瓦托水电站左岸埋藏谷松散堆积物渗透稳定性分析

王宝文，许蕴宝，席海军，贾 文，高 博

(中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林长春 130021)

1 基本情况

瓦托水电站位于西藏昌都市卡若区澜沧江右岸一级支流金河上，下距金河水电站大坝约4.5 km，为金河水能开发的次末级。瓦托水电站正常蓄水位3 315 m，坝顶高程3 317.8 m，最大坝高 65.0 m，坝长 219.5 m，水库回水长约5.73 km，库容1 224 ×104m3，初拟电站装机容量54 MW。枢纽由混凝土重力坝、左岸当地材料坝及坝后式厂房等建筑物组成。

坝址左岸发育有多级阶地，阶地下伏埋藏谷，埋藏谷呈向山里突出的弧形，上、下游均存在基岩豁口，豁口被漂卵石充填，豁口处基岩面低于现代河床，埋藏谷松散堆积层厚度45～55 m。

瓦托坝址左岸埋藏谷松散堆积层厚度巨大，坝基防渗问题尤显突出。

2 埋藏谷松散堆积物的结构特征

2.1 埋藏谷松散堆积物的结构特征

埋藏谷表部为2～6 m厚的坡积(Qdl4)混合土碎石覆盖，其下冲洪积层(Qpal2)厚度巨大，自上而下可分为卵石混合土、粉土质砾、混合土漂石等。

(1)卵石混合土，稍湿—饱和，结构中密—密实，局部架空，泥分布不连续，可见次棱角状的块石、碎石。钻孔注水试验渗透系数大值平均值K=2.66×10－3cm/s，室内渗透试验渗透系数大值平均值K=6.42×10－3cm/s，总体属中等透水层。

(2)粉土质砾，灰黄—灰白色，稍湿，中密—密实，以透镜体的形式分布于卵石混合土层中。钻孔注水试验渗透系数大值平均值 K=2.06×10－3cm/s，总体属中等透水层。

(3)混合土漂石，灰—灰白色，稍湿—饱和，中密—密实。钻孔注水试验渗透系数K=1.29 cm/s，室内渗透试验渗透系数K=6.51×10－3cm/s。钻探过程中该层发生过漏浆掉钻现象，说明局部存在架空现象。考虑到沉积环境的差异，该层总体应属中等透水层，局部为强透水。

下伏基岩为侏罗系下统细砂岩与泥质砂岩互层。

2.2 埋藏谷松散堆积物的物理力学性质

左岸埋藏谷松散堆积层由冲洪积卵石混合土、粉土质砾和混合土漂石组成，共取样15组，其中卵石混合土层中取样11组、粉土质砾取样3组、混合土漂石取样1组。绘制了三层土颗粒分布范围图，见图1。

图1 左岸埋藏谷三种土粒径分布范围图Fig.1 Grain size distribution of the buried valley at the left bank

埋藏谷松散堆积物物理力学试验成果见表1。

瓦托坝址左岸埋藏谷松散堆积层由卵石混合土、混合土漂石等组成，粉土质砾透镜体分布连续性差。该层颗粒组成由于自上至下变粗，中密—密实，渗透差异性不大，总体属中等透水，故可把冲洪积层视为结构及渗透性相似的不均匀无粘性土层。

表1 左岸埋藏谷松散堆积物物理力学性质试验成果表Table 1 Loose deposits physical mechanics characteristic experiment results of the buried valley under the left bank

3 埋藏谷松散堆积层渗透稳定性分析

3.1 渗透变形类型判别方法的选择

国内外学者对土的渗透及渗透稳定性机理和发生发展的条件研究较多，原理基本相似，但一些参数的取值略有不同，有单一因素法、双因素法和综合分析的方法［1］，目前采用综合分析的方法居多。

(1)细粒含量法［2－3］。细粒含量法的理论基础是认为渗透破坏形式决定于土体的内部结构是否稳定，决定于细料填充粗料孔隙的程度，当细料含量小于某一数值，由于填不满粗料骨架形成的孔隙，细料处于不受约束状态，在一定的水动力条件下，容易被渗流带走，形成管涌型破坏。当细料填满粗料孔隙时，粗细料成为一个整体，因而在渗流作用下以整体形式破坏，形式为流土。

笔者采用区分(界限)粒径的方法为《水力发电工程地质勘察规范》(GB 50287—2006)附录 L.0.3的规定:

①流土型:Pc≥35%;②过渡型:25% ≤Pc＜35%;③管涌:Pc＜25%。

式中:Pc为土的细粒含量，以质量百分率计(%);Cu=为土的不均匀系数为粗细粒的区分粒径(级配连续的土);d70、d60、d10为占总土重 70%、60%、10%的颗粒粒径(mm)。

