兩河口水電站多源復雜防滲土料勘察研究

吳 章 雷， 鐘 雨 田

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072)

0 前 言

兩河口水電站位于四川省甘孜州雅江縣境內的雅礱江干流上，樞紐建筑物由礫石土心墻堆石壩、右岸引水發(fā)電系統和左岸泄水建筑物等組成。礫石土心墻堆石壩壩高295 m，心墻底部橫河向寬41.71 m，順河向長140.00 m。大壩壩料包括心墻防滲土料、高塑性接觸土料、過渡料及堆石料，共計約3 900萬m3。其中防滲心墻料441.14萬m3。該電站目前已運行投產，是已建完成的世界第二高土石壩。

堆石壩心墻是大壩防滲的生命線，對大壩的防滲至關重要，心墻料質量的好壞影響到大壩的滲漏和滲透穩(wěn)定[1-2]，關系到大壩的安危，大壩對防滲土料的質量要求高，建設方對大壩質量也很重視，提出了“好字當頭，質量第一”的要求，因此，防滲土料是兩河口大壩壩料勘察的重點。

設計院對防滲土料開展了大范圍調查和勘察工作，成果表明，在川西地區(qū)土料成因復雜，基本不能滿足心墻防滲土料質量要求的天然料源，直接可以利用的土料，需對土料進行摻礫改性，方可滿足質量要求[3]。鑒于防滲土料需求量大，土料成因復雜，需改性利用，設計院開展了大量的勘探、試驗及摻礫改性工作，應用了無人機傾斜攝影技術、三維建模、BIM設計等信息化技術手段[4]。通過大量的研究工作，查清了土料的成因、分布及其工程特性，為土料開采和改性利用提供了技術支撐。室內與現場試驗證明，兩河口堆石壩心墻礫石土具有較高的承載力、抗剪強度與壓實度，防滲性能良好[5]。電站運行以來，大壩心墻監(jiān)測及檢測成果也表明，大壩心墻防滲及變形滿足設計要求，表現優(yōu)良。

兩河口水電站防滲土料勘察工作取得了較好的效果，對防滲土料的勘察進行系統的梳理和總結，可供以后類似工程參考和借鑒。

1 防滲土料基本特征

1.1 分布概況

雅礱江中游兩河口水電站壩址下游5～10 km、壩址上游25～40 km范圍，河谷較寬階段發(fā)育，是土料的主要富集地。預可行性研究階段，主要在壩址下游開展土料的勘察工作，包括白孜、腳泥堡、呷拉、西地、比地、昆地、朗德、憶扎、亞中、蘋果園等土料場。由于受征地移民等影響，壩址下游土料場實施難度大，在可行性研究階段土料勘察工作重點轉移到庫區(qū)開展，在正常蓄水位以下尋找料源和開展勘察工作，主要集中在壩址上游蘋果園、亞中、瓜里及普巴絨，兩河口水電站防滲土料分布示意圖見圖1。

圖1 兩河口水電站防滲土料分布示意圖

經過詳細勘察和綜合比較，最終選擇了上游亞中、蘋果園、瓜里、普巴絨料場和下游西地料場，為大壩心墻防滲土料料源，兩河口采用防滲土料場基本情況匯總表見表1。

表1 兩河口采用防滲土料場基本情況匯總表

1.2 基本特征

兩河口水電站防滲土料場有以下特點：

(1)土料場受地形地質條件限制，規(guī)模相對較小，料源分散在雅礱江沿岸，但個別料場的面積和儲量均不大。

(2)土料成因復雜，有風化作用形成的殘積土，如壩址下游西地土料場；有沖積、沖洪積形成的亞中A區(qū)、普巴絨等土料場，沖洪積形成的一般是階地上，具二元結構的上部土層；坡積形成的一般在料場的后緣部分，如亞中土料場C區(qū)后緣，瓜里料場A區(qū)后緣。

