深厚覆盖层拦河闸坝基础特性分析及处理研究

2018-04-26 02:14
西北水电 2018年1期
关键词:闸坝覆盖层砂砾

符 晓

(中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司,杭州 311122)

1 工程概况

某水电站位于四川省甘孜藏族自治州丹巴县境内的大渡河干流上,工程为Ⅱ等大(2)型,主要建筑物有拦河闸坝、引水系统、发电厂房及开关站等。拦河闸坝最大闸高42 m,电站正常蓄水位1 997.00 m,电站装机总容量1 196.6 MW。

2 闸址覆盖层工程地质条件

2.1 区域地质及地震

工程区在大地构造位置上属松潘-甘孜地槽褶皱系(Ⅱ)之巴颜喀拉褶皱带(Ⅱ1),与川滇南北构造带、鲜水河构造带、龙门山构造带相邻,区域构造背景复杂。坝址区的基岩50年超越概率10%地震动峰值加速度为117.9 gal,相应地震基本烈度为Ⅶ度。

2.2 闸址覆盖层基本特性

闸址区基岩河床近似呈不对称“V”形,谷底高程约1 830.00~1 840.00 m,现代主河道偏左岸,河床地面高程1 953.00~1 965.00 m;河床覆盖层厚度大,一般50~130 m左右,最大厚度达133.0 m,主要由块(漂)石、碎(卵)石、砾石及砂土、少量黏土组成,通过综合分析闸址河床覆盖层的形成年代、形成原因、组成物质、空间分布等方面的差异,将其分为6个大层,即①~⑤层(冲洪积及堰塞湖相堆积)和B层(崩滑堆积),部分大层又细分为几个亚层,部分(亚)层中含有砂土透镜体,见图1。

图1 河床覆盖层结构剖面示意图

③层:为全新世河流相冲、洪积物,灰、灰褐、灰白等杂色,中密~密实,主要由粗颗粒的漂(块)石、卵(碎)石和砾石构成基本骨架,其间充填砂土。根据其成因、分布、组成和工程特性的差异,又细分为③-1和③-2两个亚层。

B层:崩滑堆积层,颜色杂,由块石、碎石、砾石及砂土构成,密实程度不均一,粗颗粒分布无规律,粒径大小悬殊,其中少量块石直径超过数米,类似局部分布的基岩。

3 闸基覆盖层工程特性分析

3.1 闸基抗滑稳定特性

闸址河床覆盖层深厚,具多层结构,各层土的组成不同,其物理力学指标存在一定差异。其中①层、③层、⑤层和B层为粗粒土,内摩擦角在28°~40°之间,抗剪强度较高;③层中偶见砂土透镜体,分布不甚连续,内摩擦角φ在23°~26°之间,抗剪强度相对较低;②层和④层为细粒土,内摩擦角分别为20°~24°和18°~20°,抗剪强度较低。

3.2 闸基渗透稳定特性

3.2.1 闸基渗漏问题

试验成果表明,粗粒土层以强透水性为主,局部为中等透水性,渗透系数在17.3~259.2 m/d之间;细粒土层以弱透水性为主,局部为中等透水性,渗透系数在0.009~17.3 m/d之间。另结合闸址区现场灌浆试验成果和钻探过程中孔内回浆情况综合分析,③层和B层漏水、漏浆现象普遍,且渗漏量大,具良好的渗漏通道。因此,河床闸基存在较突出的渗漏问题。

3.2.2 闸基渗透变形问题

闸址河床覆盖层呈粗粒土和细粒土相间结构。各粗粒土层如⑤层、③层、①层及B层内具备发生管涌的条件,细粒土层如④层、②层内具备发生流土的条件;在无防渗设施情况下,各粗、细粒土层之间具备发生接触冲刷和接触流土的条件。因此,闸基河床覆盖层存在渗透变形稳定问题。

