梨园水电站堆积体地质勘探成果

9.2.2.1　那兰水电站坝基冲积层利用

那兰水电站混凝土面板堆石坝最大坝高109m，为我国第一座将趾板置于河床冲积层上的100m级高面板坝。河床冲积层最大厚度24.30m，以砂卵石为主，其中砂的含量约为35%，砾石含量约为65%。从节省工程投资、缩短工期和提前发电等多方面考虑，针对趾板设置型式进行了多方案的综合技术经济比较，通过钻探、触探、坑探及各种试验研究，查清了河床冲积层厚度及物理力学性质，无连续软泥及砂层，结合面板堆石坝对地基的要求，论证了趾板置于砂卵砾石层上及在其之上建造面板堆石坝是可行的，同时对施工布置、设备、工艺、流程、进度等的统筹分析比较，最终采用河床趾板置于冲积层上面板堆石坝方案。为防止河床冲积层的渗流冲蚀破坏，坝基河床冲积层上铺设反滤料保护。为防止河床冲积层的不均匀沉降引起面板开裂，面板配置双层双向钢筋，使用聚丙烯纤维混凝土。一期面板仅在回填上游铺盖材料时发现少量微细裂缝，已做处理，二期面板未发现裂缝。那兰水电站混凝土面板堆石坝趾板建在冲积层上，实现发电工期提前10个月，节约投资150万元，获得发电效益1.2亿元左右，取得了显著的经济效益和社会效益。

9.2.2.2　泗南江水电站坝肩堆积体利用

泗南江水电站面板堆石坝，最大坝高115m。左岸坝轴线下游坝基部位分布1号崩塌堆积体，堆积体分布范围大，自河床起分布高差约220m，为崩积混坡积物，厚度多在20～30m间，勘探揭露最大垂直埋深33.3m、最大水平埋深42m，总方量约60万m3，表层(0～3m)存在较明显的架空现象，堆积体总体密实性好。由于分布范围大，大规模开挖所带来的资金投入及工程风险均较大。因此对堆积体开展了专门的试验研究，包括物理性试验(成果见表4.6)、三轴剪切试验(饱和固结排水)(成果见表4.7)及现场大型载荷试验(试验成果见表4.8)等。分析表明采取一定处理措施后1号崩塌堆积体可以作为堆石体基础加以利用。综合处理措施包括坝基范围内的崩塌堆积体清除表层3～5m架空及相对不密实层，减少坝基沉降；在建基面上设置反滤保护层，减少崩塌体受渗透水影响，避免崩塌体浸水后可能发生的湿化、滑移，确保崩塌体的渗透稳定；增设坝体下游侧崩塌堆积体范围的排水设施，保证水库蓄水后堆积体内浸润线不抬高，不恶化坝坡稳定条件；放缓坝坡，根据坝坡稳定分析成果，充分考虑崩塌堆积体特性，将下部坝坡由原设计1∶1.4调整至1∶1.7，以确保坝坡稳定。由于开挖量减少约30万m3，填筑量减少约25万m3，避免了开挖后形成的约350m高边坡，节省了相应边坡支护工程量。减少工程直接投资约1200万元，节省工期约6个月。2007年11月水库蓄水后监测资料成果分析表明，大坝运行正常，渗水量很小。坝体最大沉降量74cm，占坝高的0.64%，1号崩塌堆积体范围坝体变形正常，无明显突变，说明大坝是安全的，达到了预期目的。

9.2.2.3　梨园水电站坝基堆积体利用

金沙江梨园水电站混凝土面板堆石坝最大坝高155m，工程区广泛分布各种成因类型的大规模堆积体(图9.1)。其中坝址左岸靠江边及上游分布有下咱日冰水堆积体，方量约9800万m3，堆积体最大厚度约119m，大坝左岸及电站进水口位于该堆积体边缘。从可研到施工详图设计阶段，针对坝址左岸台地堆积物(包括冰水堆积体及冲洪积层)进行了深入、细致的研究，通过大量的勘察、现场试验、室内试验，查明了堆积物的组成物质、物理力学性质，并经理论分析计算及工程类比，论证了堆积物作为堆石坝基础的可行性。其中可研阶段进行了常规的钻孔、竖井勘探，物探专业进行了电法、地震勘探。左岸台地堆积体部位进行了3点载荷试验，结合左岸堆积物9个钻孔取样，开展了25组现场颗粒分析试验；联合科研院所及高等院校对下咱日堆积体进行了专题研究，研究内容包括堆积体空间分布形态及工程地质结构特征、成因机制、堆积体物理力学性质大尺度野外试验研究(大尺度水平推剪、大尺度直剪)、现场渗透试验、现场密度试验等。施工详图阶段，针对堆积体坝基又开展了9个钻孔的勘探，并进行了钻孔注水试验。针对前期在堆积体中发现淘金洞的现状，进行了有针对性的瞬变电磁、地震映象研究，且进行了钻孔验证。

