文章编号:1006—2610(2019)03—0020—03
纳子峡水电站坝基河床覆盖层工程特性分析
蔡 王 强
(甘肃省水利水电勘测设计研究院有限责任公司,兰州摇 730000)
摘摇 要:通过工程地质测绘、勘探及试验所取得的成果,对河床覆盖层物质组成、物理力学性质进行了分析研究,确
定了开挖深度、坝基合理的建基面和处理措施。 为设计、施工提供技术支撑,对工程建设具有实用意义。
关键词:河床覆盖层;物理力学特征;渗流特征;坝基
中图分类号:TV223;TV74摇 摇 摇 摇 文献标志码:A摇 摇 摇 摇 DOI:10. 3969 / j. issn. 1006-2610. 2019. 03. 005
Analysis of Engineering Characteristics of River Bed Overburden in Dam Foundation of Nazixia Hydropower Station
CAI Wangqiang
(Gansu Water Resources and Hydropower Survey and Design Institute Co. , Ltd. , Lanzhou摇 730000, China)
Abstract: Through the achievements of engineering geological mapping, exploration and test, the material composition and physical and
mechanical properties of the river bed overburden were analyzed and determined, and the excavation depth, reasonable foundation surface
and treatment measures of the dam foundation were determined. The analysis provides technical support for design and construction and
has practical significance for engineering construction.
Key words:riverbed overburden; physical and mechanical characteristics; seepage characteristics; dam foundation
摇 摇 收稿日期:2019-03-15
摇 摇 作者简介:蔡王强(1985 - ),男,甘肃省平凉市静宁县人,工程
师,从事水利工程地质勘察工作.
1摇 工程概况
纳子峡水电站位于青海省门源县和祁连县交界
处的大通河上游,为大通河拟建的第 19 座电站,上
接海浪沟水电站尾水,下连石头峡水电站库尾,距西
宁市 186 km,是青海省重点建设工程。 枢纽主要建
筑物由拦河坝、引水发电系统和厂房组成,设计坝型
为混凝土面板堆石坝,坝高 117 m,坝底长 395 m、宽
149 m、顶宽 9. 5 m。 水库正常蓄水位 3 201. 50 m。
总库容为 7. 33 亿 m
3
,总装机容量 87 MW。
2摇 河床覆盖层基本特征
坝址区河道略弯,流向 NE,坝址区两岸地形呈不
对称的“U冶字形峡谷,河床宽 80 ~ 110 m,河床两侧被
坡积物覆盖,河床高程 3 090. 00 ~ 3 091. 00 m。 河床
覆盖层厚度 17. 4 ~21. 1 m,自上而下分为 3 层
[1]
:
(1) 淤层为含块(漂) 石的冲积砂卵砾石层,厚
度 3 ~ 4 m,分布高程 3 091. 00 ~ 3 087. 00 m,结构稍
密 ~ 中密,其中孤石、块石多为岸坡岩体卸荷崩塌堆
积所致,一般粒径 30 ~ 50 cm,最大粒径 3 ~ 4. 5 m,
含量占 20% ~ 30% ,卵石、砾石磨圆度好,主要成份
为花岗岩、石英岩、砂岩、砾岩等,其间充填中粗砂及
细颗粒,该层局部具有架空现象。
(2) 于层为偶夹块(漂) 石的冲积砂卵砾石层,
厚度 2 ~ 3. 5 m,分布高程 3 087. 00 ~ 3 083. 00 m,结
