深厚覆蓋層水電站水工安全鑒定重難點與應對措施

彭琦 戴涓

摘要：針對在深厚覆蓋層地基上修建水電站難度大、安全影響大等問題，有必要充分認識該類水電站的工程特點及安全鑒定重難點。簡述了包括基礎(chǔ)沉降變形較大、地基滲透性較強、地下承壓水影響、地基處理措施復雜、結(jié)構(gòu)易變形、基礎(chǔ)地震液化、河水含沙沖蝕破壞等在內(nèi)的諸多安全鑒定重難點，并提出了多種針對性的組織措施和技術(shù)方法。論文研究成果可為科學、客觀、公正地開展水電站水工安全鑒定提供借鑒。

關(guān)鍵詞：深厚覆蓋層;水工安全鑒定;重難點;應對措施;水電站

中圖法分類號：TV698.1

文獻標志碼：A

DOI： 10.15974/j.cnki.slsdkb.2020.05.006

1 工程背景

水電站樞紐工程安全鑒定是我國水電站驗收的必要環(huán)節(jié)和重要依據(jù)。水電站安全鑒定一般以樞紐大壩與發(fā)電系統(tǒng)為重點，主要為與安全密切相關(guān)的工程項目[1]。工程地質(zhì)條件是影響水電站工程安全的基礎(chǔ)條件和重要因素。由于我國特殊的地域條件，一些水電站修建在深厚覆蓋層地基上，主要分布在我國西南、西北等地區(qū)[2]，如西藏尼洋河多布水電站河床覆蓋層深度最大達360 m，主要由沖積含漂石砂卵礫石層、沖積中一細砂層，冰水積碎石礫石層及冰水積含塊石礫石層等組成;四川南椏河治勒水電站覆蓋層深度超過420m，由第四系中、上更新統(tǒng)冰水河湖相沉積卵礫石層、粉質(zhì)壤土和塊碎石土層等組成。為確保深厚覆蓋層修建水電站工程的結(jié)構(gòu)安全性和運行穩(wěn)定性，工程建設(shè)往往需克服更多技術(shù)難題。同樣地，對深厚覆蓋層水電站水工建筑物進行安全鑒定也存在許多問題和難點，需采取有針對性的方法深入研究分析。

2 安全鑒定重難點

2.1 基礎(chǔ)沉降變形且處理措施復雜

由于河道沖積、洪積、崩坡積等成因，經(jīng)過長久沉積形成河床深厚覆蓋層，有的覆蓋層深度超過100 m，甚至達到幾百米，且河道演變導致土層多呈非均一性，對水電站樞紐工程的穩(wěn)定安全十分不利，可能出現(xiàn)地基承載力不夠、穩(wěn)定性難以滿足要求、基礎(chǔ)沉降、不均勻沉降過大等問題。為解決這些問題，確保不同高度、不同體型的樞紐建筑物穩(wěn)定性，工程常采用多種地基處理措施，如換填地基、擴大基礎(chǔ)、高壓旋噴樁、碎石振沖樁或沉管灌注樁等。安全鑒定既要復核評價地基經(jīng)不同措施處理后是否符合基礎(chǔ)承載力要求，也要復核建筑物不均勻沉降控制要求，對水電站樞紐工程各建筑物長期運行基礎(chǔ)穩(wěn)定、沉降變形安全性及處理措施可靠性評價相對復雜。