(3)土料場分區(qū)可以看出土料性狀不均一，土料無論在平面上還是在空間上分布不均一，料場土料顆粒在剖面上呈現由粗到細、由細到粗或交替發(fā)育。

(4)由于土料不均一，土料摻和工藝及其開采利用難度大。

2 防滲土料勘查研究

2.1 土料調查

土料的分布受地形地貌、地層巖性、河谷形態(tài)及河流下切等因素影響，土料一般分布在地形平緩、河谷較寬、階段較發(fā)育及耕地居民較集中部位，兩河口防滲土料主要在上述部位開展調查工作。前期土料調查范圍主要集中在壩址下游，最遠是14 km的白孜土料場。可研階段、招標階段主要集中在水庫內淹沒區(qū)，調查范圍距壩址最遠約40 km的普巴絨土料場。實施階段在壩址上游普巴絨及瓜里土料場之間增加了普巴絨C區(qū)料場，取消了蘋果園土料場，下游西地土料場進行了開采，未開挖到終采平臺。

從兩河口防滲土料的調查來看，土料的調查是一個動態(tài)的過程，根據工程的建設進程，征地移民政策的變化進行動態(tài)調整。從兩河口實施階段料場的選擇來看，在水庫庫內淹沒區(qū)有土料分布的情況下，土料的調查工作集中在庫內淹沒區(qū)開展，有利于實施開采、征地移民和節(jié)約投資。

2.2 土料勘探布置

土料勘探的目的是查明土料的儲量及質量，目前對土料勘探的手段機械化程度不高，主要包括鉆探、井探及槽探工作，鉆孔的目的是揭穿土料有用層，滿足計算地質儲量的要求，淺井和坑槽探是為了滿足分層及實驗取樣的要求。

兩河口防滲土料除西地土料場為一斜坡外，其余土料場為臺地，微地貌前緣緩后緣有一定坡度，土料地形不完整，除蘋果園土料場外均有較大沖溝切割。針對以上土料地形地貌特點，對料場勘探布置進行策劃。首先結合地表地質測繪，對土料進行了平面分區(qū)，兩河口五個料場，分了十三個分區(qū)，勘探布置按分區(qū)考慮，其次確定勘探線，勘探線包括橫線和縱線，橫線垂直等高線，縱線垂直橫線，勘探線呈網格狀，亞中土料場典型勘探布置見圖2。

圖2 亞中土料場典型勘探布置圖

初查階段以鉆孔為主，結合部分淺井及坑槽探，勘探點布置于網格狀的節(jié)點上，勘探間距大于100 m，詳勘階段以淺井為主，鉆孔為輔，在初查基礎上加密。招標階段在可研階段的基礎上開展了大量的補充勘探工作，這也是國內首個同類型工程在招標階段開展補充工作，進一步加密勘探，鉆孔用淺井代替。經過各個階段的逐步加密、加深勘探工作勘探點最大間距50 m，最小間距25 m，勘探點基本全是淺井，均揭穿了土料有用層厚度，兩河口防滲土料場勘探布置表見表2。

表2 兩河口防滲土料場勘探布置表

2.3 土料取樣試驗

為了查清防滲土料的物理力學特性，需對土料取樣開展試驗工作，以便評價防滲土料質量，取樣工作一般在淺井及坑槽探中進行，鉆孔取樣受孔徑影響，試驗結果有偏差，一般顆分結果偏細，力學強度偏低。兩河口防滲土料勘探工作完成后，根據地質編錄成果，從成因、土料顏色、顆粒組成上對土料進行宏觀分層。依據分層從淺井或坑槽探中取樣，即分層取樣開展試驗工作?？紤]到施工開采斷面及開采工藝，按每間隔5 m連續(xù)取樣進行試驗工作。

鑒于兩河口防滲心墻土料級配較寬，顆粒粒徑變化較大，招標階段結合勘探補充，按每米取樣，在淺井井壁上刻槽取樣，對取樣方法、原則、刻槽深度等都有相關要求。

因此，兩河口防滲土料各階段共計完成近萬組物性試驗，近幾百組的力學試驗。試驗成果對土料的分層、開挖利用、改性慘拌、信息化工作打下了扎實的基礎。

3 防滲土料評價

兩河口防滲土料的勘查表明，土料來源較多，級配較寬、不均一性突出。如何對土料進行客觀真實的評價，以便后續(xù)的開采利用，是兩河口防滲土料評價工作面對的難題。經過兩河口工程實踐，建立了一套土料評價體系，即大量的地質測繪、勘探及試驗工作是基礎，信息化工作是手段，分區(qū)、分層是方法，歸納總結分類是落腳點。