构密实,块(漂)石一般粒径 20 ~ 30 cm,最大粒径 1
~ 1. 5 m,含量占 8% ~ 15% 。
(3) 盂层为冲积砂卵砾石层,厚度 12. 4 ~ 13. 6
m,结构密实,主要由卵石、砾石、砂组成。 剔除河床
粒径大于 40 cm 以上块( 漂) 石,对河床覆盖层用筛
分法进行颗粒级配试验,颗粒级配曲线见图 1。 试
验成果表明河床覆盖层为粗粒土,以卵、砾石为主,
02
蔡王强. 纳子峡水电站坝基河床覆盖层工程特性分析
詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨
细粒土含量较少。 根据河床覆盖层颗粒级配曲线,
控制粒径 d
60
= 46. 78 mm、d
30
= 19. 22 mm,有效粒径
d
10
= 1. 27 mm,不均匀系数 C
u
= 36. 83,大于 5,土粒
不均匀,曲率系数 C
c
= 6. 22,不在 1 ~ 3 之间,为不连
续级配。 结合颗分曲线,在 200 ~ 10 mm 之间颗分
曲线较 陡, 斜 率 大, 说 明 该 粒 组 含 量 多; 在 10 ~
0. 075 mm 之间颗分曲线较平缓,斜率小,说明该粒
组含量少。 综合而言河床覆盖层颗粒级配不良。
图 1摇 河床覆盖层颗粒级配曲线图
3摇 河床覆盖层工程地质特征
3. 1摇 物理特征
对河床覆盖层进行了密度试验、比重试验、含水
量试 验, 试 验 结 果: 河 床 砂 卵 砾 石 天 然 含 水 率 为
2. 8% ~ 3. 5% ,平均值为 3. 1% ;比重 2. 71 ~ 2. 73,
平均值为 2. 72;天然密度 2. 24 ~ 2. 28 g / cm
3
,平均
值为 2. 26 g / cm
3
;干密度 2. 16 ~ 2. 21 g / cm
3
,平均值
为 2. 19 g / cm
3
;孔隙率为 18. 75% ~ 20. 88% ,平均
值为 19. 5% ;相对密度 0. 73 ~ 0. 88,平均值为 0. 81;
综合而言河床覆盖层在天然水流作用下,地层结构
为密实
[2-4]
。
3. 2摇 力学特征
为查明河床覆盖层的力学特征,在河床心滩中
取样进行了剪切试验,在饱和状态下,内摩擦角在
36毅57忆 ~ 38毅34忆,平均值为 37毅54忆,咬合力为 81 ~
100 kPa,平均值为 90. 8 kPa。 同时在河床钻孔中进
行了超重型动力触探试验
[5]
,根据校正后标准锤击
数确定其允许承载力值,河床覆盖层校正后的标准
锤击数 N
120
= 6 ~ 25,允许承载力 f
0
= 0. 5 ~ 0. 9 MPa,
综合而言河床覆盖层持力效果较好,有较高的承载
能力。
3. 3摇 渗流特征
土工建筑物及地基由于渗流作用而出现的变形
或破坏称为渗透变形或渗透破坏。 渗透变形是土工
建筑物发生破坏的常见类型。
(1) 为研究河床砂卵砾石的渗透特性,对其进
行了渗透试验,试验结果:渗透系数为 1. 91伊10
-2
~
4. 14伊10
-2
cm / s,平均值为 2. 91伊10
-2
cm / s;且在河
床钻孔中进行了抽水试验,经计算确定的渗透系数
为 5. 41 伊 10
-2
~ 7. 53 伊 10
-2
cm / s,平均值为 6. 47 伊
10
-2
cm / s。 现场抽水试验得出的渗透系数略大于
室内渗透试验,综合而言,河床砂卵砾石渗透等级为
强透水;室内渗透试验得到临界水力坡度为 0. 422
~ 0. 581,平均值 0. 493。
(2) 破坏基本类型判别,河床砂卵砾石颗粒不
均匀且不连续, 颗粒级配不良。 根据河床覆盖层颗
粒 级 配 试 验 和 物 理 力 学 性 质 试 验 成 果, 参 考
GB50487-2008《水利水电工程地质勘察规范》 附录
G 判别其渗透破坏形式。
颗粒大小分布曲线上至少有一个以上粒组的颗
粒含量小于或等于 3% 的土,称为级配不连续的土,
该粒组在颗粒大小分布曲线上形成的平缓段的最大
粒径和最小粒径的平均值或最小粒径作为粗、细颗
粒的区分粒径 d,相当于该粒径的颗粒含量为颗粒
的含量 P。 根据颗分试验,颗粒分布曲线上有 6 个
粒组的颗粒含量小于 3% 。 形成的平缓段最大粒径
为 5 mm, 最 小 粒 径 为 0. 075 mm, 取 平 均 值 2. 53
