姚阳 齐三红 耿莉
摘 要:CCS水电站首部枢纽溢流坝地基为深厚覆盖层,地质条件非常复杂,主要存在坝基渗漏、坝基渗透变形及坝基沉降变形等工程地质问题,基础处理是溢流坝设计的重点和难点。针对溢流坝的地质条件特征,采用塑性混凝土防渗墙、开挖换填和振冲碎石桩复合地基处理方案,监测结果表明地基处理效果较好。
关键词:首部枢纽;溢流坝;沉降变形;地基处理; CCS水电站
中图分类号:TV221 文献标志码:A
doi:10.3969/j.issn.1000-1379.2020.11.024
Abstract:The foundation of spillway in intake complex of CCS Hydropower Station is deep overburden and the geological condition is very complex. The main engineering geological problems are foundation seepage, seepage deformation and settlement stability. Foundation treatment is the focus and difficulty of design. According to the characteristics of the geological conditions, it adopted the plan of plastic concrete cut-off wall, excavation replacement and vibro-replacement stone column composite foundation treatment. The monitoring results show that the foundation treatment effect is better, which can provide a reference for similar projects.
Key words: intake complex; spillway; settlement deformation; foundation treatment; CCS Hydropower Station
1 工程概況
CCS水电站为引水式电站,位于南美洲厄瓜多尔共和国北部Napo省与Sucumbios省交界处,工程任务主要为发电,电站总装机容量1 500 MW,是厄瓜多尔规模最大的水电站。CCS水电站主要建筑物由首部枢纽、输水隧洞、调蓄水库、压力管道和地下厂房等组成[1-2]。
首部枢纽主要建筑物由挡水建筑物(混凝土面板堆石坝)、泄洪排沙建筑物(溢流坝及冲沙闸)和取水建筑物(取水闸及沉沙池)三部分组成。溢流坝布置在坝址区左侧垭口处,坝顶高程1 289.50 m,坝顶长度271.75 m,水库最高水位1 288.30 m,最大泄流量16 444 m3/s。溢流坝主要由左岸挡水坝段、溢流堰、下游消力池、海漫及防冲槽组成。溢流坝的建基面高程为1 250.5 m,坝高39 m,坝基防渗采用塑性混凝土垂直防渗墙,防渗墙最大深度30 m,墙身厚度0.8 m。左侧挡水坝段为重力式结构,坝顶宽度8.0 m,上游坡1∶0.2,下游坡1∶0.6。8孔开敞式溢流堰采用WES实用堰,堰顶高程1 275.50 m,单孔净宽度为20.0 m,闸墩厚度为2.0 m,溢流堰顺水流向底板长度52.61 m,垂直水流向22 m,采用堰面分缝。溢流坝下游采用底流消能形式,消力池长度64.41 m,消力池底板高程为1 255.50 m,池深4.00 m;消力池末端设出口检修闸,长度22.0 m,闸底板高程1 259.50 m,闸顶高程1 277.00 m。出口闸下游海漫总长度为120 m,上段60 m为钢筋混凝土结构,下段60 m为散抛石结构,末端设深7.8 m、底宽6 m的抛石防冲槽,防冲槽顶面高程为1 259.50 m[3-7]。
