瓦托水電站左岸埋藏谷松散堆積物滲透穩(wěn)定性分析

王寶文，許蘊(yùn)寶，席海軍，賈 文，高 博

(中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，吉林長(zhǎng)春 130021)

1 基本情況

瓦托水電站位于西藏昌都市卡若區(qū)瀾滄江右岸一級(jí)支流金河上，下距金河水電站大壩約4.5 km，為金河水能開發(fā)的次末級(jí)。瓦托水電站正常蓄水位3 315 m，壩頂高程3 317.8 m，最大壩高 65.0 m，壩長(zhǎng) 219.5 m，水庫回水長(zhǎng)約5.73 km，庫容1 224 ×104m3，初擬電站裝機(jī)容量54 MW。樞紐由混凝土重力壩、左岸當(dāng)?shù)夭牧蠅渭皦魏笫綇S房等建筑物組成。

壩址左岸發(fā)育有多級(jí)階地，階地下伏埋藏谷，埋藏谷呈向山里突出的弧形，上、下游均存在基巖豁口，豁口被漂卵石充填，豁口處基巖面低于現(xiàn)代河床，埋藏谷松散堆積層厚度45～55 m。

瓦托壩址左岸埋藏谷松散堆積層厚度巨大，壩基防滲問題尤顯突出。

2 埋藏谷松散堆積物的結(jié)構(gòu)特征

2.1 埋藏谷松散堆積物的結(jié)構(gòu)特征

埋藏谷表部為2～6 m厚的坡積(Qdl4)混合土碎石覆蓋，其下沖洪積層(Qpal2)厚度巨大，自上而下可分為卵石混合土、粉土質(zhì)礫、混合土漂石等。

(1)卵石混合土，稍濕—飽和，結(jié)構(gòu)中密—密實(shí)，局部架空，泥分布不連續(xù)，可見次棱角狀的塊石、碎石。鉆孔注水試驗(yàn)滲透系數(shù)大值平均值K=2.66×10－3cm/s，室內(nèi)滲透試驗(yàn)滲透系數(shù)大值平均值K=6.42×10－3cm/s，總體屬中等透水層。

(2)粉土質(zhì)礫，灰黃—灰白色，稍濕，中密—密實(shí)，以透鏡體的形式分布于卵石混合土層中。鉆孔注水試驗(yàn)滲透系數(shù)大值平均值 K=2.06×10－3cm/s，總體屬中等透水層。

(3)混合土漂石，灰—灰白色，稍濕—飽和，中密—密實(shí)。鉆孔注水試驗(yàn)滲透系數(shù)K=1.29 cm/s，室內(nèi)滲透試驗(yàn)滲透系數(shù)K=6.51×10－3cm/s。鉆探過程中該層發(fā)生過漏漿掉鉆現(xiàn)象，說明局部存在架空現(xiàn)象?？紤]到沉積環(huán)境的差異，該層總體應(yīng)屬中等透水層，局部為強(qiáng)透水。

下伏基巖為侏羅系下統(tǒng)細(xì)砂巖與泥質(zhì)砂巖互層。

2.2 埋藏谷松散堆積物的物理力學(xué)性質(zhì)

左岸埋藏谷松散堆積層由沖洪積卵石混合土、粉土質(zhì)礫和混合土漂石組成，共取樣15組，其中卵石混合土層中取樣11組、粉土質(zhì)礫取樣3組、混合土漂石取樣1組。繪制了三層土顆粒分布范圍圖，見圖1。

圖1 左岸埋藏谷三種土粒徑分布范圍圖Fig.1 Grain size distribution of the buried valley at the left bank

埋藏谷松散堆積物物理力學(xué)試驗(yàn)成果見表1。

瓦托壩址左岸埋藏谷松散堆積層由卵石混合土、混合土漂石等組成，粉土質(zhì)礫透鏡體分布連續(xù)性差。該層顆粒組成由于自上至下變粗，中密—密實(shí)，滲透差異性不大，總體屬中等透水，故可把沖洪積層視為結(jié)構(gòu)及滲透性相似的不均勻無粘性土層。

表1 左岸埋藏谷松散堆積物物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)成果表Table 1 Loose deposits physical mechanics characteristic experiment results of the buried valley under the left bank

