黃振偉，杜勝華，雷 明

(1.長江巖土工程有限公司，湖北 武漢 430010； 2.國家大壩安全工程技術(shù)研究中心，湖北 武漢 430010)

0 引 言

瀝青混凝土心墻土石壩是一種當?shù)夭牧蠅危哂休^多優(yōu)點。1988年第16屆國際大壩會議就提出，瀝青混凝土心墻壩是今后高土石壩建設(shè)最有競爭力的壩型之一。20世紀以來，歐洲、北美等地修建了大量的瀝青混凝土心墻壩，其中葡萄牙瓦勒多蓋奧(Vale de Caio)壩建成年代最早(1939年)，奧地利芬斯特塔爾(Finstertal)壩高度最高(150 m)[1]。中國于20世紀70年代開始修建瀝青混凝土心墻土石壩，起步較晚，但發(fā)展很快，尤其是21世紀以來，隨著瀝青質(zhì)量和施工技術(shù)的提高，已建成了如壩高104 m的三峽工程茅坪溪防護大壩、壩高125.5 m的南椏河冶勒水電站大壩等瀝青混凝土心墻壩。

瀝青混凝土心墻壩主要由心墻和壩殼2個部分組成。壩殼適應(yīng)性強，一般地基均可滿足要求；作為防滲結(jié)構(gòu)的心墻是由瀝青混凝土經(jīng)碾壓或澆筑而成，對地基的要求較高?，F(xiàn)行標準體系中，尚未對瀝青混凝土心墻的地基地質(zhì)條件作具體要求或?qū)ζ涔こ痰刭|(zhì)評價有專門規(guī)定，存在勘察實踐無據(jù)可依、主要工程地質(zhì)問題分析尺度不一、工程地質(zhì)評價針對性不強等問題。

因西藏特殊的生態(tài)環(huán)境、地形地質(zhì)和天然建筑材料條件，瀝青混凝土心墻壩已成為當?shù)赝潦瘔谓ㄔO(shè)所采用的常規(guī)壩型，先后建成的拉薩河旁多、夏布曲拉洛水利樞紐工程最具代表性，其中拉洛水利樞紐大壩(以下簡稱“拉洛大壩”)是目前西藏海拔最高的瀝青混凝土心墻壩。在前期勘察中，采取綜合勘察手段查明了拉洛大壩壩基巖土物理力學(xué)性質(zhì)，開展了單孔壓水、群孔觀測的壓水連通試驗，查明了基巖承壓水的水文地質(zhì)特征，在此基礎(chǔ)上，合理選擇瀝青混凝土心墻建基巖體，并主要從承載能力和滲透性2個方面對心墻地基進行了評價。

1 工程概況

拉洛水利樞紐工程位于西藏自治區(qū)日喀則地區(qū)，是雅魯藏布江右岸一級支流夏布曲上的控制性工程，主要任務(wù)為灌溉兼顧供水、發(fā)電和防洪，并促進改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境[2]。壩址主要建筑物有攔河大壩、左岸溢洪道、右岸泄洪洞、拉洛水電站等。攔河壩為瀝青混凝土心墻砂礫石壩，最大高度61.5 m，壩頂高程4 305 m，壩長425.6 m。水庫正常蓄水位4 298 m，總庫容2.965億m3。

2 地質(zhì)概況

2.1 壩址區(qū)基本地質(zhì)條件

壩址處于雅魯藏布江南岸支流夏布曲中游薩迦縣拉洛鄉(xiāng)下游6 km的峽谷進口河段，夏布曲總體流向為南西向，河道位于中部偏右，水面寬38～50 m，枯水期水深一般在0.5～1.0 m。河谷呈不對稱的“U”型，谷頂高程4 500～5 000 m，谷底高程 4 240～4 260 m，谷底寬240～280 m；右岸山體斜坡地形坡度一般為40°～50°，左岸坡度一般為35°～45°。右岸分布 Ⅰ 級階地，階面高程4 262～4 274 m，拔河高度6～15 m。河漫灘寬120～150 m，灘面高程4 255～4 259 m。

在新構(gòu)造活動上，該地區(qū)屬于喜馬拉雅強烈掀斜隆起區(qū)，根據(jù)地震安全性評價，工程場地50 a 超越概率10%的地震動峰值加速度為0.12g，對應(yīng)地震基本烈度為Ⅶ度。壩址位于吉定-直崗復(fù)式向斜的南翼，板巖總體為單斜構(gòu)造，傾向北東(上游)，傾角65°～70°，板理走向與河流流向近正交，河谷屬橫向谷。基巖中分布少量層間擠壓帶，破碎帶寬3～160 cm不等，物質(zhì)多為碎屑夾泥，部分為片狀巖及石英脈。板理裂隙和板理大角度相交的裂隙較發(fā)育，陡傾角，裂面平直，微張，延伸長度1～7 m。

