双江口心墙堆石坝深厚覆盖层地基处理研究

李永红

(中国水电顾问集团成都勘测设计研究院,四川 成都 610072)

1 前 言

双江口水电站是大渡河干流水电开发 22级梯级规划中的第五级,为大渡河流域的上游控制性水库工程。电站采用坝式开发,为一等大(1)型工程。水库正常蓄水位 2500m,水库总库容为 28.97亿m3,具有年调节能力。电站装机容量 2000MW,多年平均年发电量 80.97亿 kW·h。枢纽工程由拦河大坝、泄洪建筑物、引水发电系统等组成。拦河大坝为土质心墙堆石坝,最大坝高 314m,坝顶高程2510m,坝体填筑总量约 4400万 m3。

工程场地地震基本烈度为Ⅶ度。大坝坝基地层岩性主要为燕山早期木足渡似斑状黑云钾长花岗岩。现代河床及谷坡中下部坡脚地带分布有冲洪积堆积和崩坡积堆积物。河床覆盖层一般厚 48～57m,主要为漂卵砾石、(砂)卵砾石层,局部夹砂层透镜体。

目前,国内缺乏建设 300m级高的高土石坝的经验,国外的实例也不多。而国内外在深厚覆盖层地基上建坝经验还没有超过 200m。双江口大坝规模巨大,坝址河床覆盖层的特性及其合理处理或利用问题是勘测、设计的技术关键之一。

2 河床覆盖层特性研究

2.1 覆盖层的分布及物质组成

双江口坝址河床覆盖层主要分布于现代河床。钻孔揭示,河床覆盖层一般厚 48～57m,局部深槽达67.8m,根据其物质组成、层次结构,从下至上(由老至新)可分为 3层:第①层为漂卵砾石;第②层为(砂)卵砾石层;第③层为漂卵砾石层。覆盖层及砂层透镜体基本特征见表1、表2。

2.2 覆盖层的力学特性研究

坝基深厚覆盖层的密实度和颗粒组成直接关系其强度及变形特性,也是有效利用现场旁压、动探等试验参数和室内试验力学参数的基础。为评判坝基河床覆盖层漂卵砾石、砂卵砾石和砂层透镜体的密实度,双江口工程前期设计阶段在野外鉴别的基础上,分别开展了重型动力触探和标准贯入试验。

为了研究坝基河床覆盖层的承载力及变形特性,开展了现场载荷试验和钻孔动力触探、标贯、旁压试验以及室内压缩试验。同时,还与长江科学院合作进一步开展了间接的试验研究:对大坝基础河床覆盖层砂砾石进行室内模型试验和力学特性试验,研究坝址区河床砂砾石旁压模量、重型动探击数随密度、级配以及上覆压力的变化规律。并结合现场旁压试验、动探试验及钻孔试验成果,推断坝址区河床砂砾石的相关层密度,再以此为根据开展室内力学性试验,得出力学参数。

基于覆盖层的基本地质条件,以现场和室内试验与研究成果为依据,结合已建工程经验进行工程地质类比分析综合研究,提出覆盖层物理力学指标建议值(见表3)。

表1 坝址河床覆盖层特征

表2 坝址砂层(钻孔揭示)特征

表3 坝址覆盖层物理力学指标建议值

3 防渗心墙覆盖层地基的处理研究

3.1 处理方案的拟定

根据高坝工程的设计和建设经验,对于心墙部位河床覆盖层的防渗处理,拟定了覆盖层全部挖除和采用混凝土防渗墙防渗两个处理方案进行研究。

(1)心墙部位河床覆盖层全挖方案(方案一):心墙部位河床覆盖层全部挖除,心墙直接建于基岩上,心墙建基高程 2196.00m,最大坝高314m。坝壳底部剩余③-b、②-b及①-a砂层采用挖除处理。心墙部位河床覆盖层全挖方案坝体断面见图1。

(2)防渗墙方案(方案二):为减小坝体的不均匀沉降和变形、增加大坝的抗震安全性,防渗墙方案拟将心墙底部③-b、②-b挖除处理,坝壳底部剩余③-b、②-b砂层采用挖除处理。该方案坝顶高程2510.00m,河床部位心墙底高程 2231.00m,最大坝高 279m。心墙下部未挖除覆盖层采用两道并列布置的全封闭混凝土防渗墙防渗,墙厚均为 1.4m,净距离3m,防渗墙顶部设置灌浆廊道与防渗心墙连接,防渗墙最大深度41m。防渗墙方案坝体断面见图2。

3.2 综合比较及结论

对全挖和防渗墙两个方案从工程经验、关键技术、坝坡稳定性、渗流特性、应力变形特性及施工组织等方面综合比较(见表4),结果表明:

目前国内外坝高超过 200m的土石坝的防渗心墙一般建在基岩地基上,且已有高 300m坝的设计和建设经验;而大坝防渗体置于覆盖层上的建设经验尚在 200m级坝高以内,超过 200m坝的研究不多。双江口工程为 300m级高坝,规模较世界上现有的深厚覆盖层上的建坝有很大的提高,防渗墙方案基础混凝土防渗墙的承载能力、防渗墙与心墙连接型式、防渗墙对心墙受力和变形的影响等关键问题均需深入研究;全挖方案将防渗心墙建于基岩上,工程经验相对丰富,技术相对可靠。全挖方案除工程投资略高、大坝填筑强度略高等问题外,其它与防渗墙方案的差异不大。同时,全挖方案覆盖层深基坑施工已有类似工程经验。因此,对高 300m级的双江口坝选用心墙部位覆盖层全挖的处理方案。

图1 全挖方案大坝剖面示意

图2 防渗墙方案大坝剖面示意

4 坝壳覆盖层地基处理

针对坝壳位置河床覆盖层的处理问题,重点开展了以下 3项研究:

4.1 地基不均匀沉降变形研究

河床覆盖层上、下部漂卵砾石或含漂卵砾石层粗颗粒基本构成骨架,结构较密实,具有较高的承载能力;中部砂卵砾石层粗颗粒不能完全构成骨架,承载能力相对较低。三维有限元静力分析表明,大坝建成运行后漂卵砾石或含漂卵砾石层及中部砂卵砾石层承载能力均能达到坝基要求,施工期发生的不均匀沉降变形值不大,坝体变形分布较平顺。

4.2 覆盖层坝基抗滑稳定研究

采用圆弧滑裂面极限平衡法进行的坝坡稳定分析表明,各种计算情况下坝坡稳定的最危险滑弧均经过坝基覆盖层,说明覆盖层对坝体坝基的抗滑动稳定性有较明显影响,但各种情况下最危险滑弧的计算安全系数都能满足坝体、坝基的稳定要求。

采用非圆弧滑裂面摩根斯顿 -普赖斯法的分析表明,通过坝基砂层透镜体的折线滑弧,在地震情况下坝体、坝基抗滑动稳定安全系数降低较明显,为坝体、坝基抗滑动稳定的控制情况;分析也表明,增加坝体上游、下游坝脚部位的压重对提高抗滑稳定性的作用较明显。因此,应尽量清除坝基覆盖层中砂层透镜体,且对难以清除的透镜体进行压重等处理。

4.3 地基砂层地震液化可能性研究

根据地勘试验研究成果,在遭遇设计地震情况下,坝基②-b、②-c、② -e等砂层为可液化砂层或处于临界状态。计算表明,建坝并在坝脚位置增加压重处理后,由于材料有效应力的增加,在设计地震情况下,坝基砂层的孔压比一般不超过 0.45,表明填坝后坝基砂层在设计地震情况下不会液化。

综上所述,作为坝基的漂卵砾石或含漂卵砾石层及中部砂卵砾石层能满足承载力和变形要求,但坝基砂层结构松散、力学指标低,为坝体坝基抗滑稳定的控制性薄弱环节,需要进行针对性的处理。根据砂层的特性、规模、分布位置及处理条件,结合心墙部位覆盖层开挖,确定坝壳地基砂层的处理如下:

(1)上游坝壳地基砂层。②-b砂层位于上游坝壳底部部分在心墙基坑开挖范围内已经全部挖除。另外上游坝壳底部覆盖层内分布有③-b、②-g、② -e、② -d、③ -a、② -c、② -f、③ -c等砂层,其中③-b分布范围广,厚度较厚,埋深较浅,予以挖除处理。② -g、②-e、② -d、③ -a位于围堰底部,没有条件处理,砂层不连续,经坝坡稳定验算满足坝坡稳定要求,不予处理,但应当注意施工过程中的监测。②-c、②-f、③-c砂层为小砂层,大部分在挖除②-b、③-b砂层范围内。

表4 心墙基础覆盖层全挖与防渗墙方案的技术、经济比较

(2)下游坝壳地基砂层。②-b砂层在下游坝壳底部部分尚有 130m左右,鉴于②-b分布范围广,厚度较厚,为粉土质砂,承载力低,天然状态下处于液化临界状态,为降低坝基不均匀沉降、提高坝体抗滑稳定性,予以挖除处理。心墙下游侧①-a尚有少部分在心墙开挖范围以外,也应挖除处理。②-a砂层位于下游坝脚,经坝坡稳定验算通过该砂层的滑弧满足抗滑稳定要求,可不作处理。

5 结束语

深厚覆盖层具有勘探与试验工作难度大、工程特性复杂及工程处理困难等特点。双江口工程采取多种方法进行勘探、试验,研究其工程特性,并通过方案比较和对关键技术问题的分析研究,针对坝基的不同部位和覆盖层分布特点提出了挖除、保留利用或压重等综合处理措施,以保证工程技术可行并尽量节省工程投资。