3 埋藏谷松散堆積層滲透穩(wěn)定性分析

3.1 滲透變形類型判別方法的選擇

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)土的滲透及滲透穩(wěn)定性機(jī)理和發(fā)生發(fā)展的條件研究較多，原理基本相似，但一些參數(shù)的取值略有不同，有單一因素法、雙因素法和綜合分析的方法［1］，目前采用綜合分析的方法居多。

(1)細(xì)粒含量法［2－3］。細(xì)粒含量法的理論基礎(chǔ)是認(rèn)為滲透破壞形式?jīng)Q定于土體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是否穩(wěn)定，決定于細(xì)料填充粗料孔隙的程度，當(dāng)細(xì)料含量小于某一數(shù)值，由于填不滿粗料骨架形成的孔隙，細(xì)料處于不受約束狀態(tài)，在一定的水動(dòng)力條件下，容易被滲流帶走，形成管涌型破壞。當(dāng)細(xì)料填滿粗料孔隙時(shí)，粗細(xì)料成為一個(gè)整體，因而在滲流作用下以整體形式破壞，形式為流土。

筆者采用區(qū)分(界限)粒徑的方法為《水力發(fā)電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(GB 50287—2006)附錄 L.0.3的規(guī)定:

①流土型:Pc≥35%;②過渡型:25% ≤Pc＜35%;③管涌:Pc＜25%。

式中:Pc為土的細(xì)粒含量，以質(zhì)量百分率計(jì)(%);Cu=為土的不均勻系數(shù)為粗細(xì)粒的區(qū)分粒徑(級(jí)配連續(xù)的土);d70、d60、d10為占總土重 70%、60%、10%的顆粒粒徑(mm)。

(2)粗細(xì)料含量對(duì)比法［4］。粗細(xì)料含量對(duì)比法的原理是以太沙基反濾層設(shè)計(jì)概念為基礎(chǔ)，以粗細(xì)料的比值作為保護(hù)細(xì)料不產(chǎn)生破壞為條件。細(xì)料含量指粒徑＜1 mm的顆粒所占整個(gè)土重的比例(%)，粗料D15和細(xì)料D85是先將土樣按粗粒和細(xì)粒分開，分別求出粗粒土D15和細(xì)粒土D85。

筆者采用《水利水電工程地質(zhì)手冊(cè)》(1985年第一版)介紹的方法:

對(duì)瓦托水電站左岸埋藏谷松散堆積層滲透變形類型進(jìn)行判別時(shí)，主要采用《水力發(fā)電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(GB 50287—2006)附錄L、《水力發(fā)電工程地質(zhì)手冊(cè)》(2011年版)及《水利水電工程地質(zhì)手冊(cè)》(1985年第一版)的方法，并參考了《土的滲透穩(wěn)定與滲流控制》(劉杰)等專著。由于埋藏谷組成物多為不均勻系數(shù)＞5的不均勻土，所以只選用與顆粒組成相關(guān)、針對(duì)不均勻土的判別公式。

3.2 滲透變形類型的判別結(jié)果

左岸埋藏谷沖洪積土顆粒特征值見表2，沖洪積土滲透變形型式判定結(jié)果見表3。

表2 左岸地埋藏谷沖洪積土顆粒特征值Table2 Grain size characteristics of pluvial alluvial sediments at the buried valley under the left bank

表3 左岸埋藏谷沖洪積土滲透變形判定分析計(jì)算成果表Table 3 Seepage deformation assessment analysis of pluvial alluvial sediments at the buried valley under the left bank

3.2.1 細(xì)粒含量法

以Pc≥35%判定為流土型，Pc＜25%為管涌型，35% ＞Pc≥25%為過渡型。卵石混合土層中判定有1組為流土型，占9%;有7組為管涌型，占64%;有3組為過渡型，占27%。粉土質(zhì)礫土層中判定1組為管涌型，占33%;2組為過渡型，占66%?；旌贤疗翆又信卸?組為管涌型，占100%。

3.2.2 粗細(xì)料含量對(duì)比法

瓦托壩址左岸埋藏谷部位松散堆積層所取15組樣中，細(xì)粒含量法判定卵石混合土層中有1組為流土型，占9%;管涌型為7組，占64%;過渡型3組，占27%。粉土質(zhì)礫土層中有1組為管涌型，占33%;2組為過渡型，占66%?；旌贤谅咽癁楣苡啃?。粗細(xì)料含量對(duì)比法判定均為管涌型。

