雙江口心墻堆石壩深厚覆蓋層地基處理研究

李永紅

(中國(guó)水電顧問集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,四川 成都 610072)

1 前 言

雙江口水電站是大渡河干流水電開發(fā) 22級(jí)梯級(jí)規(guī)劃中的第五級(jí),為大渡河流域的上游控制性水庫(kù)工程。電站采用壩式開發(fā),為一等大(1)型工程。水庫(kù)正常蓄水位 2500m,水庫(kù)總庫(kù)容為 28.97億m3,具有年調(diào)節(jié)能力。電站裝機(jī)容量 2000MW,多年平均年發(fā)電量 80.97億 kW·h。樞紐工程由攔河大壩、泄洪建筑物、引水發(fā)電系統(tǒng)等組成。攔河大壩為土質(zhì)心墻堆石壩,最大壩高 314m,壩頂高程2510m,壩體填筑總量約 4400萬(wàn) m3。

工程場(chǎng)地地震基本烈度為Ⅶ度。大壩壩基地層巖性主要為燕山早期木足渡似斑狀黑云鉀長(zhǎng)花崗巖。現(xiàn)代河床及谷坡中下部坡腳地帶分布有沖洪積堆積和崩坡積堆積物。河床覆蓋層一般厚 48～57m,主要為漂卵礫石、(砂)卵礫石層,局部夾砂層透鏡體。

目前,國(guó)內(nèi)缺乏建設(shè) 300m級(jí)高的高土石壩的經(jīng)驗(yàn),國(guó)外的實(shí)例也不多。而國(guó)內(nèi)外在深厚覆蓋層地基上建壩經(jīng)驗(yàn)還沒有超過 200m。雙江口大壩規(guī)模巨大,壩址河床覆蓋層的特性及其合理處理或利用問題是勘測(cè)、設(shè)計(jì)的技術(shù)關(guān)鍵之一。

2 河床覆蓋層特性研究

2.1 覆蓋層的分布及物質(zhì)組成

雙江口壩址河床覆蓋層主要分布于現(xiàn)代河床。鉆孔揭示,河床覆蓋層一般厚 48～57m,局部深槽達(dá)67.8m,根據(jù)其物質(zhì)組成、層次結(jié)構(gòu),從下至上(由老至新)可分為 3層:第①層為漂卵礫石;第②層為(砂)卵礫石層;第③層為漂卵礫石層。覆蓋層及砂層透鏡體基本特征見表1、表2。

2.2 覆蓋層的力學(xué)特性研究

壩基深厚覆蓋層的密實(shí)度和顆粒組成直接關(guān)系其強(qiáng)度及變形特性,也是有效利用現(xiàn)場(chǎng)旁壓、動(dòng)探等試驗(yàn)參數(shù)和室內(nèi)試驗(yàn)力學(xué)參數(shù)的基礎(chǔ)。為評(píng)判壩基河床覆蓋層漂卵礫石、砂卵礫石和砂層透鏡體的密實(shí)度,雙江口工程前期設(shè)計(jì)階段在野外鑒別的基礎(chǔ)上,分別開展了重型動(dòng)力觸探和標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)。

為了研究壩基河床覆蓋層的承載力及變形特性,開展了現(xiàn)場(chǎng)載荷試驗(yàn)和鉆孔動(dòng)力觸探、標(biāo)貫、旁壓試驗(yàn)以及室內(nèi)壓縮試驗(yàn)。同時(shí),還與長(zhǎng)江科學(xué)院合作進(jìn)一步開展了間接的試驗(yàn)研究:對(duì)大壩基礎(chǔ)河床覆蓋層砂礫石進(jìn)行室內(nèi)模型試驗(yàn)和力學(xué)特性試驗(yàn),研究壩址區(qū)河床砂礫石旁壓模量、重型動(dòng)探擊數(shù)隨密度、級(jí)配以及上覆壓力的變化規(guī)律。并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)旁壓試驗(yàn)、動(dòng)探試驗(yàn)及鉆孔試驗(yàn)成果,推斷壩址區(qū)河床砂礫石的相關(guān)層密度,再以此為根據(jù)開展室內(nèi)力學(xué)性試驗(yàn),得出力學(xué)參數(shù)。