夏布曲是最低排泄基準面，地表水通過坡表、沖溝匯集于夏布曲，沖溝僅有季節(jié)性水流。地下水按賦存介質(zhì)可分為松散覆蓋層孔隙水和基巖裂隙水，覆蓋層孔隙水出露11個泉水點，流量0.5～10.0 L/min；基巖裂隙水出露3個泉水點，具微承壓性質(zhì)，流量2.0～10.0 L/min。

2.2 地基巖土工程特性

上部砂礫石厚度0.9～5.0 m，充填中細砂，局部夾礫砂、礫質(zhì)土透鏡體，表層分布厚約0.3～0.5 m的粉砂。顆粒分析試驗成果如圖1所示，結(jié)果表明：砂礫石不均勻系數(shù)為59～1 143，曲率系數(shù)多在3.0～57.9，屬于不良級配礫石；粒徑在5 mm以下的顆粒含量為22.4%～76.2%，平均值為43.8%，其中小于0.005 mm的顆粒含量為4%～21%，平均值為9%。上部砂礫石相對密實度0.206～0.654，個別大者0.839，平均值0.500。動力觸探擊數(shù)小值為4擊，大值為19擊，平均值為10擊。該部分砂礫石呈松散-稍密狀，局部呈中密狀。從動力觸探擊數(shù)分布頻率看，小于10擊的試段占84%，總體結(jié)構(gòu)為松散-稍密。鉆孔注水試驗滲透系數(shù)8.8×10-5～6.8×10-2cm/s，平均值6.3×10-3cm/s；鉆孔抽水試驗滲透系數(shù)1.3×10-2～7.5×10-2cm/s，平均值4.4×10-2cm/s。

圖1 拉洛壩址河床、漫灘砂礫石級配曲線Fig.1 Gradation curves of riverbed and floodplain gravel at the dam site of Laluo Hydro Project

下部砂礫石厚度0～8.5 m，充填中細砂，局部夾礫質(zhì)土透鏡體、漂石。顆粒分析試驗成果表明：礫卵石不均勻系數(shù)為700～1 640，曲率系數(shù)多為35～89，屬于不良級配礫石；粒徑在5 mm以下的顆粒含量為71.2%～79.9%，平均值75.1%，其中粒徑在0.005 mm以下的顆粒含量為13%～24%，平均值18%。下部砂礫石動力觸探擊數(shù)的小值為6擊，大值為30擊，平均值15擊，呈稍密-中密狀，局部呈密實狀。從動力觸探擊數(shù)分布頻率看，大于10擊的試段占78%，總體結(jié)構(gòu)為中密-密實。鉆孔注水試驗滲透系數(shù)2.2×10-5～5.8×10-2cm/s，平均值3.6×10-3cm/s。

基巖為T3n板巖，出露于兩岸岸坡和分布于谷底覆蓋層之下。試驗成果表明：弱風(fēng)化巖體飽和抗壓強度8～12 MPa，變形模量2.0～2.5 GPa，泊松比0.30～0.35，一般呈中等透水性；微新巖體飽和抗壓強度15～20 MPa，變形模量2.5～3.0 GPa，泊松比0.25～0.28，一般呈弱透水性。

3 瀝青混凝土心墻地基

3.1 心墻與地基的相互作用

根據(jù)SL 501-2010《土石壩瀝青混凝土面板和心墻設(shè)計規(guī)范》，瀝青混凝土心墻與天然巖土地基不直接接觸，在心墻下端通常設(shè)置水泥混凝土板作為基座。心墻對地基的作用實際上是混凝土基座的基底壓力，基底壓力來自于基座以上瀝青混凝土和壩殼料的自重。由于心墻本身厚度較小，為便于計算，基座以上的荷載均視為壩殼料的自重。如圖2所示，根據(jù)土石壩地基應(yīng)力分布可得：

圖2 瀝青混凝土心墻土石壩壩基應(yīng)力分布Fig.2 Stress distribution of foundation of asphalt concrete core earth rock dam

Pmax=γH

(1)

