銅灌口水庫壩基覆蓋層研究

王 益 肖國(guó)賢

（遵義水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 遵義市 563002）

1 工程概況

銅灌口水庫位于貴州省習(xí)水縣境內(nèi)的赤水河支流同民河中游，距習(xí)水縣城53 km，該工程建設(shè)任務(wù)為農(nóng)田灌溉、鄉(xiāng)鎮(zhèn)及農(nóng)村人畜飲水。水庫壩址以上流域面積109.1 km2，水庫正常蓄水位749.00 m，死水位710.00 m，正常蓄水位庫容886萬m3，水庫總庫容1 140萬m3，大壩為混凝土面板堆石壩，最大壩高 86.0 m，壩頂高程 756.00 m，壩頂長(zhǎng) 202 m，壩頂寬7.5 m，該工程為中型Ⅲ等工程。圖1為壩址橫剖面圖。

水庫位于云貴高原向四川盆地的過渡帶，地形切割強(qiáng)烈，海拔高程為（400～1 500）m，區(qū)內(nèi)峽谷深切，山高坡陡，屬中低山至中山峽谷山地地貌，河流源頭至庫區(qū)廣泛出露地層為白堊系上統(tǒng)夾關(guān)組及侏羅系上統(tǒng)蓬萊鎮(zhèn)組，巖性為碎屑巖類的砂巖為主夾泥巖，工程區(qū)大地構(gòu)造單元為揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)四川臺(tái)拗，巖層產(chǎn)狀平緩，傾角 5°～10°，區(qū)域構(gòu)造不發(fā)育，褶皺寬緩，場(chǎng)區(qū)地震動(dòng)峰值加速度為0.05 g，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.35 s，場(chǎng)區(qū)穩(wěn)定性好。水庫兩岸以崩塌為主的地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育，向下游河床逐漸開闊，兩岸變緩，崩塌地質(zhì)災(zāi)害減弱。

圖1 壩址橫剖面[兩岸未到頂]

壩址河谷為“U”型，谷寬（70～100）m，岸坡坡度42°～75°，局部大于 80°，河床高程約 690 m，兩岸峰頂高程大于 950 m，河床覆蓋層厚度為（4～24.6）m，為第四系沖洪積砂卵礫石、塊石及崩塌巨塊石等，兩岸及河床為夾關(guān)組的下段，巖性以磚紅色厚至巨厚層狀含鐵質(zhì)中-細(xì)粒長(zhǎng)石巖屑砂巖為主，下部夾紫紅色泥巖、粉砂巖等。

由于壩址河床覆蓋層較厚，而該水庫地處國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)內(nèi)，對(duì)工程各建筑物基礎(chǔ)開挖的棄渣堆放及治理措施提出嚴(yán)格要求，為節(jié)省工程投資、降低施工強(qiáng)度、保護(hù)環(huán)境，對(duì)覆蓋層的利用進(jìn)行研究，因此該水庫壩址覆蓋層的利用直接影響工程投資及環(huán)境。

2 覆蓋層的形成及物質(zhì)成分

同民河全長(zhǎng)41 km，河床比降31.3‰，而壩址以上河長(zhǎng)19.3 km，河床平均比降36.3‰，壩址上下游3 km范圍內(nèi)河床比降26‰，說明壩址之上的比降＞36.3‰，該段地形變緩，由此，沖洪積物大量沉積。

壩址段地形較緩，而下游更緩，為什么反而覆蓋層變淺了呢？這是因?yàn)樵摱蔚匦闻c上下游比相對(duì)較狹窄，河谷兩岸與河床高差大（＞260 m），地形陡峭，兩岸最陡處位于1 000 m高程以下，大部坡角大于70°，局部接近鉛直，巖性為上硬下軟，上部為巨厚-厚層長(zhǎng)石巖屑砂巖，在750 m高程以下夾多層泥巖及粉砂巖，且?guī)r體卸荷裂隙發(fā)育，導(dǎo)致崩塌頻發(fā)（和地質(zhì)災(zāi)害評(píng)估結(jié)論一致），在河床形成大量的由巨塊石、塊石而形成的崩塌堆積體，阻緩了水流的運(yùn)移，使得大量的河床沖洪積物圍繞巨塊石、塊石沉積，這樣日積月累，使得覆蓋層增厚。

