馮建明，張世殊，田 雄，袁國(guó)慶，李 青，徐 旭

(中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，四川 成都 610072)

1 前 言

深厚覆蓋層往往具有結(jié)構(gòu)松散、層次不均勻、成因類(lèi)型復(fù)雜、物理力學(xué)性質(zhì)分異大的特點(diǎn)。在此類(lèi)第四紀(jì)覆蓋層上筑壩，往往易發(fā)生滲漏、抗滑穩(wěn)定、滲透變形、沉陷、砂土液化等問(wèn)題。據(jù)Larocque統(tǒng)計(jì)，因壩基失事的大壩，約占失事大壩的25%;另?yè)?jù)不完全統(tǒng)計(jì)，國(guó)外建于軟基及覆蓋層上的水工建筑物，約有一半事故是由于壩基滲透破壞、沉降過(guò)大或滑動(dòng)等因素導(dǎo)致的。因此，研究覆蓋層的工程地質(zhì)特性，對(duì)壩型的選擇、防滲墻的設(shè)計(jì)等都具有非常重要的意義。

四川省阿壩州雙江口水電站壩址區(qū)位于最深達(dá)67.8m厚的覆蓋層上，大壩為心墻堆石壩，最大壩高314m，是目前世界上同類(lèi)壩型中最高的大壩。鑒于此大壩為300m世界級(jí)高壩，對(duì)壩基變形穩(wěn)定要求較高，本文結(jié)合壩址區(qū)覆蓋層的成分、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和分布特征，論述其主要工程地質(zhì)特性及對(duì)物理力學(xué)參數(shù)評(píng)價(jià)。

2 壩址區(qū)深厚覆蓋層基本特征

雙江口水電站壩址河段長(zhǎng)約1.5km，河谷狹窄陡峻，屬典型的高山峽谷地形。壩址階地基本不發(fā)育，覆蓋層主要分布于現(xiàn)代河床。據(jù)鉆孔揭示，河床覆蓋層一般厚48～57m，最大厚度達(dá)67.8m。根據(jù)其物質(zhì)組成、層次結(jié)構(gòu)，從下至上(由老至新)可分為3層，各層空間分布見(jiàn)圖1，基本特征見(jiàn)表1。

各層中均有不同規(guī)模的砂層分布。第①層主要砂層位于壩址軸線下游側(cè)，為黏土質(zhì)砂，厚2.42～6.69m，頂面埋深45.96～49.79m，推測(cè)順河向長(zhǎng)232m，橫河向?qū)?1m。第②層分布7個(gè)較厚的砂層透鏡體，其中砂層②－a和②－b規(guī)模較大，且距離壩軸線很近。砂層②－a位于壩軸線下游側(cè)，為級(jí)配良好的粉土質(zhì)砂，厚3.6～3.73m，頂面埋深19.8～20.5m，推測(cè)順河向長(zhǎng)約322m，橫河向?qū)捈s45m。砂層②－b位于大壩底部，為級(jí)配良好的粉土質(zhì)砂，厚0.64～7.93m，頂面埋深14.18～21.75m，縱向長(zhǎng)約390m，橫河向?qū)捈s102m。第③層局部夾砂層透鏡體，主要有③ －a、③ －b、③ －c。其中:③ －b貫穿整個(gè)壩址區(qū)，為含細(xì)粒土砂或粉土質(zhì)砂，厚1.1～7.65m，頂面埋深0～3.2m，推測(cè)順河向長(zhǎng)462m，橫向最大寬度112m。

3 工程地質(zhì)特性

3.1 顆粒組成及密實(shí)度

覆蓋層的物理力學(xué)參數(shù)主要取決于密實(shí)度、級(jí)配及顆粒組成。堆積于河床底部的漂卵(礫)石，大多經(jīng)歷過(guò)長(zhǎng)期的搬運(yùn)、磨蝕過(guò)程，強(qiáng)度絕大多數(shù)都很高，軟質(zhì)巖石含量很少。壩址區(qū)河床覆蓋層漂卵(礫)石成分主要為花崗巖、砂巖，強(qiáng)度及變形參數(shù)都很高，因此，影響覆蓋層變形及強(qiáng)度參數(shù)的主要因素為顆粒級(jí)配和密實(shí)度。

