云南橋街水電站新近系軟巖地層建壩條件分析

林 紅， 李少飛， 阮 璐

(云南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,云南 昆明 650021)

新近系地層在云南省分布廣泛,以沖積相、河湖相沉積環(huán)境為主,巖性成分復(fù)雜,主要以礫巖、砂巖及粘土巖為主,根據(jù)其巖性特征可分為細(xì)粒巖組和粗粒巖組，其中細(xì)粒巖組巖性軟弱,易軟化和泥化,其工程地質(zhì)特性極差,是壩基中的軟弱夾層,控制著大壩的抗滑穩(wěn)定。新近系地層是一種微成巖的軟巖地層,其抗壓強(qiáng)度及承載力低,抗滑和抗變形能力差,在新近系地層上修建剛性壩就存在壓縮變形和抗滑穩(wěn)定的問題。目前,在這種性質(zhì)的地層上修建重力壩,如何進(jìn)行壩基處理設(shè)計(jì),還沒有可以借鑒類比的資料。本文以橋街水電站工程為例,通過對(duì)新近系軟巖地層工程地質(zhì)特性的勘察和試驗(yàn)研究,為壩基處理設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

橋街水電站位于云南省保山市境內(nèi)龍江干流上,是龍江—瑞麗江干流龍江一級(jí)—騰龍橋河段龍頭水庫及相關(guān)梯級(jí)水電站開發(fā)方案中位于龍文橋電站下游的第二級(jí)水電站。工程于2015年5月開工,2018年8月全部投產(chǎn)發(fā)電。

橋街水電站攔河大壩為常態(tài)混凝土重力壩,泄水建筑物為雙孔泄洪平底閘孔,廠房形式為河床式廠房,與取水口聯(lián)合布置,最大壩高48.5 m,電站裝機(jī)容量43 MW。

1 地質(zhì)概況

橋街水電站位于侵蝕構(gòu)造成因的“U”型河谷上,大壩兩岸地形不對(duì)稱,左岸為山麓前緣緩坡地形,局部陡坡,山頂有殘留Ⅲ級(jí)夷平面；右岸為陡坡地形,高程1 320 m以上為臺(tái)地地形,屬Ⅲ級(jí)夷平面。壩址河段近南北向,河流流向由北流向南,河流比降1‰左右,河床高程約1 252 m,寬度約50～80 m,兩岸局部有殘留Ⅰ級(jí)階地分布。

壩址左岸為第四系覆蓋,右岸基巖裸露,河床第四系沖洪積層厚度5～8 m,物質(zhì)組成主要為漂石、塊石、砂卵礫石夾粉細(xì)砂。下伏地層為新近系上新統(tǒng)芒棒組下段(N2m1),巖性為以礫巖為主,夾砂礫巖、粉細(xì)砂巖、砂質(zhì)粘土巖、微成巖。

推測(cè)龍江斷裂中支從樞紐區(qū)右岸通過,走向大致與河流平行,隱伏于新近系地層之下,為工程區(qū)Ⅰ級(jí)結(jié)構(gòu)面。樞紐區(qū)斷層、節(jié)理裂隙等結(jié)構(gòu)面不發(fā)育,控制性結(jié)構(gòu)面為層面,傾向下游偏左岸,為樞紐區(qū)Ⅲ級(jí)結(jié)構(gòu)面。橋街水電站壩址工程地質(zhì)平面簡(jiǎn)圖見圖1。

2 巖組劃分

新近系上新統(tǒng)芒棒組下段以沖積相、河湖相沉積環(huán)境為主,顆粒組成復(fù)雜,大到漂礫小到粘粒,各個(gè)粒徑基本都有分布,具有明顯相變特征,根據(jù)平硐、鉆探及鉆孔電視、鉆孔波速測(cè)試等綜合勘察手段及其巖性特征,將新近系上新統(tǒng)芒棒組下段劃分為細(xì)粒巖組與粗粒巖組2個(gè)大類[1],又進(jìn)一步細(xì)分為砂粒巖組、卵粒巖組和漂粒巖組3類巖組,各類巖組巖性組成如下：

