冶勒水電站深厚覆蓋層建壩的工程地質條件研究

李 靜，谷江波

（中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川成都 610072）

冶勒水電站深厚覆蓋層建壩的工程地質條件研究

李 靜，谷江波

（中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川成都 610072）

冶勒水電站大壩壩基覆蓋層深厚，層次結構復雜，各層物理力學特性差異較大。本文主要就冶勒水電站深厚覆蓋層建壩的工程地質條件、主要工程地質問題及處理措施等有關研究成果進行了分析說明，對同類工程具有一定的類比及指導意義。

冶勒水電站；深厚覆蓋層；工程地質問題；類比

1 概 況

冶勒水電站為四川南椏河“一庫六級”梯級開發的龍頭水庫電站工程。電站主要由瀝青混凝土心墻堆石壩、泄洪放空建筑物、引水發電系統等樞紐建筑物組成。瀝青混凝土心墻堆石壩最大壩高125.5 m，大壩地基防滲深度達200 m，采用防滲墻與帷幕聯合防滲處理方式。水庫總庫容2.98億m3，具多年調節能力，電站裝機容量240 MW，年發電量5.88億kW·h。

工程區處于川滇南北向構造帶北段的冶勒斷塊上，區域地質和地震地質條件復雜。壩址覆蓋層深厚，層次結構復雜，各層物理力學特性差異較大，覆蓋層工程地質特性研究、基礎防滲處理等是冶勒水電站建壩的關鍵技術問題。

2 壩基覆蓋層工程地質條件

冶勒水電站壩址右岸及河床下部由第四系中～上更新統的卵礫石層、粉質壤土和塊碎石土組成，屬冰水河湖相沉積層，厚度大于420 m。根據沉積環境、巖性組合及工程地質特征，自下而上（由老至新）分為五大巖組［1］。

第一巖組（Q22Ⅰ）弱膠結卵礫石層：以厚層卵礫石層為主，偶夾薄層狀粉砂層。該巖組深埋于壩基下部，最大厚度大于100 m，最小厚度僅15～35 m，具有弱透水性，并構成壩基深部承壓含水層，承壓水具有埋藏深、水頭高、動態穩定的特點。

第二巖組（Q31Ⅱ）褐黃或灰綠色塊碎石土夾硬質粘性土層：結構密實，呈超固結壓密狀態，透水性微弱。該巖組在壩址河床部位其頂板埋深18～24 m，厚度一般為31～46 m。該巖組既是壩址深部承壓水的相對隔水、抗水層頂板，又是壩基防滲處理工程的主要依托對象。

第三巖組（Q32-1Ⅲ）卵礫石層與粉質壤土互層：分布于壩基上部及右岸壩肩下部，總厚度45～154 m，是壩基主要持力層，同時也是壩基和右壩肩下部防滲處理的主要地層。粉質壤土其間夾數層炭化植物碎屑層，局部含礫粉質壤土透境體，在空間分布上由盆地邊緣向中心具有厚度增大、層次增多的變化趨勢。

第四巖組（Q32—2Ⅳ）弱膠結卵礫石層：厚度65～85 m，層間夾數層透鏡狀粉砂層或厚約0.2～3 m粉質砂壤土。泥鈣質空隙式弱膠結為主，局部基底式鈣質膠結，多呈層狀或透鏡狀分布，存在溶蝕現象。具較弱的含水、透水性能，為右岸壩肩上部防滲處理的主要地層。

第五巖組（Q32—3Ⅴ）粉質壤土夾炭化植物碎屑層：系一套以湖沼相為主的冰水—河湖相沉積層，厚約90～107 m，與下伏巨厚卵礫石層呈整合接觸。層內夾3～8層礫石層，單層厚度0.8～5 m，具粒度小、膠結程度相對較差的特點。

構成壩基五大巖組的含水性和透水性不均一。其中，第一、第四、第三巖組的卵礫石具弱透水性，第三、五巖組粉質壤土和第二巖組塊碎石土夾硬質土具微弱～極弱透水性。據水文地質測試成果，各巖組的含水、透水性具有如下特征：

