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        兩河口水電站多源復(fù)雜防滲土料勘察研究

        2022-12-30 07:35:50雷,
        四川水力發(fā)電 2022年6期
        關(guān)鍵詞:兩河口中土料場

        吳 章 雷, 鐘 雨 田

        (中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司,四川 成都 610072)

        0 前 言

        兩河口水電站位于四川省甘孜州雅江縣境內(nèi)的雅礱江干流上,樞紐建筑物由礫石土心墻堆石壩、右岸引水發(fā)電系統(tǒng)和左岸泄水建筑物等組成。礫石土心墻堆石壩壩高295 m,心墻底部橫河向?qū)?1.71 m,順河向長140.00 m。大壩壩料包括心墻防滲土料、高塑性接觸土料、過渡料及堆石料,共計(jì)約3 900萬m3。其中防滲心墻料441.14萬m3。該電站目前已運(yùn)行投產(chǎn),是已建完成的世界第二高土石壩。

        堆石壩心墻是大壩防滲的生命線,對大壩的防滲至關(guān)重要,心墻料質(zhì)量的好壞影響到大壩的滲漏和滲透穩(wěn)定[1-2],關(guān)系到大壩的安危,大壩對防滲土料的質(zhì)量要求高,建設(shè)方對大壩質(zhì)量也很重視,提出了“好字當(dāng)頭,質(zhì)量第一”的要求,因此,防滲土料是兩河口大壩壩料勘察的重點(diǎn)。

        設(shè)計(jì)院對防滲土料開展了大范圍調(diào)查和勘察工作,成果表明,在川西地區(qū)土料成因復(fù)雜,基本不能滿足心墻防滲土料質(zhì)量要求的天然料源,直接可以利用的土料,需對土料進(jìn)行摻礫改性,方可滿足質(zhì)量要求[3]。鑒于防滲土料需求量大,土料成因復(fù)雜,需改性利用,設(shè)計(jì)院開展了大量的勘探、試驗(yàn)及摻礫改性工作,應(yīng)用了無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)、三維建模、BIM設(shè)計(jì)等信息化技術(shù)手段[4]。通過大量的研究工作,查清了土料的成因、分布及其工程特性,為土料開采和改性利用提供了技術(shù)支撐。室內(nèi)與現(xiàn)場試驗(yàn)證明,兩河口堆石壩心墻礫石土具有較高的承載力、抗剪強(qiáng)度與壓實(shí)度,防滲性能良好[5]。電站運(yùn)行以來,大壩心墻監(jiān)測及檢測成果也表明,大壩心墻防滲及變形滿足設(shè)計(jì)要求,表現(xiàn)優(yōu)良。

        兩河口水電站防滲土料勘察工作取得了較好的效果,對防滲土料的勘察進(jìn)行系統(tǒng)的梳理和總結(jié),可供以后類似工程參考和借鑒。

        1 防滲土料基本特征

        1.1 分布概況

        雅礱江中游兩河口水電站壩址下游5~10 km、壩址上游25~40 km范圍,河谷較寬階段發(fā)育,是土料的主要富集地。預(yù)可行性研究階段,主要在壩址下游開展土料的勘察工作,包括白孜、腳泥堡、呷拉、西地、比地、昆地、朗德、憶扎、亞中、蘋果園等土料場。由于受征地移民等影響,壩址下游土料場實(shí)施難度大,在可行性研究階段土料勘察工作重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到庫區(qū)開展,在正常蓄水位以下尋找料源和開展勘察工作,主要集中在壩址上游蘋果園、亞中、瓜里及普巴絨,兩河口水電站防滲土料分布示意圖見圖1。

        圖1 兩河口水電站防滲土料分布示意圖

        經(jīng)過詳細(xì)勘察和綜合比較,最終選擇了上游亞中、蘋果園、瓜里、普巴絨料場和下游西地料場,為大壩心墻防滲土料料源,兩河口采用防滲土料場基本情況匯總表見表1。

        表1 兩河口采用防滲土料場基本情況匯總表

        1.2 基本特征

        兩河口水電站防滲土料場有以下特點(diǎn):