式中：Pmax為建基面上最大應(yīng)力，即心墻基座的基底壓力，kPa；γ為壩殼填筑料重度，kN/m3；H為壩高，m。

3.2 心墻地基工程地質(zhì)條件要求

瀝青混凝土心墻是一種彈塑性體[3-4]，其不同于混凝土重力壩剛性體或土質(zhì)心墻黏塑性體。因此，不能按照 GB 50487-2008《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》和其他相關(guān)標準對瀝青混凝土心墻進行工程地質(zhì)評價。

瀝青混凝土心墻通過水泥混凝土基座對地基產(chǎn)生作用力，地基承載力必須大于基底壓力。若承載力足夠大，則地基不會因強度不足而出現(xiàn)破裂(壞)，也不會發(fā)生過大的沉陷變形或不均勻沉降等問題而影響心墻的防滲性能。瀘定大壩心墻地基為沖洪積砂礫卵漂石，為減少沉降變形，對河床范圍的覆蓋層進行深度8 m和10 m的固結(jié)灌漿，對岸坡粉土進行高壓旋噴注漿處理，樁徑1 m[5]。大渡河龍頭石電站大壩心墻地基為砂礫卵石，對建基面以下25 m深度范圍內(nèi)的砂層進行振沖碎石樁加固防治液化，以減少壩基變形，提高其力學(xué)性能[6]。

瀝青混凝土心墻作為壩體的防滲結(jié)構(gòu)，必須與地基和兩岸岸坡防滲設(shè)施或措施共同組成完整的防滲體系，才能有效進行滲流控制并確保大壩滲流安全[7]。因此，心墻地基滲透系數(shù)宜小、抗?jié)B性宜強，且需防止心墻與地基接觸帶發(fā)生集中滲漏和滲透破壞。蹺磧水電站壩基為碳質(zhì)粉砂質(zhì)千枚巖，為提高地基抗?jié)B性，對弱風(fēng)化巖體采用2排帷幕進行處理，排距1.2 m；對強風(fēng)化基巖則相應(yīng)加強，采用3排帷幕進行處理，排距1.0 m；孔距均為2 m，最大灌漿壓力控制在3.5 MPa以內(nèi)[8]。

4 大壩心墻地基工程地質(zhì)評價

4.1 建基巖土體選擇

拉洛大壩心墻所處夏布曲河流谷底覆蓋層由河床、漫灘、階地物質(zhì)組成，兩岸基巖出露。

河床、漫灘上部砂礫石厚度0.9～5.0 m，結(jié)構(gòu)松散-稍密，承載力200～250 kPa，呈強透水性；下部砂礫石厚度0～8.5 m，結(jié)構(gòu)稍密-中密，承載力300～350 kPa，呈中等透水性；階地礫卵石厚度0.4～15.2 m，結(jié)構(gòu)中密-密實，承載力400～450 kPa，呈強透水性。河床、漫灘上、下部砂礫石和階地礫卵石層承載力較小，呈中等-強透水性，不能滿足結(jié)構(gòu)變形和防滲要求、不能直接作為心墻地基。板巖強風(fēng)化巖體承載力與階地礫卵石基本相當，具弱-中等透水性，如將其作為心墻地基，則也需要采取加固及防滲措施，且對強風(fēng)化板巖進行防滲處理較為困難、效果較差，因此該巖體不宜作為心墻地基。

由于心墻部位覆蓋層和基巖強風(fēng)化層厚度總體較小，經(jīng)綜合考慮后將其挖除以形成截水槽，再將瀝青混凝土心墻從壩體延伸到截水槽，以弱風(fēng)化板巖作為心墻建基巖體(圖3)。

圖3 拉洛大壩河床、漫灘部位工程地質(zhì)橫剖面(滲透系數(shù)單位：cm/s)Fig.3 Engineering geological cross section of riverbed and floodplain of the dam of Laluo Hydro Project

4.2 地基承載力

大壩瀝青混凝土心墻最大高度60 m，厚度60～100 cm，為上薄下厚的階梯式，底部設(shè)置混凝土基座。對砂礫石壩殼填筑料取γ=20 kN/m3，H取大壩最大壩高61.5 m，得河流谷底壩體最大斷面處心墻基礎(chǔ)的基底壓力Pmax=γH=1230 kPa =1.23 MPa。

心墻地基為T3n灰色、深灰色板巖，板理傾向上游，走向與心墻軸線近于平行。左岸高程4 280 m以上斜坡和Ⅰ級階地左側(cè)局部分布有強風(fēng)化帶巖體，厚度2.4 m左右，已全部清除至心墻建基巖體為弱風(fēng)化帶板巖。

