黄团伟, 陈思宇, 李小雄
(中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司,湖南 长沙 410014)
托口水电站枢纽位于湖南省洪江市境内的沅水上游,电站装机规模830 MW,年平均发电量21.90亿kWh,属一等大(1)型工程。工程枢纽采取分散型布置,由拦河坝(主坝)、王麻溪引水坝和发电厂房、通航建筑物等工程组成。
尾水桥桥址位于王麻溪副坝发电厂房下游约350 m处。桥型为七跨简支预应力梁桥,设计桥面净宽7 m,设计荷载:汽车荷载:城-A级,人群荷载:3.5 kPa,公路等级为三级。
综合平面地质测绘及钻探成果,场区内揭露地层由新至老依次为:
(1)人工堆积物(Q4s):为块、碎石土,厚度0~4.5 m,结构松散。
(2)Ⅰ级阶地堆积物(Q4pal):粉质、粉砂质黏土夹少量卵砾石组成,厚度7.7~15.3 m,分布于0号桥台至5号桥墩范围。
(3)石炭系中上统壶天群(C2+3):浅灰、灰白色厚层、巨厚层白云质灰岩,中部夹紫红色砾岩、含砾粉砂质泥岩夹层,总厚度大于75 m,夹层厚度6~9 m。缝合线构造和底部砾岩不明显,与下伏的Zant地层呈不整合接触。
(4)震旦系下统南沱组(Zant):紫红、灰绿色巨厚层冰碛含砾泥岩、含砾板岩厚度约4.7 m,强风化状,岩体较破碎。
震旦系下统江口组(Zaj):根据岩性差异,分为两段(Zaj1、Zaj2):
(5)上段Zaj2:青灰、灰色或少量灰绿色厚层、巨厚层状粉砂质板岩夹灰绿色条带,与Zaj1呈整合接触,分界标志明显,为一炭质页岩夹层。
(6)下段Zaj1:灰绿、浅灰色厚层、巨厚层状含砾凝灰质砂岩夹粉砂质板岩,厚度34~38 m,岩体较完整。
勘探表明,桥址区的石炭系壶天群(C2+3)地层存在岩溶类型属碳酸盐岩的岩溶,按水动力特征属近河谷排泄基准面岩溶。
桥址区灰岩岩溶发育主要受岩性及构造控制,岩溶发育总体表现为沿层面及主要构造带延伸的特点。在平、剖面上常见带状、层状或串珠状溶蚀,若无明显构造影响,不同的层位或构造中岩溶一般相互独立,互通性差。钻孔岩溶发育情况统计见表1,桥址区遇岩溶钻孔物探CT成果见图1。
表1 尾水桥钻孔岩溶发育情况统计表
图1 尾水桥岩溶钻孔CT扫描剖面成果图
桥址灰岩区10个钻孔中,遇岩溶钻孔4个(遇溶洞总数23个),未遇岩溶钻孔6个。钻孔揭露情况有如下几点:(1)中、上部岩溶较深部发育,溪沟(场地)中部岩溶较左岸发育;(2)各墩、台中,以4号桥墩最发育,钻孔线岩溶率达32.8%~35.12%,2号桥墩次之,0号桥台和1号桥墩不发育;(3)同一部位也存在差异,如2号、3号桥墩各2个钻孔中一孔遇岩溶,一孔未遇岩溶;(4)溶洞一般直径小于2 m,仅一个直径达4.3 m,总体规模较小;(5)溶洞充填与未充填数各半,主要充填物为黏土夹砂、砾。钻孔QZK4~QZK8物探CT扫描成果表明,各溶洞及溶蚀带表现为相间分布,相互之间的连通特征不明显,具相对独立性。
勘探揭露软弱夹层为不整合接触带与炭质页岩夹层。
不整合接触带:分布于③石炭系中上统壶天群(C2+3)地层与下伏④震旦系下统南沱组(Zant)地层之间,不整合接触带为一层黑至黄褐色含炭质黏土,软塑~可塑状,物理力学性质差,钻孔揭露厚度1.1~2.2 m。
炭质页岩夹层:分布于震旦系下统江口组上段⑤Zaj2与下段⑥Zaj1之间,钻孔揭露(垂直)厚度约5 m,破碎呈片状,遇水易软化,物理力学性质差。
王麻溪引水坝尾水渠及引航道(通航建筑物)开挖后,除0号桥台基础残留第四系Ⅰ级阶地堆积物外,其他墩、台位置第四系及全风化岩体可全部挖除,其中2~4号桥墩强风化岩体也已基本挖除,根据岩土试验成果,桥址Ⅰ级阶地堆积低液限黏土有一定的承载强度,可作为承载强度要求不高的桥台基础持力层考虑,残余强风化岩体因岩体破碎,均一性差,厚度变化大,不宜做为基础持力层,其他中风化~新鲜的各地层岩体完整性较好,强度较高,均可作为桥梁墩、台基础的持力层,但应结合基础以下溶洞和软弱夹层(包括不整合接触带与炭质页岩夹层)的分布情况综合考虑选择基础持力层。各岩(土)体物理力学指标地质建议值详见表2~表3。