        (1)土料場受地形地質(zhì)條件限制,規(guī)模相對較小,料源分散在雅礱江沿岸,但個別料場的面積和儲量均不大。

        (2)土料成因復(fù)雜,有風(fēng)化作用形成的殘積土,如壩址下游西地土料場;有沖積、沖洪積形成的亞中A區(qū)、普巴絨等土料場,沖洪積形成的一般是階地上,具二元結(jié)構(gòu)的上部土層;坡積形成的一般在料場的后緣部分,如亞中土料場C區(qū)后緣,瓜里料場A區(qū)后緣。

        (3)土料場分區(qū)可以看出土料性狀不均一,土料無論在平面上還是在空間上分布不均一,料場土料顆粒在剖面上呈現(xiàn)由粗到細(xì)、由細(xì)到粗或交替發(fā)育。

        (4)由于土料不均一,土料摻和工藝及其開采利用難度大。

        2 防滲土料勘查研究

        2.1 土料調(diào)查

        土料的分布受地形地貌、地層巖性、河谷形態(tài)及河流下切等因素影響,土料一般分布在地形平緩、河谷較寬、階段較發(fā)育及耕地居民較集中部位,兩河口防滲土料主要在上述部位開展調(diào)查工作。前期土料調(diào)查范圍主要集中在壩址下游,最遠(yuǎn)是14 km的白孜土料場??裳须A段、招標(biāo)階段主要集中在水庫內(nèi)淹沒區(qū),調(diào)查范圍距壩址最遠(yuǎn)約40 km的普巴絨土料場。實(shí)施階段在壩址上游普巴絨及瓜里土料場之間增加了普巴絨C區(qū)料場,取消了蘋果園土料場,下游西地土料場進(jìn)行了開采,未開挖到終采平臺。

        從兩河口防滲土料的調(diào)查來看,土料的調(diào)查是一個動態(tài)的過程,根據(jù)工程的建設(shè)進(jìn)程,征地移民政策的變化進(jìn)行動態(tài)調(diào)整。從兩河口實(shí)施階段料場的選擇來看,在水庫庫內(nèi)淹沒區(qū)有土料分布的情況下,土料的調(diào)查工作集中在庫內(nèi)淹沒區(qū)開展,有利于實(shí)施開采、征地移民和節(jié)約投資。

        2.2 土料勘探布置

        土料勘探的目的是查明土料的儲量及質(zhì)量,目前對土料勘探的手段機(jī)械化程度不高,主要包括鉆探、井探及槽探工作,鉆孔的目的是揭穿土料有用層,滿足計(jì)算地質(zhì)儲量的要求,淺井和坑槽探是為了滿足分層及實(shí)驗(yàn)取樣的要求。

        兩河口防滲土料除西地土料場為一斜坡外,其余土料場為臺地,微地貌前緣緩后緣有一定坡度,土料地形不完整,除蘋果園土料場外均有較大沖溝切割。針對以上土料地形地貌特點(diǎn),對料場勘探布置進(jìn)行策劃。首先結(jié)合地表地質(zhì)測繪,對土料進(jìn)行了平面分區(qū),兩河口五個料場,分了十三個分區(qū),勘探布置按分區(qū)考慮,其次確定勘探線,勘探線包括橫線和縱線,橫線垂直等高線,縱線垂直橫線,勘探線呈網(wǎng)格狀,亞中土料場典型勘探布置見圖2。

        圖2 亞中土料場典型勘探布置圖

        初查階段以鉆孔為主,結(jié)合部分淺井及坑槽探,勘探點(diǎn)布置于網(wǎng)格狀的節(jié)點(diǎn)上,勘探間距大于100 m,詳勘階段以淺井為主,鉆孔為輔,在初查基礎(chǔ)上加密。招標(biāo)階段在可研階段的基礎(chǔ)上開展了大量的補(bǔ)充勘探工作,這也是國內(nèi)首個同類型工程在招標(biāo)階段開展補(bǔ)充工作,進(jìn)一步加密勘探,鉆孔用淺井代替。經(jīng)過各個階段的逐步加密、加深勘探工作勘探點(diǎn)最大間距50 m,最小間距25 m,勘探點(diǎn)基本全是淺井,均揭穿了土料有用層厚度,兩河口防滲土料場勘探布置表見表2。

