托口水電站廠房尾水橋基礎(chǔ)持力層分析評(píng)價(jià)及選擇

黃團(tuán)偉， 陳思宇， 李小雄

(中國(guó)電建集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410014)

1 工程概況

托口水電站樞紐位于湖南省洪江市境內(nèi)的沅水上游，電站裝機(jī)規(guī)模830 MW，年平均發(fā)電量21.90億kWh，屬一等大(1)型工程。工程樞紐采取分散型布置，由攔河壩(主壩)、王麻溪引水壩和發(fā)電廠房、通航建筑物等工程組成。

尾水橋橋址位于王麻溪副壩發(fā)電廠房下游約350 m處。橋型為七跨簡(jiǎn)支預(yù)應(yīng)力梁橋，設(shè)計(jì)橋面凈寬7 m，設(shè)計(jì)荷載：汽車荷載：城-A級(jí)，人群荷載：3.5 kPa，公路等級(jí)為三級(jí)。

2 橋位區(qū)巖(土)層基本情況

綜合平面地質(zhì)測(cè)繪及鉆探成果，場(chǎng)區(qū)內(nèi)揭露地層由新至老依次為：

(1)人工堆積物(Q4s)：為塊、碎石土，厚度0～4.5 m，結(jié)構(gòu)松散。

(2)Ⅰ級(jí)階地堆積物(Q4pal)：粉質(zhì)、粉砂質(zhì)黏土夾少量卵礫石組成，厚度7.7～15.3 m，分布于0號(hào)橋臺(tái)至5號(hào)橋墩范圍。

(3)石炭系中上統(tǒng)壺天群(C2+3)：淺灰、灰白色厚層、巨厚層白云質(zhì)灰?guī)r，中部夾紫紅色礫巖、含礫粉砂質(zhì)泥巖夾層，總厚度大于75 m，夾層厚度6～9 m?？p合線構(gòu)造和底部礫巖不明顯，與下伏的Zant地層呈不整合接觸。

(4)震旦系下統(tǒng)南沱組(Zant)：紫紅、灰綠色巨厚層冰磧含礫泥巖、含礫板巖厚度約4.7 m，強(qiáng)風(fēng)化狀，巖體較破碎。

震旦系下統(tǒng)江口組(Zaj)：根據(jù)巖性差異，分為兩段(Zaj1、Zaj2)：

(5)上段Zaj2：青灰、灰色或少量灰綠色厚層、巨厚層狀粉砂質(zhì)板巖夾灰綠色條帶，與Zaj1呈整合接觸，分界標(biāo)志明顯，為一炭質(zhì)頁(yè)巖夾層。

(6)下段Zaj1：灰綠、淺灰色厚層、巨厚層狀含礫凝灰質(zhì)砂巖夾粉砂質(zhì)板巖，厚度34～38 m，巖體較完整。

3 巖溶及軟弱夾層基本特征

3.1 巖溶基本特征

勘探表明，橋址區(qū)的石炭系壺天群(C2+3)地層存在巖溶類型屬碳酸鹽巖的巖溶，按水動(dòng)力特征屬近河谷排泄基準(zhǔn)面巖溶。

橋址區(qū)灰?guī)r巖溶發(fā)育主要受巖性及構(gòu)造控制，巖溶發(fā)育總體表現(xiàn)為沿層面及主要構(gòu)造帶延伸的特點(diǎn)。在平、剖面上常見(jiàn)帶狀、層狀或串珠狀溶蝕，若無(wú)明顯構(gòu)造影響，不同的層位或構(gòu)造中巖溶一般相互獨(dú)立，互通性差。鉆孔巖溶發(fā)育情況統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1，橋址區(qū)遇巖溶鉆孔物探CT成果見(jiàn)圖1。

表1 尾水橋鉆孔巖溶發(fā)育情況統(tǒng)計(jì)表

圖1 尾水橋巖溶鉆孔CT掃描剖面成果圖

橋址灰?guī)r區(qū)10個(gè)鉆孔中，遇巖溶鉆孔4個(gè)(遇溶洞總數(shù)23個(gè))，未遇巖溶鉆孔6個(gè)。鉆孔揭露情況有如下幾點(diǎn)：(1)中、上部巖溶較深部發(fā)育，溪溝(場(chǎng)地)中部巖溶較左岸發(fā)育；(2)各墩、臺(tái)中，以4號(hào)橋墩最發(fā)育，鉆孔線巖溶率達(dá)32.8%～35.12%，2號(hào)橋墩次之，0號(hào)橋臺(tái)和1號(hào)橋墩不發(fā)育；(3)同一部位也存在差異，如2號(hào)、3號(hào)橋墩各2個(gè)鉆孔中一孔遇巖溶，一孔未遇巖溶；(4)溶洞一般直徑小于2 m，僅一個(gè)直徑達(dá)4.3 m，總體規(guī)模較小；(5)溶洞充填與未充填數(shù)各半，主要充填物為黏土夾砂、礫。鉆孔QZK4～QZK8物探CT掃描成果表明，各溶洞及溶蝕帶表現(xiàn)為相間分布，相互之間的連通特征不明顯，具相對(duì)獨(dú)立性。

