大影響。因此,該水電站壩址河床覆蓋層的成因與工程特性是該水電工程的重大工程地質(zhì)問題之一,需進(jìn)行深入的研究。本文將對(duì)其壩基覆蓋層的成因類型及滲透穩(wěn)定性進(jìn)行重點(diǎn)研究。

1 壩址河床覆蓋層的組成

該水電站壩址河段長(zhǎng)2.5 km,呈北西向南東流向,河道略向北東凸出,壩址附近河谷寬350 m左右,兩岸邊坡陡峭,左岸下陡上緩,右岸邊坡陡立,左右岸不對(duì)稱。壩基處基巖為中泥盆統(tǒng)上部灰色、淺灰色條紋狀中厚層結(jié)晶灰?guī)r?？碧浇沂竞哟哺采w層厚60～127 m,結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,砂層透鏡體較發(fā)育且厚度較大。

根據(jù)河床覆蓋層的物質(zhì)組成與成層結(jié)構(gòu),可以將其從下至上分為3層(圖1)。

圖1 壩軸線河床覆蓋層成層結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Layer structure of the cover on the riverbed at the dam axis

第①層:卵(塊)礫(碎)石層夾中細(xì)砂或粉質(zhì)黏土(Qal+fgl3 ),分布于河床底部,鉆孔揭示厚度11.1～33 m,頂面埋深48.91～94 m。該層也以級(jí)配不良礫為主,粗顆粒的含量在各層位中是最高的,粒徑在2～60 mm范圍內(nèi)的顆粒＞95%,這是其與③-1亞層的明顯區(qū)別。卵(碎)礫石成分為變質(zhì)砂巖、花崗巖、玄武巖及少量千枚巖等,卵礫石以圓-次圓為主;碎石成分為灰?guī)r、千枚巖,呈次棱角狀,顆粒構(gòu)成基本骨架,充填砂或黏土。其物理力學(xué)性質(zhì)較好,天然密度達(dá)到 2.2～2.3 g/cm3,孔隙比0.25～0.3,地基允許承載力0.6～0.9 MPa,壓縮模量50～70 MPa,內(nèi)聚力為0,內(nèi)摩擦角35°～38°,滲透系數(shù)0.1～0.001 cm/s,屬于強(qiáng)透水層,具低壓縮性,承載力高。

第②層:細(xì)砂、粉細(xì)砂、粉質(zhì)黏土層及卵(塊)礫(碎)石層(Qal+pl+sef3 ),為加積層,由沖積、泥石流堆積、洪積、堰塞多成因堆積組合而成,鉆孔揭示厚度10.04～35 m,頂面埋深38.87～59 m?？v向上可以進(jìn)一步分為2個(gè)亞層。

②-1亞層:卵(塊)礫(碎)石層夾細(xì)砂、粉質(zhì)黏土(Qal+pl+sef3),加積層,由沖積、泥石流堆積 、洪積等多成因堆積組成,黏粒含量較③-1亞層、①層的高,鉆孔揭示厚度9～19 m,頂面埋深54.5～94 m。卵礫石成分以變質(zhì)砂巖、花崗巖、輝綠巖為主,結(jié)晶灰?guī)r少量,圓-次圓狀。碎石以灰綠色片巖及結(jié)晶灰?guī)r為主,棱角狀。其天然密度達(dá)到2.15～2.25 g/cm3,孔隙比 0.25～0.3,地基允許承載力0.4～0.6 MPa,壓縮模量25～40 MPa,內(nèi)聚力為30～40 kPa,內(nèi)摩擦角25°～30°,滲透系數(shù)1.0×10-5～3.0×10-4cm/s,屬于強(qiáng)透水層,具低壓縮性,有一定的承載能力。

②-2亞層:粉細(xì)砂層(Qa3l),鉆孔揭示厚度10.04～22.49 m,頂面埋深 38.87～59 m。該層以細(xì)粒土為主,為級(jí)配不良礫和含細(xì)粒土砂,但其粒徑＜0.005 mm顆粒的含量要明顯多于③-2亞層,在2～0.075 mm范圍之間的細(xì)顆粒含量較高。其物理力學(xué)性質(zhì)較差,天然密度為1.8～2.1 g/cm3,孔隙比 0.7～0.8,地基允許承載力0.2～0.25 MPa,壓縮模量10～15 MPa,內(nèi)聚力為20～30 kPa,內(nèi)摩擦角20°～ 25°,滲透系數(shù)2.0×10-5～1.0×10-3cm/s,屬于中等透水層,具中等壓縮性,承載能力較低。

第③層:漂(塊)卵(碎)礫石夾砂層透鏡體(Qa3l-4),分布于整個(gè)壩址河床中淺部,鉆孔揭示厚度9.5～59 m?？v向上可以進(jìn)一步分為2個(gè)亞層。