        表2 兩河口防滲土料場勘探布置表

        2.3 土料取樣試驗(yàn)

        為了查清防滲土料的物理力學(xué)特性,需對土料取樣開展試驗(yàn)工作,以便評價防滲土料質(zhì)量,取樣工作一般在淺井及坑槽探中進(jìn)行,鉆孔取樣受孔徑影響,試驗(yàn)結(jié)果有偏差,一般顆分結(jié)果偏細(xì),力學(xué)強(qiáng)度偏低。兩河口防滲土料勘探工作完成后,根據(jù)地質(zhì)編錄成果,從成因、土料顏色、顆粒組成上對土料進(jìn)行宏觀分層。依據(jù)分層從淺井或坑槽探中取樣,即分層取樣開展試驗(yàn)工作??紤]到施工開采斷面及開采工藝,按每間隔5 m連續(xù)取樣進(jìn)行試驗(yàn)工作。

        鑒于兩河口防滲心墻土料級配較寬,顆粒粒徑變化較大,招標(biāo)階段結(jié)合勘探補(bǔ)充,按每米取樣,在淺井井壁上刻槽取樣,對取樣方法、原則、刻槽深度等都有相關(guān)要求。

        因此,兩河口防滲土料各階段共計(jì)完成近萬組物性試驗(yàn),近幾百組的力學(xué)試驗(yàn)。試驗(yàn)成果對土料的分層、開挖利用、改性慘拌、信息化工作打下了扎實(shí)的基礎(chǔ)。

        3 防滲土料評價

        兩河口防滲土料的勘查表明,土料來源較多,級配較寬、不均一性突出。如何對土料進(jìn)行客觀真實(shí)的評價,以便后續(xù)的開采利用,是兩河口防滲土料評價工作面對的難題。經(jīng)過兩河口工程實(shí)踐,建立了一套土料評價體系,即大量的地質(zhì)測繪、勘探及試驗(yàn)工作是基礎(chǔ),信息化工作是手段,分區(qū)、分層是方法,歸納總結(jié)分類是落腳點(diǎn)。

        3.1 分區(qū)分層

        通過各階段大量的地質(zhì)測繪、勘探及試驗(yàn)工作,查明了各防滲土料場土料的分區(qū)分層情況,兩河口防滲土料分區(qū)、分層匯總表見表3。平面分區(qū)主要考慮地形、土料顏色、成因及組成顆粒粒徑等因素,根據(jù)以上條件,對防滲土料5個料場進(jìn)行分區(qū),最終分為十三個區(qū)。依據(jù)淺井分層編錄,結(jié)合顆分試驗(yàn)和統(tǒng)計(jì),對各料場進(jìn)行分層分析統(tǒng)計(jì),西地土料場、蘋果園土料場、亞中A區(qū)、D區(qū)、瓜里B2區(qū)、普巴絨A區(qū)土料較均一,無論在平面上或剖面上土料變化不大,除了淺表根植土外,均為有用層,但不同的區(qū)土料的厚度變化較大,土為含(礫)粉質(zhì)黏土。亞中B、C區(qū)、瓜里A、B區(qū)、普巴絨B區(qū)土料不均一,除了瓜里土B2區(qū)分為①、②、③、④層外,其余在里面上分為①、②、③層。各料場第①層為灰黃色礫石土,位于剝離層之下;②層為褐黃—褐紅色含礫粉質(zhì)黏土;第③層為含(塊)碎礫石土,夾含礫粉質(zhì)黏土;第④層為淺黃色粉土,土質(zhì)均勻,水平層理極發(fā)育,瓜里B2區(qū)局部分布。

        表3 兩河口防滲土料分區(qū)、分層匯總表

        3.2 分類歸納

        兩河口防滲土料料源多且分散,既有分區(qū)又有分層,根據(jù)料場的成因結(jié)合物理力學(xué)試驗(yàn),對兩河口土料進(jìn)行分類歸納,分為第一、二、三類土,防滲土料分類匯總表見表4。