(2)粗细料含量对比法［4］。粗细料含量对比法的原理是以太沙基反滤层设计概念为基础，以粗细料的比值作为保护细料不产生破坏为条件。细料含量指粒径＜1 mm的颗粒所占整个土重的比例(%)，粗料D15和细料D85是先将土样按粗粒和细粒分开，分别求出粗粒土D15和细粒土D85。

笔者采用《水利水电工程地质手册》(1985年第一版)介绍的方法:

对瓦托水电站左岸埋藏谷松散堆积层渗透变形类型进行判别时，主要采用《水力发电工程地质勘察规范》(GB 50287—2006)附录L、《水力发电工程地质手册》(2011年版)及《水利水电工程地质手册》(1985年第一版)的方法，并参考了《土的渗透稳定与渗流控制》(刘杰)等专著。由于埋藏谷组成物多为不均匀系数＞5的不均匀土，所以只选用与颗粒组成相关、针对不均匀土的判别公式。

3.2 渗透变形类型的判别结果

左岸埋藏谷冲洪积土颗粒特征值见表2，冲洪积土渗透变形型式判定结果见表3。

表2 左岸地埋藏谷冲洪积土颗粒特征值Table2 Grain size characteristics of pluvial alluvial sediments at the buried valley under the left bank

表3 左岸埋藏谷冲洪积土渗透变形判定分析计算成果表Table 3 Seepage deformation assessment analysis of pluvial alluvial sediments at the buried valley under the left bank

3.2.1 细粒含量法

以Pc≥35%判定为流土型，Pc＜25%为管涌型，35% ＞Pc≥25%为过渡型。卵石混合土层中判定有1组为流土型，占9%;有7组为管涌型，占64%;有3组为过渡型，占27%。粉土质砾土层中判定1组为管涌型，占33%;2组为过渡型，占66%。混合土漂石土层中判定1组为管涌型，占100%。

3.2.2 粗细料含量对比法

瓦托坝址左岸埋藏谷部位松散堆积层所取15组样中，细粒含量法判定卵石混合土层中有1组为流土型，占9%;管涌型为7组，占64%;过渡型3组，占27%。粉土质砾土层中有1组为管涌型，占33%;2组为过渡型，占66%。混合土卵石为管涌型。粗细料含量对比法判定均为管涌型。

综合评价:左岸埋藏谷松散堆积层渗透变形的主要型式为管涌型，少数有发生流土型变形的可能，过渡型按土的密度、粒级、形状等其渗透变形的型式为管涌型。

3.3 临界水力比降的确定

《水力发电工程地质勘察规范》(GB 50287—2006)附录L.0.4采用公式计算，确定渗透变形临界水力比降。孔隙率是一个非常重要的物性指标，瓦托水电站左岸埋藏谷冲洪积土试验测定了5组孔隙率，由于冲洪积土组成物结构中密—密实，具不均一性，测定的5组孔隙率指标基本上可代表冲洪积土的实际情况。

管涌型临界水力比降采用(L.0.4-2)计算，采用(L.0.4-3)进行验证:

式中:Gs为土粒密度与水的密度之比;n为土的孔隙率;d5、d20分别占总重的5%和20%的土粒粒径(mm)。

式中:K为土的渗透系数(cm/s);d3为分别占总重的3%的土粒粒径(mm)。

计算结果见表4。

表4 管涌型临界比降J cr计算表Table 4 Gradient critical J cr values of piping type

左岸埋藏谷卵石混合土层取样4组进行室内渗透试验，测得的渗透系数试验大值平均值为7.34×10－3，临界比降的平均值为0.443;混合土漂石取样1组，测得的渗透系数为6.51 ×10－3，临界比降为 0.445。

依表4计算结果，结合室内试验综合分析确定瓦托水电站左岸地埋藏谷松散堆积层临界水力比降值为0.45。

3.4 允许水力比降的确定

根据《水力发电工程地质勘察规范》(GB 50287—2006)附录L.0.5规定:无粘性土的允许水力比降以土的临界水力比降除以1.5～2.0的安全系数。考虑到瓦托水电站左岸埋藏谷部位松散堆积层埋深2～6 m，层厚一般25～45 m，厚者达58 m，结构中密—密实，具不均一性，安全系数取1.5较为合适。所以埋藏谷松散堆积层渗透变形允许比降J允许=0.30较为适宜。

