靳 文

((云南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,云南 昆明 650051)

清水海海尾壩軟基礎(chǔ)勘察及處理建議

靳 文

((云南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,云南 昆明 650051)

對(duì)已建清水海海尾壩存在的滲透變形、地震液化、岸坡穩(wěn)定、壩基軟土等地質(zhì)情況及軟基礎(chǔ)壩基的處理方案進(jìn)行探討,表明該方案可靠,對(duì)云南省其他軟基礎(chǔ)建壩工程起到較好的參考作用。

粘土;滲透變形;液化;斷裂;碎石樁

已建清水海海尾壩是昆明市清水海供水及水源環(huán)境管理項(xiàng)目(簡(jiǎn)稱(chēng)清水海工程)一期工程的重要水源點(diǎn)工程之一。該工程位于云南省昆明市尋甸縣金所鄉(xiāng)海頭、海尾村之間,地理坐標(biāo)東經(jīng)103°5′54″,北緯25°35′54″～25°37′23″,系小江斷裂帶上的天然斷陷湖泊。引水工程以清水海作為核心調(diào)蓄樞紐,加壩擴(kuò)容,從北部引水入湖,利用麥沖隧洞向昆明輸水。海尾壩壩址位于清水海北端濱湖口,原土壩曲折破敗,實(shí)際為病害湖堤,放棄重建新壩。因?yàn)I湖口地形向北部迅速收窄,故壩址位置擬在老壩以北(下游)湖口。工程規(guī)模為:海尾土壩壩高11.5 m,正常蓄水位2 180 m,相應(yīng)庫(kù)容15 417×104m3。

1 工程地質(zhì)條件

已建海尾新壩位于清水海北部湖口,壩址地形為寬闊濱湖口,谷底寬度約400 m,向北方逐漸收窄,地面高程約2 175 m,地勢(shì)平坦。其左岸山坡較陡,坡度約30°;右岸山坡較緩,坡度8°～15°。海尾壩軸線全長(zhǎng)223.47 m,軸線方向NE75°,壩頂高程2 183 m。壩基土層屬濱湖相沉積,存在軟基問(wèn)題;同時(shí),小江斷裂帶由壩下貫穿,長(zhǎng)400余千米,寬達(dá)20 km,由西支嵩明—滄溪大斷層(Ⅰ1)、東支尋甸—功山大斷層(Ⅰ2)及斷裂帶新生代盆地組成,本區(qū)經(jīng)向構(gòu)造主要為西支嵩明—滄溪大斷層(Ⅰ1)。斷裂帶寬數(shù)百米,局部1～2 km,斷層物質(zhì)主要為糜棱巖、碎粉巖、壓碎巖及角礫巖,斷裂性質(zhì)以壓性為主,兼具左旋扭性。斷面東傾,傾角42°～80°向南,其傾向與北段相反,傾角30°～70°。據(jù)云南省地震工程研究院計(jì)算,小江斷裂西支中段蠕滑速率約為1.4～2.1 mm/年,未來(lái)百年由于蠕滑造成的水平位移量估計(jì)為14～21 cm,考慮滑動(dòng)速率(發(fā)震斷裂的蠕滑速率不大于滑動(dòng)速率的30%),總的水平位移量約(1.91±0.19)～(1.98±0.19)m。斷裂地震災(zāi)害及斷裂位移對(duì)工程有直接影響,因此選擇適應(yīng)性較好的粘土均質(zhì)壩為主要壩型。

壩線左岸上覆2～5 m第四系殘坡積層,主要為砂壤土夾碎石,結(jié)構(gòu)松散。下伏基巖為下寒武統(tǒng)滄浪鋪組烏龍?bào)涠?∈1cw)灰黃、灰白色細(xì)粒石英砂巖、粉砂巖與灰綠色、灰黃色頁(yè)巖互層,局部見(jiàn)泥灰?guī)r及白云巖、鈣質(zhì)砂巖。巖石呈全強(qiáng)風(fēng)化狀態(tài),風(fēng)化破碎,完整性差,全風(fēng)化厚度5～16 m,地下水位埋深2～7 m,巖層產(chǎn)狀N12°E,NW∠32°,節(jié)理裂隙較發(fā)育。

壩基部分主要為湖積(Ql)灰色、灰黑色、黑色砂質(zhì)粘土、泥炭、礫質(zhì)粘土。據(jù)鉆孔查明,壩基湖積土層最厚約33.3 m,按沉積韻律分為四層:

第①層 厚2～4 m,根植土夾少量淤泥,力學(xué)性質(zhì)軟弱。

第②層 埋深2～4 m,厚3～5 m,炭質(zhì)粘土,濕,可塑,具中等壓縮性。

第③層 埋深4～8 m,厚2～9 m,砂質(zhì)、粉砂質(zhì)粘土含礫,其間夾少量炭質(zhì)粘土透鏡體,濕,可塑,具中等壓縮性。

第④層 埋深11～13 m,厚5～18 m,炭質(zhì)粘土夾少量砂質(zhì)粘土透鏡體,膠結(jié)稍緊密,中等壓縮性,透水性微弱。

湖積土層以下為小江斷裂破碎帶,斷層兩側(cè)產(chǎn)狀為N14°E,SE∠70°～80°及N6°E,NW∠70°～80°,巖性主要為斷層角礫,膠結(jié)緊密。據(jù)聲波測(cè)試,巖體縱波速度平均值為2 500 m/s,變化范圍為1 600～3 400 m/s,巖體完整性系數(shù)平均值為0.18,變化范圍為0.08～0.3,巖體完整程度為破碎—較破碎。

壩線右岸殘坡積層厚2～3 m,下伏基巖為上二疊統(tǒng)峨嵋山組(P2β)灰黑、深灰色致密狀玄武巖,產(chǎn)狀N25°E,NW∠44°,巖石呈全強(qiáng)風(fēng)化狀態(tài),碎裂結(jié)構(gòu),全風(fēng)化厚度17～23 m,地下水位埋深2～5 m。

2 壩基巖土體物理力學(xué)性質(zhì)

左壩肩巖體為全風(fēng)化粉砂巖、頁(yè)巖,巖石風(fēng)化破碎,據(jù)聲波測(cè)試,全風(fēng)化巖層的巖體平均縱波速度為1 850 m/s,變化范圍為1 200～2 200 m/s,巖體完整性系數(shù)為0.09,巖體完整程度為破碎,巖體呈泥夾塊石。建議物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 左壩基建議物理力學(xué)參數(shù)表

壩基湖積土層據(jù)聲波測(cè)試,土層平均縱波速度為1 700 m/s,變化范圍為1 400～2 200 m/s。鉆孔標(biāo)貫試驗(yàn)及原狀樣室內(nèi)試驗(yàn),見(jiàn)表2。

表2 湖積土層主要物理力學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表

右岸全風(fēng)化致密狀玄武巖較厚,據(jù)聲波測(cè)試,巖體縱波平均速度為2 180 m/s,巖體完整性系數(shù)平均值為0.13,巖體完整程度為破碎,巖體呈砂土狀,本層作為壩基巖體強(qiáng)度低,需進(jìn)行固結(jié)灌漿等處理;強(qiáng)風(fēng)化致密狀玄武巖的巖體縱波平均速度為2 950 m/s,巖體完整性系數(shù)平均值為0.24,巖體完整程度為較破碎。建議物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表3[1]。

表3 右壩基建議物理力學(xué)參數(shù)表

3 工程地質(zhì)問(wèn)題評(píng)價(jià)

3.1 滲透變形問(wèn)題

第①層根植土厚度薄,不考慮滲透變形問(wèn)題。

第②層、第④層為炭質(zhì)粘土,粘粒含量高,其允許水力比降約0.15～0.35,水庫(kù)蓄水后,最大水力坡降為10/89.39=0.11,不存在滲透變形問(wèn)題。

第③層砂質(zhì)粘土,粘粒含量13.4%～58%,屬低液限粘土,其允許水力比降約0.15～0.4,水庫(kù)蓄水后,最大水力坡降為10/89.39=0.11,不易發(fā)生流土或管涌破壞。

3.2 地震液化問(wèn)題

第③層砂質(zhì)粘土顆粒分析結(jié)果,粘粒含量13.4%～58%,不屬無(wú)粘性土或少粘性土,實(shí)測(cè)擊數(shù)為12.2～48.6擊,動(dòng)峰值加速度為0.3g時(shí)的錘擊數(shù)臨界值為 12,不具備地震液化條件,不至發(fā)生地震液化。

第④層屬粘土層,實(shí)測(cè)擊數(shù)為14～39擊,動(dòng)峰值加速度為0.3g時(shí)的錘擊數(shù)臨界值為12,不具備發(fā)生液化條件。

因此,初判認(rèn)為壩基土層不具備地震液化條件。

3.3 地震及位移對(duì)工程的影響

云南省地震工程研究院《清水海水庫(kù)工程場(chǎng)地地震安全性評(píng)價(jià)報(bào)告》對(duì)海尾壩址基本結(jié)論為:壩基土層地震動(dòng)峰值加速度為3.15 m/s2,特征周期值為0.3 s;小江斷裂未來(lái)百年總的水平位移量約(1.91±0.19)～(1.98±0.19)m;在未來(lái)遭受地震影響烈度達(dá)Ⅷ度時(shí),可能出現(xiàn)①壩址西岸山坡崩塌、滑坡,②沿小江斷裂帶發(fā)生地震地表破裂,③湖濱地帶局部地段軟土震陷等地震地質(zhì)災(zāi)害。