        表4 防滲土料分類匯總表

        第一類土料包括西地、蘋果園B區(qū)、亞中A區(qū)、普巴絨A區(qū)土料,成因沖積或殘積土,為含礫粉質(zhì)黏土。

        顆分試驗(yàn)表明平均線<5 mm顆粒含量為86.0%~92.0%,即P5含量平均值0~15%。<0.075 mm細(xì)粒平均線含量63.2%~80.0%,<0.005 mm黏粒平均線含量16.6%~31.3%,天然含水率平均11.6%~15.1%,塑性指數(shù)均值11.8~16.4。力學(xué)試驗(yàn)表明壓縮模量ES(0.1~0.2 MPa)為11.6~19.9 MPa,平均為16.7 MPa,為低壓縮性土。黏聚力c值為12 ~30 kPa,平均為23.8 MPa;摩擦角φ值為14.6°~24.8°,平均為19.8°,抗剪能力較低。破壞比降if值>15,滲透系數(shù)k小于10-7cm/s。

        第二類土料包括蘋果園A區(qū)、瓜里B區(qū)、普巴絨B區(qū)土料,成因沖洪積,為礫石土。

        顆分試驗(yàn)表明平均線<5 mm顆粒含量為75.2%~78.4%,即P5含量平均值15%~25%。<0.075 mm細(xì)粒平均線含量49.9%~63.2%,<0.005 mm黏粒平均線含量14.9%~21.0%,含水率平均8.7%~11.7%,塑性指數(shù)均值11~15.6。力學(xué)試驗(yàn)表明壓縮模量ES(0.1~0.2 MPa)為19.4~21.6 MPa,平均為20.6 MPa,為低壓縮性土。黏聚力c值為30~45 kPa,平均為36.6 MPa;摩擦角φ值為24.2°~26.6°,平均為25.3°,抗剪能力較低。破壞比降if值>12,滲透系數(shù)k小于10-7cm/s。

        第三類土料包括亞中B、C區(qū)第①、③層瓜里A區(qū)土料,成因?yàn)闆_洪積和坡積混合作用。

        顆分試驗(yàn)表明平均線<5 mm顆粒含量為49.8%~58.7%,即 P5含量平均值30%~40%。<0.075 mm細(xì)粒平均線含量29.9%~34.7%,<0.005 mm黏粒平均線含量8.9%~12.0%,含水率平均7.1%~8.3%,塑性指數(shù)均值11.6~14.1。力學(xué)試驗(yàn)表明壓縮模量ES(0.1~0.2 MPa)為21.2~26.1 MPa,平均為22.98 MPa,為低壓縮性土。黏聚力c值為35~50.0 kPa,平均為43.75 MPa;摩擦角φ值為27.1°~29.4°,平均為28.13°,抗剪強(qiáng)度中等。破壞比降if值>13.4,滲透系數(shù)k小于10-7cm/s。

        3.3 防滲土料評價

        兩河口水電站擋水大壩高,心墻防滲土料要求高,對防滲土料質(zhì)量要求高,主要防滲土料指標(biāo)如下:粒徑大于5 mm的顆粒含量不超過50%,不低于30%;小于0.075 mm的顆粒含量應(yīng)不小于15%;小于0.005 mm的顆粒含量應(yīng)大于8%,滲透系數(shù)應(yīng)小于1×10-5cm/s[6]。

        從防滲土料顆分和滲透性角度要求看,各類土料均滿足要求,但從力學(xué)強(qiáng)度來看,第一、二類土料力學(xué)強(qiáng)度偏低。心墻防滲土料需要一定的強(qiáng)度及變形模量,以滿足大壩的變形和沉降要求[7]。因此,需對第一、二類土摻礫改性,方可滿足要求,第三類土可以直接利用。經(jīng)過試驗(yàn)研究,第一類土需按6∶4(重量比)摻礫,第二類土需按7∶3(重量比)摻礫[8]。

        4 土料信息化工作

        由于防滲心墻料源共計(jì)5個土料場,物性差異明顯,分區(qū)、分層復(fù)雜。為直觀了解各料區(qū)空間分層情況,為后期各類土的開采利用提供依據(jù)。對防滲土料開展了信息化設(shè)計(jì)工作。