2.2 地基透水及防滲處理難度大

深厚覆蓋層地基由不同時代、成因的巖土體組成，其結(jié)構(gòu)松散，在水平和垂直方向有較大差異，物理力學性質(zhì)呈較大不均勻性，分層滲透系數(shù)因其土體構(gòu)成和自然壓實程度不同也存在較大差異，大多達不到水電站基礎(chǔ)防滲要求，需進行基礎(chǔ)防滲處理。如四川治勒水電站深厚覆蓋層五大巖組中，1，3，4組滲透系數(shù)達10^-3cm/s量級，2，5巖組達10^-5cm/s量級;西藏多布水電站覆蓋層按巖性分為14層，2層滲透系數(shù)達10^-2cm/s量級，1，3，7，9，10層滲透系數(shù)達10^-3cm/s量級，其他為10^-4cm/s量級及以上，地層滲透系數(shù)差異大，防滲處理技術(shù)難度大[3]。深厚覆蓋層基礎(chǔ)防滲時應選擇可靠的措施，合理確定范圍與深度，處理好基礎(chǔ)防滲體與樞紐結(jié)構(gòu)可靠連接等都是鑒定的難點。深厚覆蓋層基礎(chǔ)防滲往往采用懸掛式防滲體，其有效性和可靠性關(guān)系到地基滲流穩(wěn)定和結(jié)構(gòu)安全，應重點分析評價。

因河床改道演變，有些深厚覆蓋層河道深度大、范圍寬，不僅河床覆蓋層厚，且壩端距兩岸山體較遠。在此種地層上修建水電站樞紐，考慮經(jīng)濟等因素，其壩端結(jié)構(gòu)及防滲體未能與巖石山體銜接，壩端結(jié)構(gòu)及防滲體與巖石山體之間也為透水覆蓋層，同時還可能存在壩端繞壩滲漏問題。因此需特別注意對壩端繞壩滲透問題分析和防滲處理效果的評價。

2.3 地下承壓水對樞紐穩(wěn)定性有潛在不利影響

深厚覆蓋層分層滲透系數(shù)差異大，形成透水層和相對不透水層交替分布，透水層埋藏地下水較豐富。經(jīng)過長期地層演變，局部地層形成較穩(wěn)定的承壓含水層，對樞紐建筑物存在潛在的不利影響，這是安全鑒定時容易忽視的問題。典型的承壓含水層可分為補給區(qū)、承壓區(qū)及排泄區(qū)。水電站建設(shè)及其基礎(chǔ)開挖會改變承壓含水層結(jié)構(gòu)，尤其是對承壓區(qū)直接開挖或鉆孔，會使承壓水噴出，導致承壓區(qū)泄壓，影響樞紐建筑物結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

2.4 結(jié)構(gòu)防滲止水存在薄弱環(huán)節(jié)

為形成連續(xù)封閉的防滲體系，需對樞紐工程建筑物結(jié)構(gòu)采取可靠的防滲止水措施，如設(shè)銅止水或其他止水結(jié)構(gòu)，且建筑物防滲止水系統(tǒng)需與基礎(chǔ)防滲體可靠銜接。因建筑高度、結(jié)構(gòu)形式、地質(zhì)條件或基礎(chǔ)處理措施不同，不同類型建筑物之間往往容易產(chǎn)生過大不均勻沉降而破壞防滲止水結(jié)構(gòu)。水庫蓄水運行后，建筑結(jié)構(gòu)會發(fā)生較明顯的水平位移，而基礎(chǔ)防滲體水平位移很小，易使建筑結(jié)構(gòu)防滲止水系統(tǒng)與基礎(chǔ)防滲體之間的防滲止水結(jié)構(gòu)因過大變形拉裂失效。這些是安全鑒定時需重點關(guān)注的防滲止水薄弱環(huán)節(jié)。

2.5 建筑物裂縫較多

建筑物產(chǎn)生裂縫有多種原因，基礎(chǔ)沉降變形是主要因素之一。深厚覆蓋層地基水電站建筑物裂縫往往較多，且形式多樣、寬度不一。有些裂縫為表面裂縫，對結(jié)構(gòu)基本無影響;有些裂縫可能大幅削減混凝土結(jié)構(gòu)整體強度，影響結(jié)構(gòu)安全;有的水電站甚至在建設(shè)過程中就出現(xiàn)了大量裂縫，需接受專項處理。對裂縫進行檢查、分析和評價，找出影響結(jié)構(gòu)安全的貫穿性裂縫，評價其危害程度，并對相應處理措施進行評價，也是水電站建筑物安全評價的重難點之一。