壩址河床下伏巖層夾泥巖多，抗沖刷能力弱，河流易于下切，特別是右岸，本身是沖刷岸，所以覆蓋層更深。在以上多個(gè)因素的共同作用下，形成較厚的覆蓋層。

經(jīng)對(duì)河床覆蓋層取樣進(jìn)行薄片鑒定及現(xiàn)場(chǎng)辯認(rèn)，其礦物成分見表1。

表1 覆蓋層崩塌塊石礦物組成簡(jiǎn)表

鑒定名稱為含鐵質(zhì)中-細(xì)粒長(zhǎng)石巖屑砂巖，和母巖的成分相同，其余有少量（＜5%）礫石為泥巖。

3 覆蓋層利用的條件

由于新建大壩為混凝土面板堆石壩，除趾板、低壓縮區(qū)需對(duì)覆蓋層及基巖一定深度進(jìn)行開挖外，其余堆石區(qū)需清除覆蓋層，而本工程河床寬約100 m，壩基河流向長(zhǎng) 262 m，河床覆蓋層深（4～24.6）m，堆石區(qū)統(tǒng)計(jì)開挖量達(dá)80萬m3以上，若覆蓋層的物質(zhì)成分接近于上部堆石體，即：級(jí)配（粘粒＜5%）、容重，承載力、變形模量、透水性等均滿足或接近上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，且覆蓋層內(nèi)沒集中分布的粘土及細(xì)砂層，則河床覆蓋層只需簡(jiǎn)單處理即可作為壩體的基礎(chǔ)，對(duì)此，我們?cè)谇捌诠ぷ骰A(chǔ)上又進(jìn)行了如下勘探及試驗(yàn)工作。

4 勘探及巖土試驗(yàn)

4.1 鉆 探

根據(jù)覆蓋層的分布，在壩軸線附近布置鉆孔ZK1～ZK10，根據(jù)鉆孔揭露該區(qū)段覆蓋層厚度為（7.8～15.7）m，從上至下主要為巨塊石、塊石、卵礫石、細(xì)砂等，河床堆積物分選性差，相互嵌合較好，塊石之間被卵礫石、砂充填，鉆孔內(nèi)未見粘土及淤泥，不存在掉鉆等其它異?，F(xiàn)象。

4.2 跨孔聲波

在鉆孔ZK1～ZK10內(nèi)進(jìn)行跨孔聲波CT探測(cè)，測(cè)試深度（1.0～3.2）m 左右，聲波波速在（1 510～2 070）m/s之間，覆蓋層松散，推測(cè)巖性為塊石夾砂質(zhì)土及細(xì)砂；測(cè)試深度（2.0～7.2）m左右，聲波波速在（1 820～2 530）m/s之間，推測(cè)巖性為塊石夾礫石及細(xì)砂，覆蓋層較密實(shí)；測(cè)試深度（6.0～15.0）m 左右，聲波波速在（2 440～3 040）m/s之間，推測(cè)巖性為塊石夾卵石及細(xì)砂，覆蓋層密實(shí)；測(cè)試深度（9.0～16.0）m左右，聲波波速在（2 870～3 420）m/s之間，推測(cè)巖性為砂巖、粉砂巖等。各目標(biāo)類別聲波波速參照表見表2。

表2 物探跨孔聲波CT探測(cè)波速參數(shù)參照表

由跨孔聲波探測(cè)可知，覆蓋層波速為（1 510～3 040）m/s，從波速反應(yīng)，沒突變，從上至下均勻增加，推測(cè)覆蓋層越往下越密實(shí)，且不存在粘土、淤泥質(zhì)土等不良地質(zhì)體的集中分布。

4.3 注水試驗(yàn)

在鉆孔內(nèi)共作注水試驗(yàn)22段，各段注水成果詳見表3。

表3 銅灌口水庫覆蓋層注水試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)表

鉆孔內(nèi)共作注水試驗(yàn)22段，滲透系數(shù)k=（1.1×10-3～1.7×10-2）cm/s, 僅在鉆孔 ZK9 底部段滲透系數(shù)為9×10-4cm/s，覆蓋層透水性較好，均為中等透水層，滲透系數(shù)能滿足過渡區(qū)、主、次堆石區(qū)的滲透要求。