        (1)模型建立思路。以亞中土料場可研階段、招標(biāo)階段勘探試驗(yàn)為依據(jù),選定和大壩心墻礫石土料設(shè)計(jì)關(guān)鍵指標(biāo)和參數(shù)(P5含量、含水率、黏粒含量),物性參數(shù)為試坑中不同深度的試驗(yàn)值,通過空間插值計(jì)算分別得出P5含量、含水率、黏粒含量三套屬性模型。

        (2)模型建立過程。建模過程中首先完成各試坑中不同深度數(shù)據(jù)的采集和整理,亞中土料場A區(qū)不同深度試坑參數(shù)屬性見圖3。

        圖3 亞中土料場A區(qū)不同深度試坑參數(shù)屬性

        然后以料場剝離面和開采底面為空間范圍建立亞中土料場A區(qū)空間三維體網(wǎng)格(圖4),并將參數(shù)值賦值于空間三維體網(wǎng)格,通過不同插值計(jì)算方法得出亞中土料場A區(qū)P5含量屬性模型(圖5)、亞中土料場A區(qū)黏粒含量屬性模型(圖6)、亞中土料場A區(qū)含水率變化屬性模型(圖7)。

        圖4 亞中土料場A區(qū)空間三維體網(wǎng)格

        圖5 亞中土料場A區(qū)P5含量屬性模型

        圖6 亞中土料場A區(qū)黏粒含量屬性模型

        圖7 亞中土料場A區(qū)含水率變化屬性模型

        (3)模型分析結(jié)果解譯。從P5含量屬性模型可以看出:亞中土料場A區(qū)絕大部分區(qū)域?yàn)橐活愅?P5含量<15%)。后緣原老鄉(xiāng)房屋部位、下游側(cè)鄰溝部位P5含量較高,最高為16.8%,開采表明該部位存在崩坡積碎礫石、沖洪積塊、碎礫石集中現(xiàn)象,模型分析結(jié)果和現(xiàn)場高度吻合。另外從三個屬性模型綜合分析看:黏粒含量較高、P5含量較低的部位含水率普遍較高,最高為21.6%,集中在料場的中部及前緣部位。利用信息化技術(shù)手段,可以直觀地表達(dá)不同屬性土料空間分布情況,能實(shí)現(xiàn)自動分層、分區(qū),更好地解決復(fù)雜土料的設(shè)計(jì)利用,指導(dǎo)現(xiàn)場開采和摻拌利用。

        5 結(jié) 語

        (1)兩河口水電站為已建世界第二高土石壩,心墻防滲土料設(shè)計(jì)用量大,單個土料場不能滿足設(shè)計(jì)用量要求,因此,兩河口防滲土料料源多,且分散,土料來源多。

        (2)防滲土料料源復(fù)雜,一是土料形成的成因類型較多既有風(fēng)化作用形成的殘積土,又有沖積、沖洪積、坡積等形成的含礫土及碎礫石土;二是土料空間分布不均一。

        (3)鑒于防滲土料料源的復(fù)雜性,并針對防滲土料的特點(diǎn),從勘探布置及試驗(yàn)取樣進(jìn)行了研究,形成了土料分區(qū)網(wǎng)格化布置勘探,隨著工程建設(shè)階段逐步加密加深勘探,最終以井探為主,實(shí)現(xiàn)每米連續(xù)取樣的土料勘查方法,工程實(shí)踐證明,應(yīng)用該方法基本查清了多源復(fù)雜防滲土料的工程地質(zhì)特性,為土料評價、開采及利用打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

        (4)依據(jù)測繪、勘探及試驗(yàn)成果,對防滲土料評價體系進(jìn)行了研究。經(jīng)過兩河口工程實(shí)踐,建立了以地質(zhì)測繪、勘探及試驗(yàn)為基礎(chǔ),以信息化為手段,以分區(qū)、分層為方法,對防滲土料分類歸納,服務(wù)于土料的開采、利用及改性,實(shí)現(xiàn)土料質(zhì)量優(yōu)良為目標(biāo)的評價體系。

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