3.2 軟弱夾層基本特征

勘探揭露軟弱夾層為不整合接觸帶與炭質(zhì)頁(yè)巖夾層。

不整合接觸帶：分布于③石炭系中上統(tǒng)壺天群(C2+3)地層與下伏④震旦系下統(tǒng)南沱組(Zant)地層之間，不整合接觸帶為一層黑至黃褐色含炭質(zhì)黏土，軟塑～可塑狀，物理力學(xué)性質(zhì)差，鉆孔揭露厚度1.1～2.2 m。

炭質(zhì)頁(yè)巖夾層：分布于震旦系下統(tǒng)江口組上段⑤Zaj2與下段⑥Zaj1之間，鉆孔揭露(垂直)厚度約5 m，破碎呈片狀，遇水易軟化，物理力學(xué)性質(zhì)差。

4 基礎(chǔ)持力層分析

王麻溪引水壩尾水渠及引航道(通航建筑物)開(kāi)挖后，除0號(hào)橋臺(tái)基礎(chǔ)殘留第四系Ⅰ級(jí)階地堆積物外，其他墩、臺(tái)位置第四系及全風(fēng)化巖體可全部挖除，其中2～4號(hào)橋墩強(qiáng)風(fēng)化巖體也已基本挖除，根據(jù)巖土試驗(yàn)成果，橋址Ⅰ級(jí)階地堆積低液限黏土有一定的承載強(qiáng)度，可作為承載強(qiáng)度要求不高的橋臺(tái)基礎(chǔ)持力層考慮，殘余強(qiáng)風(fēng)化巖體因巖體破碎，均一性差，厚度變化大，不宜做為基礎(chǔ)持力層，其他中風(fēng)化～新鮮的各地層巖體完整性較好，強(qiáng)度較高，均可作為橋梁墩、臺(tái)基礎(chǔ)的持力層，但應(yīng)結(jié)合基礎(chǔ)以下溶洞和軟弱夾層(包括不整合接觸帶與炭質(zhì)頁(yè)巖夾層)的分布情況綜合考慮選擇基礎(chǔ)持力層。各巖(土)體物理力學(xué)指標(biāo)地質(zhì)建議值詳見(jiàn)表2～表3。

表2 巖體主要物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)地質(zhì)建議值表

表3 Ⅰ級(jí)階地土物理力學(xué)指標(biāo)地質(zhì)建議值表

5 基礎(chǔ)持力層評(píng)價(jià)及選擇

綜合上述結(jié)果， 尾水橋橋梁基礎(chǔ)方案選擇遵循以下要求：溶洞位于尾水底板開(kāi)挖面高程5 m以下且溶洞以上地質(zhì)承載力較好(允許承載力≥600 kPa)，優(yōu)先采用明挖基礎(chǔ)以避開(kāi)溶洞對(duì)橋梁下部的影響；溶洞距尾水底板開(kāi)挖面較深(大于10 m)，溶洞以上地質(zhì)情況不理想，應(yīng)采用樁基礎(chǔ)，樁端穿過(guò)巖溶發(fā)育區(qū)進(jìn)入下部穩(wěn)定基巖。

0號(hào)橋臺(tái)：設(shè)計(jì)可根據(jù)荷載及結(jié)構(gòu)要求選擇擴(kuò)大基礎(chǔ)，以②為層土體為基礎(chǔ)持力層，或選擇嵌巖樁基礎(chǔ)以③層中的中風(fēng)化巖為基礎(chǔ)持力層。采用嵌巖樁基礎(chǔ)時(shí)，應(yīng)查明樁端以下巖溶情況，確保樁端以下可靠巖基厚度滿足設(shè)計(jì)要求。

1號(hào)橋墩：該部位基礎(chǔ)巖溶程度較弱，宜采用明挖擴(kuò)大基礎(chǔ)，以③層中的中風(fēng)化巖為基礎(chǔ)持力層，并對(duì)基礎(chǔ)以下5 m范圍地基進(jìn)行固結(jié)灌漿處理。

2號(hào)橋墩：該部位基礎(chǔ)局部巖溶程度較強(qiáng)，主要巖溶分布高程181～190 m，尾水渠按設(shè)計(jì)高程186 m開(kāi)挖后，主要巖溶殘留厚度約5 m，建議采用明挖擴(kuò)大基礎(chǔ)，以③層中的中風(fēng)化巖為基礎(chǔ)持力層，挖除并置換主要巖溶巖體，并對(duì)高程176 m以上地基進(jìn)行固結(jié)灌漿處理。

3號(hào)橋墩：尾水渠按設(shè)計(jì)高程186 m開(kāi)挖后，橋墩位置覆蓋層及強(qiáng)風(fēng)化基巖均被挖除，基巖地層為③層C2+3，下限埋深大于40 m，頂部為中風(fēng)化礫巖、含礫粉砂質(zhì)泥巖夾層，殘留厚度5.5～6 m，建議采用明挖擴(kuò)大基礎(chǔ)，以頂部中風(fēng)化巖為基礎(chǔ)持力層。