③-1亞層:漂(塊)卵(碎)礫石,位于河床表層,以級(jí)配不良礫為主,且粒徑在2～60 mm 范圍內(nèi)的顆粒＞70%。該層為正常的河流相沖積堆積,顆粒成分以卵礫石為主,夾少量粗砂,鉆孔揭示厚度9.5～79 m。漂卵礫石由變質(zhì)石英砂巖及少量的花崗巖、玄武巖、紫紅色泥質(zhì)砂巖、淺褐色雜砂巖及輝綠巖等組成,圓-次圓狀,結(jié)構(gòu)松散。該層的天然密度為2.1～2.2 g/cm3,孔隙比0.3～0.45,地基允許承載力0.4～0.7 MPa,壓縮模量30～ 50 MPa,內(nèi)聚力為0,內(nèi)摩擦角30°～35°,滲透系數(shù)0.2～0.3 cm/s,屬于強(qiáng)透水層,具低壓縮性和較高的承載能力。

③-2亞層:砂層及粉砂層,鉆孔揭示厚度0.5～29.3 m,頂面埋深0～23.2 m,松散-稍密,以細(xì)粒土和黏土質(zhì)砂為主。河流的橫向環(huán)流,使細(xì)顆粒在相對(duì)靜水環(huán)境下堆積形成透鏡體。其物理力學(xué)性質(zhì)較差,天然密度為1.8～2.0 g/cm3,孔隙比 0.45～0.7,地基允許承載力 0.15～0.2 MPa,壓縮模量 8～12 MPa,內(nèi)聚力為15～20 kPa,內(nèi)摩擦角 18°～ 22°,滲透系數(shù)7.0×10-4～1.0×10-3cm/s,屬于中等透水層,具中等壓縮性,承載能力低。

2 壩址河床覆蓋層成因類型

水電站壩址河段覆蓋層厚、成因復(fù)雜,頂部為現(xiàn)代河流相沉積;中部是以冰水堆積、崩積、坡積、堰塞堆積與沖積混合為主的加積層,厚度相對(duì)較大,反映這一階段是洪積、泥石流堆積、重力堆積等近源物質(zhì)加積較嚴(yán)重的時(shí)期;下部為沖積和冰水漂卵礫石層。

壩址河段處于青藏高原向云貴高原和四川盆地過渡地帶、三江地槽褶皺和松潘-甘孜地槽褶皺系向揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)過渡地帶、活動(dòng)的川滇菱形斷塊內(nèi)相對(duì)穩(wěn)定的四川盆地過渡地帶、寒溫帶氣候向亞熱帶氣候過渡地帶,這就形成了這一地區(qū)典型的高山峽谷地貌、豐沛流量的干流與支流水系、褶皺緊密、巖層變質(zhì)、構(gòu)造復(fù)雜的區(qū)域地質(zhì)及水文條件,以及高應(yīng)力和高地震烈度、活躍的冰緣泥石流、強(qiáng)烈的谷坡外動(dòng)力地質(zhì)作用等鮮明的環(huán)境特色。另外,具有復(fù)雜的區(qū)域構(gòu)造演變、區(qū)域第四紀(jì)氣候和河谷形成演化歷史。這就為形成深厚覆蓋層提供了良好的地質(zhì)背景[2-4]。可以說,適宜的地質(zhì)環(huán)境是河床深厚覆蓋層形成的先決條件。

在上新世末形成了統(tǒng)一的高原面,當(dāng)時(shí)的海拔高度約1 km,現(xiàn)今在4 km左右。早更新世時(shí)期,河谷進(jìn)入寬谷發(fā)育階段,直到距今0.28 Ma前,寬谷期結(jié)束,谷底下切到現(xiàn)今海拔高度2.4 km左右;此后河谷開始進(jìn)入峽谷發(fā)育時(shí)期,在中更新世金沙江流域經(jīng)歷了一次大規(guī)模的構(gòu)造運(yùn)動(dòng),地殼大面積整體抬升,河谷強(qiáng)烈下切,形成了現(xiàn)今高山峽谷的地貌景觀。覆蓋層中砂層年齡測(cè)定結(jié)果顯示,這次強(qiáng)烈侵蝕事件在50 ka前就已切至金沙江深厚覆蓋層的下伏基覆界面[5,6]。晚更新世晚期末次冰期冰盛段,冰川作用盛行,河流的剝蝕作用增強(qiáng),重力堆積極其發(fā)育,谷坡滑坡、崩塌或泥石流形成堰塞堆積。由于河流水量銳減,干流的侵蝕能力及搬運(yùn)能力大為降低,使得谷底形成深厚的堆積層。末次冰期冰后期,冰川消融,雨量充足,但河流的下蝕能力有限,未能切穿早期形成的堆積層。如今水電站谷底的覆蓋層主要是末次冰期冰盛段堆積物的殘留部分[5,6]。