3.1 分區(qū)分層

通過各階段大量的地質測繪、勘探及試驗工作，查明了各防滲土料場土料的分區(qū)分層情況，兩河口防滲土料分區(qū)、分層匯總表見表3。平面分區(qū)主要考慮地形、土料顏色、成因及組成顆粒粒徑等因素，根據以上條件，對防滲土料5個料場進行分區(qū)，最終分為十三個區(qū)。依據淺井分層編錄，結合顆分試驗和統計，對各料場進行分層分析統計，西地土料場、蘋果園土料場、亞中A區(qū)、D區(qū)、瓜里B2區(qū)、普巴絨A區(qū)土料較均一，無論在平面上或剖面上土料變化不大，除了淺表根植土外，均為有用層，但不同的區(qū)土料的厚度變化較大，土為含(礫)粉質黏土。亞中B、C區(qū)、瓜里A、B區(qū)、普巴絨B區(qū)土料不均一，除了瓜里土B2區(qū)分為①、②、③、④層外，其余在里面上分為①、②、③層。各料場第①層為灰黃色礫石土，位于剝離層之下；②層為褐黃—褐紅色含礫粉質黏土；第③層為含(塊)碎礫石土，夾含礫粉質黏土；第④層為淺黃色粉土，土質均勻，水平層理極發(fā)育，瓜里B2區(qū)局部分布。

表3 兩河口防滲土料分區(qū)、分層匯總表

3.2 分類歸納

兩河口防滲土料料源多且分散，既有分區(qū)又有分層，根據料場的成因結合物理力學試驗，對兩河口土料進行分類歸納，分為第一、二、三類土，防滲土料分類匯總表見表4。

表4 防滲土料分類匯總表

第一類土料包括西地、蘋果園B區(qū)、亞中A區(qū)、普巴絨A區(qū)土料，成因沖積或殘積土，為含礫粉質黏土。

顆分試驗表明平均線<5 mm顆粒含量為86.0%～92.0%，即P5含量平均值0～15%。<0.075 mm細粒平均線含量63.2%～80.0%，<0.005 mm黏粒平均線含量16.6%～31.3%，天然含水率平均11.6%～15.1%，塑性指數均值11.8～16.4。力學試驗表明壓縮模量ES(0.1～0.2 MPa)為11.6～19.9 MPa，平均為16.7 MPa，為低壓縮性土。黏聚力c值為12 ～30 kPa，平均為23.8 MPa；摩擦角φ值為14.6°～24.8°，平均為19.8°，抗剪能力較低。破壞比降if值>15，滲透系數k小于10-7cm/s。

第二類土料包括蘋果園A區(qū)、瓜里B區(qū)、普巴絨B區(qū)土料，成因沖洪積，為礫石土。

顆分試驗表明平均線<5 mm顆粒含量為75.2%～78.4%，即P5含量平均值15%～25%。<0.075 mm細粒平均線含量49.9%～63.2%，<0.005 mm黏粒平均線含量14.9%～21.0%，含水率平均8.7%～11.7%，塑性指數均值11～15.6。力學試驗表明壓縮模量ES(0.1～0.2 MPa)為19.4～21.6 MPa，平均為20.6 MPa，為低壓縮性土。黏聚力c值為30～45 kPa，平均為36.6 MPa；摩擦角φ值為24.2°～26.6°，平均為25.3°，抗剪能力較低。破壞比降if值>12，滲透系數k小于10-7cm/s。

第三類土料包括亞中B、C區(qū)第①、③層瓜里A區(qū)土料，成因為沖洪積和坡積混合作用。

顆分試驗表明平均線<5 mm顆粒含量為49.8%～58.7%，即 P5含量平均值30%～40%。<0.075 mm細粒平均線含量29.9%～34.7%，<0.005 mm黏粒平均線含量8.9%～12.0%，含水率平均7.1%～8.3%，塑性指數均值11.6～14.1。力學試驗表明壓縮模量ES(0.1～0.2 MPa)為21.2～26.1 MPa，平均為22.98 MPa，為低壓縮性土。黏聚力c值為35～50.0 kPa，平均為43.75 MPa；摩擦角φ值為27.1°～29.4°，平均為28.13°，抗剪強度中等。破壞比降if值>13.4，滲透系數k小于10-7cm/s。