河流谷底弱風(fēng)化巖體厚度6.00～16.20 m，兩岸斜坡弱風(fēng)化巖體厚度12～37 m，其下為微新巖體。弱風(fēng)化巖體飽和抗壓強度8～12 MPa，根據(jù)地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范，折減系數(shù)取0.3，則地基承載力f為2.4～3.6 MPa。瀝青混凝土心墻基底壓力P小于地基承載力f，且地基承載力約是心墻最大基底壓力Pmax的2～3倍，地基承載能力滿足要求。

4.3 地基滲透性

根據(jù)設(shè)計要求，拉洛大壩地基防滲標準為透水率在3 Lu以下。心墻地基巖體總體具弱透水性，微、極微透水巖體約占11%，弱透水巖體占80%，中等透水巖體占9%。對于透水率在3 Lu以下的巖體，其頂板在基巖面以下的埋深：① 左岸斜坡處35～40 m，河床、漫灘一帶2～24 m，Ⅰ級階地一帶3.7～32.5 m；② 右岸斜坡處18～20 m。建議大壩防滲帷幕在基巖面的埋深為：① 左岸斜坡處40 m，相應(yīng)底界高程4 223～4 300 m；② 河床、漫灘一帶20～30 m，相應(yīng)高程4 220 m；③ Ⅰ級階地一帶10～35 m，相應(yīng)底界高程4 220～4 226 m；④ 右岸斜坡處20～30 m，相應(yīng)底界高程4 240～4 300 m。

心墻軸線上有4個鉆孔揭露裂隙性承壓水。工作過程中實施了單孔壓水、群孔觀測的壓水連通試驗，并結(jié)合鉆孔巖心、鉆孔電視資料進行綜合分析[9]。承壓水賦存于板理裂隙、層間擠壓帶中，板巖在揉皺變質(zhì)過程中，順板理面局部或部分脫開形成裂隙，巖層之間相互錯動形成擠壓帶，帶內(nèi)物質(zhì)破碎，地下水賦存其間，因上部封閉而具有承壓性質(zhì)，為順板理走向的脈狀裂隙承壓水。承壓水的水頭高度27～42 m，但各出水點位于心墻基座基巖面以下5.5～21.5 m，基槽開挖出現(xiàn)承壓水的可能性小，對心墻地基穩(wěn)定基本無不利影響，但防滲帷幕施工時會鉆遇承壓水，應(yīng)加強滲控處理。在可行性研究階段，基巖承壓水曾被判斷為壩址主要工程地質(zhì)問題之一，對大壩穩(wěn)定不利，并在設(shè)計方面針對承壓含水層采取了灌漿封閉、消壓槽減壓等相應(yīng)措施。在初步設(shè)計階段，對基巖承壓水進行了專門勘探研究，查明了承壓水性質(zhì)、分布及埋藏條件、水位、流量、水力聯(lián)系，認為其對大壩穩(wěn)定基本無不利影響，與水庫也不會有水力聯(lián)系，不會出現(xiàn)庫水通過承壓水賦存空間而產(chǎn)生的滲漏問題，因此取消了壩基消壓槽設(shè)施，優(yōu)化了帷幕灌漿方案，節(jié)省了大量地基防滲處理工程量。

5 結(jié) 語

拉洛水利樞紐工程是國家172項節(jié)水供水重大水利工程之一，也是西藏自治區(qū)迄今投資規(guī)模最大的水利工程，對促進西藏經(jīng)濟跨越式發(fā)展、全面協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展，具有重要意義。拉洛水利樞紐工程從2004年開始進行河流綜合規(guī)劃，到2013年初步設(shè)計完成，前期勘察設(shè)計工作歷時近10 a，最終成功解決了大壩瀝青混凝土心墻建基巖體選擇、心墻地基承載能力評價、防滲性能及承壓水對建壩的影響評價等主要工程地質(zhì)及勘察技術(shù)問題。

2014年6月8日，拉洛水利樞紐工程開工建設(shè)；2019年9月，大壩封頂；2020年12月，工程正式發(fā)電試通水。在基坑開挖和地基處理、帷幕灌漿過程中，前期勘察的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件與施工揭示情況一致，地質(zhì)評價結(jié)論合理正確。運行以來，大壩變形、應(yīng)力、滲流等監(jiān)測結(jié)果正常，運行狀況良好。該工程地質(zhì)評價方法及勘察技術(shù)探索實踐可為類似工程提供參考。