“分區(qū)、分層”勘察評(píng)價(jià)方法在高堆石壩心墻料勘察中的應(yīng)用

吳章雷，胡秋爽

（中國(guó)電建集團(tuán)成都勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川成都 610072）

“分區(qū)、分層”勘察評(píng)價(jià)方法在高堆石壩心墻料勘察中的應(yīng)用

吳章雷，胡秋爽

（中國(guó)電建集團(tuán)成都勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川成都 610072）

對(duì)300 m量級(jí)的高堆石壩，心墻填筑需要大量的土料，心墻質(zhì)量的優(yōu)劣將決定大壩的安危，因此，對(duì)心墻材料的勘察評(píng)價(jià)尤為重要。本文以兩河口水電站為例，對(duì)高堆石壩心墻材料工程地質(zhì)勘察進(jìn)行了探討。在心墻筑壩材料工程地質(zhì)勘察方面做了大量的工作，總結(jié)和提出了“分區(qū)、分層”勘察評(píng)價(jià)的方法，并在工程實(shí)踐中應(yīng)用。

勘察評(píng)價(jià)；高堆石壩；心墻料；兩河口水電站

0 前 言

隨著水電開(kāi)發(fā)西移，目前正在開(kāi)工或即將開(kāi)工建設(shè)的水電主要集中在西部的大渡河、雅礱江及金沙江上。區(qū)域上位于青藏高原到四川盆地過(guò)渡的斜坡地帶上，這一地區(qū)區(qū)域地質(zhì)背景復(fù)雜，谷坡陡峻，河谷深切，滑坡、泥石流、傾倒變形體等不良物理地質(zhì)現(xiàn)象發(fā)育。上述地區(qū)交通不便，主要為縣、村級(jí)公路，物資運(yùn)輸困難。因此，修建水電不僅要面對(duì)復(fù)雜的工程地質(zhì)問(wèn)題，還要面對(duì)困難的交通條件。

兩河口水電站位于四川省甘孜州雅江縣境內(nèi)的雅礱江干流上，壩址距雅江縣城約25 km，距成都約500 km。兩河口水電站是雅礱江中下游的控制性水庫(kù)電站工程，對(duì)整個(gè)雅礱江梯級(jí)電站的開(kāi)發(fā)影響巨大。電站采用壩式開(kāi)發(fā)，最大壩高295 m。水庫(kù)總庫(kù)容約110億m3，水庫(kù)消落深度為80 m，調(diào)節(jié)庫(kù)容65.6億m3，具有多年調(diào)節(jié)能力；電站裝機(jī)容量3 000 MW，多年平均發(fā)電量110億kW·h。攔河大壩為直心墻堆石壩，大壩壩剖面為中央直立心墻布置形式，心墻兩側(cè)為反濾層，反濾層以外為過(guò)渡層及堆石體壩殼。上、下游壩坡坡度分別為1∶2.0、1∶1.9。礫石土心墻堆石壩防滲心墻頂寬為6.00 m，河床心墻底基座順河向?qū)挾葹?24.00 m；心墻上、下游坡均為1∶0.2，心墻與兩岸壩肩接觸部位的岸坡基巖表面設(shè)厚度為1m的混凝土蓋板（見(jiàn)圖1）。

圖1 兩河口水電站攔河大壩直心墻堆石壩典型剖示意（1∶2000）

攔河大壩礫質(zhì)土心墻堆石壩需防滲土料約430萬(wàn)m3，預(yù)可及可研階段對(duì)壩址上、下游白孜、腳泥堡、西地、瓜里、普巴絨等13個(gè)土料場(chǎng)進(jìn)行了勘察。壩址上、下游分布的土料場(chǎng)有以下特點(diǎn)：

（1）土料場(chǎng)主要分布在雅礱江沿岸較為寬緩的Ⅲ、Ⅳ級(jí)階地上；

（2）由于雅礱江沿岸河谷谷坡陡峻，因此沿岸少有的寬緩的平臺(tái)既是土料場(chǎng)分布的地方也是當(dāng)?shù)馗丶熬用窦械牡胤?，移民搬遷難度大；

