董承山
(中水北方勘測設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司,天津 300222)
某水電站位于巴基斯坦開伯爾- 普赫圖赫瓦?。↘PK ?。?東部曼瑟拉(Mansehra)地區(qū)的庫娜(Kunhar)河上。首部攔河壩為瀝青心墻堆石壩,壩頂高程2239.5m,最大壩高(河床面以上部分)為54.5m,壩頂長度為255.5m,壩基位置存在深厚覆蓋層,但由于鉆探深度不足和方法不當(dāng),未能查明壩基河床覆蓋層的具體厚度、結(jié)構(gòu)、物質(zhì)組成及其工程地質(zhì)性狀,尤其是河床覆蓋層中是否存在連續(xù)分布的粉細(xì)砂層、架空層或漂孤石層。國內(nèi)專家通過對(duì)深厚覆蓋層的成因以及滲透特征、力學(xué)參數(shù)等進(jìn)行了試驗(yàn)分析,提出了相應(yīng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)和體系[4]。本文通過對(duì)深厚覆蓋層的物質(zhì)組成特征、物理力學(xué)性能、滲透性能及參數(shù)取值進(jìn)行了研究,為工程的設(shè)計(jì)和施工提供了依據(jù)。
壩址位于卡汗(Kaghan)鎮(zhèn)上游約9km,屬中山~ 高山地貌,河谷形態(tài)為不對(duì)稱“U”字形河谷,谷底寬200~250m。壩軸線附近河水流向大致為SW255°,河床部位高程約2190m,平水期河面寬約40m。
根據(jù)勘察期間物探測試和鉆探揭露成果,河床覆蓋層最大厚度達(dá)120 多米。壩軸線地質(zhì)剖面見圖1,河床覆蓋層等厚度圖見圖2。
圖1 壩軸線剖面示意圖(面向下游)
圖2 壩址區(qū)覆蓋層等厚度圖
根據(jù)鉆探揭露資料,河床覆蓋層自上而下大致可分為四層,即:
第①層主要以含漂石、卵礫石粘質(zhì)粉土,灰褐色,干,松散~稍密狀,礫石含量10%~15%,粒徑0.5~7cm;卵石含量約10%~20%,直徑8~20cm;漂石直徑30~50cm,局部可見大孤石,直徑可達(dá)3~4m。本層多具中等壓縮性??變?nèi)揭露厚度0.4~3.4m。
第②層主要以漂、卵、礫石為主,局部夾含礫粘質(zhì)粉土,其中漂石、卵石約占50%~60%,礫石約占20%~30%,巖性以石英云母片巖、花崗巖、石英巖及輝綠巖為主,中密~密實(shí)狀,局部含少量中粗砂。推測漂石最大直徑超過4m,局部夾薄砂層。本層整體具低壓縮性??變?nèi)揭露厚度13.1~35.0m。
第③層主要為粉細(xì)砂、中粗砂及中細(xì)砂,局部夾礫石,粘質(zhì)粉土及粉質(zhì)粘土,灰黑色或灰黃色,中密~密實(shí)狀,局部粘粒含量稍高,有臭味。個(gè)別鉆孔未揭穿本層,按揭穿本層鉆孔統(tǒng)計(jì),該層厚度7.4~36.6m。
由于本層成分以性狀相對(duì)較差的粉細(xì)砂、中細(xì)砂為主,因此總體性狀也受控于此兩種成分總占比。通過對(duì)揭穿第③層的四個(gè)鉆孔孔內(nèi)情況統(tǒng)計(jì),粉細(xì)砂占第③層比值分別為54%、59.5%、62.1%及29.2%;中細(xì)砂分別為3.3%、13.6%、37.9%及53.4%。整體考慮,本層具低壓縮性。
第④層主要以漂、卵、礫石為主,漂卵礫石多呈次棱角狀,漂、卵礫石含量超過80%,含有含礫粉質(zhì)粘土或含礫粘質(zhì)粉土,密實(shí)狀。個(gè)別位置有架空現(xiàn)象,鉆孔鉆進(jìn)過程中,漏漿嚴(yán)重。本層具低壓縮性。根據(jù)揭穿本層的3 個(gè)鉆孔統(tǒng)計(jì),該層厚度24.5~62.5m。