2.6 基礎(chǔ)地震液化問題

深厚覆蓋層河道多分布于山區(qū)地震帶區(qū)域，在我國西南部較多，這些區(qū)域建筑物需滿足相應抗震設(shè)防要求。有的深厚覆蓋層存在粉細砂層透鏡體等不利地質(zhì)條件，對于飽和無黏性土和少黏性土往往存在地震液化的可能性，影響水電站工程建筑物安全，需進行地震液化判別和處理。地震液化問題較為復雜，與地基土體結(jié)構(gòu)、顆粒組成、松密程度、排水條件、邊界條件及地震特性等多方面的因素有關(guān)，需結(jié)合經(jīng)驗，在現(xiàn)場勘察和室內(nèi)試驗綜合分析基礎(chǔ)上進行判別。對判別為液化的地基土層還需采取針對性的研究處理措施，如采用挖除換填、振沖加密、強夯擊實、上覆蓋重、復合地基和混凝土連續(xù)墻圍封等。對地基土層地震液化判別結(jié)果和處理措施合理性進行評價鑒定較為復雜。

2.7 含沙河水易沖蝕泄水建筑物

深厚覆蓋層河道河水往往含沙量較高，水電站樞紐泄水閘流速較大時，水流沖蝕磨損水閘底板、邊墩或消能工混凝土結(jié)構(gòu)表面。多泥沙河水類型分為推移質(zhì)型和懸移質(zhì)型，其對泄水建筑物混凝土表面沖蝕受河水含沙量、泥沙顆粒形狀、粒徑、硬度、運動方式、水流流速及流態(tài)等因素綜合影響。在水電站運行初期或枯水期，一般較難察覺多泥沙河水對混凝土表面的沖蝕，但在汛期泄洪時就可能會暴露;開始為表面沖蝕，隨著運行時間加長、泄水量增大、泄水次數(shù)增多，會導致結(jié)構(gòu)嚴重磨損，甚至露筋，從而影響結(jié)構(gòu)安全，這是安全鑒定不容忽視的問題。

2.8 電站投產(chǎn)要求高、時間緊

水電站建設(shè)是一項復雜的系統(tǒng)工程，在確保樞紐建筑結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定的同時，需要保障水輪機組發(fā)電系統(tǒng)安全可靠運行。因此，水電站建設(shè)較一般水利工程要求更高，且電站投產(chǎn)速度與發(fā)電效益直接掛鉤，電站投運時間往往較緊迫，需確保按時完工并及時驗收。因此，在工程完工和驗收之間開展安全鑒定工作，時間較為緊張，在短時間內(nèi)找出影響工程安全的主要問題，并對發(fā)現(xiàn)的問題進行充分的分析評價，總結(jié)得出安全鑒定結(jié)論，這也給安全鑒定工作提出了更高的要求。

3 應對措施

3.1 組建安全鑒定專家組

鑒于深厚覆蓋層水電站技術(shù)難點較多，應首先組建安全鑒定專家組。專家組成員應具備地質(zhì)、水工、施工等方面的專業(yè)知識，承擔過類似工程的勘察設(shè)計技術(shù)工作且經(jīng)驗豐富，最好對深厚覆蓋層地基上修建閘壩工程技術(shù)有系統(tǒng)研究，對深厚覆蓋層水電站容易出現(xiàn)的問題有深入理解，并熟知安全鑒定工作方法和流程。

3.2 深入現(xiàn)場開展安全檢查

安全鑒定要求人員必須深入現(xiàn)場，檢查內(nèi)容包括：①建筑物沉降變形情況，以及各壩段分縫部位的不均勻沉降情況，必要時進行定量量測;②建筑物表面裂縫，對裂縫類型、長度與寬度進行量測、記錄、統(tǒng)計;③下游壩面及壩腳滲水情況，深入電站內(nèi)部檢查廠房水下部分滲漏情況，并量測記錄滲水量;④樞紐建筑物下部承壓水分布情況，了解其補給和排泄路徑，以便對其下部承壓水分布特征及補、徑、排條件及對建筑物的影響作進一步分析論證;⑤泄水建筑物混凝土表面沖刷磨損情況，對出現(xiàn)嚴重磨損的部位，應了解其磨損程度和范圍，從水力學和結(jié)構(gòu)設(shè)計角度分析磨損原因，評價水流流速流態(tài)的影響及結(jié)構(gòu)抗沖磨設(shè)計可靠性。通過對現(xiàn)場進行安全檢查能夠直接找到具體問題，再結(jié)合收集資料進一步深入分析，從而準確查出影響水工結(jié)構(gòu)安全的主要原因。