图9.1　梨园水电站坝址区堆积体分布图

图9.2　梨园水电站左岸坝基保留的堆积体

地质勘探成果表明台地堆积物厚度7～25m，最厚达30.25m，底界面总体起伏不大。堆积物主要由碎石、卵砾石夹块石组成，成分以灰岩、玄武岩为主，亦见正长岩、白云岩、花岗岩及砂岩，碎石、卵石、块石基本为弱风化，偶见全风化岩体(呈黏土及粉土状)。堆积物呈泥质弱胶结，总体结构密实(图9.2)。通过试验研究，堆积体承载力较高，压缩性较低，变形模量大于或与坝体堆石压缩模量相当，其组成物质与坝体堆石料接近，具备作为坝壳堆石体基础的条件。计算成果表明，坝体最大剖面和堆积体上方典型剖面的沉降量均未超过坝高的1%。多方面论证结果说明：保留坝体范围左岸台地部位的堆积物作为坝体堆石体基础是安全、合理、经济的，可减少工程开挖量、弃渣量及料场开采量近70万m3，相应减少了坝体填筑量，缩短了工期，节约工程投资约6000万元，创造了良好的经济效益。2014年10月水库蓄水后监测资料成果分析表明，大坝运行正常，最大沉降量约为坝高的0.8%，渗水量小于50L/s，大坝是安全的。

梨园水电站上游围堰高约53m时，该地段河床冲积层厚6～15m，组成物质以块石夹砂卵砾石为主，渗透系数为4.56×10-1cm/s，属强透水。围堰左岸处于下咱日堆积体前缘，堰顶处堆积物厚度达37m，堆积体表部以孤、块石为主，下部为砂、卵、砾石夹漂石及少量粉粒，钙、泥质呈半胶结，属强透水。右岸位于念生垦沟堆积体前缘靠下游部位，覆盖层厚20～50m，物质组成以粉细砂、粉土为主夹碎块石土，渗透系数K=3.42×10-4cm/s，属弱—微透水。由于围堰地基覆盖层物质组成与结构极不均匀，为确保防渗的可靠性，开展了“深厚冰水堆积体上高土石围堰防渗体系研究及应用”，在多方面取得创新成果：①研究了梨园水电站工程第四纪冰水堆积体物理力学特性和渗流特性，为高水头围堰结构设计及地基防渗设计施工提供了理论依据，并在工程应用中得到验证；②研究成果解决了在深厚冰水堆积体上修筑土石围堰所面临的结构安全、地基沉降变形、渗流破坏等技术难题，建成60m级高土石围堰，围堰及地基沉降变形、渗流流量实测成果满足设计要求，围堰设计是成功的；③针对冰水堆积体内部结构均匀性差，灌浆效果不良的缺陷，研究了新型可控帷幕灌浆工艺，有效解决了施工困难、可靠性差的技术难题，为帷幕灌浆适用不同地质条件的施工提供了可资借鉴的经验；④研究成果的应用节约了大量土石方工程量，符合节能环保与绿色施工政策要求，取得了良好的社会经济效益。

9.2.2.4　甲岩水电站坝基堆积体利用

普渡河甲岩水电站混凝土面板堆石坝最大坝高144m，河床冲洪积(Qal+pl)主要为砂卵砾石夹漂石、粉砂、粉砂质黏土，分布于河床及阶地。河床部位冲积层厚度一般10～20m；阶地部位覆盖层厚度一般20～50m。在河中及两岸分布有第四系冲积层，左岸分布有第四系的崩、坡积层。针对冲积层进行了重力触探试验，并判断冲积层不存在砂土液化问题。根据勘探试验成果，由于河床冲积层厚度大，组成物质粗粒含量大(图9.3)，蓄水后不会产生渗透变形破坏，尤其是阶地部位的坡崩积层结构较紧密，密实度高(图9.4)，面板堆石坝方案堆石体部位仅清除表层松动体、植被覆盖物及腐殖土层，面板堆石坝的堆石体置于冲积层之上。