2 基本地质条件
根据前期勘察资料及实际开挖揭示的地质情况,溢流坝区域地基主要为河流冲洪积层,河床覆盖层主要由a、b、c、d、e、f六大层组成[8],其厚度及特性如下。
(1)a层。冲洪积砂卵石层,含有较多大于20 mm的漂砾,含量20%~30%,夹有少量块石,砂砾石级配良好,该层相对松散,厚度10~20 m。
(2)b层。冲洪积砂砾石层,含火山碎屑物质的砂砾石,局部微胶结,含少量棱角状块石,厚度约10 m。
(3)c层。湖积层,划分为3个亚层:c1为极细砂、粉砂夹有砾石、微塑性黏性土,该层厚3~6 m;c2为微胶结的粉质黏土、粉土,夹有砾石、细砂,该层厚5~15 m,在砂层中呈透镜状夹层分布,具有承载力低、压缩性高、渗透性小的特点,稍密,可塑-硬塑状;c3为极细砂,夹少量砾石,厚度约12 m。
(4)d层。含火山碎屑物质的砂砾石,局部微胶结,卵砾石磨圆度较好,分选较差,局部胶结较好,厚度为10~80 m。
(5)e层。河流冲洪积砂卵石层,含有较多粒径大于20 mm的漂砾,含量20%~30%,砂砾石级配良好,多为次圆状,夹有少量块石,该层较密实,厚度约15 m。
(6)f层。湖积层,分为两个亚层:f1为砂壤土、细砂、零星的砾石,厚约3 m;f2为细砂、壤土,偶夹砾石,厚约10 m。
该区地下水主要为松散岩类孔隙水,河床及漫滩的冲洪积层泥质含量少,砂砾石透水性较好,含水层厚度可达50 m,主要为孔隙潜水,地下水水量丰富,该类地下水与河水水力联系密切。由于工程施工采取井点降水,因此工程区地下水位低于河水位,主要接收河水的补给,下部局部黏土层为隔水层,该层地下水具有一定的承压性,在坝基勘探过程中局部钻孔大量涌水。
区内地震基本动峰值加速度为260 cm/s2(0.26g),相应的地震烈度为8度,区内可能发生的地震最大动峰值加速度为404 cm/s2。
根据现场原位及室内试验,得出主要地基岩土层的物理力学参数建议值,见表1。
3 主要工程地质问题
溢流坝坝基主要为d层砂砾石和c层粉细砂、粉土及粉质黏土等覆盖层。存在的主要工程地质问题为坝基渗漏、坝基渗透破坏及坝基沉降,同时覆盖层厚度不均,相差很大,会产生不均匀沉降变形。
3.1 坝基渗漏问题
从覆盖层各岩组的渗透系数来看,砂卵砾石的渗透系数为10-3 cm/s~10-2,砂层的渗透系数为10-3 cm/s,属于中等透水性。覆盖层砂卵砾石层的厚度较大,坝基渗漏问题较严重。根据溢流坝水工建筑物布置情况,选择典型剖面计算分析覆盖层坝基的渗漏量。
(3)计算参数取值及计算结果分析。结合覆盖层砂砾石和砂层的渗透系数测试成果,坝基覆盖层的渗透系数K根据等效系数法确定;坝基覆盖层的厚度不等,等效厚度T取均值。坝基覆盖层渗流量计算参数取值及计算结果见表2。
从溢流坝坝基覆盖层渗流量的计算结果来看,渗流量为3 793 m3/d,渗流量较大,采用流域面积与实测平均流量(1979—1986年系列)相关关系分析,求得首部枢纽坝址1979—1986年平均流量为265 m3/s(即2.29×107 m3/d),渗流量约占年平均流量的0.02%,因此尽管溢流坝坝基渗流量较大,但与上游来水量相比极小,渗漏量不会影响电站的正常运行。
3.2 坝基渗透变形
覆盖层砂卵砾石和砂层的颗粒级配曲线见图2,通过分析及计算获得覆盖层各岩组的颗粒级配特征值,见表3。
