金沙江某水电站坝基覆盖层的成因及其渗透稳定性

赵 华 王运生

(成都理工大学环境与土木工程学院,成都610059)

金沙江某水电站坝址位于丽江市玉龙县,迪庆州香格里拉县、维西县交界的金沙江中游河段上。电站初拟正常蓄水位的海拔高度为 2 150 m,推荐坝型为心墙堆石坝,最大坝高365 m。坝前壅水高度约达270 m,库长约165 km,总装机4 500 MW,总库容约17.737×109m3,属高山峡谷型高坝大库,具有多年调节功能,将会对金沙江下游甚至长江的防洪发挥极为重要的作用,并成为滇中具调水功能的龙头水库。

近年来,西南地区水利水电工程地质勘测工作常常遇到河谷中的深厚覆盖层问题,据统计,中国已建的土石坝工程中,由于渗流控制及防渗措施不当,导致存在隐患和发生事故的工程约占35%～40%。在河谷深厚覆盖层上修建水利水电工程时,渗透稳定、不均匀沉降及砂土液化等问题均较突出[1]。因此研究河床覆盖层的工程特性及其稳定性意义重大。

本文研究的水电站坝址区地质条件复杂,根据现场地质调查,坝址区河床及阶地分布有厚达60～127 m深的覆盖层,其成因复杂,坝基存在砂土液化、接触冲刷、管涌、流土等渗透破坏的可能;同时,坝基覆盖层物质组成较复杂,存在不均匀沉降问题,直接影响坝基的抗滑、变形稳定性。对深厚覆盖层的利用与处理,关系到工程的安全与经济,对坝址、坝线选择及枢纽布置方案等均有重大影响。因此,该水电站坝址河床覆盖层的成因与工程特性是该水电工程的重大工程地质问题之一,需进行深入的研究。本文将对其坝基覆盖层的成因类型及渗透稳定性进行重点研究。

1 坝址河床覆盖层的组成

该水电站坝址河段长2.5 km,呈北西向南东流向,河道略向北东凸出,坝址附近河谷宽350 m左右,两岸边坡陡峭,左岸下陡上缓,右岸边坡陡立,左右岸不对称。坝基处基岩为中泥盆统上部灰色、浅灰色条纹状中厚层结晶灰岩。勘探揭示河床覆盖层厚60～127 m,结构较为复杂,砂层透镜体较发育且厚度较大。

根据河床覆盖层的物质组成与成层结构,可以将其从下至上分为3层(图1)。

图1 坝轴线河床覆盖层成层结构示意图Fig.1 Layer structure of the cover on the riverbed at the dam axis

第①层:卵(块)砾(碎)石层夹中细砂或粉质黏土(Qal+fgl3 ),分布于河床底部,钻孔揭示厚度11.1～33 m,顶面埋深48.91～94 m。该层也以级配不良砾为主,粗颗粒的含量在各层位中是最高的,粒径在2～60 mm范围内的颗粒＞95%,这是其与③-1亚层的明显区别。卵(碎)砾石成分为变质砂岩、花岗岩、玄武岩及少量千枚岩等,卵砾石以圆-次圆为主;碎石成分为灰岩、千枚岩,呈次棱角状,颗粒构成基本骨架,充填砂或黏土。其物理力学性质较好,天然密度达到 2.2～2.3 g/cm3,孔隙比0.25～0.3,地基允许承载力0.6～0.9 MPa,压缩模量50～70 MPa,内聚力为0,内摩擦角35°～38°,渗透系数0.1～0.001 cm/s,属于强透水层,具低压缩性,承载力高。

第②层:细砂、粉细砂、粉质黏土层及卵(块)砾(碎)石层(Qal+pl+sef3 ),为加积层,由冲积、泥石流堆积、洪积、堰塞多成因堆积组合而成,钻孔揭示厚度10.04～35 m,顶面埋深38.87～59 m。纵向上可以进一步分为2个亚层。

