关州水电站坝基深厚覆盖层主要工程地质问题评价

彭进学，李长银，侯仁坤

(四川省水利水电勘测设计研究院，成都，610072)

1 概述

关州水电站工程位于四川省甘孜州丹巴县境内，大渡河一级支流小金川干流上，为引水式电站。坝址位于半扇门乡关州桥上游，引水隧洞位于右岸、长17.7km，电站设在小金川河口处。闸坝高17m，设计正常高水位2124m，总库容275×104m3，电站装机容量240MW。河床坝基为厚达103m的堰塞湖相深厚覆盖层，其层次结构十分复杂，性状较差，存在以下突出的工程地质问题:力学强度低，承载能力不足，并存在变形、渗透稳定、地震液化问题。这些都需要在前期勘察中预以查明。

在可行性研究阶段开展了深入的勘探与试验研究工作。研究方法采取SM植物胶钻孔护壁和薄壁取土器取心技术，确保原状土样取芯质量，进行室内常规试验和三轴试验;在钻孔内进行标准贯入、静力触探、剪切波速测试、地表瞬态面波等原位测试工作。

2 坝址区基本地质条件

坝址区为两岸基本对称的“U”型谷，谷底相对平坦，宽约200m～300m，河床右岸为宽150m～200m的漫滩，左岸漫滩一般较窄，与斜坡相连，平均坡度10°～30°。坝址左岸岸坡较陡，自然坡角60°～70°，右岸岸坡稍缓，自然坡角 40°～50°，两岸自然坡高80m～100m。

坝址区出露地层主要为泥盆系中统头道村组(D2t)的变质长石英砂岩、绢云石英千枚岩，及第四系全新统Q4ys堰塞堆积灰黑色砂壤土、壤土、Q42a1冲积褐黄色砂壤土、漂(卵)砾石夹砂层，总厚度70m～103m。

坝址区位于小金、丹巴弧形构造带的北西翼，梅龙沟背斜北东翼，无断裂构造通过。岩层产状N15°～30°W/NE∠57°～63°，为横向谷。坝址未来50年超越概率10%的基岩水平峰值加速度值为120cm/sec2，对应的地震基本烈度为Ⅶ度。

区内地下水主要为第四系松散堆积层中的孔隙潜水和基岩裂隙水。河床覆盖层由砂卵石层，砂壤土层、壤土层、粉质粘土层组成，分层注水、抽水和室内试验成果见表1。

表1 河床覆盖层渗透试验成果统计

河床漂卵砾石夹砂层属强透水层;砂壤土现场试验K值为1.0×10-3cm/s，属中等透水层;壤土层以室内为准，K值为9.6×10-6cm/s，属微透水层;粉质粘土层室内K值为1.4×10-6cm/s，属微透水层;孤块碎石土层属强透水层。两岸基岩风化、卸荷带为强透水带，弱风化岩体属中等透水带;新鲜为中～弱透水带。岩体相对隔水层深度以q＜5Lu计，左岸厚度为40m～45m，右岸为40m～55m。河床坝基砂卵石层、砂壤土层和孤块碎石土层为透水层，厚度为20m～25m，孤块碎石土层透水带厚度为20m～55m，壤土层及粉质粘土为相对隔水层。

3 坝基土体工程地质特性

3.1 分布特征

河床覆盖层为第四系全新统冲积堆积层、堰塞湖相堆积层和崩坡积堆积层，据钻孔揭示，具多层结构，纵向分布总体较稳定，横向受河谷限制，靠两岸坡稍浅，总厚70m～103.3m(见图1)。从上至下依次为:

图1 坝轴线剖面示意

①冲积堆积层(Q42a1-①):为表层砂壤土层，厚0～2.6m，结构松散，主要分布于右岸漫滩;

②冲积堆积层(Q42a1-②):漂(卵)砾石夹砂层，分布于河床及漫滩上部，厚2.2m～7.4m。该层在右岸漫滩以卵砾石夹砂为主，河床则含较多的漂石;