綜合評(píng)價(jià):左岸埋藏谷松散堆積層滲透變形的主要型式為管涌型，少數(shù)有發(fā)生流土型變形的可能，過渡型按土的密度、粒級(jí)、形狀等其滲透變形的型式為管涌型。

3.3 臨界水力比降的確定

《水力發(fā)電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(GB 50287—2006)附錄L.0.4采用公式計(jì)算，確定滲透變形臨界水力比降?？紫堵适且粋€(gè)非常重要的物性指標(biāo)，瓦托水電站左岸埋藏谷沖洪積土試驗(yàn)測(cè)定了5組孔隙率，由于沖洪積土組成物結(jié)構(gòu)中密—密實(shí)，具不均一性，測(cè)定的5組孔隙率指標(biāo)基本上可代表沖洪積土的實(shí)際情況。

管涌型臨界水力比降采用(L.0.4-2)計(jì)算，采用(L.0.4-3)進(jìn)行驗(yàn)證:

式中:Gs為土粒密度與水的密度之比;n為土的孔隙率;d5、d20分別占總重的5%和20%的土粒粒徑(mm)。

式中:K為土的滲透系數(shù)(cm/s);d3為分別占總重的3%的土粒粒徑(mm)。

計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 管涌型臨界比降J cr計(jì)算表Table 4 Gradient critical J cr values of piping type

左岸埋藏谷卵石混合土層取樣4組進(jìn)行室內(nèi)滲透試驗(yàn)，測(cè)得的滲透系數(shù)試驗(yàn)大值平均值為7.34×10－3，臨界比降的平均值為0.443;混合土漂石取樣1組，測(cè)得的滲透系數(shù)為6.51 ×10－3，臨界比降為 0.445。

依表4計(jì)算結(jié)果，結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)綜合分析確定瓦托水電站左岸地埋藏谷松散堆積層臨界水力比降值為0.45。

3.4 允許水力比降的確定

根據(jù)《水力發(fā)電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(GB 50287—2006)附錄L.0.5規(guī)定:無粘性土的允許水力比降以土的臨界水力比降除以1.5～2.0的安全系數(shù)。考慮到瓦托水電站左岸埋藏谷部位松散堆積層埋深2～6 m，層厚一般25～45 m，厚者達(dá)58 m，結(jié)構(gòu)中密—密實(shí)，具不均一性，安全系數(shù)取1.5較為合適。所以埋藏谷松散堆積層滲透變形允許比降J允許=0.30較為適宜。

3.5 滲透穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

影響土滲透變形的因素較為復(fù)雜，如土體的結(jié)構(gòu)特征、成因類型、膠結(jié)程度、地下水動(dòng)態(tài)、地形地質(zhì)條件等，決定無粘性土滲透破壞特性的主要因素是顆粒組成及密實(shí)程度。

根據(jù)瓦托水電站預(yù)可研、可研地質(zhì)資料:左岸埋藏谷松散堆積物由卵石混合土、粉土質(zhì)礫、混合土漂石組成，呈灰—灰白色，結(jié)構(gòu)中密—密實(shí)，漂、卵、礫石成分復(fù)雜，主要為強(qiáng)風(fēng)化—微風(fēng)化花崗巖、砂巖等，分選較差，蝕圓度中等，局部可見泥和次棱角狀的碎塊石，漂、卵石中局部見全強(qiáng)風(fēng)化花崗巖。卵石混合土中卵石粒徑一般為60～140 mm;混合土漂石中漂石粒徑一般為220～350 mm;粉土質(zhì)礫中礫石含量約60%，粒徑一般為10～40 mm，在空間分布上連續(xù)性差。

埋藏谷松散堆積層埋深2～6 m，在長(zhǎng)期固結(jié)壓力作用下，土體密實(shí)度較大，孔隙率較小。而采用的判別方法是按無粘性土進(jìn)行判定，從理論上講偏于安全。

從表4的分析可知，金河瓦托水電站左岸埋藏谷松散堆積層滲透變形型式主要為管涌。發(fā)生滲透管涌變形必須具有兩個(gè)條件:一是滲透變形的水動(dòng)力條件，即要有足夠的水力比降作用下才能發(fā)生;二是要有相應(yīng)的幾何條件，即要有使細(xì)顆粒移動(dòng)的足夠的空隙和空間。