3.3 闸基砂土液化特性分析

闸址河床覆盖层各土层液化初判结果表明,粗粒土层如⑤层、③-2亚层、③-1亚层、①层、B-2亚层和B-1亚层均不会发生液化现象;而各细粒土层如④层、③层砂土透镜体和②层均可能发生液化现象。复判结果表明,④层粉土质砂为可能液化土层,③层砂土透镜体为可能液化土层,但可能性相对偏低;②层粉土、粉砂由于埋藏较深,固结时间长,密实程度高,相对密度较大,不会发生液化现象,这一结论与室内动力试验复核验证结果是一致的。

综上所述,闸址河床覆盖层中,可能液化土层主要为上部的④层粉土质砂,其在地震条件下,液化指数IIE在0.38~9.81之间,属轻微~中等易液化;③层砂土透镜体局部可能液化,一般情况发生在浅埋、颗粒较细的部位。

4 闸基加固处理

覆盖层基础加固处理的方法较多,结合本工程闸坝基础覆盖层的特点,覆盖层基础处理主要解决基础承载力、稳定、变形和液化等问题。

4.1 基础加固方案初拟

根据闸坝基础覆盖层工程特性的研究成果显示,主河床分布了软弱夹层(第④层粉土质砂层),且第④层的分布范围广、厚度大,对闸坝基础承载力、变形、稳定等起控制作用。针对利用第④层粉土质砂层建坝的问题,分析了对基础进行固结灌浆、高压喷射注浆、振冲碎石桩处理3种方案,并开展了现场覆盖层固结灌浆、高压喷射注浆、室内力学试验,进行了基础的应力稳定计算等。

(1) 通过现场固结灌浆试验表明:对于粉砂(土)层,由于其密实性较好,浆液难以进入,从而起不到胶结散粒体的作用,粉砂(土)层基本保持原状,物理力学性能没有得到大的改善,固结灌浆效果不明显。

(2) 通过现场高压喷射注浆试验表明:受第③-2层架空及第④层粉土质砂层影响,造孔过程中塌孔严重,基础面一定范围出现下陷;试验过程中,高速水汽流将地层中黏粒、砂粒等冲失,使得局部架空加剧,浆液沿着架空层流失而无法成桩,灌浆没有达到预期效果[6]。

(3) 直接利用第④层粉土质砂层,计算表明闸坝的抗滑稳定、闸底板应力分布不均匀系数满足规范的要求;但由于第④层粉土质砂层埋深较浅(2~5 m),经计算复核,3种基础处理方案下的软弱下卧层承载力均不能满足要求,第④层粉土质砂层将会发生剪切破坏,影响上部建筑物的安全。

根据上述研究成果,第④层粉土质砂层需要进行置换处理。中国同类工程基础置换常用的置换料有砂砾料、改性砂砾石、低标号混凝土以及堆石混凝土等[7]。上述置换材料中,砂砾石料、改性砂砾石料属偏软的材料,变形模量较低;而C10混凝土、堆石混凝土属刚性材料,变形模量很大,强度高。选用C10混凝土、堆石混凝土,有限元计算表明虽然沉降变形满足规范要求,但闸底板及置换层应力状态差,见表1。回填C10混凝土高温核心区的基础温差超出规范要求,温度应力超过C10混凝土的允许值;C10混凝土、堆石混凝土作为置换材料投资较大,工期较长。

表1 置换材料的适应性分析表

综上,从结构的适应性、温控、施工工期、投资等方面综合考虑,砂砾石料置换和改性砂砾石料置换方案相对优于其他方案。砂砾石置换的经济性相对更优,但改性砂砾石料的整体性相对更好些。初步确定砂砾石料、改性砂砾石料置换方案可作为坝基加固处理方案,并考虑基础灌浆处理措施,拟定4种基础加固处理方案进行详细分析。

方案1:挖除第⑤层和第④层,回填砂砾石料,回填层不进行固结灌浆;