(1) 砂粒巖組。巖性主要為砂礫巖、細(xì)砂巖、粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、砂質(zhì)粘土巖,屬細(xì)粒土質(zhì)砂,顆粒成分以粉砂、細(xì)砂為主,在勘探深度范圍內(nèi)共揭露約8層砂粒巖組,呈帶狀、透鏡狀分布于壩基不同深度,厚度1～5 m,局部7 m。

圖1 壩址工程地質(zhì)平面簡(jiǎn)圖
Fig.1 Engineering geological plan of dam site

1.沖洪積層；2.Ⅰ級(jí)階地；3.Ⅱ級(jí)階地；4.Ⅲ級(jí)階地；5.新近系芒棒組下段；6.巖層產(chǎn)狀；7.第四系與基巖界線；8.回水線；9.鉆孔。

(2) 卵粒巖組。巖性主要以粗礫巖為主,屬卵石混合土,顆粒成分以礫石、卵石為主。

(3) 漂粒巖組。巖性主要以巨礫巖為主,屬漂石混合土,顆粒成分以漂石、卵石為主。巖組分層見圖2。

圖2 壩軸線工程地質(zhì)剖面簡(jiǎn)圖
Fig.2 Engineering geological profile of dam axis

1.沖洪積層；2.Ⅰ級(jí)階地；3.Ⅱ級(jí)階地；4.Ⅲ級(jí)階地；5.新近系芒棒組下段；6.砂粒巖組編號(hào)；7.砂卵礫石；8.孤塊石、砂卵礫石夾土；9.粗粒巖組；10.砂粒巖組。

3 巖組工程地質(zhì)特性研究

壩基由砂粒巖組、卵粒巖組和漂粒巖組3類巖組組成,其中砂粒巖組為軟弱夾層,對(duì)壩基穩(wěn)定及變形起控制作用,針對(duì)壩基地質(zhì)條件,對(duì)壩基巖體進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與室內(nèi)試驗(yàn),以研究砂粒巖組、卵粒巖組和漂粒巖組的工程地質(zhì)特性。

3.1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)包括波速測(cè)試、密度試驗(yàn)、直剪試驗(yàn)和載荷試驗(yàn)。其中：砂粒巖組密度試驗(yàn)、直剪試驗(yàn)和載荷試驗(yàn)在地表進(jìn)行；卵粒巖組和漂粒巖組密度試驗(yàn)、直剪試驗(yàn)和載荷試驗(yàn)在兩岸勘探平硐內(nèi)進(jìn)行。

3.1.1 密度試驗(yàn)

完成砂粒巖組巖體密度試驗(yàn)1組,卵粒巖組和漂粒巖組密度試驗(yàn)各2組,試驗(yàn)成果見表1。

表1 巖體密度試驗(yàn)成果Table 1 Test results of rock mass density

3.1.2波速測(cè)試

波速測(cè)試在鉆孔內(nèi)進(jìn)行,對(duì)孔內(nèi)巖體進(jìn)行縱波速度測(cè)試,測(cè)試成果見表2。

表2 巖組縱波速度統(tǒng)計(jì)Table 2 P-wave velocity statistics of rock formations

砂粒巖組由于含有的粗粒含量的不同波速有變化,細(xì)粒含量較高的巖體平均縱波速度在2 000 m/s左右,粗粒含量相對(duì)高的平均縱波速度接近2 500 m/s左右；卵粒巖組以粗粒(卵礫)為主,巖體平均縱波速度>2 500 m/s,含有一部分漂礫的接近3 000 m/s左右；漂粒巖組巖體平均縱波速度>3 000 m/s,粗粒含量較高的基本都在3 000 m/s以上。

總體來看,砂粒巖組、卵粒巖組和漂粒巖組在壩址區(qū)分布還是相對(duì)連續(xù)的,只是巖相變化大(細(xì)粒及粗粒含量變化大)。

3.1.3直剪試驗(yàn)[2]