图9.3　甲岩水电站河床坝基保留冲积层

图9.4　甲岩水电站右岸坝基保留堆积体

在现场施工过程中，在坝纵0+290～0+340段高趾墙下游侧分布有胶结较好的冲积层，现场试验干密度为2.24～2.3g/cm3，渗透系数为4.17×10-4～8.13×10-4cm/s，均满足作为坝料的标准，级配曲线也基本满足要求，试验结果表明可不开挖，直接作为坝体部分。

2013年12月水库蓄水后监测资料成果分析表明，坝体最大沉降量66.7cm，占坝高的0.46%，坝基内渗压计及侧缝计等仪器工作正常，大坝运行是安全的。

9.2.2.5　戛洒江一级水电站坝基冲积层利用

戛洒江一级水电站混凝土面板堆石坝最大坝高147.5m。坝址上、下游河漫滩发育，据钻孔资料，坝址河床冲积层一般厚15～35m，主要以卵、砾石混中、细砂及少量漂石为主，卵、砾石磨圆度中等—较好，分选性较差(图9.5)。为节约工程投资，降低工程造价，充分利用河床冲积层，研究在河床冲积层上建坝的工程特性，在坝址河床及左岸漫滩上进行了钻孔冲积层重型动力(N63.5)触探试验、平板荷载试验、物探剪切波测试及砂、卵(砾)石颗分及室内物理力学试验和相对密度测试。

图9.5　戛洒江一级水电站坝址左岸漫滩探坑及物质组成

1.现场颗分试验(www.xing528.com)

从河床冲积层颗分试验成果可知(表9.1及图9.6)，卵、砾石直径一般为2～6cm，部分8～20cm，大于5mm的颗粒含量约65%～80%，小于5mm的粉细砂粒含量平均为15%～25%，其中：小于0.075的黏粒含量约5%～10%。根据现有勘探资料及物探测试成果，河床冲积层从右岸到左岸，厚度逐渐变厚，粒径从右岸到左岸，从下游到上游变粗，砾石含量增加，其间未见连续的粉细砂层或淤泥层分布。卵石、砾石成分主要以紫红色、青灰、灰色砂岩、花岗片麻岩及部分泥岩、少量石英等为主。

表9.1　保留冲积层试样颗粒级配

2.室内物理性测试

河床冲积层主要由卵、砾石混中、细砂及漂石组成，天然密度为2.16g/cm3，相应的天然干密度为2.08g/cm3，相对密度为0.62，含水量为5.2%，混合比重2.68。从其相对密度试验成果可知，河床冲积层呈中等密实状态。

3.剪切波测试

河床冲积层剪切波测试采用跨孔剪切波测试，测试剖面ZK142～ZK144，其中ZK142为激发孔，ZK144为接收孔，孔间距为9m。根据河床冲积层物探剪切波测试成果，河床冲积层纵波速为1.96～3.05km/s，平均为2.19km/s，剪切波波速为0.5～1.16km/s，平均为0.78km/s；动弹性模量Ed最小值为1.58GPa，最大值为8.23GPa，平均3.88GPa；动剪切模量Gd最小值为0.54GPa，最大值为2.91GPa，平均值为1.37GPa；动泊松比μd最小值为0.39，最大值为0.47，平均值为0.43。由试验成果可知，河床冲积层纵波速、剪切波速、动弹性模量、动剪切模量随深度的增加而增大，动泊松比随深度的增加而减小。说明河床冲积层从上至下，其密实程度逐步增大。

图9.6　戛洒江一级水电站坝址河床冲积层钻孔、探坑颗粉曲线图

4.动力触探试验

为进一步查明河床冲积层的物理力学性质，对河中钻孔ZK112、ZK116、ZK117、ZK142等进行了重型动力(N63.5)触探试验，在动力触探试验成果的整理分析中，考虑了钻杆长度及地下水对动力触探成果的影响，并对动力触探击数进行了修正，对锤击数进行修正后，钻孔重型动力(N63.5)触探试验平均击数为9～12击，初步判断承载力约为360～470k Pa，压缩模量25～35MPa，变形模量为40～60MPa。