（3）土料場(chǎng)分布分散，距壩址1～40 km范圍內(nèi)均有分布，單個(gè)土料場(chǎng)儲(chǔ)量不大，需幾個(gè)土料場(chǎng)才能滿足儲(chǔ)量要求；

（4）各土料場(chǎng)或相同土料場(chǎng)內(nèi)土料質(zhì)量不均一，粒徑變化較大，物理力學(xué)指標(biāo)差異較大；

（5）土料場(chǎng)的成因以沖、洪積為主，個(gè)別為殘積土，各土料后期均遭受過(guò)坡面及淺溝內(nèi)小規(guī)模泥石流的改造。

1 工程實(shí)例

針對(duì)兩河口土料場(chǎng)特點(diǎn)，采取怎樣的勘察評(píng)價(jià)方法以便查明土料的儲(chǔ)量及質(zhì)量，是工程地質(zhì)勘察工作的難點(diǎn)和重點(diǎn)。經(jīng)過(guò)兩河口水電站土料場(chǎng)大量的勘察試驗(yàn)工作，不斷的探索、總結(jié)，提出了“分區(qū)、分層”的勘察評(píng)價(jià)方法，以解決對(duì)土料需求量大，料場(chǎng)產(chǎn)地分散及成因復(fù)雜等問(wèn)題。該方法的具體描述是：“分區(qū)”是指在地表測(cè)繪中根據(jù)土料的粒徑、厚度、顏色等并結(jié)合室內(nèi)顆分實(shí)驗(yàn)，把不同性狀的土料劃為不同的區(qū)，并編號(hào)在工程地質(zhì)平面圖上表示出來(lái)；“分層”是根據(jù)勘探揭示資料，把不同性狀的土料在剖面上區(qū)分出來(lái)，并編號(hào)在工程地質(zhì)剖面圖上表示出來(lái)；根據(jù)“分區(qū)、分層”及試驗(yàn)情況，并結(jié)合工程對(duì)土料的質(zhì)量和儲(chǔ)量等進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)的方法。下面以亞中土料場(chǎng)為例，具體論述“分區(qū)、分層”的勘察評(píng)價(jià)方法在實(shí)踐中的應(yīng)用。

亞中土料場(chǎng)位于壩址上游22 km的雅礱江左岸，料場(chǎng)分布高程2 680～2 790 m，順河長(zhǎng)約1 200 m，垂河寬約500m，面積約22.8萬(wàn)m2，地形坡度5～10°，為Ⅱ～Ⅳ階地，地形完整性差，被數(shù)條沖溝切割，從上游到下游共計(jì)發(fā)育5條沖溝。

1.1 平面分區(qū)

地質(zhì)測(cè)繪表明，亞中土料在地表及天然露頭上，土料的顏色和粒徑極不均一。料場(chǎng)的成因主要為階地堆積的沖洪積物，但由于料場(chǎng)內(nèi)沖溝發(fā)育，料場(chǎng)后緣地形坡度較陡，后期坡面及沖溝內(nèi)小規(guī)模泥石流與階地上沖洪積物混雜，導(dǎo)致土料不均一，在顏色或粒徑方面變化均較大。根據(jù)工程特點(diǎn)及需要，把亞中土料場(chǎng)分為A、B、C、D四個(gè)區(qū)，并分別建立了三維地質(zhì)模型以輔助勘察（見(jiàn)圖2、表1）。

圖2 亞中料場(chǎng)三維建模平面分區(qū)示意

表1 亞中土料場(chǎng)物理實(shí)驗(yàn)成果

A、B、C區(qū)為Ⅲ～Ⅳ階地，D區(qū)為Ⅱ級(jí)階地。A區(qū)位于3號(hào)沖溝上游，面積7.1萬(wàn)m2，土料的顏色為褐黃～褐紅色，A區(qū)小于5 mm顆粒含量平均為95.06%，小于0.075 mm細(xì)粒含量80.36%，黏粒含量平均為24.45%，土料偏細(xì)。

B區(qū)位于3號(hào)沖溝與5號(hào)沖溝之間，面積3.2萬(wàn)m2，土料的顏色為褐黃～褐灰色，小于5 mm粒徑含量平均為51.34%，小于0.075 mm細(xì)粒含量30.29%，黏粒含量平均為10.36%，土料顆粒較粗。