對(duì)砂粒巖組、卵粒巖組和漂粒巖組各進(jìn)行了1組巖體直剪試驗(yàn),每組5個(gè)試驗(yàn)點(diǎn),由于試點(diǎn)強(qiáng)度離散性大,抗剪斷強(qiáng)度參數(shù)、抗剪強(qiáng)度參數(shù)采用作圖法得出,試驗(yàn)成果見圖3-圖5。

直剪試驗(yàn)總體呈現(xiàn)以下特征：①不同巖組之間隨著顆粒粒徑的增大其強(qiáng)度也逐漸增大,砂粒巖組強(qiáng)度<卵粒巖組強(qiáng)度<漂粒巖組強(qiáng)度；②同一巖組內(nèi)隨著粗粒含量的增高其強(qiáng)度也逐漸增高。

3.1.4載荷試驗(yàn)

對(duì)砂粒巖組、卵粒巖組和漂粒巖組進(jìn)行了巖體載荷試驗(yàn)。承壓板直徑為50.5 cm,大壩基礎(chǔ)設(shè)計(jì)最大壓力為0.5 MPa,試驗(yàn)荷載最大加至1 561.59 kPa,超過設(shè)計(jì)最大壓力3倍,試驗(yàn)成果見圖6-圖8與表3。

載荷試驗(yàn)呈現(xiàn)出與直剪試驗(yàn)相似的特征：①不同巖組之間隨著顆粒粒徑的增大而巖體變形逐漸減小,砂粒巖組變形>卵粒巖組變形>漂粒巖組變形；②同一巖組內(nèi)隨著粗粒含量的增高而巖體變形逐漸減小。

圖3 砂粒巖組直剪試驗(yàn)剪應(yīng)力和正應(yīng)力關(guān)系曲線
Fig.3 Relationship between shear stress and normal stress in direct shear test of sandstone formation

圖4 卵粒巖組直剪試驗(yàn)剪應(yīng)力和正應(yīng)力關(guān)系曲線
Fig.4 Relationship between shear stress and normal stress in direct shear test of granulite formation

圖5 漂粒巖組直剪試驗(yàn)剪應(yīng)力和正應(yīng)力關(guān)系曲線
Fig.5 Relationship between shear stress and normal stress in direct shear test of Piaoyuanite formation

圖6 砂粒巖組載荷試驗(yàn)壓力和沉降關(guān)系曲線
Fig.6 Relation curve between pressure and settlement
in load test of sand granule rock formation

圖7 卵粒巖組載荷試驗(yàn)壓力和沉降關(guān)系曲線
Fig.7 Relation curve between pressure and settlement in load test of pebbles granule rock formation

圖8 漂粒巖組載荷試驗(yàn)壓力和沉降關(guān)系曲線
Fig.8 Relation curve between pressure and settlement in load test of
boulders granule rock formation

表3 載荷試驗(yàn)成果Table 3 Load test results

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明,在不同巖組之間及其同一巖組內(nèi)由于顆粒組成的不均一性，其物理力學(xué)性質(zhì)存在明顯差異,這是由新近系地層的特殊性決定的,總體呈現(xiàn)以下特征及規(guī)律：①不同巖組之間隨著顆粒粒徑的增大,其抗剪強(qiáng)度及承載力也逐漸增大,而巖體變形逐漸減??；②同一巖組內(nèi)隨著粗粒含量(主要指漂石、卵粒及礫石)的增高,其抗剪強(qiáng)度及承載力也逐漸增高,而巖體變形逐漸減小,現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)成果見表4。

表4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)成果統(tǒng)計(jì)表Table 4 Statistical table of field test results

3.2 室內(nèi)試驗(yàn)[3]

室內(nèi)試驗(yàn)主要對(duì)卵粒巖組、漂粒巖組所含粗粒進(jìn)行了抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),對(duì)砂粒巖組進(jìn)行了物理性質(zhì)試驗(yàn)、抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)和無測(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)采用排水反復(fù)剪,試驗(yàn)成果統(tǒng)計(jì)見表5。

