符 曉

(中國電建集團華東勘測設(shè)計研究院有限公司,杭州 311122)

1 工程概況

某水電站位于四川省甘孜藏族自治州丹巴縣境內(nèi)的大渡河干流上，工程為Ⅱ等大(2)型，主要建筑物有攔河閘壩、引水系統(tǒng)、發(fā)電廠房及開關(guān)站等。攔河閘壩最大閘高42 m，電站正常蓄水位1 997.00 m，電站裝機總?cè)萘? 196.6 MW。

2 閘址覆蓋層工程地質(zhì)條件

2.1 區(qū)域地質(zhì)及地震

工程區(qū)在大地構(gòu)造位置上屬松潘-甘孜地槽褶皺系(Ⅱ)之巴顏喀拉褶皺帶(Ⅱ1)，與川滇南北構(gòu)造帶、鮮水河構(gòu)造帶、龍門山構(gòu)造帶相鄰，區(qū)域構(gòu)造背景復(fù)雜。壩址區(qū)的基巖50年超越概率10%地震動峰值加速度為117.9 gal，相應(yīng)地震基本烈度為Ⅶ度。

2.2 閘址覆蓋層基本特性

閘址區(qū)基巖河床近似呈不對稱“V”形，谷底高程約1 830.00～1 840.00 m，現(xiàn)代主河道偏左岸，河床地面高程1 953.00～1 965.00 m；河床覆蓋層厚度大，一般50～130 m左右，最大厚度達133.0 m，主要由塊(漂)石、碎(卵)石、礫石及砂土、少量黏土組成，通過綜合分析閘址河床覆蓋層的形成年代、形成原因、組成物質(zhì)、空間分布等方面的差異，將其分為6個大層，即①～⑤層(沖洪積及堰塞湖相堆積)和B層(崩滑堆積)，部分大層又細分為幾個亞層，部分(亞)層中含有砂土透鏡體，見圖1。

圖1 河床覆蓋層結(jié)構(gòu)剖面示意圖

③層：為全新世河流相沖、洪積物，灰、灰褐、灰白等雜色，中密～密實，主要由粗顆粒的漂(塊)石、卵(碎)石和礫石構(gòu)成基本骨架，其間充填砂土。根據(jù)其成因、分布、組成和工程特性的差異，又細分為③-1和③-2兩個亞層。

B層：崩滑堆積層，顏色雜，由塊石、碎石、礫石及砂土構(gòu)成，密實程度不均一，粗顆粒分布無規(guī)律，粒徑大小懸殊，其中少量塊石直徑超過數(shù)米，類似局部分布的基巖。

3 閘基覆蓋層工程特性分析

3.1 閘基抗滑穩(wěn)定特性

閘址河床覆蓋層深厚，具多層結(jié)構(gòu)，各層土的組成不同，其物理力學(xué)指標(biāo)存在一定差異。其中①層、③層、⑤層和B層為粗粒土，內(nèi)摩擦角在28°～40°之間，抗剪強度較高；③層中偶見砂土透鏡體，分布不甚連續(xù)，內(nèi)摩擦角φ在23°～26°之間，抗剪強度相對較低；②層和④層為細粒土，內(nèi)摩擦角分別為20°～24°和18°～20°，抗剪強度較低。

3.2 閘基滲透穩(wěn)定特性

3.2.1 閘基滲漏問題

試驗成果表明，粗粒土層以強透水性為主，局部為中等透水性，滲透系數(shù)在17.3～259.2 m/d之間；細粒土層以弱透水性為主，局部為中等透水性，滲透系數(shù)在0.009～17.3 m/d之間。另結(jié)合閘址區(qū)現(xiàn)場灌漿試驗成果和鉆探過程中孔內(nèi)回漿情況綜合分析，③層和B層漏水、漏漿現(xiàn)象普遍，且滲漏量大，具良好的滲漏通道。因此，河床閘基存在較突出的滲漏問題。

3.2.2 閘基滲透變形問題

閘址河床覆蓋層呈粗粒土和細粒土相間結(jié)構(gòu)。各粗粒土層如⑤層、③層、①層及B層內(nèi)具備發(fā)生管涌的條件，細粒土層如④層、②層內(nèi)具備發(fā)生流土的條件；在無防滲設(shè)施情況下，各粗、細粒土層之間具備發(fā)生接觸沖刷和接觸流土的條件。因此，閘基河床覆蓋層存在滲透變形穩(wěn)定問題。

