國外某水電站壩址河床深厚覆蓋層工程地質勘察

董承山

（中水北方勘測設計研究有限責任公司，天津 300222）

1 概述

某水電站位于巴基斯坦開伯爾- 普赫圖赫瓦省（KPK 省） 東部曼瑟拉（Mansehra）地區的庫娜（Kunhar）河上。首部攔河壩為瀝青心墻堆石壩，壩頂高程2239.5m，最大壩高（河床面以上部分）為54.5m，壩頂長度為255.5m，壩基位置存在深厚覆蓋層，但由于鉆探深度不足和方法不當，未能查明壩基河床覆蓋層的具體厚度、結構、物質組成及其工程地質性狀，尤其是河床覆蓋層中是否存在連續分布的粉細砂層、架空層或漂孤石層。國內專家通過對深厚覆蓋層的成因以及滲透特征、力學參數等進行了試驗分析，提出了相應的評價指標和體系[4]。本文通過對深厚覆蓋層的物質組成特征、物理力學性能、滲透性能及參數取值進行了研究，為工程的設計和施工提供了依據。

2 基本地質條件

壩址位于卡汗（Kaghan）鎮上游約9km，屬中山～ 高山地貌，河谷形態為不對稱“U”字形河谷，谷底寬200～250m。壩軸線附近河水流向大致為SW255°，河床部位高程約2190m，平水期河面寬約40m。

根據勘察期間物探測試和鉆探揭露成果，河床覆蓋層最大厚度達120 多米。壩軸線地質剖面見圖1，河床覆蓋層等厚度圖見圖2。

圖1 壩軸線剖面示意圖（面向下游）

圖2 壩址區覆蓋層等厚度圖

根據鉆探揭露資料，河床覆蓋層自上而下大致可分為四層，即：

第①層主要以含漂石、卵礫石粘質粉土，灰褐色，干，松散～稍密狀，礫石含量10%～15%，粒徑0.5～7cm；卵石含量約10%～20%，直徑8～20cm；漂石直徑30～50cm，局部可見大孤石，直徑可達3～4m。本層多具中等壓縮性。孔內揭露厚度0.4～3.4m。

第②層主要以漂、卵、礫石為主，局部夾含礫粘質粉土，其中漂石、卵石約占50%～60%，礫石約占20%～30%，巖性以石英云母片巖、花崗巖、石英巖及輝綠巖為主，中密～密實狀，局部含少量中粗砂。推測漂石最大直徑超過4m，局部夾薄砂層。本層整體具低壓縮性。孔內揭露厚度13.1～35.0m。

第③層主要為粉細砂、中粗砂及中細砂，局部夾礫石，粘質粉土及粉質粘土，灰黑色或灰黃色，中密～密實狀，局部粘粒含量稍高，有臭味。個別鉆孔未揭穿本層，按揭穿本層鉆孔統計，該層厚度7.4～36.6m。

由于本層成分以性狀相對較差的粉細砂、中細砂為主，因此總體性狀也受控于此兩種成分總占比。通過對揭穿第③層的四個鉆孔孔內情況統計，粉細砂占第③層比值分別為54%、59.5%、62.1%及29.2%；中細砂分別為3.3%、13.6%、37.9%及53.4%。整體考慮，本層具低壓縮性。

第④層主要以漂、卵、礫石為主，漂卵礫石多呈次棱角狀，漂、卵礫石含量超過80%，含有含礫粉質粘土或含礫粘質粉土，密實狀。個別位置有架空現象，鉆孔鉆進過程中，漏漿嚴重。本層具低壓縮性。根據揭穿本層的3 個鉆孔統計，該層厚度24.5～62.5m。

根據地震危險性評估成果，壩址區50 年超越概率10%的基巖地震動峰值加速度為0.26g，相應的中硬土場地峰值加速度分別為0.32g，相當于地震基本烈度Ⅷ度。

3 覆蓋層物理力學性質

3.1 室內試驗

勘察期間在豎井中對第①、②及③層取樣并進行了顆分試驗，根據顆分試驗成果繪制的各層土平均粒徑的顆粒級配曲線見圖3；在豎井和鉆孔內取試樣進行了相對密度試驗，試驗成果表明第②層相對密度為0.29～0.43，平均值0.34；第③層為0.47～0.81，平均值為0.63。