3.3 計算復核定量分析評價

對設(shè)計成果進行計算復核，必要時進行補充計算，是分析評價水工結(jié)構(gòu)安全性狀的重要方法。計算復核包括對主要建筑物結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、基礎(chǔ)沉降變形、地基滲流穩(wěn)定、泄流能力、消能防沖和土層地震液化判別等。

坐落在深厚覆蓋層上的攔河壩、泄水閘和發(fā)電站等主要建筑物需按土質(zhì)地基結(jié)構(gòu)穩(wěn)定要求，進行抗滑、抗傾和基底應力計算復核。通過建筑結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件配筋驗算，分析結(jié)構(gòu)受力安全性。對深厚覆蓋層應分壩段分析基礎(chǔ)沉降變形值，進而計算不均勻沉降。根據(jù)有關(guān)規(guī)范要求，采用二維或三維有限元進行滲流穩(wěn)定計算，了解地基滲透穩(wěn)定性。有限元計算模型地基應有足夠深度和范圍，根據(jù)計算結(jié)果分析基礎(chǔ)懸掛式防滲體等措施的有效性，關(guān)注防滲墻轉(zhuǎn)折處或接頭處應力與變形，以及防滲墻頂部與上部建筑物連接部位的變形協(xié)調(diào)性。計算復核泄流能力后，根據(jù)相應消能防沖標準，復核下游消能防沖設(shè)施安全性、護坦抗沖性能，避免尾水直接沖刷或回流淘刷建筑物基礎(chǔ)，防止下游河床形成較大沖坑。對地震設(shè)計烈度為7度及以上的水電站建筑物，地基中存在飽和無黏性土和少黏性土時，應進行地震液化判別，防止發(fā)生地震液化破壞;還應根據(jù)土層的天然結(jié)構(gòu)、顆粒組成、松密程度、地震受力狀態(tài)及排水條件等因素進行地震液化初判或復判[4]。對經(jīng)判別存在地震液化問題的地基，應采取工程措施進行處理，對地震液化判別結(jié)果和處理措施可靠性與效果應進行評價。

3.4 收集并利用試驗資料數(shù)據(jù)

對于在深厚覆蓋層地基上修建的大型或中型水電站工程，為確保建成后工程穩(wěn)定安全，一般需進行三維有限元數(shù)值模擬或相關(guān)模型試驗分析。在水電站工程建設(shè)實施過程中還要進行現(xiàn)場試驗，單元或分部工程完工時進行質(zhì)量檢測試驗，安全鑒定工作開展前應充分收集試驗資料數(shù)據(jù)，并在鑒定工作過程中分析利用。①三維有限元數(shù)值模擬試驗內(nèi)容包括對地基滲流、基礎(chǔ)沉降、結(jié)構(gòu)受力、變形和應力分析，使其可模擬和反映水電站工程整體和局部安全狀態(tài)。②模型試驗有水工模型試驗或構(gòu)件力學試驗等，水工模型試驗結(jié)果應與水力學計算結(jié)果進行比對分析，如同頻率洪水標準的水面線及消能防沖流速等對比分析，應重點關(guān)注下游水流流態(tài)和河床沖淤情況，應對影響建筑物安全的異常情況重點分析和評價。③施工過程中試驗包括混凝土試件強度試驗、填筑料碾壓試驗和灌漿試驗等，施工過程試驗是確保施工質(zhì)量的前提，應分析統(tǒng)計試驗結(jié)果是否符合規(guī)范與設(shè)計要求。④單元工程或分部工程完工進行的質(zhì)量檢測試驗主要是按照規(guī)范和設(shè)計要求進行的試驗項目，直接反映工程的施工質(zhì)量，應統(tǒng)計分析施工合格率和優(yōu)良率，應對不符合要求的檢測成果重點分析原因，并評價其對工程安全的影響。