②-1亚层:卵(块)砾(碎)石层夹细砂、粉质黏土(Qal+pl+sef3),加积层,由冲积、泥石流堆积 、洪积等多成因堆积组成,黏粒含量较③-1亚层、①层的高,钻孔揭示厚度9～19 m,顶面埋深54.5～94 m。卵砾石成分以变质砂岩、花岗岩、辉绿岩为主,结晶灰岩少量,圆-次圆状。碎石以灰绿色片岩及结晶灰岩为主,棱角状。其天然密度达到2.15～2.25 g/cm3,孔隙比 0.25～0.3,地基允许承载力0.4～0.6 MPa,压缩模量25～40 MPa,内聚力为30～40 kPa,内摩擦角25°～30°,渗透系数1.0×10-5～3.0×10-4cm/s,属于强透水层,具低压缩性,有一定的承载能力。

②-2亚层:粉细砂层(Qa3l),钻孔揭示厚度10.04～22.49 m,顶面埋深 38.87～59 m。该层以细粒土为主,为级配不良砾和含细粒土砂,但其粒径＜0.005 mm颗粒的含量要明显多于③-2亚层,在2～0.075 mm范围之间的细颗粒含量较高。其物理力学性质较差,天然密度为1.8～2.1 g/cm3,孔隙比 0.7～0.8,地基允许承载力0.2～0.25 MPa,压缩模量10～15 MPa,内聚力为20～30 kPa,内摩擦角20°～ 25°,渗透系数2.0×10-5～1.0×10-3cm/s,属于中等透水层,具中等压缩性,承载能力较低。

第③层:漂(块)卵(碎)砾石夹砂层透镜体(Qa3l-4),分布于整个坝址河床中浅部,钻孔揭示厚度9.5～59 m。纵向上可以进一步分为2个亚层。

③-1亚层:漂(块)卵(碎)砾石,位于河床表层,以级配不良砾为主,且粒径在2～60 mm 范围内的颗粒＞70%。该层为正常的河流相冲积堆积,颗粒成分以卵砾石为主,夹少量粗砂,钻孔揭示厚度9.5～79 m。漂卵砾石由变质石英砂岩及少量的花岗岩、玄武岩、紫红色泥质砂岩、浅褐色杂砂岩及辉绿岩等组成,圆-次圆状,结构松散。该层的天然密度为2.1～2.2 g/cm3,孔隙比0.3～0.45,地基允许承载力0.4～0.7 MPa,压缩模量30～ 50 MPa,内聚力为0,内摩擦角30°～35°,渗透系数0.2～0.3 cm/s,属于强透水层,具低压缩性和较高的承载能力。

③-2亚层:砂层及粉砂层,钻孔揭示厚度0.5～29.3 m,顶面埋深0～23.2 m,松散-稍密,以细粒土和黏土质砂为主。河流的横向环流,使细颗粒在相对静水环境下堆积形成透镜体。其物理力学性质较差,天然密度为1.8～2.0 g/cm3,孔隙比 0.45～0.7,地基允许承载力 0.15～0.2 MPa,压缩模量 8～12 MPa,内聚力为15～20 kPa,内摩擦角 18°～ 22°,渗透系数7.0×10-4～1.0×10-3cm/s,属于中等透水层,具中等压缩性,承载能力低。

2 坝址河床覆盖层成因类型

水电站坝址河段覆盖层厚、成因复杂,顶部为现代河流相沉积;中部是以冰水堆积、崩积、坡积、堰塞堆积与冲积混合为主的加积层,厚度相对较大,反映这一阶段是洪积、泥石流堆积、重力堆积等近源物质加积较严重的时期;下部为冲积和冰水漂卵砾石层。

坝址河段处于青藏高原向云贵高原和四川盆地过渡地带、三江地槽褶皱和松潘-甘孜地槽褶皱系向扬子准地台过渡地带、活动的川滇菱形断块内相对稳定的四川盆地过渡地带、寒温带气候向亚热带气候过渡地带,这就形成了这一地区典型的高山峡谷地貌、丰沛流量的干流与支流水系、褶皱紧密、岩层变质、构造复杂的区域地质及水文条件,以及高应力和高地震烈度、活跃的冰缘泥石流、强烈的谷坡外动力地质作用等鲜明的环境特色。另外,具有复杂的区域构造演变、区域第四纪气候和河谷形成演化历史。这就为形成深厚覆盖层提供了良好的地质背景[2-4]。可以说,适宜的地质环境是河床深厚覆盖层形成的先决条件。