基于覆蓋層的基本地質(zhì)條件,以現(xiàn)場(chǎng)和室內(nèi)試驗(yàn)與研究成果為依據(jù),結(jié)合已建工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行工程地質(zhì)類比分析綜合研究,提出覆蓋層物理力學(xué)指標(biāo)建議值(見表3)。

表1 壩址河床覆蓋層特征

表2 壩址砂層(鉆孔揭示)特征

表3 壩址覆蓋層物理力學(xué)指標(biāo)建議值

3 防滲心墻覆蓋層地基的處理研究

3.1 處理方案的擬定

根據(jù)高壩工程的設(shè)計(jì)和建設(shè)經(jīng)驗(yàn),對(duì)于心墻部位河床覆蓋層的防滲處理,擬定了覆蓋層全部挖除和采用混凝土防滲墻防滲兩個(gè)處理方案進(jìn)行研究。

(1)心墻部位河床覆蓋層全挖方案(方案一):心墻部位河床覆蓋層全部挖除,心墻直接建于基巖上,心墻建基高程 2196.00m,最大壩高314m。壩殼底部剩余③-b、②-b及①-a砂層采用挖除處理。心墻部位河床覆蓋層全挖方案壩體斷面見圖1。

(2)防滲墻方案(方案二):為減小壩體的不均勻沉降和變形、增加大壩的抗震安全性,防滲墻方案擬將心墻底部③-b、②-b挖除處理,壩殼底部剩余③-b、②-b砂層采用挖除處理。該方案壩頂高程2510.00m,河床部位心墻底高程 2231.00m,最大壩高 279m。心墻下部未挖除覆蓋層采用兩道并列布置的全封閉混凝土防滲墻防滲,墻厚均為 1.4m,凈距離3m,防滲墻頂部設(shè)置灌漿廊道與防滲心墻連接,防滲墻最大深度41m。防滲墻方案壩體斷面見圖2。

3.2 綜合比較及結(jié)論

對(duì)全挖和防滲墻兩個(gè)方案從工程經(jīng)驗(yàn)、關(guān)鍵技術(shù)、壩坡穩(wěn)定性、滲流特性、應(yīng)力變形特性及施工組織等方面綜合比較(見表4),結(jié)果表明:

目前國(guó)內(nèi)外壩高超過 200m的土石壩的防滲心墻一般建在基巖地基上,且已有高 300m壩的設(shè)計(jì)和建設(shè)經(jīng)驗(yàn);而大壩防滲體置于覆蓋層上的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)尚在 200m級(jí)壩高以內(nèi),超過 200m壩的研究不多。雙江口工程為 300m級(jí)高壩,規(guī)模較世界上現(xiàn)有的深厚覆蓋層上的建壩有很大的提高,防滲墻方案基礎(chǔ)混凝土防滲墻的承載能力、防滲墻與心墻連接型式、防滲墻對(duì)心墻受力和變形的影響等關(guān)鍵問題均需深入研究;全挖方案將防滲心墻建于基巖上,工程經(jīng)驗(yàn)相對(duì)豐富,技術(shù)相對(duì)可靠。全挖方案除工程投資略高、大壩填筑強(qiáng)度略高等問題外,其它與防滲墻方案的差異不大。同時(shí),全挖方案覆蓋層深基坑施工已有類似工程經(jīng)驗(yàn)。因此,對(duì)高 300m級(jí)的雙江口壩選用心墻部位覆蓋層全挖的處理方案。

圖1 全挖方案大壩剖面示意

圖2 防滲墻方案大壩剖面示意

4 壩殼覆蓋層地基處理

針對(duì)壩殼位置河床覆蓋層的處理問題,重點(diǎn)開展了以下 3項(xiàng)研究:

4.1 地基不均勻沉降變形研究

河床覆蓋層上、下部漂卵礫石或含漂卵礫石層粗顆粒基本構(gòu)成骨架,結(jié)構(gòu)較密實(shí),具有較高的承載能力;中部砂卵礫石層粗顆粒不能完全構(gòu)成骨架,承載能力相對(duì)較低。三維有限元靜力分析表明,大壩建成運(yùn)行后漂卵礫石或含漂卵礫石層及中部砂卵礫石層承載能力均能達(dá)到壩基要求,施工期發(fā)生的不均勻沉降變形值不大,壩體變形分布較平順。