③堰塞湖相堆积层(Q4ys-②):灰～灰黑色砂壤土层，位于河床及漫滩中上部。分布高程2092m～2110m(埋深2.2m～21.4m)，厚8.6m～17.2m。局部夹轻壤土或中壤土透镜体，单层厚度0～4.4m，延伸长度50m～170m。层中含朽木块，透水性中等。经碳-14(14C)法测定其年龄值为6310±120a，属第四纪全新统沉积;

④堰塞湖相堆积层(Q4ys-③):灰黑色壤土层，埋藏于河床及漫滩中部。分布高程2072m～2095m(埋深15.1m～42.5m)，厚13m～35m。原状呈可塑状，钻探中常缩径，透水性微弱。碳-14(14C)法测定其年龄值为6430±70a，属第四纪全新统沉积;

⑤堰塞湖相堆积层(Q4ys-④):灰黑色粉质粘土层，埋藏于河床及漫滩中部。分布高程2057m～2083m(埋深29.5m ～58.6m)，厚17.5m～22m。局部夹重粉质壤土或轻壤土透镜体，单层厚度0～3m，延伸长度50m～100m。粉质粘土原状呈可塑状，透水性微弱;

⑥堰塞湖相堆积层(Q4ys-⑤):灰～灰黑色块卵石夹砂层，埋藏于河床及漫滩中下部。分布高程2050m～2059m(埋深53.4m～64.4m)，厚2.7m～6m，向上游逐渐变厚，块石约占75% ～80%，卵石偶见。该层结构较密实，透水性较强;

⑦堰塞湖相堆积层(Q4ys-⑥):灰黑色壤土层，埋藏于下坝址河床及漫滩中下部。分布高程2043m～2050m(埋深59.4m ～71.4m)，厚5.8m～9m，向上游逐渐变薄。壤土层原状呈可塑状，透水性微弱;

⑧冲积堆积层(Q4a1-③):为漂卵砾石夹砂层，分布于河床底部。呈梯形状或三角形状，厚17m～21m。分布高程 2025m～2027m(埋深65.2m～88.8m);

⑨冲积堆积层(Q4a1-④):为砂层，分布河床底部，厚3m～4.6m，分布高程2021m～2025m(埋深86m～93.5m);

⑩冲积堆积层(Q4a1-⑤):为块卵砾石夹砂层，分布河床底部，厚3.5m～5m。分布高程2017m～2021m(埋深89m～97.1m);[11]冲积堆积层(-⑥):为砂层，分布河床底部，呈梯形状或三角形状，厚6m～10m。分布高程2008m～2017m(埋深95.6m～103.3m);

3.2 物理力学特性

表2 Q4ys砂壤土、壤土、粉质粘土试验成果

表3 Q42a1-②N120超重型动力触探试验指标统计

表4 N63.5标准贯入试验指标统计

表5 河床壤土层、砂壤土层静力触探试验指标统计

从原位测试成果分析，Q42a1-②漂(卵)砾石夹砂层多数动力触探锤击数N120=(1～5.6)击/10cm，瞬态面波波速Vs=75m/s～165m/s，说明结构分布不均一，大多为松散～稍密层。Q4ys-②砂壤土层标准贯入锤击数N63.5=(5.0～9.9)击/30cm，平均6.8击/30cm，变形模量E0=12.2MPa;静力触探比贯入阻力ρs=0.42MPa～7.8MPa，平均3.83MPa，变形模量 E0=8.9MPa，压缩模量 Es=11.5MPa;Q4ys-③壤土层静力触探比贯入阻力ρs=0.27MPa～4.1MPa，平均 2.40MPa，变形模量 E0=7.5MPa，压缩模量Es=6.6MPa，说明砂壤土和壤土层土质不太均一，力学强度低。