表2 岩体主要物理力学性质指标地质建议值表
表3 Ⅰ级阶地土物理力学指标地质建议值表
综合上述结果, 尾水桥桥梁基础方案选择遵循以下要求:溶洞位于尾水底板开挖面高程5 m以下且溶洞以上地质承载力较好(允许承载力≥600 kPa),优先采用明挖基础以避开溶洞对桥梁下部的影响;溶洞距尾水底板开挖面较深(大于10 m),溶洞以上地质情况不理想,应采用桩基础,桩端穿过岩溶发育区进入下部稳定基岩。
0号桥台:设计可根据荷载及结构要求选择扩大基础,以②为层土体为基础持力层,或选择嵌岩桩基础以③层中的中风化岩为基础持力层。采用嵌岩桩基础时,应查明桩端以下岩溶情况,确保桩端以下可靠岩基厚度满足设计要求。
1号桥墩:该部位基础岩溶程度较弱,宜采用明挖扩大基础,以③层中的中风化岩为基础持力层,并对基础以下5 m范围地基进行固结灌浆处理。
2号桥墩:该部位基础局部岩溶程度较强,主要岩溶分布高程181~190 m,尾水渠按设计高程186 m开挖后,主要岩溶残留厚度约5 m,建议采用明挖扩大基础,以③层中的中风化岩为基础持力层,挖除并置换主要岩溶岩体,并对高程176 m以上地基进行固结灌浆处理。
3号桥墩:尾水渠按设计高程186 m开挖后,桥墩位置覆盖层及强风化基岩均被挖除,基岩地层为③层C2+3,下限埋深大于40 m,顶部为中风化砾岩、含砾粉砂质泥岩夹层,残留厚度5.5~6 m,建议采用明挖扩大基础,以顶部中风化岩为基础持力层。
4号桥墩:尾水渠按设计高程186 m开挖后,覆盖层大多被挖除,下伏基岩为③层C2+3和④层Zant。③层C2+3岩溶发育强烈,遍布整层,底部C2+3/Zant不整合接触带为一层黑色含炭质黏土,软塑~可塑状,④层Zant顶部受构造影响风化剧烈,岩体呈强风化状,厚度约5 m。③层C2+3及④层Zant顶部基岩,均难以满足墩基要求,建议采用嵌岩桩基础,以④层Zant中的中风化岩为基础持力层。
5号桥墩:尾水渠按设计高程186 m开挖后,覆盖层及全风化岩体可全部挖除。下伏③层C2+3残留最小厚度仅约4 m,底部C2+3/Zant不整合接触带黑至黄褐色含炭质黏土呈软塑~可塑状,④层Zant厚度约5~7 m,呈强风化状,岩体破碎,⑤层Zaj2顶部分布厚度约2 m的强风化岩体。虽然③层C2+3岩溶不发育,但其残存厚度较小,且底部C2+3/Zant不整合接触带为一软塑~可塑状软弱夹层,④层Zant和⑤层Zaj2强风化岩体均性状较差,均难以满足墩基要求,建议采用嵌岩桩基础,以⑤层Zaj2中的中风化岩为基础持力层。
6号桥墩:尾水渠按设计高程186 m开挖后,覆盖层及全风化岩体可全部挖除,基岩为⑤层Zaj2和⑥层Zaj1。⑤层Zaj2残留厚度约25 m,强风化厚度1~3 m,底部炭质页岩夹层厚度约3 m,夹层顶面埋深约18~21 m。建议采用明挖扩大基础,以⑤层Zaj2中的中风化岩为基础持力层。
7号桥台:尾水渠边坡按设计开挖后,桥台部位覆盖层及全风化岩体可全部挖除。基岩残留厚度8~10 m,底部炭质页岩夹层(垂直)厚度约5 m,顶部强风化岩厚度3~5 m,岩体破碎,⑤层顶部强风化岩体及底部炭质页岩性状均差,不宜做基础持力层。建议采用嵌岩桩基础,以⑥层Zaj1中的中风化岩为基础持力层。
(1)桥梁墩、台基础开挖后应及时封闭,避免扰动或暴露后持力层风化破碎,桥墩采用嵌岩桩基础时,桩端应进入较完整的中风化基岩之中,明挖扩大基础的埋深须大于尾水渠的冲刷深度。
(2)当尾水渠底板无防护时,应对墩周一定范围内的不整合接触带、岩溶、风化破碎岩体进行防护,必要时进行刻槽回填混凝土处理。
(3)1、2号桥墩位于引航道进(出)口部位,应对桥墩设置预防船只冲撞的保护措施。
(4)桥址区墩、台基础多数位于岩溶区,应采取措施保证基础置于完整可靠的岩基上,并对地基进行必要的检测。
(5)基础施工时,应作好地下水的疏排工作,特别是多数桩基位于沅水河水位以下,应准备充足的抽、排水设施,避免地下水影响施工安全与质量。同时,应加强施工验槽工作,若发现与本报告出入较大的不良地质问题,应及时会同设计、施工协商,进行动态设计。