第一、四巖組以弱透水的卵礫石層為主，夾薄層微弱透水的粉細砂或粉質壤土透鏡體。由于卵礫石層的充填與膠結程度不一，以及局部存在溶蝕空洞，其透水、含水性也存在不均一性，滲透系數一般（1.0～5.0）×10-3cm／s，小者僅（1.58～3.16）×10-4cm／s，第四巖組卵礫石層局部達9.86×10-3cm／s。

第二巖組為微弱透水的塊碎石土夾硬質土，第五巖組以極弱透水的粉質壤土及粉質砂壤土為主，其含水性差，滲透系數小于2.2×10-5cm／s，具有相對隔水的特點。

第三巖組總體以弱透水卵礫石層與極弱透水粉質壤土互層，具有弱透水層與局部隔水層相間分布的特點。該巖組上部以極弱透水的粉質壤土夾弱透水卵礫石透鏡體，具有微弱透水性。其中，卵礫石層滲透系數一般（1.27～5.19）×10-3cm／s，小者約4.32×10-4cm／s；粉質壤土滲透系數小于2.2× 10-5cm／s，透水性微弱。

3 土體的物理力學特性

壩址區上述的五大巖組地層在堆積過程中經歷了不同程度的泥鈣質膠結和超固結壓實作用。據卵礫石層的膠結物質和粉質土的化學成分分析，第三、四巖組卵礫石層膠結物的CaO、MgO和燒失量之和均高達50%以上；粉質土中以第三巖組青灰色粉質壤土的CaO、MgO和燒失量較高（45%左右），第二巖組的黃色硬質粘性土則僅占10%。可見第三、四巖組鈣質膠結作用較強，第二巖組基本不具鈣質膠結特征。壩段內五大巖組的原始堆積面高程達2 750 m，取自壩址河谷底部2 540 m高程的第二巖組黃色硬質粘性土和第三巖組青灰色粉質壤土，在壓縮試驗中求得其先期固結壓力分別為6.0 MPa和4.5 MPa，這種較高的先期固結壓力與河谷底部土層所承受過的上覆歷史荷載基本一致，反映出壩段各巖組土層皆屬超壓密土。故具有密度大、強度高、壓縮性低和透水性弱的特點［1］。

3.1 土體的物理性質

（1）顆粒組成及結構特征。根據巖組的顆粒組成可以分為粗、細粒土兩大類。粗粒土以礫石為主，其含量占43%～63%，不均勻系數178.57～828.6，累積曲線基本上呈含砂率少的低緩坡型；細粒土以粉粒含量為主，占50%～63%，不均勻系數8.3～15.0，屬級配良好的粉土。

（2）物理性。據五大巖組物理性指標，粗粒土類比重為2.77～2.83，干密度為1.94～2.24 g／cm3，空隙比為0.48～0.64。它們均具有較大的干密度和較小的空隙比，屬密實土層；尤以細粒土因受到較大的先期固結壓力，達到較高的固結程度，其干密度較一般土層高。

（3）滲透性。由現場和室內試驗成果可知，壩址區五大巖組密度較大，結構緊密，其透水性一般較弱。其中，粉質壤土、黃色硬質土和塊碎石土滲透系數K＝3.51×10-5～5.6×10-9m／s，屬極弱～微弱透水層，可視為相對隔水層；卵礫石層K＝5.19× 10-3～1.58×10-4cm／s，屬弱透水層。

3.2 土體的力學性質

（1）變形特性。對壩基第二巖組塊碎石土夾硬質粘土、第三巖組青灰色粉質壤土和第三、四巖組卵礫石層進行了10組大型現場荷載試驗，最大荷載達2.2 MPa，試驗成果如圖1所示。由試驗成果表明：其P～S關系曲線未出現明顯轉折點；用作圖法求得的比例界限Pkp荷載的沉降量僅為0.314～1.122 cm，其沉降量不大。

