双江口水电站坝址区深厚覆盖层工程地质特性初步研究

冯建明，张世殊，田 雄，袁国庆，李 青，徐 旭

(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

深厚覆盖层往往具有结构松散、层次不均匀、成因类型复杂、物理力学性质分异大的特点。在此类第四纪覆盖层上筑坝，往往易发生渗漏、抗滑稳定、渗透变形、沉陷、砂土液化等问题。据Larocque统计，因坝基失事的大坝，约占失事大坝的25%;另据不完全统计，国外建于软基及覆盖层上的水工建筑物，约有一半事故是由于坝基渗透破坏、沉降过大或滑动等因素导致的。因此，研究覆盖层的工程地质特性，对坝型的选择、防渗墙的设计等都具有非常重要的意义。

四川省阿坝州双江口水电站坝址区位于最深达67.8m厚的覆盖层上，大坝为心墙堆石坝，最大坝高314m，是目前世界上同类坝型中最高的大坝。鉴于此大坝为300m世界级高坝，对坝基变形稳定要求较高，本文结合坝址区覆盖层的成分、结构特点和分布特征，论述其主要工程地质特性及对物理力学参数评价。

2 坝址区深厚覆盖层基本特征

双江口水电站坝址河段长约1.5km，河谷狭窄陡峻，属典型的高山峡谷地形。坝址阶地基本不发育，覆盖层主要分布于现代河床。据钻孔揭示，河床覆盖层一般厚48～57m，最大厚度达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，各层空间分布见图1，基本特征见表1。

各层中均有不同规模的砂层分布。第①层主要砂层位于坝址轴线下游侧，为黏土质砂，厚2.42～6.69m，顶面埋深45.96～49.79m，推测顺河向长232m，横河向宽41m。第②层分布7个较厚的砂层透镜体，其中砂层②－a和②－b规模较大，且距离坝轴线很近。砂层②－a位于坝轴线下游侧，为级配良好的粉土质砂，厚3.6～3.73m，顶面埋深19.8～20.5m，推测顺河向长约322m，横河向宽约45m。砂层②－b位于大坝底部，为级配良好的粉土质砂，厚0.64～7.93m，顶面埋深14.18～21.75m，纵向长约390m，横河向宽约102m。第③层局部夹砂层透镜体，主要有③ －a、③ －b、③ －c。其中:③ －b贯穿整个坝址区，为含细粒土砂或粉土质砂，厚1.1～7.65m，顶面埋深0～3.2m，推测顺河向长462m，横向最大宽度112m。

3 工程地质特性

3.1 颗粒组成及密实度

覆盖层的物理力学参数主要取决于密实度、级配及颗粒组成。堆积于河床底部的漂卵(砾)石，大多经历过长期的搬运、磨蚀过程，强度绝大多数都很高，软质岩石含量很少。坝址区河床覆盖层漂卵(砾)石成分主要为花岗岩、砂岩，强度及变形参数都很高，因此，影响覆盖层变形及强度参数的主要因素为颗粒级配和密实度。

图1 坝轴线河床剖面

表1 坝址区河床覆盖层特征

颗粒级配试验、动力触探和标贯试验结果表明:第①层、第③层均为级配不良砾，中等密实度，第①层密实度高于第③层。其中第③层湿密度平均值为2.26g/cm3，干密度平均值为 2.17g/cm3，孔隙比0.25;第②层呈松散～稍密状态，级配不良。第①、②、③层颗粒级配曲级见图2～4。

总体而言，坝基河床覆盖层中的漂卵砾石、砂卵砾石的结构主要属中等密实度，各透镜状砂层多呈松散～稍密状态。由于受上部土体的压实作用，各层密实度具有随其埋深增加而逐渐增大的总趋势。

3.2 承载力及变形特性

对于建在深厚覆盖层上的高堆石坝，首先要深入研究基础的承载力及变形特性。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、旁压试验及室内压缩试验。由于第①、②层埋藏较深，其承载力和变形特性可根据钻孔动力触探、标贯和旁压试验确定，试验结果见表2。

