冶勒水电站深厚覆盖层坝基的勘察研究
杜明祝
国家电力公司成勘院成都水利水电建设工程公司,四川成都 610072
1 概 况
冶勒水电站是大渡河支流南桠河“一库六级”开发的龙头水库工程。工程兴建的主要任务是发电,电站采用混合式开发,大坝设计为沥青混凝土心墙堆石坝,最大坝高125.5m,正常蓄水位高程2650m,总库容2.98亿m3。水库具有多年调节性能,电站装机容量24万kW,年发电量5.88kW*h。本工程的兴建除自身发电效益外,还可使下游5个梯级电站和大渡河已建的龚嘴、铜街子水电站的保证出力增加约16万kW,效益显著,是四川电力系统中难得的枯水期补偿电源点。
坝址位于新生代断陷盆地边缘的峡谷河段上,距安宁河东、西支断裂分别为4km、2km。坝址左岸为晋宁期石英闪长岩,节理裂隙发育,岩体卸荷强烈,卸荷水平深度60～80m。河床及右岸由第四系中、上更新统冰水河湖相沉积层组成,钻探揭示其最大厚度大于420m,河床下部残留厚度160m,自下而上分为5大岩组;第一岩组,弱胶结卵砾石层(Q22);第二岩组,块碎石土夹硬质粘性土(Q13);第三岩组,弱胶结卵砾石层与粉质壤土互层(Q2-13);第四岩组,弱胶结卵砾石层(Q2-23);第五岩组,粉质壤土夹炭化植物碎屑层(Q2-33)。该套巨厚冰水河湖相沉积层各岩组岩相和厚度变化较大、层次较多,物理力学特性各异,含水、透水程度不均一,并有多层承压水分布。坝址工程地质、水文地质条件复杂。为此,对其筑坝建库工程地质条件进行了长期而大量的地质勘察和深入细致的研究工作。
2 勘察过程回顾
冶勒水电站的勘测设计工作,是在气候严寒、潮湿多雨和交通运输极其艰苦的环境下,成勘院通过精心勘测、精心设计和组织管理而完成的。若从开发研究阶段算起,历经坝址选择、初步设计,到初设审查及咨询调研后的补充地勘试验工作,则前期勘察时间基本连续达8年之久。
本工程勘测设计可追朔到70年代初,1971～1972年间对两岔河坝址曾开展了规划选点地勘工作,1972年提交“汇报材料”后中断勘探。1985年5月～1986年8月,随着南桠河规划的起动,对本工程进行了开发研究阶段的勘测设计,重点对两岔河坝址建坝条件和水库渗漏问题做了进一步的地质勘探与论证,于1986年底完成了“四川省南桠河冶勒水电站开发研究报告”。1987年1月,原水利水电规划设计总院在北京对开发研究报告进行了审查,会议肯定了冶勒水库作为龙头水库的必要性,并要求加快开发进度,决定不经过可行性研究直接开展本工程的初步设计。据此,成勘院首次向总院签订了初步设计工作项目承包协议书,为加快冶勒初步设计和南桠河梯级规划,随即修建了勘测公路和设置水文站观测收集水文气象资料。
1987年7月～1988年12月,围绕坝址比较与选择,在多次组织有关专业深入现场查勘的基础上,先后对两岔河上、下坝址和三岔河坝址全面开展了地质勘探试验和相应的设计工作,得出了下坝址的地质条件优于上坝址的初步结论;于1988年底提交了“四川省南桠河冶勒水电站坝址选择专题报告”。1989年4月在北京,由原水利水电规划设计总院主持召开了选坝技术讨论会,会议着重研究了3个坝址的比较,初步同意成勘院推荐的下坝址;并要求继续查明作为坝基防渗依托的第二岩组块碎石土夹硬质粘性土相对隔水层的分布范围、厚度、性状和渗透变形稳定情况,研究在高地震烈度区深厚覆盖层上建高土石坝的坝型及基础防渗处理措施等问题。
在初步明确坝址、坝型的基础上,根据选坝技术讨论会精神,1989年4月～1991年1月,重点对选定的下坝址各枢纽建筑物轴线、坝基岩土物理力学参数,以及筑坝材料和水库渗漏等,继续深入地开展了地质勘探与试验研究,于1991年6月完成了“四川省南桠河冶勒水电站初步设计报告”。至此,经各阶段大量的地质勘测、试验工作,坝址主要工程地质问题已查明,达到了初步设计的工作深度和要求。1991年9月在成都,经原水利水电规划设计总院会同四川省建委、计经委审查通过“初步设计报告”,并于1992年10月和1995年8月由中国国际工程咨询公司主持,分别进行了咨询调研与评估。