圖1 現場載荷試驗P-S曲線

細粒土原狀樣室內試驗共進行了19組，其中第二巖組黃色硬質粘性土和第三巖組粉質壤土各9組，第五巖組粉質壤土1組，最大垂直荷載為1.6 MPa，試驗成果表明，均屬于低壓縮土。水利水電科學研究院對第二巖組黃色硬質粘性土和第三巖組之青灰色粉質壤土進行壓縮性試驗時，當施加最大壓力達3.2MPa時，其壓縮曲線的正常壓密段仍未出現，經使用圖解法求得的第二、三巖組細粒土的先期固結壓力在4.5～6.0MPa之間。

這種承受過較高的先期固結壓力的超固結壓密土體，其表部變形模量值是通過原位承載試驗，以比例極限Pkp對應的沉降量為基準，按布氏理論計算確定的。根據太沙基、弗洛林、雅羅申柯等研究，土體的變形模量具有隨埋深增加、圍壓增大而增大的規律性，故對于3～5m深度以下的土體可適當的提高變形模量值。

（2）抗剪強度。壩址第三巖組之粉質壤土及第二巖組塊碎石土夾黃色硬質粘性土是控制壩基抗滑穩定的土層。現場原位大剪試驗及室內小三軸剪等試驗成果表明，同一種土體在不同試驗條件下，其抗剪強度值均較高，且差值不大，摩擦角φ介于33.27°～35.94°之間，凝聚力C值均大于0.1MPa。小三軸剪試驗所得到的應力～應變曲線均有峰值出現，一般呈駝峰型軟化形式脆性破壞，顯示出具超固結壓密土的剪切破壞特征。

（3）抗滲強度。壩段土體現場及室內原狀樣滲透變形試驗結果表明，第三巖組之粉質壤土和第二巖組塊碎石土、黃色硬質土的抗滲強度均較高，破壞比降為12.2～13.93以上，其破壞形式主要是流土，試件破壞時在土體下游面僅出現局部開裂或鱗片狀剝落。第三、四巖組卵礫石由于具有泥鈣質膠結作用，其抗滲強度亦較高，破壞比降為4.25～10.4以上。壩段各巖組抗滲強度較高，臨界比降和破壞比降值均超過一般同類的非超壓密土。

（4）動力特征。標準慣入法、跨孔法和動三軸剪力特性試驗成果表明，第二巖組黃色硬質粘性土標貫擊數為46～59擊，橫波速度為488～499m／s；第三巖組青灰色粉質壤土標貫擊數為56～106擊，橫波速度為463～499m／s。在動三軸試驗中，土樣在振動過程中，孔隙水壓力普遍發展緩慢，多呈軟化型脆性破壞，動強度值高。故該類土具有標貫擊次高、波速高和動強度值高的特點，屬超固結壓密土。

4 壩基（肩）覆蓋層工程地質問題及處理措施

4.1 壩基（肩）滲漏

埋藏于壩基下部49～70m的第一巖組（Q22Ⅰ）為深部承壓含水層，滲透系數K＝（1.15～5.75）× 10-3cm／s，承壓水體逕流緩慢，排泄不暢。根據大型三向電模擬滲流試驗，在無任何防滲情況下，建庫后庫水通過第一巖組的滲流量由建庫前的0.165～0.177m3／s增加到0.285～0.298m3／s，僅增加0.12 m3／s，其滲漏量和增加值均很小。因此，對分布于壩基下部的第一巖組可不考慮進行防滲處理。

右壩肩2650m高程以下至壩基河床下部深約18～24m一帶為第四、第三巖組，垂直厚度128～137m，卵礫石層透水性不均一，岸坡地下水位低。蓄水后壩基及右壩肩的第三、第四巖組（特別是第四巖組）將是其滲漏的主要途逕。據三向電模擬滲流試驗結果，建庫后無防滲設施情下，通過第三、第四巖組的滲流量為0.665～0.669m3／s，約占總滲流量0.957～0.95m3／s的70%左右。應對其采取相應的防滲工程處理措施，以減少其滲漏量，確保抗滲穩定性。根據基礎土體的水文工程地質條件，在河床壩基部位可將垂直防滲插入到第二巖組塊碎石土夾硬質土層之中，在右岸壩肩（或7號溝一帶），由于第二巖組埋藏較深，綜合考慮基礎滲透及防滲處理難度，可采用懸掛式防滲處理方式。

