某水電站大壩礫石土料場(chǎng)勘察與復(fù)核評(píng)價(jià)

閔勇章，劉永波，凡 亞，曹建平

（中國電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川成都 610072）

0 前 言

礫石土在自然界分布廣泛、儲(chǔ)量豐富，是一種由粗細(xì)土顆粒組成的非均質(zhì)土。它可自然生成，如坡積、洪積、冰水沉積物等，也可以人工形成，如各種巖石的風(fēng)化層經(jīng)開挖而成，特殊情況下還可以人工配置，如細(xì)礫土與砂礫混合。我國（DL／T5395-2007）《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)礫石土做了詳細(xì)的定義。在工程施工中，礫石土作為一種粗細(xì)顆?；旌系耐潦?，目前在土石壩心墻填筑中應(yīng)用越來越廣泛。而礫石土心墻是大壩防滲結(jié)構(gòu)的重要組成部分，直接影響到大壩填筑的總體施工質(zhì)量和蓄水后的安全運(yùn)行，因此要嚴(yán)格保證礫石土的級(jí)配和壓實(shí)度滿足設(shè)計(jì)要求。本文結(jié)合工程實(shí)例，通過施工復(fù)勘、土工試驗(yàn)及復(fù)核評(píng)價(jià)，對(duì)礫石土料的級(jí)配組成、物理力學(xué)性能、壓實(shí)性能等進(jìn)行了分析研究，并進(jìn)行了復(fù)核評(píng)價(jià)，其結(jié)果可為合理開采與利用土料提供了地質(zhì)依據(jù)。

1 工程概況

川西某水電站大壩位于大渡河干流上游高山峽谷河段，工程場(chǎng)址區(qū)地震基本烈度為Ⅷ度，壩型采用礫石土心墻堆石壩，最大壩高240 m，壩基面以下覆蓋層深度50 m，屬高地震烈度區(qū)、深厚覆蓋層上已建成的世界最高土石壩，該大壩于2016年10月下閘蓄水。

大壩心墻礫石土料場(chǎng)主要有TB料場(chǎng)和XL料場(chǎng)。施工圖設(shè)計(jì)階段，地質(zhì)人員在可研階段詳查和招標(biāo)階段補(bǔ)充勘察的基礎(chǔ)上，結(jié)合料場(chǎng)剝離及施工復(fù)勘對(duì)土料場(chǎng)進(jìn)行補(bǔ)充分析與論證，查明有用料共計(jì)總儲(chǔ)量約為937萬m3（其中TB料場(chǎng)440萬m3、XL料場(chǎng)497萬m3），超過設(shè)計(jì)需用量約430萬m3的2倍，滿足規(guī)范要求。

2 前期地質(zhì)勘察及存在的問題

2.1 前期地質(zhì)勘察

料場(chǎng)初查及可研詳查階段主要采用了地表地質(zhì)測(cè)繪、坑槽探、井探、鉆探等方法對(duì)土料場(chǎng)進(jìn)行了勘察，招標(biāo)補(bǔ)勘及施工復(fù)勘階段（施工圖設(shè)計(jì)階段結(jié)合圍堰閉氣料開采及補(bǔ)充勘測(cè)，對(duì)TB料場(chǎng)進(jìn)行了復(fù)勘）則采用地表地質(zhì)測(cè)繪、井探等方法進(jìn)行勘察，并進(jìn)行了一系列的土工試驗(yàn)，兩料場(chǎng)各階段主要地勘工作見表1～2。

2.2 存在問題

可研、招標(biāo)階段地質(zhì)勘察工作查明了兩料場(chǎng)的基本地質(zhì)條件、土料成因與組成、地下水發(fā)育情況、有用層厚度、有用層儲(chǔ)量及主要物性指標(biāo)等，同時(shí)對(duì)料場(chǎng)開采經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了比較與評(píng)價(jià)，得出了各階段的主要結(jié)論（見表3），總體來說兩料場(chǎng)物性指標(biāo)及儲(chǔ)量均能滿足設(shè)計(jì)要求。

3 復(fù)核評(píng)價(jià)

3.1 TB料場(chǎng)

施工階段料場(chǎng)復(fù)勘采用井探及料場(chǎng)剝離等手段，共取樣447組，剔除無用層及夾層后，礫石土料天然密度 2.07 g／cm3，干密度 1.87 g／cm3，天然含水量平均值為9.8%，超徑石（大于200 mm）含量平均為2.5%，小于5 mm顆粒含量平均值50.9%，剔除超徑石后平均值為52.2%，小于0.075 mm細(xì)粒含量平均值30.4%，小于0.005 mm黏粒含量平均值10.3%，不均勻系數(shù)2 000，曲率系數(shù)0.04，分類定名為黏土質(zhì)礫。施工復(fù)勘成果與可研及招標(biāo)階段基本一致。

為進(jìn)一步查明土料的空間分布與級(jí)配特征，復(fù)核過程中還專門計(jì)算了不同P5（土料中大于5 mm顆粒含量）的土料儲(chǔ)量，見表4。

表1 TB料場(chǎng)各階段地勘試驗(yàn)主要工作量

表2 XL料場(chǎng)各階段地勘試驗(yàn)主要工作量

表3 TB、XL料場(chǎng)各階段主要結(jié)論對(duì)比

表4 TB料場(chǎng)不同P5含量下的儲(chǔ)量

從表4可以看出，料場(chǎng)80%土料的P5含量集中在30%～60%區(qū)間，30%土料的P5含量大于50%；約10%土料偏細(xì)，P5含量不大于30%；約10%土料偏粗，P5含量大于60%，土料物理力學(xué)性質(zhì)在空間上分布明顯不均勻。胡金山等人［1］根據(jù)料場(chǎng)地形條件、有用層厚度、土料物理力學(xué)性質(zhì)特征，通過繪制不同深度P5等值線圖，對(duì)料場(chǎng)進(jìn)行分層分區(qū)研究，準(zhǔn)確查明了料場(chǎng)不同級(jí)配土料的分布特征與力學(xué)特性，并提出不同區(qū)域土料具體摻配利用建議，為料場(chǎng)合理開采提供了地質(zhì)依據(jù)。