鉴于坝址工程地质、水文地质条件的复杂性,根据初设审查和咨询调研提出的意见与建议,1992年以来对坝址地震危险性分析、坝基各岩组物理力学参数与渗透变形指标、地下水动态特征等,又进行了全面复核和补充勘察论证;并在大坝右岸开展了100m深混凝土防渗墙和100m深帷幕灌浆的现场试验,为本工程的立项、建设,奠定了可靠基础。
3 勘察方法与研究内容
冶勒电站坝址主要工程地质问题是对深厚覆盖层坝基渗漏、渗透变形稳定研究,以及对地基不均一沉降变形和粉质壤土抗振动液化的评价。为此,在前期勘察工作中采用多种勘测、试验方法进行了系统的论证:
3.1 工程地质测绘
利用沟谷露头剖面测制详细地层柱状图,采集炭化植物碎屑、钙质胶结物进行14C法、TL法年龄测试,根据岩性组合、沉积韵律和含水、透水特征,再结合深孔钻探取芯资料,确定地层层序和时代,建立水文工程地质岩组;开展坝区1∶2000综合工程地质测绘,对坝址左右岸或下游渗流出逸部位,以及可能渗漏进出口地段,进行了重点调查和研究。
3.2 物探
勘察初期阶段,在库坝区大范围内进行了地震勘探和电法勘探,以探查覆盖层厚度、结构、地下水位、基岩顶板埋深与起伏状态等,亦为防渗线勘探布置提供了信息。
3.3 勘探
根据坝址地形地质特点,结合枢纽建筑物布置和防渗需要,勘探手段以钻探为主,辅以井探、洞探。勘探范围自坝轴线向上、下游延伸各1.5～1.8km,沿防渗线长约1.3～1.5km;钻孔深度以深孔为主,深孔(200～250m)与浅孔(80～150m)相结合,最深达420m。为获取深厚覆盖层原状样岩芯,钻进工艺普遍采用了成勘院研制的SM冲洗液金刚石钻进与取样新技术。通过93个钻孔计6887m的钻探和物探综合测井,查明了各含水或透水岩组与相对隔水岩组的埋深、厚度、岩性岩相变化和空间分布范围,以及深部承压水和浅层承压水的水头、水量和埋藏条件。
3.4 水文地质试验
进行钻孔抽、注水试验或承压水扬水试验和试坑渗透试验,以及室内渗透试验,获取了各岩组水文地质参数,为渗透性分级和防渗设计提供了依据。138段(组)水文地质测试成果表明:第一、三、四岩组弱胶结卵砾石层渗透系数K=6.6×10-3～1.58×10-4cm/s,属弱透水岩组;第三、五岩组之粉质壤土K=2.3×10-5～1.4×10-6cm/s,为微透水层;第二岩组块碎石土夹硬质粘性土为坝基防渗的相对隔水层,K=3.51×10-5～5.6×10-9cm/s,属微～极微透水岩组。
3.5 渗透变形试验
开展现场(室内)渗透变形试验和反滤试验,获取各岩组水平向与垂直向的抗渗坡降值,以合理选择渗控参数和确定坝基防渗形式与范围。19组试验结果均反映出坝基各岩组具有较高的抗渗强度特点。第二岩组块碎石土结构紧密,临界坡降ic=3.81～5.94,破坏坡降if＞11.11,约高出一般块碎石土的4～5倍;第三岩组之粉质壤土呈超固结状态,ic=7.1,if=12.2(平行层面);第三、四岩组弱胶结卵砾石层,ic=1.1～2.1,if=5.7～10.0以上(平行层面),当采用土工布作反滤时,坡降值大为提高(ic=1.94～4.45),为未加反滤时的1.76倍以上,而渗透系数K降低为9.35×10-5cm/s。
3.6 土体物理力学性能试验
针对坝址区巨厚冰水河湖相沉积层在堆积过程中经历了较长时间(约6.0～3.2万年)不同程度的泥钙质胶结和超固结压密(最大先期固结压力达4.5～6.0MPa)作用的特点,为研究其工程地质特性、获取物理力学参数,分别利用地表露头点、竖井、平洞和钻孔,开展现场密度、载荷、剪力、旁压试验和动力特性试验。大量试验成果表明,坝基各岩组具有密度大、压缩性低、承载力和强度均高的特点。第二岩组块碎石土的干密度ρd=2.24g/cm3,现场载荷试验比例界限荷载Pkp=1.4MPa,变形模量Eo=44.3MPa(已卸荷),饱和固结快剪φ=39.52°,C=0.14MPa;第二岩组的硬质粘土和第三岩组粉质壤土,ρd=1.78～1.88g/cm3,Pkp=0.8～1.1MPa,E0=44～68MPa(已卸荷)。饱和固结快剪φ=33.27°～35.94°,C=0.125～0.21MPa;第三、四岩组弱胶结卵砾石层,Pkp=1.4～3.6MPa以上,E0=133.58～253.4MPa,天然固结快剪φ=41.98°～42.96°,C=0.22～0.35MPa。