3.3 閘基砂土液化特性分析

閘址河床覆蓋層各土層液化初判結(jié)果表明，粗粒土層如⑤層、③-2亞層、③-1亞層、①層、B-2亞層和B-1亞層均不會發(fā)生液化現(xiàn)象；而各細粒土層如④層、③層砂土透鏡體和②層均可能發(fā)生液化現(xiàn)象。復(fù)判結(jié)果表明，④層粉土質(zhì)砂為可能液化土層，③層砂土透鏡體為可能液化土層，但可能性相對偏低；②層粉土、粉砂由于埋藏較深，固結(jié)時間長，密實程度高，相對密度較大，不會發(fā)生液化現(xiàn)象，這一結(jié)論與室內(nèi)動力試驗復(fù)核驗證結(jié)果是一致的。

綜上所述，閘址河床覆蓋層中，可能液化土層主要為上部的④層粉土質(zhì)砂，其在地震條件下，液化指數(shù)IIE在0.38～9.81之間，屬輕微～中等易液化；③層砂土透鏡體局部可能液化，一般情況發(fā)生在淺埋、顆粒較細的部位。

4 閘基加固處理

覆蓋層基礎(chǔ)加固處理的方法較多，結(jié)合本工程閘壩基礎(chǔ)覆蓋層的特點，覆蓋層基礎(chǔ)處理主要解決基礎(chǔ)承載力、穩(wěn)定、變形和液化等問題。

4.1 基礎(chǔ)加固方案初擬

根據(jù)閘壩基礎(chǔ)覆蓋層工程特性的研究成果顯示，主河床分布了軟弱夾層(第④層粉土質(zhì)砂層)，且第④層的分布范圍廣、厚度大，對閘壩基礎(chǔ)承載力、變形、穩(wěn)定等起控制作用。針對利用第④層粉土質(zhì)砂層建壩的問題，分析了對基礎(chǔ)進行固結(jié)灌漿、高壓噴射注漿、振沖碎石樁處理3種方案，并開展了現(xiàn)場覆蓋層固結(jié)灌漿、高壓噴射注漿、室內(nèi)力學(xué)試驗，進行了基礎(chǔ)的應(yīng)力穩(wěn)定計算等。

(1) 通過現(xiàn)場固結(jié)灌漿試驗表明：對于粉砂(土)層，由于其密實性較好，漿液難以進入，從而起不到膠結(jié)散粒體的作用，粉砂(土)層基本保持原狀，物理力學(xué)性能沒有得到大的改善，固結(jié)灌漿效果不明顯。

(2) 通過現(xiàn)場高壓噴射注漿試驗表明：受第③-2層架空及第④層粉土質(zhì)砂層影響，造孔過程中塌孔嚴(yán)重，基礎(chǔ)面一定范圍出現(xiàn)下陷；試驗過程中，高速水汽流將地層中黏粒、砂粒等沖失，使得局部架空加劇，漿液沿著架空層流失而無法成樁，灌漿沒有達到預(yù)期效果[6]。

(3) 直接利用第④層粉土質(zhì)砂層，計算表明閘壩的抗滑穩(wěn)定、閘底板應(yīng)力分布不均勻系數(shù)滿足規(guī)范的要求；但由于第④層粉土質(zhì)砂層埋深較淺(2～5 m)，經(jīng)計算復(fù)核，3種基礎(chǔ)處理方案下的軟弱下臥層承載力均不能滿足要求，第④層粉土質(zhì)砂層將會發(fā)生剪切破壞，影響上部建筑物的安全。

根據(jù)上述研究成果，第④層粉土質(zhì)砂層需要進行置換處理。中國同類工程基礎(chǔ)置換常用的置換料有砂礫料、改性砂礫石、低標(biāo)號混凝土以及堆石混凝土等[7]。上述置換材料中，砂礫石料、改性砂礫石料屬偏軟的材料，變形模量較低；而C10混凝土、堆石混凝土屬剛性材料，變形模量很大，強度高。選用C10混凝土、堆石混凝土，有限元計算表明雖然沉降變形滿足規(guī)范要求，但閘底板及置換層應(yīng)力狀態(tài)差，見表1?；靥頒10混凝土高溫核心區(qū)的基礎(chǔ)溫差超出規(guī)范要求，溫度應(yīng)力超過C10混凝土的允許值；C10混凝土、堆石混凝土作為置換材料投資較大，工期較長。

表1 置換材料的適應(yīng)性分析表

綜上，從結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性、溫控、施工工期、投資等方面綜合考慮，砂礫石料置換和改性砂礫石料置換方案相對優(yōu)于其他方案。砂礫石置換的經(jīng)濟性相對更優(yōu)，但改性砂礫石料的整體性相對更好些。初步確定砂礫石料、改性砂礫石料置換方案可作為壩基加固處理方案，并考慮基礎(chǔ)灌漿處理措施，擬定4種基礎(chǔ)加固處理方案進行詳細分析。