此外，對(duì)土料采用2 000 kJ／m3擊實(shí)功能進(jìn)行試驗(yàn)，擊實(shí)后最大干密度2.194 g／cm3，最優(yōu)含水量7.6%，最優(yōu)含水量略低于天然含水量。滲透變形試驗(yàn)表明，土料破壞坡降if大于10.59，破壞類型為流土，其滲透系數(shù)K在8.67×10-7～1.05×10-6cm／s間，屬極微透水；0.8～1.6 MPa壓強(qiáng)下，壓縮系數(shù)av為0.016 MPa-1，壓縮模量Es為76.6 MPa；室內(nèi)直剪試驗(yàn)測(cè)得其內(nèi)摩擦角φ在28.3°～28.5°間，c在0.030～0.050 MPa間。

綜上，TB料場(chǎng)土料具有較好的防滲、抗?jié)B性能和較高的力學(xué)強(qiáng)度，質(zhì)量滿足規(guī)范要求，但厚度及土料物理力學(xué)特性變化較大，碎礫石土與下伏全強(qiáng)風(fēng)化的千枚巖、結(jié)晶灰?guī)r界限起伏大，一定程度上增加了料場(chǎng)的開采難度，施工時(shí)需采取合理的開采方式與適宜的工程措施。

3.2 XL料場(chǎng)

試驗(yàn)成果表明，XL料場(chǎng)土料干密度平均為1.89 g／cm3，天然含水量平均為11.4%，超徑石（大于200 mm）含量平均為1.05%，小于5 mm顆粒含量平均為55.90%，小于0.075 mm細(xì)粒含量平均為33.80%，小于0.005 mm黏粒含量平均為11.48%，平均線不均勻系數(shù)為1 750，曲率系數(shù)為0.07，分類定名為黏土質(zhì)礫。

復(fù)核過程中，筆者計(jì)算了不同P5含量的土料儲(chǔ)量（見表5），其中P5不大于55%的土料占比約為90%，P5不大于50%的土料占比約為74.4%。通過221組抽樣物性試驗(yàn)結(jié)果分析，XL料場(chǎng)土料物理力學(xué)性質(zhì)在空間上分布也存在不均勻現(xiàn)象，但相對(duì)TB料場(chǎng)其不均勻程度略低一些。

表5 XL料場(chǎng)不同P5含量下的儲(chǔ)量

此外，對(duì)土料采用2 000 kJ／m3擊實(shí)功能進(jìn)行試驗(yàn)，擊實(shí)后最大干密度為2.07～2.31 g／cm3，最優(yōu)含水量6.0%～10.5%，略低于天然含水量；滲透變形試驗(yàn)破壞坡降if在6.21～15.57間，破壞類型為流土，具有較強(qiáng)的抗?jié)B透變形能力，其滲透系數(shù)K在1.34×10-7～2.26×10-7cm／s間，屬極微透水；在0.8～1.6 MPa壓強(qiáng)下，壓縮系數(shù) av在0.014～0.043 MPa-1間，壓縮模量 Es在31.2～87.3 MPa間；直剪試驗(yàn)內(nèi)摩擦角φ在21.8°～30.4°間，凝聚力c在0.065～0.090 MPa間。

綜上，XL料場(chǎng)土料在物性指標(biāo)與防滲抗?jié)B性能上均滿足規(guī)范要求，是較好的防滲土料，但由于土體力學(xué)性能稍低，建議用在大壩心墻上部。由于其有用層厚度及物理力學(xué)性質(zhì)在平面和空間上分布不均勻，施工時(shí)建議采取合理的開采方式與適宜的工程措施，將開采土料物性指標(biāo)控制在規(guī)范要求范圍內(nèi)。

4 土料實(shí)際利用效果

根據(jù)前期結(jié)論及施工復(fù)核評(píng)價(jià)，筆者結(jié)合當(dāng)?shù)噩F(xiàn)狀及建設(shè)單位總體要求，考慮到XL料場(chǎng)運(yùn)距稍遠(yuǎn)、存在上層滯水和天然穩(wěn)定地下水位較高問題、其古滑坡體成因?qū)﹂_采可能造成不利影響等因素，大壩心墻防滲料開采擬定以TB作為主料場(chǎng)先行施工取料，后續(xù)結(jié)合土料實(shí)際揭示儲(chǔ)量及開采利用情況，綜合研判XL備用料場(chǎng)的開采時(shí)機(jī)與必要性。大壩填筑期間，參建各方通過多種舉措，有效提升了土料的利用率，最終大壩心墻料全部開采自TB料場(chǎng)。經(jīng)過近3年的運(yùn)行檢驗(yàn)，大壩防滲性能良好，未出現(xiàn)任何變形。

5 結(jié) 論

本文結(jié)合工程實(shí)例，論述了水電站大壩防滲土料的級(jí)配組成、物理力學(xué)性能、壓實(shí)性能等特性，尤其是利用P5等值線圖準(zhǔn)確地分析出不同P5含量土料儲(chǔ)量的空間分布特征，提升了土料的利用率，為工程的順利實(shí)施提供了基礎(chǔ)保障。