3.5 總結(jié)工程實例經(jīng)驗

我國在深厚覆蓋層地基上成功修建了許多水電站工程，一些水電站設(shè)計經(jīng)過大量論證工作，解決了許多技術(shù)難題。在有些電站建設(shè)過程中也遇到過諸多問題，并采取了補救措施。總結(jié)類似工程實例設(shè)計經(jīng)驗和施工問題處理經(jīng)驗，有益于深厚覆蓋層水電站樞紐工程安全鑒定工作，有助于鑒定專家聚焦相關(guān)問題的技術(shù)重點，快速查找影響工程質(zhì)量安全的問題，通過與類似工程經(jīng)驗進行對比分析，對水電站樞紐工程安全作出合理評價。

3.6 加強施工期監(jiān)測資料分析

施工期埋設(shè)安全監(jiān)測儀器后，應開展施工期安全監(jiān)測，所形成的安全監(jiān)測資料是反映樞紐建筑物安全性態(tài)的重要資料，施工單位應及時整編。開展安全鑒定工作時：①應收集施工期（包括運行初期）安全監(jiān)測資料，并對樞紐建筑物表面變形、不均勻沉降、基礎(chǔ)滲流、閘墩應力、機組混凝土應力、鋼筋應力和溫度等進行深入分析。②應了解庫水與監(jiān)測數(shù)據(jù)的相關(guān)性，分析監(jiān)測儀器是否能正常施測。③應密切關(guān)注蓄水后建筑物沉降變形情況和防滲止水結(jié)構(gòu)完好性。若在壩腳或壩端發(fā)現(xiàn)明顯滲水點，應分析相應部位監(jiān)測斷面滲壓計監(jiān)測成果，查明滲水原因，評價其滲流穩(wěn)定性。

3.7 重視運行初期問題及處理效果評價

水電站工程截流和蓄水均應進行安全鑒定，對于樞紐建筑物而言，截流和實施蓄水，都是考驗建筑物安全的里程碑事件，標志著其運行條件發(fā)生重大改變，應加強截流或蓄水初期觀測，以及時發(fā)現(xiàn)問題;對已處理的問題，應重點分析處理效果，評價問題是否得到有效處理，以及對水電站水工建筑物長期運行安全性的影響。

4 結(jié)語

深厚覆蓋層地基對水電站樞紐建筑物安全影響大，存在如基礎(chǔ)沉降變形大、易產(chǎn)生不均勻沉降、地基滲漏及承壓水、基礎(chǔ)地震液化、河水含沙量大易沖蝕泄水建筑物等不利影響。對深厚覆蓋層上修建的水電站進行安全鑒定存在諸多難點，需熟悉深厚覆蓋層水電站特點，抓住安全鑒定重點深入研究分析，綜合采取多種針對性的工作方法，才能對水電站樞紐工程安全性態(tài)作出科學、客觀、公正的鑒定。

參考文獻：

[1]楊澤艷，方光達，趙全勝.水電工程水工安全鑒定的特點與對策[J].水力發(fā)電，2013（39）：75-78.

[2]楊曉東，覃新聞，鄭亞平，等.深厚覆蓋層防滲技術(shù)[M].北京：中國水利水電出版社，2011.

[3]彭琦，周和清，位敏，等.西藏尼洋河多布水電站工程竣工安全鑒定報告[R].武漢：長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究有限責任公司，2017.

[4]

GB 50287-2016水力發(fā)電工程地質(zhì)勘察規(guī)范[S].

（編輯：李曉瀠）

作者簡介：彭琦，男，高級工程師，主要從事水利水電工程設(shè)計、研究及水庫大壩安全評價、鑒定工作。E-mail：pengqi@cjwsjy.com.cn