關(guān)州水電站壩基深厚覆蓋層主要工程地質(zhì)問題評(píng)價(jià)

彭進(jìn)學(xué)，李長(zhǎng)銀，侯仁坤

(四川省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，成都，610072)

1 概述

關(guān)州水電站工程位于四川省甘孜州丹巴縣境內(nèi)，大渡河一級(jí)支流小金川干流上，為引水式電站。壩址位于半扇門鄉(xiāng)關(guān)州橋上游，引水隧洞位于右岸、長(zhǎng)17.7km，電站設(shè)在小金川河口處。閘壩高17m，設(shè)計(jì)正常高水位2124m，總庫(kù)容275×104m3，電站裝機(jī)容量240MW。河床壩基為厚達(dá)103m的堰塞湖相深厚覆蓋層，其層次結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，性狀較差，存在以下突出的工程地質(zhì)問題:力學(xué)強(qiáng)度低，承載能力不足，并存在變形、滲透穩(wěn)定、地震液化問題。這些都需要在前期勘察中預(yù)以查明。

在可行性研究階段開展了深入的勘探與試驗(yàn)研究工作。研究方法采取SM植物膠鉆孔護(hù)壁和薄壁取土器取心技術(shù)，確保原狀土樣取芯質(zhì)量，進(jìn)行室內(nèi)常規(guī)試驗(yàn)和三軸試驗(yàn);在鉆孔內(nèi)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)貫入、靜力觸探、剪切波速測(cè)試、地表瞬態(tài)面波等原位測(cè)試工作。

2 壩址區(qū)基本地質(zhì)條件

壩址區(qū)為兩岸基本對(duì)稱的“U”型谷，谷底相對(duì)平坦，寬約200m～300m，河床右岸為寬150m～200m的漫灘，左岸漫灘一般較窄，與斜坡相連，平均坡度10°～30°。壩址左岸岸坡較陡，自然坡角60°～70°，右岸岸坡稍緩，自然坡角 40°～50°，兩岸自然坡高80m～100m。

壩址區(qū)出露地層主要為泥盆系中統(tǒng)頭道村組(D2t)的變質(zhì)長(zhǎng)石英砂巖、絹云石英千枚巖，及第四系全新統(tǒng)Q4ys堰塞堆積灰黑色砂壤土、壤土、Q42a1沖積褐黃色砂壤土、漂(卵)礫石夾砂層，總厚度70m～103m。

壩址區(qū)位于小金、丹巴弧形構(gòu)造帶的北西翼，梅龍溝背斜北東翼，無斷裂構(gòu)造通過。巖層產(chǎn)狀N15°～30°W/NE∠57°～63°，為橫向谷。壩址未來50年超越概率10%的基巖水平峰值加速度值為120cm/sec2，對(duì)應(yīng)的地震基本烈度為Ⅶ度。

區(qū)內(nèi)地下水主要為第四系松散堆積層中的孔隙潛水和基巖裂隙水。河床覆蓋層由砂卵石層，砂壤土層、壤土層、粉質(zhì)粘土層組成，分層注水、抽水和室內(nèi)試驗(yàn)成果見表1。

表1 河床覆蓋層滲透試驗(yàn)成果統(tǒng)計(jì)

河床漂卵礫石夾砂層屬?gòu)?qiáng)透水層;砂壤土現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)K值為1.0×10-3cm/s，屬中等透水層;壤土層以室內(nèi)為準(zhǔn)，K值為9.6×10-6cm/s，屬微透水層;粉質(zhì)粘土層室內(nèi)K值為1.4×10-6cm/s，屬微透水層;孤塊碎石土層屬?gòu)?qiáng)透水層。兩岸基巖風(fēng)化、卸荷帶為強(qiáng)透水帶，弱風(fēng)化巖體屬中等透水帶;新鮮為中～弱透水帶。巖體相對(duì)隔水層深度以q＜5Lu計(jì)，左岸厚度為40m～45m，右岸為40m～55m。河床壩基砂卵石層、砂壤土層和孤塊碎石土層為透水層，厚度為20m～25m，孤塊碎石土層透水帶厚度為20m～55m，壤土層及粉質(zhì)粘土為相對(duì)隔水層。

3 壩基土體工程地質(zhì)特性

3.1 分布特征

河床覆蓋層為第四系全新統(tǒng)沖積堆積層、堰塞湖相堆積層和崩坡積堆積層，據(jù)鉆孔揭示，具多層結(jié)構(gòu)，縱向分布總體較穩(wěn)定，橫向受河谷限制，靠?jī)砂镀律詼\，總厚70m～103.3m(見圖1)。從上至下依次為:

圖1 壩軸線剖面示意

①?zèng)_積堆積層(Q42a1-①):為表層砂壤土層，厚0～2.6m，結(jié)構(gòu)松散，主要分布于右岸漫灘;

②沖積堆積層(Q42a1-②):漂(卵)礫石夾砂層，分布于河床及漫灘上部，厚2.2m～7.4m。該層在右岸漫灘以卵礫石夾砂為主，河床則含較多的漂石;

③堰塞湖相堆積層(Q4ys-②):灰～灰黑色砂壤土層，位于河床及漫灘中上部。分布高程2092m～2110m(埋深2.2m～21.4m)，厚8.6m～17.2m。局部夾輕壤土或中壤土透鏡體，單層厚度0～4.4m，延伸長(zhǎng)度50m～170m。層中含朽木塊，透水性中等。經(jīng)碳-14(14C)法測(cè)定其年齡值為6310±120a，屬第四紀(jì)全新統(tǒng)沉積;

④堰塞湖相堆積層(Q4ys-③):灰黑色壤土層，埋藏于河床及漫灘中部。分布高程2072m～2095m(埋深15.1m～42.5m)，厚13m～35m。原狀呈可塑狀，鉆探中?？s徑，透水性微弱。碳-14(14C)法測(cè)定其年齡值為6430±70a，屬第四紀(jì)全新統(tǒng)沉積;

⑤堰塞湖相堆積層(Q4ys-④):灰黑色粉質(zhì)粘土層，埋藏于河床及漫灘中部。分布高程2057m～2083m(埋深29.5m ～58.6m)，厚17.5m～22m。局部夾重粉質(zhì)壤土或輕壤土透鏡體，單層厚度0～3m，延伸長(zhǎng)度50m～100m。粉質(zhì)粘土原狀呈可塑狀，透水性微弱;

⑥堰塞湖相堆積層(Q4ys-⑤):灰～灰黑色塊卵石夾砂層，埋藏于河床及漫灘中下部。分布高程2050m～2059m(埋深53.4m～64.4m)，厚2.7m～6m，向上游逐漸變厚，塊石約占75% ～80%，卵石偶見。該層結(jié)構(gòu)較密實(shí)，透水性較強(qiáng);

⑦堰塞湖相堆積層(Q4ys-⑥):灰黑色壤土層，埋藏于下壩址河床及漫灘中下部。分布高程2043m～2050m(埋深59.4m ～71.4m)，厚5.8m～9m，向上游逐漸變薄。壤土層原狀呈可塑狀，透水性微弱;

⑧沖積堆積層(Q4a1-③):為漂卵礫石夾砂層，分布于河床底部。呈梯形狀或三角形狀，厚17m～21m。分布高程 2025m～2027m(埋深65.2m～88.8m);

⑨沖積堆積層(Q4a1-④):為砂層，分布河床底部，厚3m～4.6m，分布高程2021m～2025m(埋深86m～93.5m);

⑩沖積堆積層(Q4a1-⑤):為塊卵礫石夾砂層，分布河床底部，厚3.5m～5m。分布高程2017m～2021m(埋深89m～97.1m);[11]沖積堆積層(-⑥):為砂層，分布河床底部，呈梯形狀或三角形狀，厚6m～10m。分布高程2008m～2017m(埋深95.6m～103.3m);

3.2 物理力學(xué)特性

表2 Q4ys砂壤土、壤土、粉質(zhì)粘土試驗(yàn)成果

表3 Q42a1-②N120超重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)

表4 N63.5標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)

表5 河床壤土層、砂壤土層靜力觸探試驗(yàn)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)

從原位測(cè)試成果分析，Q42a1-②漂(卵)礫石夾砂層多數(shù)動(dòng)力觸探錘擊數(shù)N120=(1～5.6)擊/10cm，瞬態(tài)面波波速Vs=75m/s～165m/s，說明結(jié)構(gòu)分布不均一，大多為松散～稍密層。Q4ys-②砂壤土層標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)N63.5=(5.0～9.9)擊/30cm，平均6.8擊/30cm，變形模量E0=12.2MPa;靜力觸探比貫入阻力ρs=0.42MPa～7.8MPa，平均3.83MPa，變形模量 E0=8.9MPa，壓縮模量 Es=11.5MPa;Q4ys-③壤土層靜力觸探比貫入阻力ρs=0.27MPa～4.1MPa，平均 2.40MPa，變形模量 E0=7.5MPa，壓縮模量Es=6.6MPa，說明砂壤土和壤土層土質(zhì)不太均一，力學(xué)強(qiáng)度低。

4 壩基主要工程地質(zhì)問題評(píng)價(jià)