C區(qū)位于5號(hào)沖溝下游，面積9萬(wàn)m2，土料的顏色為灰～淺灰色，土料顆粒介于A區(qū)與B區(qū)之間，C區(qū)小于5 mm粒徑含量平均為61.28%，小于0.075 mm細(xì)粒含量37.9%，黏粒含量平均為13.15%。

D區(qū)位于A、B、C區(qū)下部為Ⅱ級(jí)階地，面積3.59萬(wàn)m2，顏色為灰～淺灰色，土料厚度較薄，小于5 mm粒徑含量平均為66.10%，小于0.075 mm細(xì)粒含量43.39%，黏粒含量平均為12.98%。

1.2 剖面分層

亞中土料場(chǎng)的勘探按25 m×65 m的間距呈網(wǎng)格狀布置，共完成勘探淺井76個(gè)，深度678.25m，鉆孔62個(gè)，總進(jìn)尺659.16 m。根據(jù)勘探揭示情況，亞中土料場(chǎng)在剖面上分為①、②、③層。①層為表層耕殖土，厚0.3～0.4 m，植物根系發(fā)育。②層A區(qū)厚2.2～20.4 m，以細(xì)顆粒為主，為沙壤土～壤土（見(jiàn)圖3）；B區(qū)厚1.4～14.4 m，為塊碎石土；C區(qū)厚2.8～17.1 m，為碎礫石土；D區(qū)厚1.3～5.4 m，為碎礫石土。③層為砂卵礫石層。

1.3 分區(qū)、分層”評(píng)價(jià)

亞中土料場(chǎng)的物理力學(xué)試驗(yàn)按“分區(qū)、分層”取樣，試驗(yàn)成果見(jiàn)表2。用平行斷面法及三維建模等計(jì)算方法，對(duì)各區(qū)儲(chǔ)量進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表3。

圖3 B、C區(qū)土料三維建模分層示意

表2 防滲土料室內(nèi)（修正普氏）力學(xué)性試驗(yàn)成果

表3 亞中防滲土料場(chǎng)計(jì)算

亞中土料A區(qū)：①層為根植土，植物根系發(fā)育，不滿足規(guī)范要求，為剝離層；②層地質(zhì)儲(chǔ)量57萬(wàn)m2，物理力學(xué)試驗(yàn)表明：A區(qū)小于5 mm顆粒含量平均為95.06%，以細(xì)粒土為主，凝聚力C值為10.0 kPa，摩擦角φ值為13.0°，抗剪能力較低。滲透系數(shù)k為2.07×10-7cm／s，破壞比降if值大于15，滿足規(guī)程對(duì)抗?jié)B要求，但力學(xué)性指標(biāo)較低，難以滿足高壩要求，需摻礫改性，方可使用；③層砂卵礫石層，防滲性能差，不滿足規(guī)范要求，為無(wú)用層。

B、C區(qū)：①層為根植土，植物根系發(fā)育，不滿足規(guī)范要求，為剝離層；②層地質(zhì)儲(chǔ)量83.6萬(wàn)m2，物理力學(xué)試驗(yàn)表明；小于5 mm顆粒含量平均為51.34%～61.28%，凝聚力C值為55.0～60 kPa，摩擦角φ值為29.9°～31.0°，抗剪能力較高。滲透系數(shù)k為6.53× 10-7～6.36×10-6cm／s，破壞比降if值8.35～13.66，滿足規(guī)程對(duì)抗?jié)B及強(qiáng)度等指標(biāo)要求，有直接利用的可能；③層砂卵礫石層，防滲性能差，不滿足規(guī)范要求，為無(wú)用層。

D區(qū)：①層為根植土，植物根系發(fā)育，不滿足規(guī)范要求，為剝離層；②層地質(zhì)儲(chǔ)量11.5萬(wàn)m2，A區(qū)小于5 mm顆粒含量平均為66.1%，凝聚力C值為75 kPa，摩擦角φ值為34.5°，抗剪能力較高，滲透系數(shù)k為6.13×10-5cm／s，破壞比降if值7.78，③層砂卵礫石層，防滲性能差，不滿足規(guī)范要求，為無(wú)用層。D區(qū)抗?jié)B及強(qiáng)度基本滿足規(guī)程要求，但儲(chǔ)量小，有用層厚度薄，不利于機(jī)械作業(yè)，為無(wú)用區(qū)。