表5 砂粒巖組室內(nèi)試驗(yàn)成果統(tǒng)計(jì)表Table 5 Statistical table of laboratory test results of sand granule rock formation

根據(jù)抗剪強(qiáng)度試驗(yàn),卵粒巖組、漂粒巖組所含粗粒大多為弱—微風(fēng)化花崗巖,飽和抗壓強(qiáng)度一般36～57 MPa,最高可達(dá)96 MPa,強(qiáng)度較高,在采取樁基處理措施時(shí),需選取合理有效的成孔方法,才能達(dá)到快速高效的目的。

壩基巖(土)體物理力學(xué)參數(shù)取值見表6。

表6 壩基巖(土)體物理力學(xué)參數(shù)表Table 6 Table of physical and mechanical parameters of dam foundation rock(soil)

4 壩基處理設(shè)計(jì)

根據(jù)橋街水電站勘察試驗(yàn)成果分析,新近系地層是一種微成巖的軟巖地層,其抗壓強(qiáng)度及承載力低,抗滑和抗變形能力差,壩基承載力以及建基面抗滑穩(wěn)定、深層抗滑穩(wěn)定無論采用抗剪斷計(jì)算還是純摩擦計(jì)算,其安全系數(shù)均小于規(guī)范要求[4],在新近系軟巖地層上修建重力壩就存在壓縮變形和抗滑穩(wěn)定的問題,作為重力壩壩基需進(jìn)行處理設(shè)計(jì)。

4.1 壩基加固處理設(shè)計(jì)

壩基處理采用灌注樁、錨筋樁復(fù)合地基結(jié)合固結(jié)灌漿的處理方案。其中：灌注樁采用混凝土灌注樁,可以增強(qiáng)底板穩(wěn)定性,樁基水平承載力、樁頂水平位移、豎向承載力、樁頂豎向位移等計(jì)算依據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ 94—2008)[5]；錨筋樁采用砂漿錨筋樁,可以提高基礎(chǔ)抗拉拔力及水平抗剪能力,依據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50007—2011)[6]中的巖石錨桿基礎(chǔ)單根錨桿抗拔承載力進(jìn)行設(shè)計(jì)；固結(jié)灌漿可以加強(qiáng)壩基巖體的整體性和均一性,提高壩基的彈性模量,減少壩基的滲透性,見圖9。

圖9 壩基處理示意圖
Fig.9 Schematic diagram of dam foundation treatment

1.粗粒巖組；2.細(xì)粒巖組。

從重力壩應(yīng)力分布并結(jié)合相應(yīng)計(jì)算分析結(jié)果的角度考慮,為保證工程的永久運(yùn)行安全,采取以下布置方案。

(1) 砂漿錨筋樁。本工程在錨筋樁的設(shè)計(jì)上將錨筋前傾15°,僅考慮錨筋的水平分力,錨筋按抗拉構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)。

對(duì)1#、2#、3#、5#、6#壩段基礎(chǔ)布設(shè)砂漿錨筋樁,砂漿錨筋樁除上游第一排、第二排和下游第一排為鉛直外其余均順鉛直傾向上游15°造孔布設(shè),樁徑φ110,梅花形布置,錨筋樁傾斜布置對(duì)基礎(chǔ)穩(wěn)定提供抗拉拔力的同時(shí)也提供了一定水平抗剪作用,以增強(qiáng)底板穩(wěn)定性。其中：1#、2#、6#壩段錨筋樁設(shè)3Φ28的錨筋束,間、排距3 m,深入基巖11 m；3#壩段錨筋樁設(shè)3Φ28的錨筋束,間、排距2 m,深入基巖12 m；5#壩段錨筋樁設(shè)3Φ32的錨筋束,間、排距2 m,深入基巖12 m。

(2) 混凝土灌注樁。4#壩段布設(shè)C25混凝土鉆孔灌注樁,以增強(qiáng)底板穩(wěn)定性,樁徑1.2 m,樁深20 m,采用回旋鉆造孔的施工工藝,梅花形布置,樁距4 m,樁的根數(shù)和尺寸按承擔(dān)底板底面以上的全部荷載確定,共計(jì)98顆。