3.5 渗透稳定性评价

影响土渗透变形的因素较为复杂，如土体的结构特征、成因类型、胶结程度、地下水动态、地形地质条件等，决定无粘性土渗透破坏特性的主要因素是颗粒组成及密实程度。

根据瓦托水电站预可研、可研地质资料:左岸埋藏谷松散堆积物由卵石混合土、粉土质砾、混合土漂石组成，呈灰—灰白色，结构中密—密实，漂、卵、砾石成分复杂，主要为强风化—微风化花岗岩、砂岩等，分选较差，蚀圆度中等，局部可见泥和次棱角状的碎块石，漂、卵石中局部见全强风化花岗岩。卵石混合土中卵石粒径一般为60～140 mm;混合土漂石中漂石粒径一般为220～350 mm;粉土质砾中砾石含量约60%，粒径一般为10～40 mm，在空间分布上连续性差。

埋藏谷松散堆积层埋深2～6 m，在长期固结压力作用下，土体密实度较大，孔隙率较小。而采用的判别方法是按无粘性土进行判定，从理论上讲偏于安全。

从表4的分析可知，金河瓦托水电站左岸埋藏谷松散堆积层渗透变形型式主要为管涌。发生渗透管涌变形必须具有两个条件:一是渗透变形的水动力条件，即要有足够的水力比降作用下才能发生;二是要有相应的几何条件，即要有使细颗粒移动的足够的空隙和空间。

从图1可以看出，埋藏谷松散堆积层卵石混合土与混合土漂石土两层平均颗分曲线颗粒组成差别不大，渗透系数相近，只是混合土漂石相比卵石混合土颗粒较粗，结构相对较为密实，其两层发生接触流失、接触冲刷的可能性不大，在其渗流向上的情况下更不可能。粉土质砾以透镜体的形式分布于卵石混合土层中，其横向与纵向上呈不规则状，结构中密—密实，细粒含量较卵石混合土多，通过试验比较渗透系数相差不是很大，其两层发生接触流失、接触冲刷的可能性亦不大，在其渗流向上的情况下更不可能。

实践证明，渗流出口渗透稳定的控制是渗流安全控制的关键，无论是管涌或流土破坏，渗流都是首先由出口带出颗粒，然后逐步向上游发展，直至全部破坏，没有发现先从内部破坏而向上游发展的任何实例。

由于瓦托水电站左岸Ⅱ级阶地埋藏谷松散堆积物卵石混合土层上覆2～6 m左右坡积的碎石混合土层，自重压力不大，坝下大部地表卵石混合土出露，为中等—强透水层，排泄条件较好，可能使细粒随渗透水流产生位移，产生管涌破坏。粉土质砾以透镜体的形式分布于卵石混合土层中，上覆卵石混合土层，且为中等—强透水层，排泄条件较好，其抗渗比降明显提高，发生管涌破坏的可能性要小一些。混合土漂石下伏于卵石混合土层中，上覆自重压力较大，结构较为密实，卵石混合土层为中等—强透水层，排泄条件较好，发生管涌变形的可能性要小。

从表3的分析可知，有1组渗透变形判定为流土型，结合工程的实际情况，该样品取样位置多位于正常蓄水位以上，基本不会受到水动力条件作用的影响，故不会发生流土坡坏。

根据以上分析，认为瓦托水电站左岸埋藏谷松散堆积物不会发生渗透流土变形，可能会发生管涌变形，需采取防渗措施进行处理。

4 结语

通过瓦托水电站左岸埋藏谷松散堆积物结构特征及渗透稳定性分析的研究，得出如下:

(1)埋藏谷松散堆积物样品的采集要有代表性是首要的，这样颗分资料才能准确反映地层的实际情况，判别的结果才具有可靠性。

(2)无粘性土的渗透变形类型的判别方法有单一因素法(不均匀系数法、细料粒径对比法)、双因素法和综合分析的方法。综合分析法相对客观真实。

(3)孔隙率是确定临界水力比降的重要物性指标。

(4)流土破坏是整体破坏，对水工建筑物的危害较大，允许比降安全系数取2，对于特重要的工程也可用2.5;管涌破坏是土粒在孔隙中开始移动并被带走时的水力比降，一般情况下，土体在此水力比降下还有一定承受水力比降的潜力，允许比降取1.5倍的安全系数较适宜。

［1］ 刘杰.土的渗透稳定与渗流控制［M］.北京:水利电力出版社，1992.

［2］ GB 50287—2006，水力发电工程地质勘察规范［S］.

［3］ 彭土标，袁建新，王惠明，等.水力发电工程地质手册［M］.北京:中国水利水电出版社，2011.

［4］ 水利电力部水利水电规划设计院.水利水电工程地质手册［M］.北京:水利电力出版社，1985.