CCS水電站溢流壩主要工程地質(zhì)問(wèn)題與處理

姚陽(yáng) 齊三紅 耿莉

摘 要：CCS水電站首部樞紐溢流壩地基為深厚覆蓋層，地質(zhì)條件非常復(fù)雜，主要存在壩基滲漏、壩基滲透變形及壩基沉降變形等工程地質(zhì)問(wèn)題，基礎(chǔ)處理是溢流壩設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。針對(duì)溢流壩的地質(zhì)條件特征，采用塑性混凝土防滲墻、開(kāi)挖換填和振沖碎石樁復(fù)合地基處理方案，監(jiān)測(cè)結(jié)果表明地基處理效果較好。

關(guān)鍵詞：首部樞紐;溢流壩;沉降變形;地基處理; CCS水電站

中圖分類(lèi)號(hào)：TV221 ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.11.024

Abstract：The foundation of spillway in intake complex of CCS Hydropower Station is deep overburden and the geological condition is very complex. The main engineering geological problems are foundation seepage， seepage deformation and settlement stability. Foundation treatment is the focus and difficulty of design. According to the characteristics of the geological conditions， it adopted the plan of plastic concrete cut-off wall， excavation replacement and vibro-replacement stone column composite foundation treatment. The monitoring results show that the foundation treatment effect is better， which can provide a reference for similar projects.

Key words： intake complex; spillway; settlement deformation; foundation treatment; CCS Hydropower Station

1 工程概況

CCS水電站為引水式電站，位于南美洲厄瓜多爾共和國(guó)北部Napo省與Sucumbios省交界處，工程任務(wù)主要為發(fā)電，電站總裝機(jī)容量1 500 MW，是厄瓜多爾規(guī)模最大的水電站。CCS水電站主要建筑物由首部樞紐、輸水隧洞、調(diào)蓄水庫(kù)、壓力管道和地下廠房等組成[1-2]。

首部樞紐主要建筑物由擋水建筑物（混凝土面板堆石壩）、泄洪排沙建筑物（溢流壩及沖沙閘）和取水建筑物（取水閘及沉沙池）三部分組成。溢流壩布置在壩址區(qū)左側(cè)埡口處，壩頂高程1 289.50 m，壩頂長(zhǎng)度271.75 m，水庫(kù)最高水位1 288.30 m，最大泄流量16 444 m3/s。溢流壩主要由左岸擋水壩段、溢流堰、下游消力池、海漫及防沖槽組成。溢流壩的建基面高程為1 250.5 m，壩高39 m，壩基防滲采用塑性混凝土垂直防滲墻，防滲墻最大深度30 m，墻身厚度0.8 m。左側(cè)擋水壩段為重力式結(jié)構(gòu)，壩頂寬度8.0 m，上游坡1∶0.2，下游坡1∶0.6。8孔開(kāi)敞式溢流堰采用WES實(shí)用堰，堰頂高程1 275.50 m，單孔凈寬度為20.0 m，閘墩厚度為2.0 m，溢流堰順?biāo)飨虻装彘L(zhǎng)度52.61 m，垂直水流向22 m，采用堰面分縫。溢流壩下游采用底流消能形式，消力池長(zhǎng)度64.41 m，消力池底板高程為1 255.50 m，池深4.00 m;消力池末端設(shè)出口檢修閘，長(zhǎng)度22.0 m，閘底板高程1 259.50 m，閘頂高程1 277.00 m。出口閘下游海漫總長(zhǎng)度為120 m，上段60 m為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，下段60 m為散拋石結(jié)構(gòu)，末端設(shè)深7.8 m、底寬6 m的拋石防沖槽，防沖槽頂面高程為1 259.50 m[3-7]。

2 基本地質(zhì)條件

根據(jù)前期勘察資料及實(shí)際開(kāi)挖揭示的地質(zhì)情況，溢流壩區(qū)域地基主要為河流沖洪積層，河床覆蓋層主要由a、b、c、d、e、f六大層組成[8]，其厚度及特性如下。

（1）a層。沖洪積砂卵石層，含有較多大于20 mm的漂礫，含量20%～30%，夾有少量塊石，砂礫石級(jí)配良好，該層相對(duì)松散，厚度10～20 m。

（2）b層。沖洪積砂礫石層，含火山碎屑物質(zhì)的砂礫石，局部微膠結(jié)，含少量棱角狀塊石，厚度約10 m。

（3）c層。湖積層，劃分為3個(gè)亞層：c1為極細(xì)砂、粉砂夾有礫石、微塑性黏性土，該層厚3～6 m;c2為微膠結(jié)的粉質(zhì)黏土、粉土，夾有礫石、細(xì)砂，該層厚5～15 m，在砂層中呈透鏡狀?yuàn)A層分布，具有承載力低、壓縮性高、滲透性小的特點(diǎn)，稍密，可塑-硬塑狀;c3為極細(xì)砂，夾少量礫石，厚度約12 m。

