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探寻国外某水电站坝址河床深厚覆盖层工程地质勘察

2021-12-08 106 上传者：管理员

摘要：河床深厚覆盖层勘察是水电工程勘察中的技术难题之一。某水电站坝址河床覆盖层厚度较大、成因多样、组成混杂、结构不均,致使工程地质性状复杂[1],存在渗漏量大、渗透稳定及砂土液化等问题[2],如研究不清楚,将严重制约后续工程设计和施工组织设计。本文通过物探、钻探、孔内原位测试及室内试验等手段,对深厚覆盖层的物质组成特征、物理力学性质、渗透性能、地基液化等进行了研究。

关键词：
不均匀沉降
水电站选址
河床深厚覆盖层
渗透稳定
砂土液化
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1、概述

某水电站位于巴基斯坦开伯尔-普赫图赫瓦省（KPK省）东部曼瑟拉（Mansehra）地区的库娜（Kunhar）河上。首部拦河坝为沥青心墙堆石坝，坝顶高程2239.5m，最大坝高（河床面以上部分）为54.5m，坝顶长度为255.5m，坝基位置存在深厚覆盖层，但由于钻探深度不足和方法不当，未能查明坝基河床覆盖层的具体厚度、结构、物质组成及其工程地质性状，尤其是河床覆盖层中是否存在连续分布的粉细砂层、架空层或漂孤石层。国内专家通过对深厚覆盖层的成因以及渗透特征、力学参数等进行了试验分析，提出了相应的评价指标和体系[4]。本文通过对深厚覆盖层的物质组成特征、物理力学性能、渗透性能及参数取值进行了研究，为工程的设计和施工提供了依据。

2、基本地质条件

坝址位于卡汗（Kaghan）镇上游约9km，属中山～高山地貌，河谷形态为不对称“U”字形河谷，谷底宽200～250m。坝轴线附近河水流向大致为SW255°，河床部位高程约2190m，平水期河面宽约40m。

根据勘察期间物探测试和钻探揭露成果，河床覆盖层最大厚度达120多米。坝轴线地质剖面见图1，河床覆盖层等厚度图见图2。

根据钻探揭露资料，河床覆盖层自上而下大致可分为四层，即：

第(1)层主要以含漂石、卵砾石粘质粉土，灰褐色，干，松散～稍密状，砾石含量10%～15%，粒径0.5～7cm；卵石含量约10%～20%，直径8～20cm；漂石直径30～50cm，局部可见大孤石，直径可达3～4m。本层多具中等压缩性。孔内揭露厚度0.4～3.4m。

第(2)层主要以漂、卵、砾石为主，局部夹含砾粘质粉土，其中漂石、卵石约占50%～60%，砾石约占20%～30%，岩性以石英云母片岩、花岗岩、石英岩及辉绿岩为主，中密～密实状，局部含少量中粗砂。推测漂石最大直径超过4m，局部夹薄砂层。本层整体具低压缩性。孔内揭露厚度13.1～35.0m。

第(3)层主要为粉细砂、中粗砂及中细砂，局部夹砾石，粘质粉土及粉质粘土，灰黑色或灰黄色，中密～密实状，局部粘粒含量稍高，有臭味。个别钻孔未揭穿本层，按揭穿本层钻孔统计，该层厚度7.4～36.6m。

由于本层成分以性状相对较差的粉细砂、中细砂为主，因此总体性状也受控于此两种成分总占比。通过对揭穿第(3)层的四个钻孔孔内情况统计，粉细砂占第(3)层比值分别为54%、59.5%、62.1%及29.2%；中细砂分别为3.3%、13.6%、37.9%及53.4%。整体考虑，本层具低压缩性。

第(4)层主要以漂、卵、砾石为主，漂卵砾石多呈次棱角状，漂、卵砾石含量超过80%，含有含砾粉质粘土或含砾粘质粉土，密实状。个别位置有架空现象，钻孔钻进过程中，漏浆严重。本层具低压缩性。根据揭穿本层的3个钻孔统计，该层厚度24.5～62.5m。

根据地震危险性评估成果，坝址区50年超越概率10%的基岩地震动峰值加速度为0.26g，相应的中硬土场地峰值加速度分别为0.32g，相当于地震基本烈度Ⅷ度。

3、覆盖层物理力学性质

3.1 室内试验

勘察期间在竖井中对第(1)、(2)及(3)层取样并进行了颗分试验，根据颗分试验成果绘制的各层土平均粒径的颗粒级配曲线见图3；在竖井和钻孔内取试样进行了相对密度试验，试验成果表明第(2)层相对密度为0.29～0.43，平均值0.34；第(3)层为0.47～0.81，平均值为0.63。