mm,对应 P = 11. 5% 。
对于不均匀系数大于 5 的无黏性土渗透变形类
型的判别方法:P逸35% 为流土;P<25% 为管涌。 因
此,综合判定河床覆盖层渗透破坏形式为管涌型。
(3) 地震液化判别
[6]
:工程区 50 a 超 越概率
10% 的地震动峰值加速度为 0. 15g,地震动反映谱
特征周期为 0. 40 s,对应的地震基本烈度为喻度。
参考 GB50487-2008《水利水电工程地质勘察规范》
附录 P,结合河床覆盖层颗粒级配试验和物理力学
性质试验成果,进行判别。
河床覆盖层粒径大于 5 mm 颗粒含量的质量百
分率为 86. 52% >70% ,可判为不液化。
3. 4摇 河床覆盖层剪切波特征
根据面波速度 V
R
与剪切波速度 V
s
的理论转换
12
西北水电·2019 年·第 3 期
詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨
公式,将面波测试点不同深度覆盖层的 V
R
值转换成
V
s
值
[1]
。 剪切波速度值的高低直接反映了覆盖层
物理力学性质情况。 河床覆盖层剪切波速度范围值
见表 1。
4摇 坝基河床覆盖层物理力学参数建议
在上述河床覆盖层物理力学性质实验的基础
上,通过室内外不同实验方法下的物理力学实验指
标值,分析实验边界条件,考虑覆盖层的组成、结构
及工程特性,综合给出河床覆盖层物理力学性质建
议值
[7-8]
,见表 2。
表 1摇 河床覆盖层剪切波速度成果表
测点位置 地层岩性
测试深度
/ m
剪切波速 V
s
/ (m·s
-1
)
坝址区
河床
冲积砂
卵砾石
0 ~ 2. 5 225 ~ 260
2. 5 ~ 10 225 ~ 345
10 ~ 15 300 ~ 570
15 m 以下 575 ~ 690
表 2摇 河床覆盖层物理力学性质建议值表
岩性
干密度
/ (g·cm
-3
)
相对密度 泊松比
变形模量
/ MPa
渗透系数
/ (m·d
-1
)
允许水
力坡度
抗剪强度
渍 / (毅) C / kPa
允许承载力
/ MPa
于层 2. 13 ~ 2. 20 0. 79 ~ 0. 82 0. 23 42 ~ 50 60 ~ 85 0. 10 ~ 0. 14 25 ~ 27 32 ~ 40 0. 60 ~ 0. 75
盂层 2. 15 ~ 2. 24 0. 80 ~ 0. 85 0. 25 45 ~ 55 50 ~ 75 0. 12 ~ 0. 16 28 ~ 30 35 ~ 45 0. 65 ~ 0. 80
5摇 坝基河床覆盖层工程性质评价
(1) 坝基沉降变形稳定问题
河床覆盖层厚 17. 4 ~ 21. 1 m,厚度较均匀,无
软弱夹层分布,局部夹鸡窝状含砾砂层,厚度 0. 15
~ 0. 63 m。 淤层为含大粒径孤块( 漂) 石的冲积砂
卵砾石层,局部具有架空现象,建坝后会导致坝体出
现不均匀沉降;于层为偶夹块( 漂) 石的冲积砂卵砾
石层,该层结构密实,通过对其进行基坑开挖与碾压
处理之后,压缩沉降量较小,且具有较高的承载力,
因此河床覆盖的压缩沉降在施工期完成后基本结
束,对建成的坝体影响不大。
(2) 坝基抗滑稳定问题
由于河床覆盖层中并不存在连续性大面积的软
弱夹层,局部夹鸡窝状含砾砂层,依据抗剪试验,河
床砂卵砾石层具有较高的抗剪强度,能够满足坝基
抗滑的设计要求
[8]
。 因此河床覆盖层中并不会出
现层间抗滑稳定现象。
(3) 坝基渗漏及渗透稳定问题
水在砂卵砾石中的流速缓慢,属于层流状态,即
相邻两个水分子运动的轨迹相互平行而不混掺,利
用达西定律,渗水量 Q 与断面积 A 和水力坡降 i 成
正比,且与土渗透系数 K 有关,即 Q = KAi
取:K = 50 ~ 75 m/ d、A = 2 094 m
2
、i = 0. 05,经计
算渗水 量 Q = 5 235 ~ 7 852 m
3
/ d,流 速 v = 2. 5 ~
3. 75 m/ d。 因此坝基覆盖层存在渗漏问题。
河床覆盖层由于渗流作用而出现的变形或破
坏,是坝体地基发生破坏从而引发工程事故的重要
原因之一。 对河床覆盖层渗透破坏形式综合判定为
管涌型,即在渗流作用下,河床覆盖层中的细小颗
粒,通过较大颗粒所形成的空隙发生移动,最终在河