图2 第①层颗粒级配曲线

图3 第②层颗粒级配曲线

图4 第③层颗粒级配曲线

从上述各试验和室内试验成果可知，河床覆盖层第①、③层漂卵砾石承载力和抗变形能力较高，第②层砂卵砾石次之，砂层透镜体低，且同一层承载力和变形模量亦有一定差异，表明了河床覆盖层物质组成结构的不均一性而导致力学性质的差异。

表2 承载变形实验成果 MPa

3.3 抗剪强度

由于第①、②层埋藏较深，原状试样难以取得，本次剪切试验主要在第③层中进行。第③层现场大剪试验结果显示内摩擦角φ=34.2°～40.6°，凝聚力c=0.0～0.034MPa;根据扰动样室内大三轴试验表明，其颗粒平均线固结排水剪内摩擦角 φ=38.19°～39.2°，凝聚力 c=0～0.035MPa。另外，扰动样室内饱固快直剪试验也反映出其内摩擦角φ=37.3°～42.4°，凝聚力 c=0.08～0.085MPa。上述试验成果均表明该层漂卵砾石总体抗剪强度较高。

3.4 动力特性

为了获取坝基河床覆盖层的纵、横(剪切)波波速及相关参数，进行了跨孔波速测试，测试结果见表3。

表3 动力变形特性试验结果

根据剪切波速值等试验成果看，漂卵砾石层的剪切波速、动弹模、动剪模均大于砂卵砾石层，下部剪切波速、动弹模、动剪模大于上部。根据剪切波速判别，河床覆盖层属中硬场地土，场地类别属Ⅱ类。又根据室内动三轴测试表明:(1)动强度和动剪应力比随振次的增大而减小;(2)动强度和动剪应力比随固结应力比的增大而增大;(3)同一砂层不同钻孔砂样的动强度和动剪应力比有一定差异，但总体规律仍较强，且与其干密度有一定关系。

3.5 渗透特性及渗透变形

为了查明坝基河床覆盖层的渗透特性，评价其渗漏和渗透变形稳定性，进行了现场抽水试验、标准注水试验、现场渗透变形试验和室内渗透变形试验。由于第①、②层埋藏较深，试验主要在上部第③层中进行。抽水、注水等试验结果见表4。

渗透性及渗透变形试验表明，坝基河床覆盖层多具强透水特性，渗透变形破坏型式为管涌，抗渗透变形能力差。

3.6 各层物理力学参数建议值

根据本工程覆盖层的基本地质条件，各层物理力学参数选取的总原则是以现场和室内试验成果为依据，结合已建工程经验进行工程地质类比分析综合确定。坝址河床覆盖层物理力学指标参数选取见表5。

表4 坝址区覆盖层抽(注)水试验结果

表5 双江口坝址覆盖层物理力学指标参数选取

4 小 结

(1)由于覆盖层往往具有结构复杂、透水性强、夹有砂层，故坝基存在抗滑稳定、渗透稳定、压缩变形及抗震稳定等工程地质问题。因此，对覆盖层的研究要采用多种勘探和试验手段，以便相互验证，利用物理指标与力学特性的相关关系来判定覆盖层的力学特性，从而较合理地评价软基建坝的工程地质问题，提出可靠的工程处理措施。

(2)对覆盖层的渗透变形特性研究具有非常重要的意义。对含有砂层透镜体、渗透性强且具多层结构的覆盖层，除需要防止发生管涌破坏外，还要注意由于渗透性的差异，有可能产生的接触冲刷。

(3)若覆盖层坝基中夹有砂层透镜体且当地地震基本烈度较高时，应加强对砂层地震液化问题的研究。对于双江口坝址区，范围较大的砂层③－b埋藏浅，结构较松散，地震液化的可能性较大;砂层②－b在天然状态下的抗振动液化能力处于临界状态或液化状态，建议结合心墙和反滤层地基开挖对两砂层作全部挖除处理。

这是初设阶段的研究并用于设计的主要地质依据，在该工程坝基全面揭露以后，将继续深入研究，特别是对承载力、稳定性、砂层液化和高边坡的详细研究。