根據(jù)地震危險(xiǎn)性評(píng)估成果,壩址區(qū)50 年超越概率10%的基巖地震動(dòng)峰值加速度為0.26g,相應(yīng)的中硬土場地峰值加速度分別為0.32g,相當(dāng)于地震基本烈度Ⅷ度。
勘察期間在豎井中對(duì)第①、②及③層取樣并進(jìn)行了顆分試驗(yàn),根據(jù)顆分試驗(yàn)成果繪制的各層土平均粒徑的顆粒級(jí)配曲線見圖3;在豎井和鉆孔內(nèi)取試樣進(jìn)行了相對(duì)密度試驗(yàn),試驗(yàn)成果表明第②層相對(duì)密度為0.29~0.43,平均值0.34;第③層為0.47~0.81,平均值為0.63。
圖3 壩址區(qū)各層土擾動(dòng)樣顆分(平均值)曲線
勘察期間,在粗粒土為主的土層進(jìn)行了圓錐動(dòng)力觸探試驗(yàn)(重型),在砂類土中進(jìn)行了標(biāo)貫試驗(yàn)。
3.2.1 重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)
按實(shí)測擊數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值,除①層中粘質(zhì)粉土含碎石、塊石或角礫、③層中砂質(zhì)礫石之外,其余各土層擊數(shù)一般為10~30 擊;如按經(jīng)桿長修正后的擊數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值評(píng)價(jià),大部分土層平均擊數(shù)介于10~20 擊之間;第③層中占主導(dǎo)地位的砂類土的實(shí)測動(dòng)探擊數(shù)(N63.5')標(biāo)準(zhǔn)值為15.8 擊,經(jīng)桿長修正后動(dòng)探擊數(shù)(N63.5)標(biāo)準(zhǔn)值為9.6 擊。
由于各土層巖性復(fù)雜、均一性較差,造成試驗(yàn)結(jié)果的離散性較大,但總體上仍具有一定規(guī)律性,即:粗粒土的擊數(shù)一般高于細(xì)粒土,深部土層擊數(shù)一般高于淺部土層。壩基土整體呈中密~密實(shí)狀。
3.2.2 標(biāo)貫試驗(yàn)
對(duì)河床部位鉆孔內(nèi)的砂層,進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn),結(jié)果表明:第①層實(shí)測擊數(shù)和修正后擊數(shù)均為5~7 擊,平均6 擊;第③層實(shí)測擊數(shù)13~55 擊,平均32.8 擊,標(biāo)準(zhǔn)值29.5 擊;修正后擊數(shù)7.5~31.4 擊,平均18.9 擊,標(biāo)準(zhǔn)值17.0 擊。綜上可知,該層主要呈中密~密實(shí)狀局部呈稍密狀,說明該層土體的均一性較差。
為確定壩址區(qū)場地類別及對(duì)細(xì)粒土震動(dòng)液化進(jìn)行判別,在壩址區(qū)12 個(gè)鉆孔覆蓋層中進(jìn)行了剪切波測試,計(jì)算的各孔地層等效剪切波波速范圍值257~316m/s,平均值280m/s,綜合判定場地類別為Ⅱ類中硬土場地。
3.4.1 鉆孔內(nèi)注水試驗(yàn)
勘察期間,在鉆孔內(nèi)不同層位進(jìn)行了注水試驗(yàn)。由鉆孔注水試驗(yàn)表明:
第①層:一組試驗(yàn)的滲透系數(shù)為6.07×10-6cm/s,為微透水。