3.2 现场原位试验

勘察期间，在粗粒土为主的土层进行了圆锥动力触探试验（重型），在砂类土中进行了标贯试验。

3.2.1 重型动力触探试验

按实测击数标准值，除(1)层中粘质粉土含碎石、块石或角砾、(3)层中砂质砾石之外，其余各土层击数一般为10～30击；如按经杆长修正后的击数标准值评价，大部分土层平均击数介于10～20击之间；第(3)层中占主导地位的砂类土的实测动探击数（N63.5'）标准值为15.8击，经杆长修正后动探击数（N63.5）标准值为9.6击。

由于各土层岩性复杂、均一性较差，造成试验结果的离散性较大，但总体上仍具有一定规律性，即：粗粒土的击数一般高于细粒土，深部土层击数一般高于浅部土层。坝基土整体呈中密～密实状。

3.2.2 标贯试验

对河床部位钻孔内的砂层，进行了标准贯入试验，结果表明：第(1)层实测击数和修正后击数均为5～7击，平均6击；第(3)层实测击数13～55击，平均32.8击，标准值29.5击；修正后击数7.5～31.4击，平均18.9击，标准值17.0击。综上可知，该层主要呈中密～密实状局部呈稍密状，说明该层土体的均一性较差。

3.3 土体剪切波测试

为确定坝址区场地类别及对细粒土震动液化进行判别，在坝址区12个钻孔覆盖层中进行了剪切波测试，计算的各孔地层等效剪切波波速范围值257～316m/s，平均值280m/s，综合判定场地类别为Ⅱ类中硬土场地。

3.4 土体渗透性

3.4.1 钻孔内注水试验

勘察期间，在钻孔内不同层位进行了注水试验。由钻孔注水试验表明：

第(1)层：一组试验的渗透系数为6.07×10-6cm/s，为微透水。

第(2)层：以巨粒土为主的段渗透系数一般为2.11×10-4～4.26cm/s，总体为中等透水～强透水，局部为极强透水；以粗粒土为主的段渗透系数一般为9.85×10-5～1.21×10-2cm/s，以中等透水～强透水为主。根据勘察揭露，第(2)层中以巨粒土为主，粗粒土仅以透镜体状出现，不具有成层性，因此该层渗透仍受控于巨粒土。

第(3)层：渗透系数一般为3.25×10-6～2.59×10-5cm/s，总体为微透水～弱透水。

第(4)层：渗透系数一般为2.96×10-4～6.47×10-3cm/s，均为中等透水。由于在钻孔钻进过程中，该层局部位置漏浆严重，个别钻孔进尺1m漏浆达1吨，据此推测该层巨粒土局部存在架空现象，渗透性可能比试验值偏大。

3.4.2 钻孔抽水试验

勘察过程中，在3个钻孔内进行了抽水试验。第(2)层为中等透水，渗透系数为8.24×10-4～1.04×10-3cm/s；第(3)层为弱透水，渗透系数分别为4.62×10-5cm/s、1.70×10-5cm/s。

受现场设备条件制约，本次抽水试验仅有2段实现了3个降深，其余段次试验仅取得水泵最大泵量下的降深，估计第(2)层中的试验结果比实际情况小。

4、主要工程地质评价

4.1 渗漏量估算

综合考虑坝址区河床覆盖层水文试验结果，认为河床深厚覆盖层存在渗漏问题。进行渗漏量估算时，第(2)层渗透系数取该层建议值6.0×10-3～4.0×10-2cm/s，即5.184～34.56m/d；第(3)层取建议值5.0×10-5～2.0×10-4cm/s，即0.04～0.173m/d；第(4)层取建议值4.0×10-3～2.0×10-2cm/s，即3.456～17.28m/d。

根据设计方案，按大坝建基面以下考虑坝基渗漏，坝基渗漏计算考虑(2)、(3)及(4)层。第(3)层的渗透系数比第(2)层小很多，则假定第(3)层为相对隔水层，按卡明斯基公式（见公式1）计算第(2)层渗漏量；第(3)、(4)层按双层透水地基考虑进行渗漏计算（见公式2）。

式中，Q-总渗漏量（m3/s);

B-漏水段宽度（m);

K-第(2)层渗透系数（m/d）；赋值5.184～34.56m/d;

K1-上部透水层渗透系数（m/d）；赋值0.04～0.173m/d;

K2-下部透水层渗透系数(m/d)；赋值3.456～17.28m/d;

H-上、下游水头差(m)；按正常蓄水位2233m，正常尾水位2196.3m计算，取值36.7m;

2b-坝基宽度(m)；按每段计算平均宽度；

M-第(2)透水层厚度（m);

M1-第(3)透水层厚度（m);

M2-第(4)透水层厚度（m);