由表3覆盖层各岩层的颗粒级配特征值统计结果发现,覆盖层各岩层的颗粒级配特征值有差异,砂卵砾石不均匀,级配良好;砂层较均匀,级配不良。
(1)根据图2颗粒级配曲线,砂卵砾石岩组对应于瀑布式类型曲线,判断该岩组渗透变形类型为潜蚀型即管涌型;砂层为直线类型曲线,渗透变形类型以流土为主。
(2)根据《水利水电工程地质勘察规范》(GB 50487—2008)[9],采用不均匀系数Cu及细粒含量Pc判别和评价渗透变形类型。
砂层不均匀系数Cu=3.227<5,可判别为流土;砂卵砾石层不均匀系数Cu=8.269>5,则根据细粒含量Pc<25%,可判断其破坏形式为管涌;砂卵砾石层和砂层组成的双层结构地层不均匀系数均小于10,而有效粒径d10砂砾石/砂=5.2/0.044=118.2>10,可能存在接触冲刷问题。
根据以上分析,覆盖层砂卵砾石渗透变形类型为管涌型,砂层渗透变形类型为流土型,层间可能存在接触流失。覆盖层各岩层颗粒粗细差别大,而且粗细相间分布,建坝后在高水头作用下存在渗透变形问题。
3.3 坝基沉降变形
坝基坐落在砂卵砾石、砂层及粉质黏土上,砂礫石的厚度不均,基础以下右侧砂卵砾石层厚2~10 m,下为花岗闪长岩侵入体;左侧覆盖层逐渐变厚,深达130 m,会产生一定的不均匀沉降。左坝肩附近的粉质黏土和粉土层具有中等压缩性,会产生沉降变形问题。同时覆盖层厚度和性质相差很大,局部会产生不均匀沉降变形问题。
4 坝基处理措施
4.1 坝基防渗处理
针对溢流坝坝基覆盖层渗漏和渗透变形问题,地基采用塑性混凝土防渗墙进行防渗处理,防渗墙主要布置在溢流坝基础以下,同时为避免左坝肩绕渗,防渗墙体左岸挡水坝段往左侧延伸11 m,即深入左坝肩近70 m;右侧延伸到冲沙闸岩石基础,连接冲沙闸和引水闸基础帷幕灌浆形成封闭防渗系统。防渗墙桩号范围为S0-011.00—S0+237.25,墙体防渗帷幕轴线长度为251.21 m,墙体厚度为800 mm。主坝段设计墙顶高程为1 251.00 m,墙底高程为1 220.50 m,最大墙体深度为30.5 m。塑性混凝土防渗墙顶部1 m深凿除,浇筑普通钢筋混凝土,与坝基底部采用柔性接头连接。
4.2 坝基沉降变形处理
针对坝基覆盖层分布不均匀,存在粉质黏土和粉土等土层沉降变形问题,左坝肩采用上部开挖换填+下部振冲碎石桩处理方案;溢流坝下游消力池左挡墙主要采用了振冲碎石桩处理方案,消力池底板和出口闸采用了换填处理方案。
4.2.1 溢流坝主体坝段基础沉降分析
坝基砂卵砾石层材料是非线性弹塑性材料,采用Schmertmann方法计算,假定如下:①只计算开挖完成到大坝完建期间的沉降量。根据土的固结理论,对于砂卵砾石这种无黏性粗颗粒土地层,开挖完成时变形基本完成,大坝建成后沉降也基本完成。②变形模量取回弹曲线的变形模量,考虑到压缩曲线弹性阶段的弹性模量与回弹曲线变形模量斜率相差不大,最终取土的弹性模量作为计算参数,一般弹性模量是变形模量的3~5倍,弹性模量偏安全的取150 MPa。③完建期基底应力最大,且沉降在此时期大部分完成,故仅分析完建工况。沉降计算结果见表4,溢流坝计算最大沉降量为113 mm,小于规范规定的150 mm,满足设计要求。
4.2.2 溢流坝左坝肩基础处理
溢流坝左坝肩在1 278.00 m高程左右为a+b地层(冲洪积砂砾卵石层),该层从左到右呈喇叭口状逐渐加厚,左侧厚度约5 m,其下为c1砂层和c2粉质黏土层,易产生不均匀沉降。溢流坝左坝肩基础原设计处理方案为振冲碎石桩处理,桩径1.0 m,间排距1.6 m,桩底高程1 259.0~1 265.0 m。现场施工过程发现a+b地层坚硬,胶结良好,且有较多粒径大于50 cm的孤石,振冲碎石桩施工困难。经分析将左坝肩基础处理方案调整为:上部开挖换填+下部振冲碎石桩处理。