以上地震及斷裂位移問(wèn)題直接關(guān)系到工程安全,結(jié)合工程地質(zhì)條件及工程特性作如下進(jìn)一步分析。

3.3.1 西岸山坡穩(wěn)定問(wèn)題

壩址西岸山頂至山腳比高約150 m,坡面形態(tài)總體較規(guī)整。出露寒武系陡坡寺組(∈2d)、龍王廟組(∈1l)、滄浪鋪組烏龍?bào)涠?∈1cw)等碎屑巖地層。山坡處于新田復(fù)式向斜東翼,巖層傾山內(nèi),屬逆層坡地質(zhì)結(jié)構(gòu)。2 210 m高程以上殘坡積層零星覆蓋,基巖多裸露,坡度約40°～35°,屬天然層狀巖質(zhì)高陡邊坡;2 210 m高程以下殘坡積層厚度10～5 m,坡度30°～15°,構(gòu)成天然土質(zhì)緩坡。整個(gè)天然坡表部無(wú)較大規(guī)?；隆⒈浪l(fā)育,物理地質(zhì)現(xiàn)象以坡頂巖體卸荷、坡腳靠近小江斷裂帶巖體破碎風(fēng)化為特征,天然山坡穩(wěn)定。初步認(rèn)為,未來(lái)遇高烈度地震時(shí),山坡地質(zhì)條件決定不至發(fā)生足以摧毀大壩的大規(guī)?；隆⒈浪?可能發(fā)生的局部小規(guī)模重力地質(zhì)現(xiàn)象不至影響工程成立。

3.3.2 沿小江斷裂帶發(fā)生地震地表破裂問(wèn)題

1833年嵩明楊林8級(jí)地震,小江斷裂地表破裂帶最北端已達(dá)清水海,海尾土壩直接坐落于小江斷裂帶上,未來(lái)強(qiáng)震仍可能發(fā)生地表破裂,并可能發(fā)生貫穿壩基及壩體的破壞,甚至潰壩。該類(lèi)地震災(zāi)害屬不可抵御型,清水海引水工程在確定工程規(guī)模、湖水位運(yùn)行高程時(shí)對(duì)于該問(wèn)題有充分考慮,即有限擴(kuò)容,湖水位只提升5 m,且大多數(shù)工況下湖水位僅及壩腳,即便發(fā)生壩體破裂或潰壩,不至對(duì)下游生命財(cái)產(chǎn)造成毀滅性打擊。

3.3.3 局部地段軟土震陷問(wèn)題

壩基無(wú)可液化土層分布,不存在地震液化問(wèn)題。局部地段軟土震陷,不至引起經(jīng)過(guò)復(fù)合地基處理的壩基較大破壞,不至造成危及安全的壩體變形破壞。

3.3.4 斷裂位移對(duì)工程的影響

小江斷裂存在水平及垂直位移,以水平左旋走滑位移量較大,將引起壩基土層及壩體本身位移變形,有必要選擇適宜壩型,并考慮相應(yīng)針對(duì)性工程措施。

4 建議

4.1 壩基開(kāi)挖原則

壩基第①層根植土須剝離;第②層炭質(zhì)粘土抗剪強(qiáng)度、允許承載力低,不宜作為壩基持力層;第③層砂質(zhì)粘土抗剪強(qiáng)度、允許承載力指標(biāo)較高,建議作為壩基持力層。

對(duì)第②層炭質(zhì)粘土作復(fù)合地基處理,結(jié)合地震問(wèn)題考慮,處理方案以振沖碎石樁為宜,處理范圍為整個(gè)壩基,深度進(jìn)入第③層砂質(zhì)粘土。

考慮復(fù)合地基處理后,壩基土層結(jié)構(gòu)發(fā)生改變,透水性可能增大,故建議于壩軸線設(shè)一排深層攪拌樁防滲。

壩基開(kāi)挖時(shí)挖除第①層根植土夾淤泥,開(kāi)挖深度一般2 m,開(kāi)挖坡比1∶1～1∶1.5,考慮基坑抽排水;岸坡壩段挖除表層根植土及疏松土層,并進(jìn)行碾壓夯實(shí)。

4.2 壩體抗震、抗變形位移措施

小江斷裂地震災(zāi)害及斷裂位移問(wèn)題突出,建議壩體設(shè)計(jì)考慮以下針對(duì)性預(yù)防措施:

(1) 為解決未來(lái)高烈度地震時(shí)壩體壩基孔隙水壓力驟然上升,建議壩體上、下游增設(shè)反濾,下游壩底考慮鋪設(shè)適當(dāng)厚度、透水性較大的砂礫石層,以排水減壓。

(2) 為避免斷裂走滑位移及垂直位移過(guò)大造成壩體結(jié)構(gòu)破壞,建議相應(yīng)加大壩體、反濾層或過(guò)渡層厚度,加大壩頂超高。

