锦屏二级水电站闸基深厚覆盖层工程地质特性研究

周春宏，贾海波，曹 强，廖 卓

(中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 311122)

1 工程概述

锦屏二级水电站拦河闸坝位于雅砻江锦屏大河弯西端的猫猫滩，最大坝高34m，由分离式布置的泄水闸、取水口等组成；泄水闸布置在猫猫滩河段河道中央，左右岸接头为混凝土重力坝，导流洞布置在右岸，水库正常蓄水位为1646m，闸顶设计高程1654m。闸址以上控制流域面积为10.3万km2，闸址处多年平均流量1220m3/s。本文阐述了河床覆盖层不同层组的分布发育情况，深入分析了可能存在的工程地质问题，提出了相应的处理措施。

2 闸址区工程地质条件

工程区位于川滇菱形断块内的东部，新构造运动以整体抬升为主，其地震危险性主要受外围强震带的影响。工程闸址区50年超越概率10%的基岩水平峰值加速度为0.104g，相应的地震基本烈度均为Ⅳ度。

闸坝区河道顺直，流向N25°E，河谷较开阔，两岸山体雄厚，河谷呈“V”型之纵向谷，两岸无阶地及漫滩分布。当枯水位高程1627m时，水面宽71.4m，水深10m左右，当正常蓄水位1646m时，谷宽137.46m。地层主要为三叠系上统(T3)之变质砂岩、板岩及第四系覆盖层，变质砂岩、板岩常以互层状产出。

闸址位于猫猫滩向斜近轴部地带，核部最新地层为T34泥质板岩，两翼地层为T33～T2z变质长石石英细砂岩、粉砂岩、粉砂质板岩及大理岩。闸址区内无区域性断层通过，亦无较大的顺河断层分布，唯闸址下游左岸大奔流沟沟口发育有一条F4断层，及NE～NEE向陡倾断层F209、F213、f221外，其余均为长度200m以内、宽度一般小于0.5m的小断层。

闸址区地下水类型主要有基岩裂隙水和第四系松散堆积物孔隙水，总体上闸址区因两岸谷坡地形陡峭，地表径流通畅，基岩裂隙水水量不丰，地下水埋深大，基本通过地下径流方式汇入雅砻江。

3 闸基深厚覆盖层工程地质特征

根据前期勘察资料及闸基开挖情况，河床覆盖层厚度一般在35～40m，最厚可达50.10m。自下而上分为四大层五小层(图1)，分述如下。

图1 闸址河床工程地质剖面示意图

据闸坝覆盖层6组承压板载荷试验成果表明，天然状况下地基承载力特征值fak在752～850kPa之间，平均798.2kPa，能满足设计要求(400～500kPa)；试验最大荷载分别为1202.6、1976kPa时，其各自对应最大沉降量分别为6.43～7.30mm、13.23～15.81mm。闸址覆盖层的平均波速为272～347m/s，为中硬场地土，场地类别为Ⅱ类。

通过对闸址河床覆盖层进行的多项试验，并结合闸址工程地质条件及川西地区深厚覆盖层工程类比法，提出闸址的岩土体物理力学参数建议指标，见表1。

4 闸基覆盖层主要工程地质问题

闸基覆盖层结构复杂，分布不均，土的物理力学性质差异较大，不均匀沉降变形、渗漏、渗透稳定等工程地质问题较为突出。现详细分析如下。

4.1 压缩变形及不均匀沉降

通过2#～5#铺盖灌后9组孔跨孔波速Vp平均值的比较可得出，覆盖层(包括回填碎石层)灌后波速范围为2000～4878m/s，总体平均值为2928m/s，满足设计的灌后标准(>2000m/s)；灌后变形模量在62.46～181.86MPa，平均值为110.60～119.50MPa,满足设计的灌后标准。截止2020 年6 月，坝基累计沉降最大值14.09mm，沉降变化趋势趋向平缓，逐步收敛(如图2所示)。

图2 坝基累计沉降观测

4.2 闸基渗漏

据现场抽水试验成果表明，Ⅰ层的渗透系数k值一般为8.01～47.0m/d，在该层顶板局部部位受架空影响，达100.2～126.14m/d。Ⅱ层的渗透系数k值一般为21.11～42.15m/d，最大可达350.8m/d。Ⅲ- 1层结构变化较大，渗透系数k值在10.4～32.98m/d不等，局部地段k值可达105.4m/d。Ⅲ- 2层k值为12.73～30.78m/d。

为研究闸址覆盖层的渗漏情况，进行了渗流场数值模拟计算，分别计算下列组合工况：①工况1上游正常蓄水位(1646m)与下游枯期地下水位；②工况2上游设计洪水位(1648m)与下游设计洪水位(1638m)；③工况3上游校核洪水位(1651m)与下游校核洪水位(1645m)；④工况4上游死水位(1640m)与下游枯期地下水位(1620m)；对各种计算工况下的各层基础渗流量进行分析对比，同时由于各层渗透系数不同，对层间的最大坡降也进行了分析，其结果见表2。

表2 渗流计算成果表

从上表得知，工况2水头差最小仅5m，各层水力坡降及层间坡降也最小，渗漏量为165.024m3/(d·m)；工况1最大，其总单宽渗流量达到858.125m3/(d·m)，总渗漏量达140732.5m3/d，说明这种工况下水库渗漏问题较严重，需采取防渗处理。

4.3 渗透稳定

第四系松散堆积物的透水性能受土层结构、密实程度、颗粒级配、细粒含量、分选程度、颗粒形状等控制。闸址覆盖层各土层均具备发生渗透破坏的地质条件，其渗透破坏方式以管涌破坏为主，部分可能出现过渡型破坏，而且各层之间还具备存在接触冲刷和接触流失的可能，渗透稳定问题突出。因此，闸基渗流控制应结合各层土体的透水性及允许坡降，进行可靠的防渗处理，确保闸基土体的抗渗稳定性。施工时采取以混凝土防渗墙为主的防渗措施。

施工时采用防渗墙及部分防渗帷幕相结合进行闸基防渗处理措施，且在两岸及部分防渗墙下的基岩灌浆孔深度进入5Lu线以下5m，采用单排直线形式布置，孔距2.0m，其中河床部位防渗帷幕深度在36～63m之间。

4.4 砂层液化

闸址河床覆盖层内包括鸡窝状砂层在内共37处，其中40.5%分布于下部Ⅰ层中，27.0%分布于Ⅲ- 1层中，21.7%分布于Ⅲ- 2层中，10.8%分布于Ⅱ层中；厚度大于1m的透镜体共有15处。经液化判别，闸基覆盖层在Ⅶ度地震基本烈度条件下不发生砂土液化。在Ⅷ度设防烈度时Ⅲ- 1和Ⅲ- 2层在埋深15m以内的砂层透镜体会发生液化，液化等级属轻微液化，需采取抗液化措施。为减少基础的不均匀沉降、防止砂层液化，确保闸坝安全，对闸坝基础的覆盖层进行水泥固结灌浆加固处理。

5 结语

由于河床深厚覆盖层各土层的性质差异，致使闸基存在压缩变形及不均匀沉降、渗漏、渗透变形及渗透稳定、砂土液化等工程地质问题。通过对闸基覆盖层进行垫层置换、振动夯实、固结灌浆等工程措施，以提高闸基土体抗变形能力及防止砂土液化；而采用混凝土防渗墙+防渗帷幕的防渗措施，可防止闸基土体出现渗透破坏。从多年的工程运行来看，各观测数据未出现异常，表明所采取的工程处理措施是合适的。