方案1：挖除第⑤層和第④層，回填砂礫石料，回填層不進行固結(jié)灌漿；

方案2：挖除第⑤層和第④層，回填砂礫石料，回填層進行10 m固結(jié)灌漿；

方案3：挖除第⑤層和第④層，回填改性砂礫石料，回填層不進行固結(jié)灌漿；

方案4：挖除第⑤層和第④層，回填改性砂礫石料，回填層進行10 m固結(jié)灌漿。

4.2 基礎(chǔ)加固方案選擇

針對上述擬定的方案，開展了現(xiàn)場試驗、室內(nèi)試驗、三維有限元數(shù)值分析等，從技術(shù)、經(jīng)濟綜合比較分析，優(yōu)選基礎(chǔ)加固處理方案。

(1) 挖除第④層、第⑤層，上述4種置換方案閘基覆蓋層承載力、閘室穩(wěn)定性及閘壩基礎(chǔ)應(yīng)力能夠滿足規(guī)范要求。三維有限元計算成果表明，采用砂礫石料置換時，閘底板應(yīng)力狀態(tài)較好，混凝土的抗壓及抗拉強度在其自身強度范圍內(nèi)，其他方案閘底板應(yīng)力較差。

(2) 現(xiàn)場回填層固結(jié)灌漿及直剪試驗成果表明，固結(jié)灌漿對提高回填層砂礫石料的整體性、抗剪強度作用較為明顯，室內(nèi)試驗成果表明，相對密度0.85下對砂礫石料進行固結(jié)灌漿試驗，灌漿前材料的密度為2.28 g/cm3，參數(shù)K值為1 220.2，抗剪強度指標(biāo)φ為40.9°；灌漿后，K值達到了2 052.3，抗剪強度指標(biāo)φ為41.3°。說明漿液有效地填補了顆粒料之間的空隙，并使散粒體顆粒得到膠結(jié)，但固結(jié)灌漿耗灰量較大，工程投資增加。

(3) 從置換材料的工程應(yīng)用情況來看，砂礫石料由于其碾壓后較好的密實性、較高的變形模量等工程特性而被廣泛應(yīng)用于路基、水電站軟基置換處理中。改性砂礫石料目前國內(nèi)外采用該材料筑壩以低壩或臨時水工建筑物為主，特別是中國，該種材料主要集中應(yīng)用于施工期圍堰、排導(dǎo)渠等臨時工程，對于類似本工程大型永久性的結(jié)構(gòu)建筑物還未有應(yīng)用先例。

(4) 對閘基砂礫石置換料進行固結(jié)灌漿能夠有效填充閘底板與置換層間的縫隙，增加置換層的抗剪強度，減少閘基沉降及不均勻沉降量，改善閘底板應(yīng)力和接縫止水條件，對工程的安全運行及可靠性有利。

綜上分析，鑒于本工程基礎(chǔ)覆蓋層的復(fù)雜性及閘壩達中國已建工程的最大規(guī)模，從基礎(chǔ)加固處理措施的可靠性、工程投資等方面考慮，推薦本階段基礎(chǔ)加固處理方案為：挖除覆蓋層第④層、第⑤層，采用砂礫石料置換，砂礫石料分層碾壓密實，并對置換層進行灌漿。

4.3 基礎(chǔ)加固處理效果

采用三維有限元進行攔河閘壩靜動力分析，本次計算基礎(chǔ)覆蓋層及土石壩堆石體采用“南水”雙屈服面彈塑性模型，網(wǎng)格包括閘壩、重力壩、土石壩、山體、覆蓋層和基巖，三維有限元模型共157 239個單元，199 903個節(jié)點。攔河閘壩變形、應(yīng)力計算結(jié)果見表2～4。

根據(jù)三維有限元計算成果，對基礎(chǔ)加固處理推薦方案的效果進行了研究和分析，計算成果表明：挖除覆蓋層第④層、第⑤層，采用砂礫石料置換，并對置換層進行10 m的固結(jié)灌漿處理后，閘基沉降、閘壩間不均勻沉降、閘底板應(yīng)力狀態(tài)等均有了較大改善，能夠滿足規(guī)范的要求。說明該處理方案能夠滿足工程安全運行的需要，處理措施是合適的。