3.7 水同位素测试
采集不同含水介质的地下水与地表水,进行水化学分析和同位素(氘、氚、18O)测定,从水化学场研究地下水与地表水的补径排关系。据208组水同位素测定结果,库坝区地下水、地表水的同位素组成存在明显的差异,特别是埋藏于第一岩组弱胶结卵砾石层深部承压水δD、δ18O值最低,其氚含量(≤5.0Tu)与河水氚含量(22.31～29.39Tu)相差甚大,表明该承压水补给的源远流长,径流缓慢,排泄不畅,水交替较弱,为50年代以前进入地下的“古水”。
3.8 地下水动态观测
利用钻孔进行地下水动态长期观测,同时设置河床水文断面开展水文测验,从动态与均衡研究地下水与河水补排关系。据地下水长期观测结果,深部承压水测压水位一般保持在2570～2572m高程,承压水通过钻孔往上喷射,高出坝址河水位28～30m,且动态稳定。
3.9 电模拟试验
根据已获取的水文地质参数,结合枢纽布置进行三维电阻网络渗流试验,研究筑坝建库前后的渗流场,求解了不同边界条件下的渗流量,给出了渗控工程措施建议,为大坝防渗方案的确定提供了依据。
4 工程地质评价
通过上述工作,对冶勒深厚覆盖层坝基工程地质问题作如下评价:
(1)河床坝基及其右岸由第四系中、上更新统卵砾石层、粉质壤土和块碎石土层组成的五大岩组,在较长地质历史时期里经历了不同程度的泥钙质胶结和超固压密过程,结构密实,透水性较弱,抗渗稳定性较好,力学强度和变形指标较高,对高土石坝有较好的适应性。
(2)坝基河床下部埋深18～24m以下的第二岩组块碎石土夹硬质粘性土,厚31～46m,具有较好的隔水与抗渗性能,向上、下游延伸长度均可达1.3～1.5km,往右岸坝肩延展宽度约600m逐渐减薄为上覆第三岩组Ⅲd粉质壤土层替代,共同组成较完整的相对隔水层。因此第二岩组可以作为坝基防渗工程的基础。
(3)坝基深部的第一岩组卵砾石承压含水层,呈泥钙质胶结状态,透水性较弱,承压水径流缓慢,排泄不畅,含水层封闭条件较好,筑坝建库无防渗措施时,沿第一岩组的渗漏量不大,仅0.285～0.298m3/s,可不进行防渗处理。水库蓄水后虽然坝下游第一岩组的承压水头将有所增高,渗透压力较大,但不易击穿上覆隔水、抗渗性能较好的第二岩组而影响坝基稳定。
(4)坝基粉质壤土夹炭化植物碎屑层,沉积时代为Q23,沉积过程中曾受到高达4.5～6.0MPa的先期固结压力作用,呈超固结压密状态,结构密实,动、静强度指标和标准贯入击数均高,经评判和动剪应力对比法计算,在9°地震设防烈度或地面最大水平加速度为0.322g与0.273g情况下,坝基不同深度饱和状态的粉质壤土均不会发生液化破坏而影响坝体稳定。
(5)坝基及右岸坝肩分布的泥钙质胶结卵砾石层和粉质壤土,天然状态下具有较高的抗渗强度、易盐含量低;且库坝区地下水和地表水均属弱碱性低矿化度碳酸盐类水体,不具侵蚀性。预测筑坝建库后水质和解性不会发生重大改变,沿第二、三、四岩组内部及其接触面产生管道式的机械、化学管涌的可能性极小。
右岸坝肩2650m高程至河床坝基下部深18～24m范围内的第三、四岩组中,地下水位较低,建坝后是坝基及绕坝渗漏的主要途径(约占总渗流量0.95～0.957m3/s的70%左右),需进行防渗工程处理。左岸坝肩石英闪长岩卸荷岩体采取帷幕灌浆处理也是十分必要的
5 结 语
冶勒水电站经各阶段大量地质勘探和试验研究,主要工程地质问题已查明。坝址工程地质水文地质条件虽然复杂,但经相应的防渗、抗渗工程处理,兴建125.5m高的沥青混凝土心墙堆石坝是可行的。坝址右岸100m深防渗墙和100m深帷幕灌浆的现场试验已取得可喜的成果,其它一些筑坝关键技术问题亦基本解决;自108国道从栗子坪接口,经厂区到大坝两岸进场公路已建成。目前,我院正在配合业主四川省电力局及南桠河流域水电开发有限责任公司开展招标设计工作。
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