(3) 建議加強(qiáng)對(duì)壩體、壩基的變形位移、壩體浸潤(rùn)線的觀測(cè);建議對(duì)小江斷裂開(kāi)展活動(dòng)斷層監(jiān)測(cè)。

5 大壩建成后的檢測(cè)評(píng)價(jià)

5.1 大壩基礎(chǔ)檢測(cè)評(píng)價(jià)

根據(jù)三個(gè)試驗(yàn)區(qū)樁體動(dòng)力觸探、樁間土標(biāo)貫、載荷試驗(yàn)結(jié)果,結(jié)合振沖碎石樁全部完成后最終第三方檢測(cè)結(jié)果,單樁載荷試驗(yàn)fak在320～481 kPa,平板載荷試驗(yàn)壩基承載力特征值左部100 kPa,中部200 kPa,右部250 kPa,復(fù)合地基承載力特征值為150 kPa,基礎(chǔ)沉降Smax=23.66 mm,表明通過(guò)振沖碎石樁加密后壩基強(qiáng)度得到較大改善,但局部軟土地段未能滿足設(shè)計(jì)要求[2]。根據(jù)檢測(cè)區(qū)域試驗(yàn)結(jié)果不滿足設(shè)計(jì)要求的,經(jīng)研究后確定碎石土換填加密的范圍,處理區(qū)域主要分布在左岸。經(jīng)換填1.0 m厚的碎石土墊層后,處理密實(shí)度動(dòng)力觸探檢測(cè)>8擊,其承載力特征值>150 kPa,滿足設(shè)計(jì)要求。大壩建成后根據(jù)已有變形觀測(cè)資料,大壩沉降0～4 mm,橫向位移x=-1～2 mm,y=0～4 mm,完全滿足設(shè)計(jì)要求。

5.2 大壩防滲處理評(píng)價(jià)

大壩基礎(chǔ)采用兩岸防滲帷幕灌漿、結(jié)合中部混凝土防滲墻,帷幕深度及向左右岸延伸范圍滿足大壩防滲要求,經(jīng)計(jì)算分析,壩基不會(huì)產(chǎn)生滲透破壞?；炷练罎B墻通過(guò)第三方物探檢測(cè),防滲效果可靠。復(fù)核壩基及繞壩總滲漏量,其壩肩、壩基及壩體總滲漏量為3.71萬(wàn)m3/年,占總庫(kù)容的0.25%。經(jīng)檢查灌漿帷幕合格率為100%,經(jīng)觀測(cè)滲流量為0.369～0.993 L/s,整個(gè)壩基防滲設(shè)計(jì)是安全的[3]。

6 結(jié)語(yǔ)

清水海海尾壩工程于2007年10月開(kāi)工,2010年4月23日大壩封頂,良好運(yùn)行至今。表明了對(duì)軟土地基的地質(zhì)勘察工作滿足規(guī)范技術(shù)要求,所提處理建議恰當(dāng)合理。通過(guò)清水海海尾壩工程軟基礎(chǔ)的成功處理,可以對(duì)云南省其他軟基礎(chǔ)建壩工程有較好的參考。

[1] 李建國(guó),譚志華,靳文,等.昆明市清水海供水及水源環(huán)境管理項(xiàng)目引水工程(一期)初步設(shè)計(jì)報(bào)告[R].昆明:云南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,2007.

[2] 云南省地震工程勘察院.清水海水庫(kù)工程場(chǎng)地地震安全性評(píng)價(jià)報(bào)告[R].昆明:云南省地震工程勘察院,2007.

[3] 李建國(guó).昆明市清水海水庫(kù)工程地質(zhì)自檢報(bào)告[R].昆明:云南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,2011.

(責(zé)任編輯：陳文寶)

Study on the Prospecting and Treatment Suggestion of Soft Foundationin Haiwei Dam，Qingshuihai

JIN Wen

(YunnanInstituteofWater&HydropowerEngineeringInvestigation，DesignandResearch，Kunming，Yunnan650021)

The author analayzes the major issues about the geological conditions and existing problems such as seepage deformation，earthquake liquefaction，bank stability of Haiwei dam in Qingshuihai. After the treatment suggestion aimed at dealing with the soft soil dam foundation problem passing through construction and testing，the treatment suggestion has been evaluated and discussed.

clay； seepage deformation； liquefaction； fracture； gravel pile

2015-11-04;改回日期:2016-02-18

靳文(1981-),男,工程師,地質(zhì)專(zhuān)業(yè),從事水利水電勘察工作。E-mail:251199684@qq.com

TV223

A

1671-1211(2016)05-0757-04

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2016.05.020

數(shù)字出版網(wǎng)址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20160811.0815.010.html 數(shù)字出版日期:2016-08-11 08:15