表2 竣工期和蓄水期各斷面變形特征極值表 /cm

表3 攔河閘竣工期和蓄水期壩軸向和順河向相對位移表

5 閘基防滲處理

5.1 防滲方案初擬

閘基覆蓋層除第④層和第②層為中等透水性外，其余各地層均呈強透水性，但第④層為粉土質(zhì)砂層位于地表以下較淺，不能作為壩基持力層將被挖除；第②層下伏較深，分布于河床靠左岸，無法貫通河床兩岸而形成基礎(chǔ)的相對隔水層，因此在河床覆蓋層內(nèi)無法找到相對隔水層作為防滲墻設(shè)計的支撐層。崩坡積層從右岸坡腳深切于閘基覆蓋層內(nèi)部，與左岸第②層相連，試驗表明崩坡積層呈強透水性，大塊石廣泛分布其中，局部架空嚴(yán)重，其在閘基底部埋深約90m。針對閘基覆蓋層特殊的地質(zhì)條件，基礎(chǔ)防滲處理擬定如下方案[5]：

方案1：30 m長水平鋪蓋+60 m懸掛式防滲墻方案；

方案2：30 m長水平鋪蓋+90 m懸掛式防滲墻方案；

方案3：30 m長水平鋪蓋+90 m懸掛式防滲墻+1排帷幕灌漿方案；

方案4：30 m長水平鋪蓋+90 m懸掛式防滲墻+2排帷幕灌漿方案；

方案5：30 m長水平鋪蓋+全封閉防滲墻方案。

5.2 防滲方案選擇

防滲方案比較計算結(jié)果見表5、6，通過對上述5種方案的滲流計算分析表明[15]。

(1) 方案1、方案2基礎(chǔ)覆蓋層內(nèi)的滲透坡降及層間接觸坡降超出了允許值，滲透穩(wěn)定性不能滿足要求，且閘基滲流量較大，因此，方案1、方案2不能作為基礎(chǔ)防滲處理方案。

表4 竣工期和蓄水期各斷面應(yīng)力特征值表 /MPa

表5 泄洪閘壩段最大滲透坡降表

表6 泄洪閘壩段最大層間滲透坡降表

注：層間滲透坡降2個數(shù)值表示上游側(cè)接觸部位/下游側(cè)接觸部位。

(2) 方案3、方案4閘基滲漏量滿足要求；方案3防滲帷幕滲透坡降超過了帷幕的允許值(3～6)，防滲帷幕有被擊穿的風(fēng)險；方案4防滲帷幕的滲透坡降在允許值范圍內(nèi)，表明2排帷幕的設(shè)計方案是合適的。

(3) 方案5各項滲透指標(biāo)均滿足規(guī)范的要求，閘基滲流量較小，全封閉的防滲墻能夠有效阻截閘基的滲透水流，閘基覆蓋層不會發(fā)生滲透破壞。

從閘基滲流計算成果來看，全封閉防滲墻方案在壩基水頭折減、壩體滲流量控制、覆蓋層滲透坡降及逸出坡降方面最優(yōu)，但全封閉方案防滲墻最深超過130 m，如此深的防滲墻給施工帶來極大的難度，施工質(zhì)量難以保證，直接影響工程工期，增大投資。因此，針對本工程閘基基礎(chǔ)覆蓋層的特點，推薦方案4，即90 m深懸掛式防滲墻+2排帷幕灌漿方案作為本階段基礎(chǔ)防滲處理方案。

6 砂層液化處理

選定的基礎(chǔ)加固處理方案河床覆蓋層中③層砂土透鏡體局部可能液化，一般情況發(fā)生在淺埋、顆粒較細的部位；②層粉土、粉砂為不液化土層。

針對閘基砂土層在地震作用下是否發(fā)生液化以及液化的范圍、程度，開展了三維有限元動力計算分析，采用設(shè)計地震工況，即50 a超越概率10%場地譜人工合成基巖加速度時程進行計算。計算結(jié)果表明僅在閘右0+10 m和閘右0+136 m斷面的上下游模型邊界，遠離建筑物的區(qū)域出現(xiàn)局部液化區(qū)，因此不會對壩體穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，見圖2。鑒于第③層中砂土透鏡體分布的離散性、規(guī)模不等和不連續(xù)的特點，以及有限元計算成果，本階段將不對其進行抗液化處理。

圖2 50 a超越概率10%地震作用下液化度分布圖

7 結(jié) 語

通過本文的研究可以得出如下結(jié)論：

(1) 本工程壩址區(qū)河床覆蓋層深厚，河床覆蓋層成分、成因及結(jié)構(gòu)復(fù)雜，各層物理力學(xué)性相差性較大。因此，為了合理地利用河床深厚覆蓋層，確定壩基安全可靠、技術(shù)、經(jīng)濟上可行的處理措施，開展了系統(tǒng)的研究工作，推薦出了本階段閘壩基礎(chǔ)加固處理、防滲處理、砂土層液化處理的工程措施。

(2) 本工程基礎(chǔ)處理思路可為其它深厚覆蓋層基礎(chǔ)水利水電工程提供參考。

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