（4）d層。含火山碎屑物質(zhì)的砂礫石，局部微膠結(jié)，卵礫石磨圓度較好，分選較差，局部膠結(jié)較好，厚度為10～80 m。

（5）e層。河流沖洪積砂卵石層，含有較多粒徑大于20 mm的漂礫，含量20%～30%，砂礫石級(jí)配良好，多為次圓狀，夾有少量塊石，該層較密實(shí)，厚度約15 m。

（6）f層。湖積層，分為兩個(gè)亞層：f1為砂壤土、細(xì)砂、零星的礫石，厚約3 m;f2為細(xì)砂、壤土，偶夾礫石，厚約10 m。

該區(qū)地下水主要為松散巖類(lèi)孔隙水，河床及漫灘的沖洪積層泥質(zhì)含量少，砂礫石透水性較好，含水層厚度可達(dá)50 m，主要為孔隙潛水，地下水水量豐富，該類(lèi)地下水與河水水力聯(lián)系密切。由于工程施工采取井點(diǎn)降水，因此工程區(qū)地下水位低于河水位，主要接收河水的補(bǔ)給，下部局部黏土層為隔水層，該層地下水具有一定的承壓性，在壩基勘探過(guò)程中局部鉆孔大量涌水。

區(qū)內(nèi)地震基本動(dòng)峰值加速度為260 cm/s2（0.26g），相應(yīng)的地震烈度為8度，區(qū)內(nèi)可能發(fā)生的地震最大動(dòng)峰值加速度為404 cm/s2。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)原位及室內(nèi)試驗(yàn)，得出主要地基巖土層的物理力學(xué)參數(shù)建議值，見(jiàn)表1。

3 主要工程地質(zhì)問(wèn)題

溢流壩壩基主要為d層砂礫石和c層粉細(xì)砂、粉土及粉質(zhì)黏土等覆蓋層。存在的主要工程地質(zhì)問(wèn)題為壩基滲漏、壩基滲透破壞及壩基沉降，同時(shí)覆蓋層厚度不均，相差很大，會(huì)產(chǎn)生不均勻沉降變形。

3.1 壩基滲漏問(wèn)題

從覆蓋層各巖組的滲透系數(shù)來(lái)看，砂卵礫石的滲透系數(shù)為10-3 cm/s～10-2，砂層的滲透系數(shù)為10-3 cm/s，屬于中等透水性。覆蓋層砂卵礫石層的厚度較大，壩基滲漏問(wèn)題較嚴(yán)重。根據(jù)溢流壩水工建筑物布置情況，選擇典型剖面計(jì)算分析覆蓋層壩基的滲漏量。

（3）計(jì)算參數(shù)取值及計(jì)算結(jié)果分析。結(jié)合覆蓋層砂礫石和砂層的滲透系數(shù)測(cè)試成果，壩基覆蓋層的滲透系數(shù)K根據(jù)等效系數(shù)法確定;壩基覆蓋層的厚度不等，等效厚度T取均值。壩基覆蓋層滲流量計(jì)算參數(shù)取值及計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

從溢流壩壩基覆蓋層滲流量的計(jì)算結(jié)果來(lái)看，滲流量為3 793 m3/d，滲流量較大，采用流域面積與實(shí)測(cè)平均流量（1979—1986年系列）相關(guān)關(guān)系分析，求得首部樞紐壩址1979—1986年平均流量為265 m3/s（即2.29×107 m3/d），滲流量約占年平均流量的0.02%，因此盡管溢流壩壩基滲流量較大，但與上游來(lái)水量相比極小，滲漏量不會(huì)影響電站的正常運(yùn)行。

3.2 壩基滲透變形

覆蓋層砂卵礫石和砂層的顆粒級(jí)配曲線(xiàn)見(jiàn)圖2，通過(guò)分析及計(jì)算獲得覆蓋層各巖組的顆粒級(jí)配特征值，見(jiàn)表3。

由表3覆蓋層各巖層的顆粒級(jí)配特征值統(tǒng)計(jì)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，覆蓋層各巖層的顆粒級(jí)配特征值有差異，砂卵礫石不均勻，級(jí)配良好;砂層較均勻，級(jí)配不良。

（1）根據(jù)圖2顆粒級(jí)配曲線(xiàn)，砂卵礫石巖組對(duì)應(yīng)于瀑布式類(lèi)型曲線(xiàn)，判斷該巖組滲透變形類(lèi)型為潛蝕型即管涌型;砂層為直線(xiàn)類(lèi)型曲線(xiàn)，滲透變形類(lèi)型以流土為主。

（2）根據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（GB 50487—2008）[9]，采用不均勻系數(shù)Cu及細(xì)粒含量Pc判別和評(píng)價(jià)滲透變形類(lèi)型。