從圖1可以看出，埋藏谷松散堆積層卵石混合土與混合土漂石土兩層平均顆分曲線顆粒組成差別不大，滲透系數(shù)相近，只是混合土漂石相比卵石混合土顆粒較粗，結(jié)構(gòu)相對(duì)較為密實(shí)，其兩層發(fā)生接觸流失、接觸沖刷的可能性不大，在其滲流向上的情況下更不可能。粉土質(zhì)礫以透鏡體的形式分布于卵石混合土層中，其橫向與縱向上呈不規(guī)則狀，結(jié)構(gòu)中密—密實(shí)，細(xì)粒含量較卵石混合土多，通過試驗(yàn)比較滲透系數(shù)相差不是很大，其兩層發(fā)生接觸流失、接觸沖刷的可能性亦不大，在其滲流向上的情況下更不可能。

實(shí)踐證明，滲流出口滲透穩(wěn)定的控制是滲流安全控制的關(guān)鍵，無論是管涌或流土破壞，滲流都是首先由出口帶出顆粒，然后逐步向上游發(fā)展，直至全部破壞，沒有發(fā)現(xiàn)先從內(nèi)部破壞而向上游發(fā)展的任何實(shí)例。

由于瓦托水電站左岸Ⅱ級(jí)階地埋藏谷松散堆積物卵石混合土層上覆2～6 m左右坡積的碎石混合土層，自重壓力不大，壩下大部地表卵石混合土出露，為中等—強(qiáng)透水層，排泄條件較好，可能使細(xì)粒隨滲透水流產(chǎn)生位移，產(chǎn)生管涌破壞。粉土質(zhì)礫以透鏡體的形式分布于卵石混合土層中，上覆卵石混合土層，且為中等—強(qiáng)透水層，排泄條件較好，其抗?jié)B比降明顯提高，發(fā)生管涌破壞的可能性要小一些?；旌贤疗路诼咽旌贤翆又?，上覆自重壓力較大，結(jié)構(gòu)較為密實(shí)，卵石混合土層為中等—強(qiáng)透水層，排泄條件較好，發(fā)生管涌變形的可能性要小。

從表3的分析可知，有1組滲透變形判定為流土型，結(jié)合工程的實(shí)際情況，該樣品取樣位置多位于正常蓄水位以上，基本不會(huì)受到水動(dòng)力條件作用的影響，故不會(huì)發(fā)生流土坡壞。

根據(jù)以上分析，認(rèn)為瓦托水電站左岸埋藏谷松散堆積物不會(huì)發(fā)生滲透流土變形，可能會(huì)發(fā)生管涌變形，需采取防滲措施進(jìn)行處理。

4 結(jié)語

通過瓦托水電站左岸埋藏谷松散堆積物結(jié)構(gòu)特征及滲透穩(wěn)定性分析的研究，得出如下:

(1)埋藏谷松散堆積物樣品的采集要有代表性是首要的，這樣顆分資料才能準(zhǔn)確反映地層的實(shí)際情況，判別的結(jié)果才具有可靠性。

(2)無粘性土的滲透變形類型的判別方法有單一因素法(不均勻系數(shù)法、細(xì)料粒徑對(duì)比法)、雙因素法和綜合分析的方法。綜合分析法相對(duì)客觀真實(shí)。

(3)孔隙率是確定臨界水力比降的重要物性指標(biāo)。

(4)流土破壞是整體破壞，對(duì)水工建筑物的危害較大，允許比降安全系數(shù)取2，對(duì)于特重要的工程也可用2.5;管涌破壞是土粒在孔隙中開始移動(dòng)并被帶走時(shí)的水力比降，一般情況下，土體在此水力比降下還有一定承受水力比降的潛力，允許比降取1.5倍的安全系數(shù)較適宜。

［1］ 劉杰.土的滲透穩(wěn)定與滲流控制［M］.北京:水利電力出版社，1992.

［2］ GB 50287—2006，水力發(fā)電工程地質(zhì)勘察規(guī)范［S］.

［3］ 彭土標(biāo)，袁建新，王惠明，等.水力發(fā)電工程地質(zhì)手冊(cè)［M］.北京:中國水利水電出版社，2011.

［4］ 水利電力部水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)院.水利水電工程地質(zhì)手冊(cè)［M］.北京:水利電力出版社，1985.