(3) 固結(jié)灌漿。為加強(qiáng)基巖的整體性和均一性,提高基巖的彈性模量,減少壩基的滲透性,對(duì)壩基進(jìn)行全面固結(jié)灌漿,固結(jié)灌漿均利用錨筋樁鉆孔進(jìn)行,分二序施工,按分序加密原則進(jìn)行。

4.2 壩基處理效果分析

壩基進(jìn)行了加固處理之后,對(duì)各壩段抗滑穩(wěn)定進(jìn)行了復(fù)核,增設(shè)錨筋樁后壩基的淺層、深層抗滑穩(wěn)定性均有相應(yīng)的提高,安全系數(shù)提高幅度在1.1～1.8倍之間。

為保證工程的永久運(yùn)行安全,準(zhǔn)確分析壩基滲控方案及各壩段的受力、位移狀態(tài),采用三維有限元方法對(duì)橋街水電站進(jìn)行了壩體結(jié)構(gòu)有限元分析。分析采用ANSYS有限元軟件,選用彈塑性本構(gòu)模型,利用Drucket-Prager屈服準(zhǔn)則,采用擬靜力法進(jìn)行地震荷載模擬。運(yùn)行期壩體在實(shí)際采用處理措施下的壩體穩(wěn)定、應(yīng)力有限元計(jì)算成果見表7。

表7 運(yùn)行期壩體穩(wěn)定、應(yīng)力有限元計(jì)算成果表Table 7 Table of finite element computation results of dam stability and stress in operation period

如表7所示，各工況基底應(yīng)力、壩基下臥軟弱層承載力、壩體絕對(duì)沉降量值與沉降差滿足規(guī)范要求；錨筋樁(灌注樁)設(shè)計(jì)間排距、單樁強(qiáng)度基本能夠滿足正常運(yùn)行工況下樁體強(qiáng)度及樁身水平承載力要求；壩體沿建基面及深層抗滑穩(wěn)定性均滿足規(guī)范要求。

5 結(jié)語

(1) 新近系地層顆粒組成復(fù)雜,巖相變化大,根據(jù)其巖性特征可劃分為細(xì)粒巖組與粗粒巖組2個(gè)大類,又進(jìn)一步細(xì)分為砂粒巖組、卵粒巖組和漂粒巖組3類巖組,通過簡(jiǎn)化巖性分層,可以有效地研究新近系軟巖地層的物理力學(xué)特性,指導(dǎo)前期勘察和后期施工。

(2) 試驗(yàn)研究表明,在不同巖組之間及其同一巖組內(nèi)由于顆粒組成的不均一性，其物理力學(xué)性質(zhì)存在明顯差異,這是由新近系地層的特殊性決定的,總體呈現(xiàn)以下特征及規(guī)律：①不同巖組之間隨著顆粒粒徑的增大,其抗剪強(qiáng)度及承載力也逐漸增高,而巖體變形逐漸減?。虎谕粠r組內(nèi)隨著粗粒含量(主要指漂石、卵粒及礫石)的增高,其抗剪強(qiáng)度及承載力也逐漸增高,而巖體變形逐漸減小。

(3) 新近系地層是一種微成巖的軟巖地層,其工程地質(zhì)特性差,具有抗壓強(qiáng)度及承載力低,抗滑和抗變形能力差的特征,作為重力壩壩基存在壓縮變形和抗滑穩(wěn)定問題,需進(jìn)行壩基處理設(shè)計(jì)。壩基處理設(shè)計(jì)可以采用錨筋樁與灌注樁結(jié)合加固結(jié)灌漿的處理措施,該處理措施是一種復(fù)合地基處理技術(shù),除了可以提高壩基的承載力外,還可以提高壩基的抗剪強(qiáng)度,增強(qiáng)壩基的抗滑和抗變形能力,滿足設(shè)計(jì)要求，達(dá)到加固壩基強(qiáng)度的目的。

新近系地層在云南省分布廣泛,橋街水電站工程實(shí)例可供有關(guān)類似工程參考。