左岸壩肩2700m高程以下為坡崩積塊碎石土和第二巖組塊碎石土層所覆蓋，坡崩積層厚度小，一般3～5m，結構松散，工程地質性狀差；第二巖組黃色塊碎石土層，結構密實，透水性微弱，工程地質性狀好。

壩基防滲漏及防滲透處理措施應與大壩基礎地質條件相適宜，基礎防滲布置形式采用混凝土防滲墻與帷幕灌漿相結合的防滲方式，從左岸～河床～右岸基礎防滲分別采用帷幕灌漿、防滲墻＋帷幕、防滲墻、防滲墻＋帷幕的布置方式，可有效減少繞壩滲漏量；河床和右岸壩肩基礎防滲均以第二巖組為防滲依托層，構成了一個完整的防滲體系；右岸臺地采用懸掛式防滲方式，可有效減少壩肩繞滲量。

4.2 壩基（肩）抗滲穩定

壩基及右岸壩肩分布的第三、第四巖組卵礫石層及粉質壤土層，抗滲性能好，設置一定的防滲工程后即可使該巖組處于抗滲穩定狀態。

（1）壩下游河床中分布有厚約50 m的第二巖組，由于下伏第一巖組未進行防滲處理，因此第二巖組將承受較高的水頭壓力。根據大型三向電模試驗表明，水庫蓄水后，第二巖組頂板水頭差達70.9 m，其滲透比降為1.418，小于第二巖組塊碎石土的允許比降3.8～4.8，故第二巖組不存在管涌問題。此外，由于壩下游河床下部厚約50 m的第二巖組土體自重小于其下部第一巖組承壓水的滲透壓力，在70.9 m水頭差的滲透壓力作用下，是否會發生整體性的流土破壞，主要取決于被移動土體與周圍土體間的抗剪強度。也就是說若發生整體流土破壞現象，可視為土體間產生垂直剪切破壞，判別如下［2］：

①臨界上浮力包括土體自重壓力與側向約束力兩部分，臨界上浮力Pk為：

式中 r′—土體浮容重，T／m3；取r′＝1.3 T／m3；

H—土體厚度，取H＝50 m；

R—土體半徑，取R＝20 m；

C—凝聚力，取C＝0.1 MPa。

②承壓水上升作用的滲透壓力（上浮力）

式中 γω—水的密度，γω＝1.0 T／m3；

h—蓄水后作用于土體頂底板的水頭差，取h＝70.9 m。

③當Pk≥P時，土體不會發生流土破壞；Pk＜P時，土體可能發生流土破壞。

通過驗算復核，第二巖組的自重壓力與側向約束力之和Pk＝1.127 MPa，大于作用在該土體頂底板的上浮力P＝0.695 MPa，安全系數K＝1.62。因此，埋藏于壩下游第二巖組在建庫后將不會發生整體流土破壞現象，即該部分土體是處于穩定狀態的。

（2）壩基及右岸壩肩部位的弱膠結卵礫石層與超固結粉質壤土層接觸面結合緊密，透水性較弱。據在壩體下游的第三巖組卵礫石層與粉質壤土接觸面上進行的一組滲透變形試驗成果，其滲透破壞比降達4.25時（與卵礫石層破壞比降一致），除在卵礫石中發生少量的細粒帶出及小裂紋之局部管涌外，在接觸面上未發生任何其它破壞現象，蓄水后不會發生接觸沖刷問題。

4.3 壩基變形

壩址區左岸壩肩基巖面埋藏相對較淺，壩基及右岸壩肩下基巖面變化大，埋深較大，總體變形趨勢是自上游向下游、從左岸往右岸盆地中心傾斜，形成左岸覆蓋層較薄，壩基覆蓋層較厚、右岸覆蓋層深厚的特點。由于壩基下部基覆界面變化大，覆蓋層厚薄不同，各巖組物理力學性能存在一定的差異，壩基變形存在不對稱性和不均一性，有由左岸向右岸發生“傾斜”變形的現象，對壩體及心墻的應力分布及變形帶來一定的影響。