圖1 壩軸線河床剖面

表1 壩址區(qū)河床覆蓋層特征

顆粒級(jí)配試驗(yàn)、動(dòng)力觸探和標(biāo)貫試驗(yàn)結(jié)果表明:第①層、第③層均為級(jí)配不良礫，中等密實(shí)度，第①層密實(shí)度高于第③層。其中第③層濕密度平均值為2.26g/cm3，干密度平均值為 2.17g/cm3，孔隙比0.25;第②層呈松散～稍密狀態(tài)，級(jí)配不良。第①、②、③層顆粒級(jí)配曲級(jí)見(jiàn)圖2～4。

總體而言，壩基河床覆蓋層中的漂卵礫石、砂卵礫石的結(jié)構(gòu)主要屬中等密實(shí)度，各透鏡狀砂層多呈松散～稍密狀態(tài)。由于受上部土體的壓實(shí)作用，各層密實(shí)度具有隨其埋深增加而逐漸增大的總趨勢(shì)。

3.2 承載力及變形特性

對(duì)于建在深厚覆蓋層上的高堆石壩，首先要深入研究基礎(chǔ)的承載力及變形特性。為了研究壩基河床覆蓋層的承載力及變形特性，開(kāi)展了現(xiàn)場(chǎng)載荷試驗(yàn)和鉆孔動(dòng)力觸探、標(biāo)貫、旁壓試驗(yàn)及室內(nèi)壓縮試驗(yàn)。由于第①、②層埋藏較深，其承載力和變形特性可根據(jù)鉆孔動(dòng)力觸探、標(biāo)貫和旁壓試驗(yàn)確定，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

圖2 第①層顆粒級(jí)配曲線

圖3 第②層顆粒級(jí)配曲線

圖4 第③層顆粒級(jí)配曲線

從上述各試驗(yàn)和室內(nèi)試驗(yàn)成果可知，河床覆蓋層第①、③層漂卵礫石承載力和抗變形能力較高，第②層砂卵礫石次之，砂層透鏡體低，且同一層承載力和變形模量亦有一定差異，表明了河床覆蓋層物質(zhì)組成結(jié)構(gòu)的不均一性而導(dǎo)致力學(xué)性質(zhì)的差異。

表2 承載變形實(shí)驗(yàn)成果 MPa

3.3 抗剪強(qiáng)度

由于第①、②層埋藏較深，原狀試樣難以取得，本次剪切試驗(yàn)主要在第③層中進(jìn)行。第③層現(xiàn)場(chǎng)大剪試驗(yàn)結(jié)果顯示內(nèi)摩擦角φ=34.2°～40.6°，凝聚力c=0.0～0.034MPa;根據(jù)擾動(dòng)樣室內(nèi)大三軸試驗(yàn)表明，其顆粒平均線固結(jié)排水剪內(nèi)摩擦角 φ=38.19°～39.2°，凝聚力 c=0～0.035MPa。另外，擾動(dòng)樣室內(nèi)飽固快直剪試驗(yàn)也反映出其內(nèi)摩擦角φ=37.3°～42.4°，凝聚力 c=0.08～0.085MPa。上述試驗(yàn)成果均表明該層漂卵礫石總體抗剪強(qiáng)度較高。