4號(hào)橋墩：尾水渠按設(shè)計(jì)高程186 m開(kāi)挖后，覆蓋層大多被挖除，下伏基巖為③層C2+3和④層Zant。③層C2+3巖溶發(fā)育強(qiáng)烈，遍布整層，底部C2+3/Zant不整合接觸帶為一層黑色含炭質(zhì)黏土，軟塑～可塑狀，④層Zant頂部受構(gòu)造影響風(fēng)化劇烈，巖體呈強(qiáng)風(fēng)化狀，厚度約5 m。③層C2+3及④層Zant頂部基巖，均難以滿足墩基要求，建議采用嵌巖樁基礎(chǔ)，以④層Zant中的中風(fēng)化巖為基礎(chǔ)持力層。

5號(hào)橋墩：尾水渠按設(shè)計(jì)高程186 m開(kāi)挖后，覆蓋層及全風(fēng)化巖體可全部挖除。下伏③層C2+3殘留最小厚度僅約4 m，底部C2+3/Zant不整合接觸帶黑至黃褐色含炭質(zhì)黏土呈軟塑～可塑狀，④層Zant厚度約5～7 m，呈強(qiáng)風(fēng)化狀，巖體破碎，⑤層Zaj2頂部分布厚度約2 m的強(qiáng)風(fēng)化巖體。雖然③層C2+3巖溶不發(fā)育，但其殘存厚度較小，且底部C2+3/Zant不整合接觸帶為一軟塑～可塑狀軟弱夾層，④層Zant和⑤層Zaj2強(qiáng)風(fēng)化巖體均性狀較差，均難以滿足墩基要求，建議采用嵌巖樁基礎(chǔ)，以⑤層Zaj2中的中風(fēng)化巖為基礎(chǔ)持力層。

6號(hào)橋墩：尾水渠按設(shè)計(jì)高程186 m開(kāi)挖后，覆蓋層及全風(fēng)化巖體可全部挖除，基巖為⑤層Zaj2和⑥層Zaj1。⑤層Zaj2殘留厚度約25 m，強(qiáng)風(fēng)化厚度1～3 m，底部炭質(zhì)頁(yè)巖夾層厚度約3 m，夾層頂面埋深約18～21 m。建議采用明挖擴(kuò)大基礎(chǔ)，以⑤層Zaj2中的中風(fēng)化巖為基礎(chǔ)持力層。

7號(hào)橋臺(tái)：尾水渠邊坡按設(shè)計(jì)開(kāi)挖后，橋臺(tái)部位覆蓋層及全風(fēng)化巖體可全部挖除?；鶐r殘留厚度8～10 m，底部炭質(zhì)頁(yè)巖夾層(垂直)厚度約5 m，頂部強(qiáng)風(fēng)化巖厚度3～5 m，巖體破碎，⑤層頂部強(qiáng)風(fēng)化巖體及底部炭質(zhì)頁(yè)巖性狀均差，不宜做基礎(chǔ)持力層。建議采用嵌巖樁基礎(chǔ)，以⑥層Zaj1中的中風(fēng)化巖為基礎(chǔ)持力層。

6 設(shè)計(jì)和施工建議

(1)橋梁墩、臺(tái)基礎(chǔ)開(kāi)挖后應(yīng)及時(shí)封閉，避免擾動(dòng)或暴露后持力層風(fēng)化破碎，橋墩采用嵌巖樁基礎(chǔ)時(shí)，樁端應(yīng)進(jìn)入較完整的中風(fēng)化基巖之中，明挖擴(kuò)大基礎(chǔ)的埋深須大于尾水渠的沖刷深度。

(2)當(dāng)尾水渠底板無(wú)防護(hù)時(shí)，應(yīng)對(duì)墩周一定范圍內(nèi)的不整合接觸帶、巖溶、風(fēng)化破碎巖體進(jìn)行防護(hù)，必要時(shí)進(jìn)行刻槽回填混凝土處理。

(3)1、2號(hào)橋墩位于引航道進(jìn)(出)口部位，應(yīng)對(duì)橋墩設(shè)置預(yù)防船只沖撞的保護(hù)措施。

(4)橋址區(qū)墩、臺(tái)基礎(chǔ)多數(shù)位于巖溶區(qū)，應(yīng)采取措施保證基礎(chǔ)置于完整可靠的巖基上，并對(duì)地基進(jìn)行必要的檢測(cè)。

(5)基礎(chǔ)施工時(shí)，應(yīng)作好地下水的疏排工作，特別是多數(shù)樁基位于沅水河水位以下，應(yīng)準(zhǔn)備充足的抽、排水設(shè)施，避免地下水影響施工安全與質(zhì)量。同時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)施工驗(yàn)槽工作，若發(fā)現(xiàn)與本報(bào)告出入較大的不良地質(zhì)問(wèn)題，應(yīng)及時(shí)會(huì)同設(shè)計(jì)、施工協(xié)商，進(jìn)行動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)。