方案2:挖除第⑤层和第④层,回填砂砾石料,回填层进行10 m固结灌浆;

方案3:挖除第⑤层和第④层,回填改性砂砾石料,回填层不进行固结灌浆;

方案4:挖除第⑤层和第④层,回填改性砂砾石料,回填层进行10 m固结灌浆。

4.2 基础加固方案选择

针对上述拟定的方案,开展了现场试验、室内试验、三维有限元数值分析等,从技术、经济综合比较分析,优选基础加固处理方案。

(1) 挖除第④层、第⑤层,上述4种置换方案闸基覆盖层承载力、闸室稳定性及闸坝基础应力能够满足规范要求。三维有限元计算成果表明,采用砂砾石料置换时,闸底板应力状态较好,混凝土的抗压及抗拉强度在其自身强度范围内,其他方案闸底板应力较差。

(2) 现场回填层固结灌浆及直剪试验成果表明,固结灌浆对提高回填层砂砾石料的整体性、抗剪强度作用较为明显,室内试验成果表明,相对密度0.85下对砂砾石料进行固结灌浆试验,灌浆前材料的密度为2.28 g/cm3,参数K值为1 220.2,抗剪强度指标φ为40.9°;灌浆后,K值达到了2 052.3,抗剪强度指标φ为41.3°。说明浆液有效地填补了颗粒料之间的空隙,并使散粒体颗粒得到胶结,但固结灌浆耗灰量较大,工程投资增加。

(3) 从置换材料的工程应用情况来看,砂砾石料由于其碾压后较好的密实性、较高的变形模量等工程特性而被广泛应用于路基、水电站软基置换处理中。改性砂砾石料目前国内外采用该材料筑坝以低坝或临时水工建筑物为主,特别是中国,该种材料主要集中应用于施工期围堰、排导渠等临时工程,对于类似本工程大型永久性的结构建筑物还未有应用先例。

(4) 对闸基砂砾石置换料进行固结灌浆能够有效填充闸底板与置换层间的缝隙,增加置换层的抗剪强度,减少闸基沉降及不均匀沉降量,改善闸底板应力和接缝止水条件,对工程的安全运行及可靠性有利。

综上分析,鉴于本工程基础覆盖层的复杂性及闸坝达中国已建工程的最大规模,从基础加固处理措施的可靠性、工程投资等方面考虑,推荐本阶段基础加固处理方案为:挖除覆盖层第④层、第⑤层,采用砂砾石料置换,砂砾石料分层碾压密实,并对置换层进行灌浆。

4.3 基础加固处理效果

采用三维有限元进行拦河闸坝静动力分析,本次计算基础覆盖层及土石坝堆石体采用“南水”双屈服面弹塑性模型,网格包括闸坝、重力坝、土石坝、山体、覆盖层和基岩,三维有限元模型共157 239个单元,199 903个节点。拦河闸坝变形、应力计算结果见表2~4。

根据三维有限元计算成果,对基础加固处理推荐方案的效果进行了研究和分析,计算成果表明:挖除覆盖层第④层、第⑤层,采用砂砾石料置换,并对置换层进行10 m的固结灌浆处理后,闸基沉降、闸坝间不均匀沉降、闸底板应力状态等均有了较大改善,能够满足规范的要求。说明该处理方案能够满足工程安全运行的需要,处理措施是合适的。

表2 竣工期和蓄水期各断面变形特征极值表 /cm

表3 拦河闸竣工期和蓄水期坝轴向和顺河向相对位移表

5 闸基防渗处理

5.1 防渗方案初拟

闸基覆盖层除第④层和第②层为中等透水性外,其余各地层均呈强透水性,但第④层为粉土质砂层位于地表以下较浅,不能作为坝基持力层将被挖除;第②层下伏较深,分布于河床靠左岸,无法贯通河床两岸而形成基础的相对隔水层,因此在河床覆盖层内无法找到相对隔水层作为防渗墙设计的支撑层。崩坡积层从右岸坡脚深切于闸基覆盖层内部,与左岸第②层相连,试验表明崩坡积层呈强透水性,大块石广泛分布其中,局部架空严重,其在闸基底部埋深约90m。针对闸基覆盖层特殊的地质条件,基础防渗处理拟定如下方案[5]:

方案1:30 m长水平铺盖+60 m悬挂式防渗墙方案;

方案2:30 m长水平铺盖+90 m悬挂式防渗墙方案;

方案3:30 m长水平铺盖+90 m悬挂式防渗墙+1排帷幕灌浆方案;

方案4:30 m长水平铺盖+90 m悬挂式防渗墙+2排帷幕灌浆方案;

方案5:30 m长水平铺盖+全封闭防渗墙方案。

5.2 防渗方案选择

防渗方案比较计算结果见表5、6,通过对上述5种方案的渗流计算分析表明[15]。

(1) 方案1、方案2基础覆盖层内的渗透坡降及层间接触坡降超出了允许值,渗透稳定性不能满足要求,且闸基渗流量较大,因此,方案1、方案2不能作为基础防渗处理方案。

表4 竣工期和蓄水期各断面应力特征值表 /MPa

表5 泄洪闸坝段最大渗透坡降表

表6 泄洪闸坝段最大层间渗透坡降表

注:层间渗透坡降2个数值表示上游侧接触部位/下游侧接触部位。

(2) 方案3、方案4闸基渗漏量满足要求;方案3防渗帷幕渗透坡降超过了帷幕的允许值(3~6),防渗帷幕有被击穿的风险;方案4防渗帷幕的渗透坡降在允许值范围内,表明2排帷幕的设计方案是合适的。

(3) 方案5各项渗透指标均满足规范的要求,闸基渗流量较小,全封闭的防渗墙能够有效阻截闸基的渗透水流,闸基覆盖层不会发生渗透破坏。

从闸基渗流计算成果来看,全封闭防渗墙方案在坝基水头折减、坝体渗流量控制、覆盖层渗透坡降及逸出坡降方面最优,但全封闭方案防渗墙最深超过130 m,如此深的防渗墙给施工带来极大的难度,施工质量难以保证,直接影响工程工期,增大投资。因此,针对本工程闸基基础覆盖层的特点,推荐方案4,即90 m深悬挂式防渗墙+2排帷幕灌浆方案作为本阶段基础防渗处理方案。

6 砂层液化处理

选定的基础加固处理方案河床覆盖层中③层砂土透镜体局部可能液化,一般情况发生在浅埋、颗粒较细的部位;②层粉土、粉砂为不液化土层。

针对闸基砂土层在地震作用下是否发生液化以及液化的范围、程度,开展了三维有限元动力计算分析,采用设计地震工况,即50 a超越概率10%场地谱人工合成基岩加速度时程进行计算。计算结果表明仅在闸右0+10 m和闸右0+136 m断面的上下游模型边界,远离建筑物的区域出现局部液化区,因此不会对坝体稳定性产生影响,见图2。鉴于第③层中砂土透镜体分布的离散性、规模不等和不连续的特点,以及有限元计算成果,本阶段将不对其进行抗液化处理。

图2 50 a超越概率10%地震作用下液化度分布图

7 结 语

通过本文的研究可以得出如下结论:

(1) 本工程坝址区河床覆盖层深厚,河床覆盖层成分、成因及结构复杂,各层物理力学性相差性较大。因此,为了合理地利用河床深厚覆盖层,确定坝基安全可靠、技术、经济上可行的处理措施,开展了系统的研究工作,推荐出了本阶段闸坝基础加固处理、防渗处理、砂土层液化处理的工程措施。

(2) 本工程基础处理思路可为其它深厚覆盖层基础水利水电工程提供参考。

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