第②層:以巨粒土為主的段滲透系數(shù)一般為2.11×10-4~4.26cm/s,總體為中等透水~強(qiáng)透水,局部為極強(qiáng)透水;以粗粒土為主的段滲透系數(shù)一般為9.85×10-5~1.21×10-2cm/s,以中等透水~強(qiáng)透水為主。根據(jù)勘察揭露,第②層中以巨粒土為主,粗粒土僅以透鏡體狀出現(xiàn),不具有成層性,因此該層滲透仍受控于巨粒土。
第③層:滲透系數(shù)一般為3.25×10-6~2.59×10-5cm/s,總體為微透水~弱透水。
第④層:滲透系數(shù)一般為2.96×10-4~6.47×10-3cm/s,均為中等透水。由于在鉆孔鉆進(jìn)過程中,該層局部位置漏漿嚴(yán)重,個(gè)別鉆孔進(jìn)尺1m 漏漿達(dá)1 噸,據(jù)此推測該層巨粒土局部存在架空現(xiàn)象,滲透性可能比試驗(yàn)值偏大。
3.4.2 鉆孔抽水試驗(yàn)
勘察過程中,在3 個(gè)鉆孔內(nèi)進(jìn)行了抽水試驗(yàn)。第②層為中等透水,滲透系數(shù)為8.24×10-4~1.04×10-3cm/s;第③層為弱透水,滲透系數(shù)分別為4.62×10-5cm/s、1.70×10-5cm/s。
受現(xiàn)場設(shè)備條件制約,本次抽水試驗(yàn)僅有2 段實(shí)現(xiàn)了3 個(gè)降深,其余段次試驗(yàn)僅取得水泵最大泵量下的降深,估計(jì)第②層中的試驗(yàn)結(jié)果比實(shí)際情況小。
綜合考慮壩址區(qū)河床覆蓋層水文試驗(yàn)結(jié)果,認(rèn)為河床深厚覆蓋層存在滲漏問題。進(jìn)行滲漏量估算時(shí),第②層滲透系數(shù)取該層建議值6.0×10-3~4.0×10-2cm/s,即5.184~34.56m/d;第③層取建議值5.0×10-5~2.0×10-4cm/s,即0.04~0.173m/d;第④層取建議值4.0×10-3~2.0×10-2cm/s,即3.456~17.28m/d。
根據(jù)設(shè)計(jì)方案,按大壩建基面以下考慮壩基滲漏,壩基滲漏計(jì)算考慮②、③及④層。第③層的滲透系數(shù)比第②層小很多,則假定第③層為相對(duì)隔水層,按卡明斯基公式(見公式1)計(jì)算第②層滲漏量;第③、④層按雙層透水地基考慮進(jìn)行滲漏計(jì)算(見公式2)。
式中,Q- 總滲漏量(m3/s);B
- 漏水段寬度(m);
K- 第②層滲透系數(shù)(m/d);賦值5.184~34.56m/d;
K1- 上部透水層滲透系數(shù)(m/d);賦值0.04~0.173m/d;K2- 下部透水層滲透系數(shù)(m/d);賦值3.456~17.28m/d;
H- 上、下游水頭差(m);按正常蓄水位2233m,正常尾水位2196.3m 計(jì)算,取值36.7m;
2b- 壩基寬度(m);按每段計(jì)算平均寬度;
M- 第②透水層厚度(m);
M1- 第③透水層厚度(m);
M2- 第④透水層厚度(m);
根據(jù)設(shè)計(jì)方案,按壩基底部起算,按滲透系數(shù)的大值估算,覆蓋層壩基滲漏量約為3584.6~21835.1m3/d,約0.04~0.253m3/s,滲漏量較大,需采取工程措施進(jìn)行處理。
根據(jù)設(shè)計(jì)方案,河床壩基主要坐落在第②層漂卵礫石層上。根據(jù)顆分資料,該層的不均勻系數(shù)大于5,且超過200mm 的粒徑大于50%,細(xì)顆粒土含量Pc<25%,因此本層地基土存在管涌破壞的可能性,建議的允許滲透比降0.1~0.15。