4.4 顆粒級(jí)配分析及現(xiàn)場(chǎng)容重檢測(cè)

在河床壩軸線附近隨機(jī)選取了4個(gè)點(diǎn)進(jìn)行顆粒級(jí)配分析及相應(yīng)的容重測(cè)試， 其中 1#、2#、3#取樣點(diǎn)均位于河床左側(cè)，4#取樣點(diǎn)位于河床右側(cè)，取樣深度均在現(xiàn)場(chǎng)開挖地表面以下1 m左右。

試驗(yàn)結(jié)果詳見表4《覆蓋層顆粒級(jí)配試驗(yàn)表》，覆蓋層為含（巨）塊石的砂卵礫石層，其中大于5mm的顆粒含量為77.37%～89.77%，（0.075～5）mm 的顆粒含量為7.68%～20.12%，小于0.075mm的顆粒含量為2.18%～2.72%，覆蓋層主要以粗顆粒為主，粉粒、粘粒極少，級(jí)配連續(xù)，小于0.075 mm的顆粒含量少于5%。

4個(gè)點(diǎn)的容重檢測(cè)結(jié)果見表4，平均干容重達(dá)2.2g/cm3，說明以大粒徑含量為主，且比重大、密實(shí)度較大。

表4 覆蓋層顆粒級(jí)配及現(xiàn)場(chǎng)干容重試驗(yàn)表mm

4.5 載荷試驗(yàn)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，選取了載荷試驗(yàn)點(diǎn)3個(gè)。各點(diǎn)測(cè)試結(jié)果詳見表5。

根據(jù)測(cè)試結(jié)果分析，選取的3個(gè)試點(diǎn)承載力的特征值均大于400 kPa；試點(diǎn)2處的變形模量顯著高于其余兩個(gè)試點(diǎn)，推測(cè)由測(cè)點(diǎn)下臥大塊石所致，應(yīng)剔除，因此變形模量采用試點(diǎn)1和試點(diǎn)3變形模量的平均值，即覆蓋層變形模量為79 MPa。

表5 淺層平板載荷試驗(yàn)成果表

5 綜合評(píng)估及結(jié)語

5.1 綜合評(píng)估

通過以上工作，基本查清了河床覆蓋層的性狀特征，其物質(zhì)組成為巨塊石、塊石、卵礫石為主夾砂，成分以巖屑砂巖為主，與本地的母巖相同，為中硬巖石；級(jí)配連續(xù)，以粗粒占多，＜0.075 mm的顆粒小于5%；波速?gòu)纳系较戮鶆蜻f增，反映出從上至下密實(shí)度增加，從波速及干容重反應(yīng)，密實(shí)度較高，下部無集中存在的粘土及細(xì)砂；覆蓋層滲透系數(shù)大部分＞1×10-3cm/s，屬中等透水；承載力＞400 kPa，變形模量大于70 MPa，覆蓋層承載力較高，壓縮變形較小；平均干容重＞2.2 g/cm3，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求，試驗(yàn)成果與設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)照詳見表6。

從近期開挖的趾板基礎(chǔ)看，河床覆蓋層結(jié)構(gòu)與勘探結(jié)果基本一致，根據(jù)我們提供的參數(shù)，經(jīng)南京水利科學(xué)院三維仿真計(jì)算，其應(yīng)力、變形及沉降等均滿足設(shè)計(jì)要求，覆蓋層完全可以作為基礎(chǔ)面利用，除低壓縮區(qū)外其余盡量少挖除，為工程節(jié)省了大量投資及工期。

表6 試驗(yàn)成果與設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)照表

5.2 結(jié) 語

銅灌口水庫工程壩基通過對(duì)覆蓋層的成因分析及大量勘探、試驗(yàn)工作，查清了覆蓋層結(jié)構(gòu)及相關(guān)物理力學(xué)性質(zhì)，對(duì)河床堆石區(qū)范圍內(nèi)覆蓋層的計(jì)算分析后，采用壩基只挖除上游趾板附近的覆蓋層，不僅減少了開挖量和壩體填筑量、降低施工強(qiáng)度，同時(shí)，減少了棄渣征地和對(duì)周邊自然保護(hù)區(qū)的影響，達(dá)到了保護(hù)工程區(qū)環(huán)境、節(jié)省工程投資、縮短工期的綜合效益。