砂層不均勻系數(shù)Cu=3.227<5，可判別為流土;砂卵礫石層不均勻系數(shù)Cu=8.269>5，則根據(jù)細(xì)粒含量Pc<25%，可判斷其破壞形式為管涌;砂卵礫石層和砂層組成的雙層結(jié)構(gòu)地層不均勻系數(shù)均小于10，而有效粒徑d10砂礫石/砂=5.2/0.044=118.2>10，可能存在接觸沖刷問(wèn)題。

根據(jù)以上分析，覆蓋層砂卵礫石滲透變形類(lèi)型為管涌型，砂層滲透變形類(lèi)型為流土型，層間可能存在接觸流失。覆蓋層各巖層顆粒粗細(xì)差別大，而且粗細(xì)相間分布，建壩后在高水頭作用下存在滲透變形問(wèn)題。

3.3 壩基沉降變形

壩基坐落在砂卵礫石、砂層及粉質(zhì)黏土上，砂礫石的厚度不均，基礎(chǔ)以下右側(cè)砂卵礫石層厚2～10 m，下為花崗閃長(zhǎng)巖侵入體;左側(cè)覆蓋層逐漸變厚，深達(dá)130 m，會(huì)產(chǎn)生一定的不均勻沉降。左壩肩附近的粉質(zhì)黏土和粉土層具有中等壓縮性，會(huì)產(chǎn)生沉降變形問(wèn)題。同時(shí)覆蓋層厚度和性質(zhì)相差很大，局部會(huì)產(chǎn)生不均勻沉降變形問(wèn)題。

4 壩基處理措施

4.1 壩基防滲處理

針對(duì)溢流壩壩基覆蓋層滲漏和滲透變形問(wèn)題，地基采用塑性混凝土防滲墻進(jìn)行防滲處理，防滲墻主要布置在溢流壩基礎(chǔ)以下，同時(shí)為避免左壩肩繞滲，防滲墻體左岸擋水壩段往左側(cè)延伸11 m，即深入左壩肩近70 m;右側(cè)延伸到?jīng)_沙閘巖石基礎(chǔ)，連接沖沙閘和引水閘基礎(chǔ)帷幕灌漿形成封閉防滲系統(tǒng)。防滲墻樁號(hào)范圍為S0-011.00—S0+237.25，墻體防滲帷幕軸線(xiàn)長(zhǎng)度為251.21 m，墻體厚度為800 mm。主壩段設(shè)計(jì)墻頂高程為1 251.00 m，墻底高程為1 220.50 m，最大墻體深度為30.5 m。塑性混凝土防滲墻頂部1 m深鑿除，澆筑普通鋼筋混凝土，與壩基底部采用柔性接頭連接。

4.2 壩基沉降變形處理

針對(duì)壩基覆蓋層分布不均勻，存在粉質(zhì)黏土和粉土等土層沉降變形問(wèn)題，左壩肩采用上部開(kāi)挖換填+下部振沖碎石樁處理方案;溢流壩下游消力池左擋墻主要采用了振沖碎石樁處理方案，消力池底板和出口閘采用了換填處理方案。

4.2.1 溢流壩主體壩段基礎(chǔ)沉降分析

壩基砂卵礫石層材料是非線(xiàn)性彈塑性材料，采用Schmertmann方法計(jì)算，假定如下：①只計(jì)算開(kāi)挖完成到大壩完建期間的沉降量。根據(jù)土的固結(jié)理論，對(duì)于砂卵礫石這種無(wú)黏性粗顆粒土地層，開(kāi)挖完成時(shí)變形基本完成，大壩建成后沉降也基本完成。②變形模量取回彈曲線(xiàn)的變形模量，考慮到壓縮曲線(xiàn)彈性階段的彈性模量與回彈曲線(xiàn)變形模量斜率相差不大，最終取土的彈性模量作為計(jì)算參數(shù)，一般彈性模量是變形模量的3～5倍，彈性模量偏安全的取150 MPa。③完建期基底應(yīng)力最大，且沉降在此時(shí)期大部分完成，故僅分析完建工況。沉降計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4，溢流壩計(jì)算最大沉降量為113 mm，小于規(guī)范規(guī)定的150 mm，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

4.2.2 溢流壩左壩肩基礎(chǔ)處理

溢流壩左壩肩在1 278.00 m高程左右為a+b地層（沖洪積砂礫卵石層），該層從左到右呈喇叭口狀逐漸加厚，左側(cè)厚度約5 m，其下為c1砂層和c2粉質(zhì)黏土層，易產(chǎn)生不均勻沉降。溢流壩左壩肩基礎(chǔ)原設(shè)計(jì)處理方案為振沖碎石樁處理，樁徑1.0 m，間排距1.6 m，樁底高程1 259.0～1 265.0 m?，F(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程發(fā)現(xiàn)a+b地層堅(jiān)硬，膠結(jié)良好，且有較多粒徑大于50 cm的孤石，振沖碎石樁施工困難。經(jīng)分析將左壩肩基礎(chǔ)處理方案調(diào)整為：上部開(kāi)挖換填+下部振沖碎石樁處理。