4.1 閘基持力層的選擇

上述河床閘基段覆蓋層厚達(dá)70m～103.3m，具多層結(jié)構(gòu)，Q42a1-②漂卵礫石層厚度較小，結(jié)構(gòu)分布不均，透水性強(qiáng)，且底板以下厚度僅為1.0m～2.8m;Q4ys-②砂壤土層、Q4ys-③壤土層及Q4ys-④粉質(zhì)粘土層厚度較大，可塑狀。三種土層均屬中壓縮性土，承載力均低(0.1MPa～0.18MPa)，選任何一層作為閘基持力層，均存在壓縮變形和滲透變形問題。鑒于該工程壩高僅17m，為減小工程開挖量，建議設(shè)計(jì)閘基置于漂卵石層上，采取地基加固處理措施。

4.2 閘基抗滑穩(wěn)定及變形穩(wěn)定

閘基砂壤土層、壤土層及粉質(zhì)粘土層為閘基軟弱下臥層，各土層上、下接觸接口易構(gòu)成潛在滑移面。三種土層夾數(shù)層透鏡體，物理力學(xué)性質(zhì)均較差，承載力均較低，且土質(zhì)不均，故閘基存在抗滑穩(wěn)定及不均勻沉陷等問題，建議設(shè)計(jì)進(jìn)行相應(yīng)驗(yàn)算并確定合適的基礎(chǔ)形式及基礎(chǔ)埋深。如不能滿足變形穩(wěn)定要求，應(yīng)采取有效的工程處理措施。

4.3 滲漏及滲透穩(wěn)定評(píng)價(jià)

根據(jù)前述壩區(qū)巖、土體透水性特征，河床壩基覆蓋層及兩壩肩巖體存在透水帶。左岸壩肩巖體透水帶厚度(q＞5Lu)為40m～45m，右岸壩肩巖體透水帶厚度(q＞5Lu)為40m～55m。

河床壩基砂卵石層透水率K=(7.6～8.4)×10-2cm/s，屬?gòu)?qiáng)透水層;砂壤土層透水率K=(4～30)×10-4cm/s，屬中等透水層;壤土層K=(1.9×10-6～2.6×10-5)cm/s，屬微透水層。埋藏于右岸河床岸坡的Q4co1+d1孤塊碎石土層，透水率K=(4.6～65)×10-2cm/s，屬?gòu)?qiáng)透水層，厚度20m～55m。因此，大壩存在壩基滲漏和滲透穩(wěn)定問題。其滲透破壞形式，漂卵礫石夾砂及孤塊碎石土層為管涌，砂壤土層及壤土層為流土或接觸沖刷。所以應(yīng)采取必要的工程措施，沿壩軸線設(shè)置可靠的防滲帷幕或防滲墻，尤其對(duì)右岸壩基孤塊碎石土層應(yīng)加強(qiáng)防滲措施，建議孤塊碎石土層允許水力比降為J允許=0.1，砂壤土層允許水力坡降Jcr=0.18～0.25。壤土和粉質(zhì)粘土層為相對(duì)不透水層，防滲墻嵌入壤土層中適當(dāng)深度即可。

4.4 地震液化問題

本區(qū)地震基本烈度為Ⅶ度，根據(jù)規(guī)范中液化土的判別標(biāo)準(zhǔn)，河床-②漂(卵)礫石夾砂層及孤塊碎石土層中均無純砂層分布，且＞5mm含量分別達(dá)77.3%～81.1%和72.2%～79.6%，故均不存在液化問題;-⑤、-⑥和等層埋深在53.4m以下，土體自重應(yīng)力較大，土體密實(shí)，也不存在地震液化問題;-④層埋深29.5m～58.6m，以粉質(zhì)粘土為主，其 ＜0.005mm含量為35.3%，重粉質(zhì)壤土夾層關(guān)下ZK2YZ1樣品試驗(yàn)，其＜0.005mm含量為27%，不存在地震液化問題;壩基-②砂壤土層及-③壤土層分布于壩基上部(埋深分別為2.2m～21.4m和15.1m～42.5m)，是研究地震液化可能性的重要層位，其地震液化評(píng)價(jià)見表6。

表6 地震液化評(píng)價(jià)

5 結(jié)語(yǔ)

關(guān)州電站閘壩建在深厚覆蓋層軟基上，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，砂壤土層、壤土層及粉質(zhì)粘土層厚度較大，土質(zhì)不均，具中等壓縮性，承載力不足，且存在不均勻變形和滲透變形問題，砂壤土層存在地震液化問題。在工程措施上，需采取地基加固處理和防滲處理，設(shè)計(jì)擬定的振沖碎石樁加固和混凝土防滲墻處理方案是適宜的。