河床壩基淺層部位，分布的“ⅢB”粉質壤土層，其頂板埋深0.5～4 m，厚0.5～17.5 m，自壩基上游往下游逐漸增厚，亦應考慮“ⅢB”層厚度不等引起的壩基不均一沉降變形。雖然壩基基礎存在不均一變形問題，由于壩基持力層范圍內的土體，均屬超固結密實土體，力學性能較好，抗變形能力較強，其變形量不大，加之堆石壩底寬較大，對基礎變形的適應性強，故壩基變形對壩體的影響問題不突出。為盡可能減少基礎不均一沉降變形對心墻的影響，要求心墻部位基礎置于密實的原狀土體內，并在基礎面上設置混凝土基座，可改善基礎的應力狀態。

壩基由多層結構土體組成，其中壩下游的“ⅢB”粉質壤土層和“ⅢB”粉質壤土與下伏的卵礫石層或塊碎石夾硬質土層之接觸面，埋藏較淺，構成壩基潛在淺表層可能“滑移面”。當大壩填筑完成后，“滑移面”處于受壓狀態，對壩基抗滑穩定有利，且接觸面力學性能及膠結狀態均較好。此外，在壩體下游設置了寬約200 m，厚20～30 m的壩體壓重區，壩基抗滑穩定滿足要求。

4.4 壩基地震液化

據土體物理性試驗研究，壩基粉質壤土夾炭化植物碎屑層，粘粒含量Pc＝8%～28.5%，塑性指數Ip＝8.4～17.9，沉積時代為晚更新世中期，曾受到高達4.5～6.0 MPa的先期固結壓力作用，結構密實，動、靜強度指標高，標準貫入擊數在56擊以上。通過經驗判別法和H·B·Seed剪應力對比法判斷如下：

（1）地面最大加速度amax時，地面下深度H處的地震剪應力：

式中 amax—地面最大水平地震加速度，取0.30 g、0.45 g；

rd—水平地震剪應力隨深度折減系數；

rf—上覆土層平均飽和密度，T／m3；

△h—上覆土層分層高度，m。

（2）同一深度飽和土層抗震液化剪應力：

式中 τd／σ3c—室內動剪應力比，采用Kc＝1，Nf＝8、12、20的試驗值；

Cr—室內與現場應力比校正系數，取0.63；r′—土的有效容重，地下水位以下取浮容重，T／m3。

（3）判定：當τs≥τc，土層不液化；τs＜τc土層可能液化。

當地面最大水平地震加速度按50年超越概率5%和100年超越概率2%分別取amax＝0.30 g、0.45 g情況下，壩基不同深度飽和狀態的粉質壤土均不發生液化破壞。由于粉質壤土在壩基下埋藏較淺，且分布范圍較大，強震波及可能引起的局部孔隙水壓升高，降低抗剪強度，對壩基變形穩定和抗滑穩定不利。為此，在壩基分別設置減壓孔、反濾排水墊層和壩下游壓重等工程處理措施。

5 結 語

通過大量系統性的試驗與研究，查明了冶勒水電站復雜結構的覆蓋層壩基的工程地質條件，成功地解決了冶勒水電站在超深厚覆蓋層上筑壩的關鍵性工程地質問題，為工程設計提供了豐富翔實的基礎資料。主要的工程地質勘察研究方法及成果已經過了多年的運行檢驗，為我國特別是川西地區深厚覆蓋層建壩工程地質勘察研究積累了經驗。

［1]中國水電顧問集團成都勘測設計研究院有限公司.冶勒水電站深厚覆蓋層建壩的工程地質條件研究報告［R］.2008.

［2]夏萬洪，魏星燦，杜明祝.冶勒水電站壩基超深厚覆蓋層Q3的工程地質特性及主要工程地質問題研究［J］.水電站設計，2009，25（2）：81-87.

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1003-9805（2015）04-0019-04

2015-06-29

李靜（1963-），女，四川井研人，高級工程師，從事水電站工程地質勘測工作。