根据设计方案，按坝基底部起算，按渗透系数的大值估算，覆盖层坝基渗漏量约为3584.6～21835.1m3/d，约0.04～0.253m3/s，渗漏量较大，需采取工程措施进行处理。

4.2 渗透稳定性

根据设计方案，河床坝基主要坐落在第(2)层漂卵砾石层上。根据颗分资料，该层的不均匀系数大于5，且超过200mm的粒径大于50%，细颗粒土含量Pc<25%，因此本层地基土存在管涌破坏的可能性，建议的允许渗透比降0.1～0.15。

第(3)层为砂类土，取扰动样进行渗变试验，试验结果见表1。由渗透变形试验结果可知，第(3)层砂类土层渗透破坏形式以流土为主，建议的允许渗透比降0.2～0.25。根据颗分资料，第(2)层土与第(3)层土的不均匀系数均大于10，且D10/d10>10，存在接触冲刷的风险。综上所述，坝基深厚覆盖层级配不良，渗透性较强，渗透稳定性差，存在渗透破坏的可能性，需控制坝基渗漏，保证坝基渗透稳定。

4.3 地震液化特性

鉴于第四系全新统地层中的第(2)层漂卵砾石为主地层中的无粘性土及少粘性土透镜体，以及第(3)层砂层为主的地基土存在液化可能性，因此对其进行判别。

4.3.1 初判

按照规范中附录M[3]的规定，对地基土的液化可能性进行初判：

4.3.1.1 粒径判别

土的粒径大于5mm颗粒含量的质量百分率大于或等于70%时，可判为不液化。第(2)层巨粒土中粒径大于5mm的颗粒含量大于70%，由此排除其液化的可能性，且本层中粗粒土多呈透镜体状出现，被排水良好的巨粒土围限，即使地震，土体内孔隙水压力不具备瞬间增大的可能性，因此可排除其液化的可能性。

4.3.1.2 粘粒含量

对粒径小于5mm颗粒含量质量百分率大于30%的土，其中粒径小于0.005mm的颗粒含量质量百分率相应于地震设防烈度七度、八度和九度分别不小于16%、18%和20%时，可判为不液化。对于野外定名为粘性土的地层，其粘粒含量均超过25%，由此排除地基土中第(3)层中粘性土液化的可能性。

4.3.1.3 剪切波速法

通过钻孔剪切波测试，与计算的上限剪切波速相比较，当实测剪切波值小于计算上限剪切波速时，则初判为液化。

综上所述，初判地基土中第(3)层无粘性土为可能液化层。

4.3.2 复判

根据勘察期间的钻孔揭露，第(3)层土多分布在建基面以下15m深度以下，因此复判采用相对密度法。由表2可知，第(3)层的相对密度平均值为0.63，从上到下有逐渐增大的趋势。根据规范要求，若按地震设防烈度八度考虑，坝址区无（少）粘性土液化临界相对密度(Dr)cr为0.75，根据相对密度试验成果，通过类比判断，该层大多数部位存在液化的可能性。综上所述，通过复判，第(3)大层土存在液化的可能性。考虑大坝的修筑，将对地基土进行压密，可以消除大部分坝体范围内地基土液化可能性，但由于坝脚部位上覆较薄，且第(3)大层在左岸河床埋深浅，存在液化风险，建议进行处理。

5、结论

河床坝段将坐落在深厚覆盖层上。覆盖层的物质组成以漂、卵、砾石为主，为中等～强透水性，局部为极强透水性，渗漏量较大，需采取工程处理措施。坝基深厚覆盖层级配不良，渗透性较强，渗透稳定性差，存在渗透破坏的可能性，需控制坝基渗漏，保证坝基渗透稳定。河床坝基段，因覆盖层物质组成杂乱、均一性差，地基土的压缩模量差异性较大，坝基将存在不均匀沉降问题。综合判定，第(3)大层存在液化的可能性，建议进行处理。拦河坝坝基部位施工期将形成基坑，鉴于第(2)层地基土的渗透系数较大，基坑涌水问题突出。建议对上、下游围堰地基进行处理，以减少基坑涌水量。做到排水、防渗措施结合。

参考文献:

[1]李会中.郝文忠,潘玉珍,等.乌东德水电站坝址区河床深厚覆盖层组成与结构地质勘察研究[J].工程地质学报.2014,22(5)944-950.

[2]孙凡.新疆某水电站坝址河槽深厚覆盖层工程地质特性[J].黑龙江水利,2016,2(12):41-44,49.

[3]GB50287-2006.《水力发电工程地质勘察规范》[S].北京:中国计划出版社,2008.

文章来源：董承山.国外某水电站坝址河床深厚覆盖层工程地质勘察[J].科学技术创新,2021,(35):112-114.