圖3 壩址區各層土擾動樣顆分（平均值）曲線

3.2 現場原位試驗

勘察期間，在粗粒土為主的土層進行了圓錐動力觸探試驗（重型），在砂類土中進行了標貫試驗。

3.2.1 重型動力觸探試驗

按實測擊數標準值，除①層中粘質粉土含碎石、塊石或角礫、③層中砂質礫石之外，其余各土層擊數一般為10～30 擊；如按經桿長修正后的擊數標準值評價，大部分土層平均擊數介于10～20 擊之間；第③層中占主導地位的砂類土的實測動探擊數（N63.5'）標準值為15.8 擊，經桿長修正后動探擊數（N63.5）標準值為9.6 擊。

由于各土層巖性復雜、均一性較差，造成試驗結果的離散性較大，但總體上仍具有一定規律性，即：粗粒土的擊數一般高于細粒土，深部土層擊數一般高于淺部土層。壩基土整體呈中密～密實狀。

3.2.2 標貫試驗

對河床部位鉆孔內的砂層，進行了標準貫入試驗，結果表明：第①層實測擊數和修正后擊數均為5～7 擊，平均6 擊；第③層實測擊數13～55 擊，平均32.8 擊，標準值29.5 擊；修正后擊數7.5～31.4 擊，平均18.9 擊，標準值17.0 擊。綜上可知，該層主要呈中密～密實狀局部呈稍密狀，說明該層土體的均一性較差。

3.3 土體剪切波測試

為確定壩址區場地類別及對細粒土震動液化進行判別，在壩址區12 個鉆孔覆蓋層中進行了剪切波測試，計算的各孔地層等效剪切波波速范圍值257～316m/s，平均值280m/s，綜合判定場地類別為Ⅱ類中硬土場地。

3.4 土體滲透性

3.4.1 鉆孔內注水試驗

勘察期間，在鉆孔內不同層位進行了注水試驗。由鉆孔注水試驗表明：

第①層：一組試驗的滲透系數為6.07×10-6cm/s，為微透水。

第②層：以巨粒土為主的段滲透系數一般為2.11×10-4～4.26cm/s，總體為中等透水～強透水，局部為極強透水；以粗粒土為主的段滲透系數一般為9.85×10-5～1.21×10-2cm/s，以中等透水～強透水為主。根據勘察揭露，第②層中以巨粒土為主，粗粒土僅以透鏡體狀出現，不具有成層性，因此該層滲透仍受控于巨粒土。

第③層：滲透系數一般為3.25×10-6～2.59×10-5cm/s，總體為微透水～弱透水。

第④層：滲透系數一般為2.96×10-4～6.47×10-3cm/s，均為中等透水。由于在鉆孔鉆進過程中，該層局部位置漏漿嚴重，個別鉆孔進尺1m 漏漿達1 噸，據此推測該層巨粒土局部存在架空現象，滲透性可能比試驗值偏大。

3.4.2 鉆孔抽水試驗

勘察過程中，在3 個鉆孔內進行了抽水試驗。第②層為中等透水，滲透系數為8.24×10-4～1.04×10-3cm/s；第③層為弱透水，滲透系數分別為4.62×10-5cm/s、1.70×10-5cm/s。

受現場設備條件制約，本次抽水試驗僅有2 段實現了3 個降深，其余段次試驗僅取得水泵最大泵量下的降深，估計第②層中的試驗結果比實際情況小。

4 主要工程地質評價

4.1 滲漏量估算

綜合考慮壩址區河床覆蓋層水文試驗結果，認為河床深厚覆蓋層存在滲漏問題。進行滲漏量估算時，第②層滲透系數取該層建議值6.0×10-3～4.0×10-2cm/s，即5.184～34.56m/d；第③層取建議值5.0×10-5～2.0×10-4cm/s，即0.04～0.173m/d；第④層取建議值4.0×10-3～2.0×10-2cm/s，即3.456～17.28m/d。

根據設計方案，按大壩建基面以下考慮壩基滲漏，壩基滲漏計算考慮②、③及④層。第③層的滲透系數比第②層小很多，則假定第③層為相對隔水層，按卡明斯基公式（見公式1）計算第②層滲漏量；第③、④層按雙層透水地基考慮進行滲漏計算（見公式2）。