5.荷载试验

对坝址左岸漫滩先后进行了6组平板荷载试验及与荷载试验点相对应的河床冲积层颗分及物理性试验。与荷载试验点相对应的试坑分别进行了试验前、试验后颗分试验，从试坑的颗分试验成果可知：60～200mm卵、砾石含量达20%～38%；大于5mm的粗粒含量为71.1%～87.6%；小于0.075mm黏粒含量仅为1.8%～0.1%，行标分类为卵石混合土。不均匀系数最小30.6，最大284.2，平均为106。通过相对密度试验，采用试验级配的最大干密度分别为：2.15～2.24g/cm3，最小干密度分别为：1.70～1.86g/cm3，相对密度最小值为0.52，最大值为0.76，平均值为0.67。破碎度为2%～2.2%，破碎度不高。

荷载试验冲积层沉降量随荷载的增大而增大，从P-S关系曲线分析，一般取比例界限值作为承载力特征值，若无明显的比例界限出现，取b(降深)/S(承压板直径)=0.01～0.015所对应的荷载作为承载力的特征值。由荷载试验成果可知，河床冲积层荷载试验承载力最小值为260k Pa，最大值为485k Pa，一般为300～429k Pa。

试验成果表明，河床冲积层呈中等密实状态，且从上至下其密实程度逐步增大。经适当处理可满足建坝要求。因此，坝基河床冲积层将作为坝体的一部分予以保留。

9.2.2.6　金沙江其宗水电站坝基冲积层利用

其宗水电站位于云南省丽江市与迪庆洲交界的金沙江干流上，初拟坝型为心墙堆石坝。坝址河床及阶地覆盖层厚达60～120m，且成分多样、结构复杂，除正常的河流相堆积的砂卵砾石层外，还分布有冰积与冲积的混合堆积，洪积、冲积、泥石流堆积、崩积等形成的物质成分极其复杂的加积层，相对静水环境形成的粉细砂层、粉质黏土层等(图3.9)。由于工程规模大，坝址河床覆盖层的工程特性、处理措施等对工程建设，尤其是大坝的稳定性、安全性及经济性均有较大影响，是重大工程地质问题之一，也是工程地质勘察的重点内容。预可行性研究阶段通过采用钻探、取原状及扰动样室内试验、物探CT、动力触探(粗粒土)、标准贯入(细粒土)、超重型动力触探、抽注水、颗分、原位平板静载、旁压试验、剪切波速及动剪切模量测试、软土的静力触探、软土及粉细砂的十字板剪切、综合测井等综合勘察方法，对覆盖层的分布特征、成因类型、工程地质特性进行了专题研究，并在此基础上对覆盖层坝基的抗滑稳定性、变形稳定性、渗透稳定性、砂土液化等建坝适宜性进行了深入研究，提出了科学、合理的覆盖层分层及有关地质参数建议值，为工程的决策、方案设计提供了可靠的地质依据，对覆盖层坝基处理提出了建议：

(1)河床覆盖层表层分布的粉细砂层对坝基抗滑稳定不利，需予以清除；地基产生深层抗滑稳定的可能性较小，但应进行验算、复核。

(2)坝基土中③-1层和①层具备发生管涌的条件，③-2层、②-2层和②-1层具备发生流土的条件，而且各层之间还具备存在接触冲刷和接触流失的可能，渗透变形问题比较严重。为保证大坝的安全，防止产生管涌破坏或流土破坏，建议对坝基进行全封闭式防渗处理，采用心墙置于基岩上是最为稳妥的处理方案。

(3)覆盖层中只有③-2层的16m以上和19～20m处的砂层透镜体有产生液化的可能，其他不会发生液化。建议将坝基内③-2层20m以上的部分挖除等可靠的防液化处理。

(4)坝基覆盖层深厚，成因类型及组织结构复杂，存在砂层透镜体，不同土层物理力学性质差异较大，存在沉降变形特别是不均匀沉降变形问题。建议对地基采取土体加密、固结灌浆、振捣夯实等工程处理措施。

虽然坝基覆盖层较厚，成因类型及物质组成较为复杂，存在不均匀变形、渗透稳定、砂土液化等方面的不利因素，但通过可靠的工程处理，其宗坝址具备修建高心墙堆石坝的条件。

大量工程实践证明，深厚覆盖层具有成因复杂、结构松散，层次不连续、力学性质不均匀的特点，利用其作为坝基，稳定问题突出。但只要做好地基勘察与处理，深厚覆盖层建高堆石坝不仅技术上可行，而且经济效益明显，具有广泛的发展前景。