基于以上分析可以看出,該水電站河段深厚覆蓋層是在地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和氣候變化共同作用下形成的。

根據(jù)對(duì)水電站覆蓋層的組成特點(diǎn)及形成機(jī)制,可以對(duì)覆蓋層的成因類型進(jìn)行劃分。

第①層含碎石卵礫石層,碎石成分近源為主,卵礫石為遠(yuǎn)源物質(zhì),為晚更新世末次冰期第一副冰期沖積及冰水堆積,砂層成因應(yīng)為漫灘相。

第②-1亞層成因較復(fù)雜,為末次冰期第一副冰期向間冰段過渡時(shí)期地表徑流穩(wěn)定時(shí)期的產(chǎn)物,有碎石層夾卵礫石、卵礫石夾碎石及砂層,洪積、泥石流堆積、重力堆積等近源物質(zhì)加積較嚴(yán)重。

第②-2亞層為粉細(xì)砂層,厚度較大,延伸具有一定規(guī)模,因此該層形成環(huán)境為河流相對(duì)靜水相砂層透鏡體堆積,是河流縱比降小于1‰、水動(dòng)力低、在凸岸堆積的產(chǎn)物。

第③層除靠近河流兩岸有崩積外,以較純的卵礫石為主,在回水沱等部位夾有較厚的砂層透鏡體,包括Ⅱ級(jí)階地、Ⅰ級(jí)階地、漫灘及現(xiàn)代河床相堆積。

第①層和第②層伏于Ⅱ級(jí)階地之下,結(jié)合區(qū)域測(cè)年資料,Ⅱ級(jí)階地形成于晚更新世晚期-末期,測(cè)得第①層的年齡為49 ka,第②層年齡為45～15 ka,均為晚更新世中晚期的產(chǎn)物;第③層的年齡為10 ka。這表明谷底形成時(shí)間較早,在Ⅲ級(jí)階地形成前就已形成,然后堆積回填再下切。結(jié)合前人[5,6]第四紀(jì)古氣候研究成果,可以認(rèn)為壩址區(qū)河床覆蓋層主體應(yīng)該是末次冰期間冰段河谷的產(chǎn)物。

3 覆蓋層滲透穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

根據(jù)水電站河床鉆探漏水漏漿情況及抽水試驗(yàn)成果分析,河床覆蓋層的滲透性普遍較強(qiáng),且不均一,故各層的滲透性能差異較大,需對(duì)其滲透穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

3.1 覆蓋層滲透變形形式

滲透變形是指在滲透水流的作用下,土體失去部分承載力及滲流阻力而發(fā)生的變形現(xiàn)象,滲透變形的進(jìn)一步發(fā)展將導(dǎo)致滲透破壞,直接威脅水工建筑的安全。從滲透變形機(jī)理出發(fā),通常壩基無黏性土的滲透變形可分為流土、管涌、接觸流土及接觸沖刷4種[7]。

滲透變形形式的判別方法較多,本文主要采用以下3種方法對(duì)水電站河床覆蓋層的滲透形式進(jìn)行綜合判別。

a.細(xì)粒含量對(duì)比判別法

根據(jù)土的細(xì)粒含量,采用下列方法判別[8]:

式中:wc為土的細(xì)顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

對(duì)于不連續(xù)級(jí)配土,土的細(xì)粒含量按級(jí)配曲線中平緩段確定;對(duì)于連續(xù)級(jí)配界限粒徑則按下式確定:

式中:df為粗細(xì)粒的區(qū)分粒徑;d70為小于該粒徑的質(zhì)量占土總質(zhì)量70%的顆粒粒徑;d10為小于該粒徑的質(zhì)量占土總質(zhì)量10%的顆粒粒徑。

b.不均勻系數(shù)法和細(xì)粒含量法

不均勻系數(shù)法和細(xì)粒含量法的判別標(biāo)準(zhǔn)見表1。細(xì)粒含量指粒徑小于1 mm的顆粒在土中所占的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

表1 滲透破壞類型與不均勻系數(shù)及細(xì)粒土含量關(guān)系[8]Table 1 Relationship of seepage deformation type and uniformity coefficient and fine-grained soil content

c.綜合判別法

綜合判別法標(biāo)準(zhǔn)見圖2所示[10]。

其中:Cu為土的不均勻系數(shù);w為土中粒徑小于1 mm的細(xì)粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù);D0為土層的平均孔隙直徑;d3、d5分別為土中相應(yīng)顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%、5%的顆粒直徑為最優(yōu)細(xì)粒含量;n為土的孔隙率。

圖2 滲透變形形式判別標(biāo)準(zhǔn)Fig.2 Distinguishing standard of seepage deformation form