2 結(jié) 語(yǔ)

“分區(qū)、分層”勘察評(píng)價(jià)方法是在兩河口水電站堆石壩心墻防滲土料的勘察中總結(jié)提出，并在實(shí)際工程中運(yùn)用，通過(guò)工程應(yīng)用有以下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)：

（1）“分區(qū)、分層”勘察評(píng)價(jià)方法適用于西部高山峽谷、地質(zhì)條件復(fù)雜地區(qū)進(jìn)行的工程地質(zhì)勘察評(píng)價(jià)工作；

（2）“分區(qū)、分層”勘察評(píng)價(jià)方法是一種精細(xì)化的勘察方法，通過(guò)實(shí)際工程運(yùn)用，能較客觀準(zhǔn)確地反應(yīng)勘察對(duì)象的特性，從而對(duì)勘察對(duì)象的利用及改造具有較強(qiáng)的針對(duì)性；

（3）“分區(qū)、分層”勘察評(píng)價(jià)方法為我們對(duì)地質(zhì)體的探索和認(rèn)識(shí)提供了一種思路和方法。

［1]張倬元，王士天，王蘭生.工程地質(zhì)分析原理［M］.地質(zhì)出版社，1994.

［2]陳仲頤，周景星，王洪瑾.土力學(xué)［M］.清華大學(xué)出版社，1994.

［5]楊英華.土力學(xué)［M］.地質(zhì)出版社，1986.

表2 地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性分級(jí)

（2）系統(tǒng)理論及其分析方法，把研究區(qū)工程地質(zhì)環(huán)境作為一個(gè)開(kāi)放、動(dòng)態(tài)的整體進(jìn)行系統(tǒng)分析與綜合評(píng)價(jià)是其理論的基本思路，采用綜合評(píng)判與聚類分析的方法論證其工程場(chǎng)地的安全性及改造場(chǎng)地的經(jīng)濟(jì)合理性。

（3）模糊數(shù)學(xué)評(píng)判模型，影響地質(zhì)災(zāi)害的因素是多方面的，工程地質(zhì)和環(huán)境地質(zhì)學(xué)家一般選擇若干個(gè)對(duì)某地區(qū)較敏感的定性或定量指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)判，其中不少定性指標(biāo)具有模糊性或不確定性。

（4）敏感因子分析法，在人類活動(dòng)與地質(zhì)災(zāi)害這一矛盾關(guān)系中，最先受到人類活動(dòng)影響的是質(zhì)量最差或者對(duì)人類活動(dòng)比較敏感的那些因素，從而誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害。對(duì)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生和發(fā)展具有決定性制約作用的環(huán)境因子叫敏感因子；對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生及發(fā)展具有重要影響作用的環(huán)境因子叫重要因子；對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生及發(fā)展只具有一般性影響對(duì)其只具極小影響的環(huán)境因子叫一般因子。通過(guò)分析區(qū)域敏感因子，進(jìn)行災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)。

綜上所述，地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)是一個(gè)復(fù)雜多信息源的綜合分析過(guò)程，地質(zhì)災(zāi)害研究工作已經(jīng)進(jìn)入了一個(gè)新的數(shù)字化、信息化、定量化的階段，合理使用多種分析評(píng)價(jià)方法，闡明工程建設(shè)區(qū)和規(guī)劃區(qū)的地質(zhì)環(huán)境條件基本特征，對(duì)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性進(jìn)行評(píng)價(jià)，并做出建設(shè)場(chǎng)地適宜性評(píng)價(jià)，對(duì)水利水電建設(shè)有著重大的指導(dǎo)和借鑒意義。

參考文獻(xiàn)：

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TV641.41

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1003-9805（2015）04-0100-04

2014-08-15

吳章雷（1977-），男，四川康定縣人，工程師，從事水電勘察設(shè)計(jì)工作。