4.2 覆蓋層壩基抗滑穩(wěn)定研究

采用圓弧滑裂面極限平衡法進(jìn)行的壩坡穩(wěn)定分析表明,各種計(jì)算情況下壩坡穩(wěn)定的最危險(xiǎn)滑弧均經(jīng)過壩基覆蓋層,說明覆蓋層對(duì)壩體壩基的抗滑動(dòng)穩(wěn)定性有較明顯影響,但各種情況下最危險(xiǎn)滑弧的計(jì)算安全系數(shù)都能滿足壩體、壩基的穩(wěn)定要求。

采用非圓弧滑裂面摩根斯頓 -普賴斯法的分析表明,通過壩基砂層透鏡體的折線滑弧,在地震情況下壩體、壩基抗滑動(dòng)穩(wěn)定安全系數(shù)降低較明顯,為壩體、壩基抗滑動(dòng)穩(wěn)定的控制情況;分析也表明,增加壩體上游、下游壩腳部位的壓重對(duì)提高抗滑穩(wěn)定性的作用較明顯。因此,應(yīng)盡量清除壩基覆蓋層中砂層透鏡體,且對(duì)難以清除的透鏡體進(jìn)行壓重等處理。

4.3 地基砂層地震液化可能性研究

根據(jù)地勘試驗(yàn)研究成果,在遭遇設(shè)計(jì)地震情況下,壩基②-b、②-c、② -e等砂層為可液化砂層或處于臨界狀態(tài)。計(jì)算表明,建壩并在壩腳位置增加壓重處理后,由于材料有效應(yīng)力的增加,在設(shè)計(jì)地震情況下,壩基砂層的孔壓比一般不超過 0.45,表明填壩后壩基砂層在設(shè)計(jì)地震情況下不會(huì)液化。

綜上所述,作為壩基的漂卵礫石或含漂卵礫石層及中部砂卵礫石層能滿足承載力和變形要求,但壩基砂層結(jié)構(gòu)松散、力學(xué)指標(biāo)低,為壩體壩基抗滑穩(wěn)定的控制性薄弱環(huán)節(jié),需要進(jìn)行針對(duì)性的處理。根據(jù)砂層的特性、規(guī)模、分布位置及處理?xiàng)l件,結(jié)合心墻部位覆蓋層開挖,確定壩殼地基砂層的處理如下:

(1)上游壩殼地基砂層。②-b砂層位于上游壩殼底部部分在心墻基坑開挖范圍內(nèi)已經(jīng)全部挖除。另外上游壩殼底部覆蓋層內(nèi)分布有③-b、②-g、② -e、② -d、③ -a、② -c、② -f、③ -c等砂層,其中③-b分布范圍廣,厚度較厚,埋深較淺,予以挖除處理。② -g、②-e、② -d、③ -a位于圍堰底部,沒有條件處理,砂層不連續(xù),經(jīng)壩坡穩(wěn)定驗(yàn)算滿足壩坡穩(wěn)定要求,不予處理,但應(yīng)當(dāng)注意施工過程中的監(jiān)測(cè)。②-c、②-f、③-c砂層為小砂層,大部分在挖除②-b、③-b砂層范圍內(nèi)。

表4 心墻基礎(chǔ)覆蓋層全挖與防滲墻方案的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)比較

(2)下游壩殼地基砂層。②-b砂層在下游壩殼底部部分尚有 130m左右,鑒于②-b分布范圍廣,厚度較厚,為粉土質(zhì)砂,承載力低,天然狀態(tài)下處于液化臨界狀態(tài),為降低壩基不均勻沉降、提高壩體抗滑穩(wěn)定性,予以挖除處理。心墻下游側(cè)①-a尚有少部分在心墻開挖范圍以外,也應(yīng)挖除處理。②-a砂層位于下游壩腳,經(jīng)壩坡穩(wěn)定驗(yàn)算通過該砂層的滑弧滿足抗滑穩(wěn)定要求,可不作處理。

5 結(jié)束語(yǔ)

深厚覆蓋層具有勘探與試驗(yàn)工作難度大、工程特性復(fù)雜及工程處理困難等特點(diǎn)。雙江口工程采取多種方法進(jìn)行勘探、試驗(yàn),研究其工程特性,并通過方案比較和對(duì)關(guān)鍵技術(shù)問題的分析研究,針對(duì)壩基的不同部位和覆蓋層分布特點(diǎn)提出了挖除、保留利用或壓重等綜合處理措施,以保證工程技術(shù)可行并盡量節(jié)省工程投資。