覆蓋層顆分試驗(yàn)結(jié)果表明,壩址區(qū)河床覆蓋層的③-1、①層屬于級(jí)配連續(xù)的不均勻土;③-2、②-2與②-1層屬于級(jí)配不連續(xù)的不均勻性土,采用上述3種方法分別進(jìn)行判別,判別結(jié)果如表2所示。

由表2可以看出,基土中③-1亞層和①層具備發(fā)生管涌的條件,③-2亞層、②-2亞層和②-1亞層具備發(fā)生流土的條件。因此,壩址的壩基滲流控制應(yīng)結(jié)合各層土體的透水性及允許坡降,進(jìn)行可靠的防滲處理,確保壩基土體的抗?jié)B穩(wěn)定性。

3.2 抗?jié)B強(qiáng)度參數(shù)的評(píng)價(jià)

3.2.1 臨界水力坡降的確定

臨界水力坡降(Jcr)通常利用土的物理指標(biāo)計(jì)算與半經(jīng)驗(yàn)半理論的方法確定。

a.利用物理指標(biāo)計(jì)算臨界水力坡降

計(jì)算流土型土的太沙基公式:

扎馬林公式:

式中:Gs為土的比重;n為土的孔隙率。

計(jì)算管涌型土的南京水科院沙金煊法計(jì)算公式:

右岸接頭土壩在麻石水電站擴(kuò)建工程已建而擴(kuò)建船閘未建時(shí)填筑，上游坡比為1∶2.0，下游坡比1∶1.5；采用黏土心墻防滲的型式，基礎(chǔ)布置帷幕灌漿。

表2 壩址覆蓋層滲透變形形式Table 2 Seepage deformation form of the cover in the dam site

式中:d3為質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)3%的土粒直徑。

計(jì)算管涌型和過渡型土的水科院法:

式中:d5、d20分別為質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)5%、20%的土粒直徑。

b.半經(jīng)驗(yàn)半理論的方法確定臨界水力坡降

研究表明,臨界水力坡降與滲透系數(shù)、平均孔隙直徑以及土中細(xì)粒含量有較好的相關(guān)性?！端姽こ痰刭|(zhì)手冊(cè)》中給出臨界水力坡降與滲透系數(shù)和細(xì)粒含量的關(guān)系曲線(圖3與圖4)[9],利用該曲線可以通過滲透系數(shù)與細(xì)粒含量半經(jīng)驗(yàn)地確定臨界水力坡降。

圖3 砂卵礫石滲透系數(shù)與臨界坡降的關(guān)系Fig.3 Relationship of permeability coefficient and critical hydraulic gradient of porosity sand and gravel

圖4 砂卵礫石土中細(xì)粒含量與臨界坡降關(guān)系Fig.4 Relationship of fine-grained soil content in sand and gravel and critical hydraulic gradient

對(duì)于壩址區(qū)河床覆蓋層的 ③-2、②-2、②-1層,它們的滲透破壞形式為流土;③-1和①層這2個(gè)巖組,它們的滲透破壞形式為管涌。采用上述計(jì)算公式與方法的各層臨界水力坡降計(jì)算結(jié)果見表3所示。計(jì)算時(shí)選取較大的滲透系數(shù)作為河床覆蓋層各巖組的滲透系數(shù)。Jcr的綜合取值是在考慮通過半理論方法得到的關(guān)系曲線取值范圍的基礎(chǔ)上,對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行的算術(shù)平均。

3.2.2 允許水力坡降的確定

考慮到本工程的重要性,結(jié)合中國(guó)西部地區(qū)工程實(shí)踐,取安全系數(shù)為2.0,得出水電站壩基覆蓋層的允許坡降(表4)。

從表4可以看出,壩址區(qū)覆蓋層除②-1亞層卵礫石層的允許水利比降相對(duì)較外大,其他各層的值均大于0.2。與西南地區(qū)其他水電工程的覆蓋層允許水力坡降相比,其值較高,說明覆蓋層抗?jié)B強(qiáng)度相對(duì)較好。但壩基仍然存在滲透變形問題,破壞形式既有流土,也存在管涌。

表3 壩址覆蓋層臨界水力坡降計(jì)算結(jié)果Table 3 Calculated results of critical hydraulic gradient of the cover in the dam site

表4 壩址覆蓋層允許水力坡降建議值Table 4 Suggested values of allowable hydraulic gradient of the cover in the dam site

4 結(jié)論

a.本文研究的水電站壩址區(qū)河床覆蓋層厚60～127 m。覆蓋層成因復(fù)雜,頂部為現(xiàn)代河流相沉積;中部是以冰水堆積、崩積、坡積、堰塞堆積與沖積混合為主的加積層,底部以冰水堆積為主。

b.壩基土存在滲透變形問題,其中③-1亞層和①層具備發(fā)生管涌的條件,③-2亞層、②-2亞層和②-1亞層具備發(fā)生流土的條件。

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