第③層為砂類土,取擾動(dòng)樣進(jìn)行滲變試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果見表1。由滲透變形試驗(yàn)結(jié)果可知,第③層砂類土層滲透破壞形式以流土為主,建議的允許滲透比降0.2~0.25。根據(jù)顆分資料,第②層土與第③層土的不均勻系數(shù)均大于10,且D10/d10>10,存在接觸沖刷的風(fēng)險(xiǎn)。綜上所述,壩基深厚覆蓋層級(jí)配不良,滲透性較強(qiáng),滲透穩(wěn)定性差,存在滲透破壞的可能性,需控制壩基滲漏,保證壩基滲透穩(wěn)定。
表1 壩址區(qū)第③層制備樣砂類土滲透變形試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)表
鑒于第四系全新統(tǒng)地層中的第②層漂卵礫石為主地層中的無粘性土及少粘性土透鏡體,以及第③層砂層為主的地基土存在液化可能性,因此對(duì)其進(jìn)行判別。
4.3.1 初判
按照規(guī)范中附錄M[3]的規(guī)定,對(duì)地基土的液化可能性進(jìn)行初判:
4.3.1.1 粒徑判別
土的粒徑大于5mm 顆粒含量的質(zhì)量百分率大于或等于70%時(shí),可判為不液化。第②層巨粒土中粒徑大于5mm 的顆粒含量大于70%,由此排除其液化的可能性,且本層中粗粒土多呈透鏡體狀出現(xiàn),被排水良好的巨粒土圍限,即使地震,土體內(nèi)孔隙水壓力不具備瞬間增大的可能性,因此可排除其液化的可能性。
4.3.1.2 粘粒含量
對(duì)粒徑小于5mm 顆粒含量質(zhì)量百分率大于30%的土,其中粒徑小于0.005mm 的顆粒含量質(zhì)量百分率相應(yīng)于地震設(shè)防烈度七度、八度和九度分別不小于16%、18%和20%時(shí),可判為不液化。對(duì)于野外定名為粘性土的地層,其粘粒含量均超過25%,由此排除地基土中第③層中粘性土液化的可能性。
4.3.1.3 剪切波速法
通過鉆孔剪切波測試,與計(jì)算的上限剪切波速相比較,當(dāng)實(shí)測剪切波值小于計(jì)算上限剪切波速時(shí),則初判為液化。
綜上所述,初判地基土中第③層無粘性土為可能液化層。
4.3.2 復(fù)判
根據(jù)勘察期間的鉆孔揭露,第③層土多分布在建基面以下15m 深度以下,因此復(fù)判采用相對(duì)密度法。由表2 可知,第③層的相對(duì)密度平均值為0.63,從上到下有逐漸增大的趨勢。根據(jù)規(guī)范要求,若按地震設(shè)防烈度八度考慮,壩址區(qū)無(少)粘性土液化臨界相對(duì)密度(Dr)cr為0.75,根據(jù)相對(duì)密度試驗(yàn)成果,通過類比判斷,該層大多數(shù)部位存在液化的可能性。綜上所述,通過復(fù)判,第③大層土存在液化的可能性??紤]大壩的修筑,將對(duì)地基土進(jìn)行壓密,可以消除大部分壩體范圍內(nèi)地基土液化可能性,但由于壩腳部位上覆較薄,且第③大層在左岸河床埋深淺,存在液化風(fēng)險(xiǎn),建議進(jìn)行處理。
河床壩段將坐落在深厚覆蓋層上。覆蓋層的物質(zhì)組成以漂、卵、礫石為主,為中等~強(qiáng)透水性,局部為極強(qiáng)透水性,滲漏量較大,需采取工程處理措施。壩基深厚覆蓋層級(jí)配不良,滲透性較強(qiáng),滲透穩(wěn)定性差,存在滲透破壞的可能性,需控制壩基滲漏,保證壩基滲透穩(wěn)定。河床壩基段,因覆蓋層物質(zhì)組成雜亂、均一性差,地基土的壓縮模量差異性較大,壩基將存在不均勻沉降問題。綜合判定,第③大層存在液化的可能性,建議進(jìn)行處理。攔河壩壩基部位施工期將形成基坑,鑒于第②層地基土的滲透系數(shù)較大,基坑涌水問題突出。建議對(duì)上、下游圍堰地基進(jìn)行處理,以減少基坑涌水量。做到排水、防滲措施結(jié)合。