式中，Q- 總滲漏量（m3/s）；B

- 漏水段寬度（m）；

K- 第②層滲透系數（m/d）；賦值5.184～34.56m/d；

K1- 上部透水層滲透系數（m/d）；賦值0.04～0.173m/d；K2- 下部透水層滲透系數(m/d)；賦值3.456～17.28m/d；

H- 上、下游水頭差(m)；按正常蓄水位2233m，正常尾水位2196.3m 計算，取值36.7m；

2b- 壩基寬度(m)；按每段計算平均寬度；

M- 第②透水層厚度（m）；

M1- 第③透水層厚度（m）；

M2- 第④透水層厚度（m）；

根據設計方案，按壩基底部起算，按滲透系數的大值估算，覆蓋層壩基滲漏量約為3584.6～21835.1m3/d，約0.04～0.253m3/s，滲漏量較大，需采取工程措施進行處理。

4.2 滲透穩定性

根據設計方案，河床壩基主要坐落在第②層漂卵礫石層上。根據顆分資料，該層的不均勻系數大于5，且超過200mm 的粒徑大于50%，細顆粒土含量Pc＜25%，因此本層地基土存在管涌破壞的可能性，建議的允許滲透比降0.1～0.15。

第③層為砂類土，取擾動樣進行滲變試驗，試驗結果見表1。由滲透變形試驗結果可知，第③層砂類土層滲透破壞形式以流土為主，建議的允許滲透比降0.2～0.25。根據顆分資料，第②層土與第③層土的不均勻系數均大于10，且D10/d10>10，存在接觸沖刷的風險。綜上所述，壩基深厚覆蓋層級配不良，滲透性較強，滲透穩定性差，存在滲透破壞的可能性，需控制壩基滲漏，保證壩基滲透穩定。

表1 壩址區第③層制備樣砂類土滲透變形試驗統計表

4.3 地震液化特性

鑒于第四系全新統地層中的第②層漂卵礫石為主地層中的無粘性土及少粘性土透鏡體，以及第③層砂層為主的地基土存在液化可能性，因此對其進行判別。

4.3.1 初判

按照規范中附錄M[3]的規定，對地基土的液化可能性進行初判：

4.3.1.1 粒徑判別

土的粒徑大于5mm 顆粒含量的質量百分率大于或等于70%時，可判為不液化。第②層巨粒土中粒徑大于5mm 的顆粒含量大于70%，由此排除其液化的可能性，且本層中粗粒土多呈透鏡體狀出現，被排水良好的巨粒土圍限，即使地震，土體內孔隙水壓力不具備瞬間增大的可能性，因此可排除其液化的可能性。

4.3.1.2 粘粒含量

對粒徑小于5mm 顆粒含量質量百分率大于30%的土，其中粒徑小于0.005mm 的顆粒含量質量百分率相應于地震設防烈度七度、八度和九度分別不小于16%、18%和20%時，可判為不液化。對于野外定名為粘性土的地層，其粘粒含量均超過25%，由此排除地基土中第③層中粘性土液化的可能性。

4.3.1.3 剪切波速法

通過鉆孔剪切波測試，與計算的上限剪切波速相比較，當實測剪切波值小于計算上限剪切波速時，則初判為液化。

綜上所述，初判地基土中第③層無粘性土為可能液化層。

4.3.2 復判

根據勘察期間的鉆孔揭露，第③層土多分布在建基面以下15m 深度以下，因此復判采用相對密度法。由表2 可知，第③層的相對密度平均值為0.63，從上到下有逐漸增大的趨勢。根據規范要求，若按地震設防烈度八度考慮，壩址區無（少）粘性土液化臨界相對密度(Dr)cr為0.75，根據相對密度試驗成果，通過類比判斷，該層大多數部位存在液化的可能性。綜上所述，通過復判，第③大層土存在液化的可能性。考慮大壩的修筑，將對地基土進行壓密，可以消除大部分壩體范圍內地基土液化可能性，但由于壩腳部位上覆較薄，且第③大層在左岸河床埋深淺，存在液化風險，建議進行處理。

5 結論

河床壩段將坐落在深厚覆蓋層上。覆蓋層的物質組成以漂、卵、礫石為主，為中等～強透水性，局部為極強透水性，滲漏量較大，需采取工程處理措施。壩基深厚覆蓋層級配不良，滲透性較強，滲透穩定性差，存在滲透破壞的可能性，需控制壩基滲漏，保證壩基滲透穩定。河床壩基段，因覆蓋層物質組成雜亂、均一性差，地基土的壓縮模量差異性較大，壩基將存在不均勻沉降問題。綜合判定，第③大層存在液化的可能性，建議進行處理。攔河壩壩基部位施工期將形成基坑，鑒于第②層地基土的滲透系數較大，基坑涌水問題突出。建議對上、下游圍堰地基進行處理，以減少基坑涌水量。做到排水、防滲措施結合。