4 坝基主要工程地质问题评价

4.1 闸基持力层的选择

上述河床闸基段覆盖层厚达70m～103.3m，具多层结构，Q42a1-②漂卵砾石层厚度较小，结构分布不均，透水性强，且底板以下厚度仅为1.0m～2.8m;Q4ys-②砂壤土层、Q4ys-③壤土层及Q4ys-④粉质粘土层厚度较大，可塑状。三种土层均属中压缩性土，承载力均低(0.1MPa～0.18MPa)，选任何一层作为闸基持力层，均存在压缩变形和渗透变形问题。鉴于该工程坝高仅17m，为减小工程开挖量，建议设计闸基置于漂卵石层上，采取地基加固处理措施。

4.2 闸基抗滑稳定及变形稳定

闸基砂壤土层、壤土层及粉质粘土层为闸基软弱下卧层，各土层上、下接触接口易构成潜在滑移面。三种土层夹数层透镜体，物理力学性质均较差，承载力均较低，且土质不均，故闸基存在抗滑稳定及不均匀沉陷等问题，建议设计进行相应验算并确定合适的基础形式及基础埋深。如不能满足变形稳定要求，应采取有效的工程处理措施。

4.3 渗漏及渗透稳定评价

根据前述坝区岩、土体透水性特征，河床坝基覆盖层及两坝肩岩体存在透水带。左岸坝肩岩体透水带厚度(q＞5Lu)为40m～45m，右岸坝肩岩体透水带厚度(q＞5Lu)为40m～55m。

河床坝基砂卵石层透水率K=(7.6～8.4)×10-2cm/s，属强透水层;砂壤土层透水率K=(4～30)×10-4cm/s，属中等透水层;壤土层K=(1.9×10-6～2.6×10-5)cm/s，属微透水层。埋藏于右岸河床岸坡的Q4co1+d1孤块碎石土层，透水率K=(4.6～65)×10-2cm/s，属强透水层，厚度20m～55m。因此，大坝存在坝基渗漏和渗透稳定问题。其渗透破坏形式，漂卵砾石夹砂及孤块碎石土层为管涌，砂壤土层及壤土层为流土或接触冲刷。所以应采取必要的工程措施，沿坝轴线设置可靠的防渗帷幕或防渗墙，尤其对右岸坝基孤块碎石土层应加强防渗措施，建议孤块碎石土层允许水力比降为J允许=0.1，砂壤土层允许水力坡降Jcr=0.18～0.25。壤土和粉质粘土层为相对不透水层，防渗墙嵌入壤土层中适当深度即可。

4.4 地震液化问题

本区地震基本烈度为Ⅶ度，根据规范中液化土的判别标准，河床-②漂(卵)砾石夹砂层及孤块碎石土层中均无纯砂层分布，且＞5mm含量分别达77.3%～81.1%和72.2%～79.6%，故均不存在液化问题;-⑤、-⑥和等层埋深在53.4m以下，土体自重应力较大，土体密实，也不存在地震液化问题;-④层埋深29.5m～58.6m，以粉质粘土为主，其 ＜0.005mm含量为35.3%，重粉质壤土夹层关下ZK2YZ1样品试验，其＜0.005mm含量为27%，不存在地震液化问题;坝基-②砂壤土层及-③壤土层分布于坝基上部(埋深分别为2.2m～21.4m和15.1m～42.5m)，是研究地震液化可能性的重要层位，其地震液化评价见表6。

表6 地震液化评价

5 结语

关州电站闸坝建在深厚覆盖层软基上，结构复杂，砂壤土层、壤土层及粉质粘土层厚度较大，土质不均，具中等压缩性，承载力不足，且存在不均匀变形和渗透变形问题，砂壤土层存在地震液化问题。在工程措施上，需采取地基加固处理和防渗处理，设计拟定的振冲碎石桩加固和混凝土防渗墙处理方案是适宜的。