3.4 動(dòng)力特性

為了獲取壩基河床覆蓋層的縱、橫(剪切)波波速及相關(guān)參數(shù)，進(jìn)行了跨孔波速測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 動(dòng)力變形特性試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)剪切波速值等試驗(yàn)成果看，漂卵礫石層的剪切波速、動(dòng)彈模、動(dòng)剪模均大于砂卵礫石層，下部剪切波速、動(dòng)彈模、動(dòng)剪模大于上部。根據(jù)剪切波速判別，河床覆蓋層屬中硬場(chǎng)地土，場(chǎng)地類(lèi)別屬Ⅱ類(lèi)。又根據(jù)室內(nèi)動(dòng)三軸測(cè)試表明:(1)動(dòng)強(qiáng)度和動(dòng)剪應(yīng)力比隨振次的增大而減小;(2)動(dòng)強(qiáng)度和動(dòng)剪應(yīng)力比隨固結(jié)應(yīng)力比的增大而增大;(3)同一砂層不同鉆孔砂樣的動(dòng)強(qiáng)度和動(dòng)剪應(yīng)力比有一定差異，但總體規(guī)律仍較強(qiáng)，且與其干密度有一定關(guān)系。

3.5 滲透特性及滲透變形

為了查明壩基河床覆蓋層的滲透特性，評(píng)價(jià)其滲漏和滲透變形穩(wěn)定性，進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)抽水試驗(yàn)、標(biāo)準(zhǔn)注水試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)滲透變形試驗(yàn)和室內(nèi)滲透變形試驗(yàn)。由于第①、②層埋藏較深，試驗(yàn)主要在上部第③層中進(jìn)行。抽水、注水等試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

滲透性及滲透變形試驗(yàn)表明，壩基河床覆蓋層多具強(qiáng)透水特性，滲透變形破壞型式為管涌，抗?jié)B透變形能力差。

3.6 各層物理力學(xué)參數(shù)建議值

根據(jù)本工程覆蓋層的基本地質(zhì)條件，各層物理力學(xué)參數(shù)選取的總原則是以現(xiàn)場(chǎng)和室內(nèi)試驗(yàn)成果為依據(jù)，結(jié)合已建工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行工程地質(zhì)類(lèi)比分析綜合確定。壩址河床覆蓋層物理力學(xué)指標(biāo)參數(shù)選取見(jiàn)表5。

表4 壩址區(qū)覆蓋層抽(注)水試驗(yàn)結(jié)果

表5 雙江口壩址覆蓋層物理力學(xué)指標(biāo)參數(shù)選取

4 小 結(jié)

(1)由于覆蓋層往往具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、透水性強(qiáng)、夾有砂層，故壩基存在抗滑穩(wěn)定、滲透穩(wěn)定、壓縮變形及抗震穩(wěn)定等工程地質(zhì)問(wèn)題。因此，對(duì)覆蓋層的研究要采用多種勘探和試驗(yàn)手段，以便相互驗(yàn)證，利用物理指標(biāo)與力學(xué)特性的相關(guān)關(guān)系來(lái)判定覆蓋層的力學(xué)特性，從而較合理地評(píng)價(jià)軟基建壩的工程地質(zhì)問(wèn)題，提出可靠的工程處理措施。

(2)對(duì)覆蓋層的滲透變形特性研究具有非常重要的意義。對(duì)含有砂層透鏡體、滲透性強(qiáng)且具多層結(jié)構(gòu)的覆蓋層，除需要防止發(fā)生管涌破壞外，還要注意由于滲透性的差異，有可能產(chǎn)生的接觸沖刷。

(3)若覆蓋層壩基中夾有砂層透鏡體且當(dāng)?shù)氐卣鸹玖叶容^高時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)砂層地震液化問(wèn)題的研究。對(duì)于雙江口壩址區(qū)，范圍較大的砂層③－b埋藏淺，結(jié)構(gòu)較松散，地震液化的可能性較大;砂層②－b在天然狀態(tài)下的抗振動(dòng)液化能力處于臨界狀態(tài)或液化狀態(tài)，建議結(jié)合心墻和反濾層地基開(kāi)挖對(duì)兩砂層作全部挖除處理。

這是初設(shè)階段的研究并用于設(shè)計(jì)的主要地質(zhì)依據(jù)，在該工程壩基全面揭露以后，將繼續(xù)深入研究，特別是對(duì)承載力、穩(wěn)定性、砂層液化和高邊坡的詳細(xì)研究。