双江口水电站坝址区深厚覆盖层工程地质特性初步研究

2011-04-25 10:45冯建明张世殊袁国庆
水电站设计 2011年2期
关键词:砂层坝址覆盖层

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。

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