在上新世末形成了统一的高原面,当时的海拔高度约1 km,现今在4 km左右。早更新世时期,河谷进入宽谷发育阶段,直到距今0.28 Ma前,宽谷期结束,谷底下切到现今海拔高度2.4 km左右;此后河谷开始进入峡谷发育时期,在中更新世金沙江流域经历了一次大规模的构造运动,地壳大面积整体抬升,河谷强烈下切,形成了现今高山峡谷的地貌景观。覆盖层中砂层年龄测定结果显示,这次强烈侵蚀事件在50 ka前就已切至金沙江深厚覆盖层的下伏基覆界面[5,6]。晚更新世晚期末次冰期冰盛段,冰川作用盛行,河流的剥蚀作用增强,重力堆积极其发育,谷坡滑坡、崩塌或泥石流形成堰塞堆积。由于河流水量锐减,干流的侵蚀能力及搬运能力大为降低,使得谷底形成深厚的堆积层。末次冰期冰后期,冰川消融,雨量充足,但河流的下蚀能力有限,未能切穿早期形成的堆积层。如今水电站谷底的覆盖层主要是末次冰期冰盛段堆积物的残留部分[5,6]。

基于以上分析可以看出,该水电站河段深厚覆盖层是在地质构造运动和气候变化共同作用下形成的。

根据对水电站覆盖层的组成特点及形成机制,可以对覆盖层的成因类型进行划分。

第①层含碎石卵砾石层,碎石成分近源为主,卵砾石为远源物质,为晚更新世末次冰期第一副冰期冲积及冰水堆积,砂层成因应为漫滩相。

第②-1亚层成因较复杂,为末次冰期第一副冰期向间冰段过渡时期地表径流稳定时期的产物,有碎石层夹卵砾石、卵砾石夹碎石及砂层,洪积、泥石流堆积、重力堆积等近源物质加积较严重。

第②-2亚层为粉细砂层,厚度较大,延伸具有一定规模,因此该层形成环境为河流相对静水相砂层透镜体堆积,是河流纵比降小于1‰、水动力低、在凸岸堆积的产物。

第③层除靠近河流两岸有崩积外,以较纯的卵砾石为主,在回水沱等部位夹有较厚的砂层透镜体,包括Ⅱ级阶地、Ⅰ级阶地、漫滩及现代河床相堆积。

第①层和第②层伏于Ⅱ级阶地之下,结合区域测年资料,Ⅱ级阶地形成于晚更新世晚期-末期,测得第①层的年龄为49 ka,第②层年龄为45～15 ka,均为晚更新世中晚期的产物;第③层的年龄为10 ka。这表明谷底形成时间较早,在Ⅲ级阶地形成前就已形成,然后堆积回填再下切。结合前人[5,6]第四纪古气候研究成果,可以认为坝址区河床覆盖层主体应该是末次冰期间冰段河谷的产物。

3 覆盖层渗透稳定性评价

根据水电站河床钻探漏水漏浆情况及抽水试验成果分析,河床覆盖层的渗透性普遍较强,且不均一,故各层的渗透性能差异较大,需对其渗透稳定性进行评价。

3.1 覆盖层渗透变形形式

渗透变形是指在渗透水流的作用下,土体失去部分承载力及渗流阻力而发生的变形现象,渗透变形的进一步发展将导致渗透破坏,直接威胁水工建筑的安全。从渗透变形机理出发,通常坝基无黏性土的渗透变形可分为流土、管涌、接触流土及接触冲刷4种[7]。

渗透变形形式的判别方法较多,本文主要采用以下3种方法对水电站河床覆盖层的渗透形式进行综合判别。

a.细粒含量对比判别法

根据土的细粒含量,采用下列方法判别[8]:

式中:wc为土的细颗粒的质量分数。

对于不连续级配土,土的细粒含量按级配曲线中平缓段确定;对于连续级配界限粒径则按下式确定:

式中:df为粗细粒的区分粒径;d70为小于该粒径的质量占土总质量70%的颗粒粒径;d10为小于该粒径的质量占土总质量10%的颗粒粒径。

b.不均匀系数法和细粒含量法

不均匀系数法和细粒含量法的判别标准见表1。细粒含量指粒径小于1 mm的颗粒在土中所占的质量分数。

表1 渗透破坏类型与不均匀系数及细粒土含量关系[8]Table 1 Relationship of seepage deformation type and uniformity coefficient and fine-grained soil content

c.综合判别法

综合判别法标准见图2所示[10]。

其中:Cu为土的不均匀系数;w为土中粒径小于1 mm的细粒的质量分数;D0为土层的平均孔隙直径;d3、d5分别为土中相应颗粒的质量分数为3%、5%的颗粒直径为最优细粒含量;n为土的孔隙率。