床覆盖层中形成与地表贯通的管道,从而引发坝体
建筑物地基发生破坏
6摇 坝基河床覆盖层处理建议
河床覆盖层淤层为含大粒径孤块( 漂) 石的冲
积砂卵砾石层,厚度 3 ~ 4 m,该层局部具有架空现
象,会导致坝体出现不均匀沉降,不适宜作为坝基,
建议全部清除。 于层为偶夹块( 漂) 石的冲积砂卵
砾石层,该层在近两岸偶夹块( 漂) 石,靠近河床中
心相对含孤块( 漂) 石较少,卵砾石较多,因此在对
该层两岸局部进行清除,其他部位在经过碾压处理
后基本可以作为坝基,但具体建基面在坝基开挖时
需要根据试验检测数据确定。 盂层为冲积砂卵砾石
层,该层密实,颗粒级配好,可直接作为坝基
[8]
。 但
河床覆盖层存在渗漏问题及管涌破坏,因此河床覆
盖层需做好防渗处理。
坝基在施工开挖时,清除了淤层含大粒径孤块
(漂)石的冲积砂卵砾石层后,在于层为偶夹块( 漂)
石的冲积砂卵砾石层上进行了碾压实验,并进行了
干密度、相对密度试验检测。 经检测后均能满足设
计填筑指标,最终确定该层进行碾压后可作为坝基,
建基面高程 3 087. 00 m,设计据此确定了大坝的开
挖范围和碾压填筑指标。 (下转第 29 页)
22
蔡王强. 纳子峡水电站坝基河床覆盖层工程特性分析
詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨
量行为,对检查中存在的问题,举一反三抓紧落实整
改,督促及时改正,消除隐患。
(3) 为统一乌东德水电站工程测绘技术标准,
规范测绘质量控制程序,明确各方的工作职责,确保
工程质量,制定《 乌东德水电站工程施工测量管理
办法》。 使测量管理工作过程流畅,职责分明,任务
明确,信息上通下达,避免工作失误,依此约束各方
照章正常运转工作。
(4) 测量工作细而复杂,测量部位面广点多,测
量中心有时难免会出现工作调不过来的时候,在同
等情况下,优先为主体项目的地下工程三大洞室、引
水系统、尾水系统及大坝等关键线路上的部位提供
测量服务。
(5) 测量中心应正确行使合同文件赋予的质量
管理监督权,严把工程质量关。 在工程质量检验中,
首先应有先进、准确、可靠的仪器设备与测量手段;
其次,应紧跟工程进度,按重点、关注度进行抽样检
测,检测数据形成检测报告及时报送工程管理项目
部,使测量数据成为他们工程管理的参考依据与基
础。 检验结果必须能够真实反映工程质量的优劣,
体现质量检验的公正性和准确性。
5摇 结摇 语
乌东德水电站工程是目前在建中世界上第三大
地下洞室群工程,其结构设计复杂,施工战线长,工
期要求紧,测量任务重。 通过分析乌东德工程建设
中测量中心的管理关系和工作方法,及其对工程施
工进行全工程、全面的测量管理的重要性、任务、职
责,结合在乌东德水电站工程施工测量管理中积累
的工作经验,指出了在类似地下洞室群工程中测量
工作的质量控制方法、措施。 测量中心在监理、施工
单位的密切配合下,克服了工作面多、人员少、地下
测绘难度大、混凝土浇筑及金结、机电安装精度要求
高等诸多因素,保质保量地完成了各项测绘任务。
测量中心的工作也得到质量监督专家、领导的高度
赞誉。 在今后的测量工作中,我们还要不断总结经
验,提高综合素质,发挥测量中心职能,为水电水利
工程建设贡献力量
[5]
。
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室室室室室室室室室室室室室室室室室室室室室室室室室室室室室室室室室室室室室室室室室室室室室室
2012.
摇 摇 (上接第 22 页)
7摇 结摇 语
该工程完工投入运行状态良好,累计观测到坝
体与坝 基 的 沉 降 量 679 mm, 整 体 沉 降 为 坝 高 的
0. 55% ,且没有出现剪切及渗透破坏情况,河床覆盖
层安全稳定。 通过对河床覆盖层的物理力学、渗流
特征及变形等性质的研究分析,在满足设计及安全
的前提下,仅开挖 3 ~ 4. 5 m 的河床覆盖层,不仅节
省投资提高经济效益,且缩短工期,为工程效益的发
挥作出了重要贡献,对同类工程具有参考作用。
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詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