3.3 防滲土料評價

兩河口水電站擋水大壩高，心墻防滲土料要求高，對防滲土料質量要求高，主要防滲土料指標如下：粒徑大于5 mm的顆粒含量不超過50%，不低于30%；小于0.075 mm的顆粒含量應不小于15%；小于0.005 mm的顆粒含量應大于8%，滲透系數應小于1×10-5cm/s[6]。

從防滲土料顆分和滲透性角度要求看，各類土料均滿足要求，但從力學強度來看，第一、二類土料力學強度偏低。心墻防滲土料需要一定的強度及變形模量，以滿足大壩的變形和沉降要求[7]。因此，需對第一、二類土摻礫改性，方可滿足要求，第三類土可以直接利用。經過試驗研究，第一類土需按6∶4(重量比)摻礫，第二類土需按7∶3(重量比)摻礫[8]。

4 土料信息化工作

由于防滲心墻料源共計5個土料場，物性差異明顯，分區(qū)、分層復雜。為直觀了解各料區(qū)空間分層情況，為后期各類土的開采利用提供依據。對防滲土料開展了信息化設計工作。

(1)模型建立思路。以亞中土料場可研階段、招標階段勘探試驗為依據，選定和大壩心墻礫石土料設計關鍵指標和參數(P5含量、含水率、黏粒含量)，物性參數為試坑中不同深度的試驗值，通過空間插值計算分別得出P5含量、含水率、黏粒含量三套屬性模型。

(2)模型建立過程。建模過程中首先完成各試坑中不同深度數據的采集和整理，亞中土料場A區(qū)不同深度試坑參數屬性見圖3。

圖3 亞中土料場A區(qū)不同深度試坑參數屬性

然后以料場剝離面和開采底面為空間范圍建立亞中土料場A區(qū)空間三維體網格(圖4)，并將參數值賦值于空間三維體網格，通過不同插值計算方法得出亞中土料場A區(qū)P5含量屬性模型(圖5)、亞中土料場A區(qū)黏粒含量屬性模型(圖6)、亞中土料場A區(qū)含水率變化屬性模型(圖7)。

圖4 亞中土料場A區(qū)空間三維體網格

圖5 亞中土料場A區(qū)P5含量屬性模型

圖6 亞中土料場A區(qū)黏粒含量屬性模型

圖7 亞中土料場A區(qū)含水率變化屬性模型

(3)模型分析結果解譯。從P5含量屬性模型可以看出：亞中土料場A區(qū)絕大部分區(qū)域為一類土(P5含量<15%)。后緣原老鄉(xiāng)房屋部位、下游側鄰溝部位P5含量較高，最高為16.8%，開采表明該部位存在崩坡積碎礫石、沖洪積塊、碎礫石集中現象，模型分析結果和現場高度吻合。另外從三個屬性模型綜合分析看：黏粒含量較高、P5含量較低的部位含水率普遍較高，最高為21.6%，集中在料場的中部及前緣部位。利用信息化技術手段，可以直觀地表達不同屬性土料空間分布情況，能實現自動分層、分區(qū)，更好地解決復雜土料的設計利用，指導現場開采和摻拌利用。

5 結 語

(1)兩河口水電站為已建世界第二高土石壩，心墻防滲土料設計用量大，單個土料場不能滿足設計用量要求，因此，兩河口防滲土料料源多，且分散，土料來源多。

(2)防滲土料料源復雜，一是土料形成的成因類型較多既有風化作用形成的殘積土，又有沖積、沖洪積、坡積等形成的含礫土及碎礫石土；二是土料空間分布不均一。

(3)鑒于防滲土料料源的復雜性，并針對防滲土料的特點，從勘探布置及試驗取樣進行了研究，形成了土料分區(qū)網格化布置勘探，隨著工程建設階段逐步加密加深勘探，最終以井探為主，實現每米連續(xù)取樣的土料勘查方法，工程實踐證明，應用該方法基本查清了多源復雜防滲土料的工程地質特性，為土料評價、開采及利用打下了堅實的基礎。

(4)依據測繪、勘探及試驗成果，對防滲土料評價體系進行了研究。經過兩河口工程實踐，建立了以地質測繪、勘探及試驗為基礎，以信息化為手段，以分區(qū)、分層為方法，對防滲土料分類歸納，服務于土料的開采、利用及改性，實現土料質量優(yōu)良為目標的評價體系。