图2 渗透变形形式判别标准Fig.2 Distinguishing standard of seepage deformation form

覆盖层颗分试验结果表明,坝址区河床覆盖层的③-1、①层属于级配连续的不均匀土;③-2、②-2与②-1层属于级配不连续的不均匀性土,采用上述3种方法分别进行判别,判别结果如表2所示。

由表2可以看出,基土中③-1亚层和①层具备发生管涌的条件,③-2亚层、②-2亚层和②-1亚层具备发生流土的条件。因此,坝址的坝基渗流控制应结合各层土体的透水性及允许坡降,进行可靠的防渗处理,确保坝基土体的抗渗稳定性。

3.2 抗渗强度参数的评价

3.2.1 临界水力坡降的确定

临界水力坡降(Jcr)通常利用土的物理指标计算与半经验半理论的方法确定。

a.利用物理指标计算临界水力坡降

计算流土型土的太沙基公式:

扎马林公式:

式中:Gs为土的比重;n为土的孔隙率。

计算管涌型土的南京水科院沙金煊法计算公式:

右岸接头土坝在麻石水电站扩建工程已建而扩建船闸未建时填筑，上游坡比为1∶2.0，下游坡比1∶1.5；采用黏土心墙防渗的型式，基础布置帷幕灌浆。

表2 坝址覆盖层渗透变形形式Table 2 Seepage deformation form of the cover in the dam site

式中:d3为质量分数达3%的土粒直径。

计算管涌型和过渡型土的水科院法:

式中:d5、d20分别为质量分数达5%、20%的土粒直径。

b.半经验半理论的方法确定临界水力坡降

研究表明,临界水力坡降与渗透系数、平均孔隙直径以及土中细粒含量有较好的相关性。《水利水电工程地质手册》中给出临界水力坡降与渗透系数和细粒含量的关系曲线(图3与图4)[9],利用该曲线可以通过渗透系数与细粒含量半经验地确定临界水力坡降。

图3 砂卵砾石渗透系数与临界坡降的关系Fig.3 Relationship of permeability coefficient and critical hydraulic gradient of porosity sand and gravel

图4 砂卵砾石土中细粒含量与临界坡降关系Fig.4 Relationship of fine-grained soil content in sand and gravel and critical hydraulic gradient

对于坝址区河床覆盖层的 ③-2、②-2、②-1层,它们的渗透破坏形式为流土;③-1和①层这2个岩组,它们的渗透破坏形式为管涌。采用上述计算公式与方法的各层临界水力坡降计算结果见表3所示。计算时选取较大的渗透系数作为河床覆盖层各岩组的渗透系数。Jcr的综合取值是在考虑通过半理论方法得到的关系曲线取值范围的基础上,对计算结果进行的算术平均。

3.2.2 允许水力坡降的确定

考虑到本工程的重要性,结合中国西部地区工程实践,取安全系数为2.0,得出水电站坝基覆盖层的允许坡降(表4)。

从表4可以看出,坝址区覆盖层除②-1亚层卵砾石层的允许水利比降相对较外大,其他各层的值均大于0.2。与西南地区其他水电工程的覆盖层允许水力坡降相比,其值较高,说明覆盖层抗渗强度相对较好。但坝基仍然存在渗透变形问题,破坏形式既有流土,也存在管涌。

表3 坝址覆盖层临界水力坡降计算结果Table 3 Calculated results of critical hydraulic gradient of the cover in the dam site

表4 坝址覆盖层允许水力坡降建议值Table 4 Suggested values of allowable hydraulic gradient of the cover in the dam site

4 结论

a.本文研究的水电站坝址区河床覆盖层厚60～127 m。覆盖层成因复杂,顶部为现代河流相沉积;中部是以冰水堆积、崩积、坡积、堰塞堆积与冲积混合为主的加积层,底部以冰水堆积为主。

b.坝基土存在渗透变形问题,其中③-1亚层和①层具备发生管涌的条件,③-2亚层、②-2亚层和②-1亚层具备发生流土的条件。

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