泸定水电站粘土心墙堆石坝基础处理设计

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　　摘要：泸定水电站粘土心墙堆石坝基础覆盖层深厚，层次结构复杂，坝基存在不均匀变形、渗透破坏、砂层液化、抗滑稳定等问题，通过分析研究，对坝基采取了混凝土垂直防渗墙、灌浆帷幕、固结灌浆、挖除、置换和压重等处理方式。
　　关键字：粘土心墙堆石坝 深厚覆盖层 坝基处理
　　
　　1 概况
　　泸定水电站坝址位于四川省泸定县城泸定桥上游2km处，距下游泸定县城2.5km，距上游瓦斯河口约17km，控制流域面积58943 km2。泸定水电站采用坝式开发，开发任务主要为发电。泸定水电站水库正常蓄水位1378.00m，校核洪水位1381.22m，死水位1375.00m，总库容2.4亿m3，调节库容0.22亿m3，具有日调节性能，装机容量920MW。工程枢纽主要由挡水建筑物、泄洪建筑物、引水发电建筑物组成。
　　泸定水电站粘土心墙堆石坝最大坝高79.5m，坝顶高程1385.50m，坝顶宽度12.0m，坝顶长度526.7m。大坝上、下游侧坡度1：2.0。心墙顶宽4.0m，心墙上、下游坡度均为1:0.25，心墙上、下游侧均设反滤层，上游在1374.00m高程以下设一层6.0m厚的反滤层，1374.00m高程以上设两层各为3.0m厚的反滤层，下游设两层各为4.0m厚的反滤层。上、下游反滤层与坝壳堆石间设过渡层，过渡层厚度上、下游均为12.0m，与坝壳堆石接触面坡度为坡1：0.25，坝体上游设压重。大坝抗震设防烈度为VIII度，为了增强坝顶结构的抗震稳定性，在1350.00m高程以上的过渡料和堆石料区域内设置土工格栅，垂直间距2.0m。
　　2 坝区工程地质条件
　　坝址区河谷覆盖层深厚，最大厚度148.6m，层次结构复杂。根据物质组成、分布情况、成因及形成时代等，河谷及岸坡覆盖层自下而上主要分为以下四层七个亚层：
　　第①层：漂（块）卵（碎）砾石层。系冰水堆积（fglQ3），厚度51.85～75.31m，顶板埋深62.2～81.8m。粗颗粒成分以弱风化花岗岩、闪长岩为主，少量辉绿岩；次圆～次棱角状。漂（块）石粒径多为25～40cm，约占20%～25%；卵（碎）石占45%～55%，粒径以3～8cm为主；砾石粒径0.5～1cm，含量约10%；砂以中～细砂为主，充填于粗颗粒间，局部呈透镜状展布，结构密实，渗透系数k=2.0×10-2 cm/s～8.96×10-4 cm/s，属强~中等透水性。天然干密度平均值ρd=1.99g/cm3；小于5mm颗粒含量为41.00％～17.00％；压缩模量Es=68.3 MPa，
　　
　　
　　属低压缩性土，抗剪强度C=0.030MPa，φ=38.4°。
　　②-1亚层：漂（块）卵（碎）砾石层。厚度26.25～28.06m，顶板埋深46.2～56.8m。物质组成及性状与第①层基本相同，属强~中等透水。天然干密度ρd=1.58g/cm3～2.13g/cm3；小于5mm颗粒含量为59.47%，变形模量E0=41.84 MPa。
　　②-2亚层：碎（卵）砾石土层。呈灰绿色或灰黄色。厚8.2～79.45m，顶板埋深1.85～68.2m。碎（卵）石成份为闪长岩、花岗岩，次棱角状为主，间有次圆～圆状，碎（卵）石粒径多1～4cm及6～8cm，约占30%～40%；砾石粒径多＜1cm，次棱角状，约占10%～20%；余为粉砂土，含量35%～45%。局部见砂层或粉土层透镜体，结构较密实，渗透系数k=2.86×10-2cm/s～4.67×10-4 cm/s，属强~中等透水性。天然干密度ρd=1.63g/cm3～1.96g/cm3；小于5mm颗粒含量平均为59.76％；压缩模量Es=9~23.1MPa，属中～低压缩性土，C=0.015~0.020MPa，φ=17.9°~24.5°。
　　②-3亚层：粉细砂及粉土层，透镜状展布于上坝址河谷中下部。厚6.52～32.8m，顶板埋深29.68～39.36m。以粉、细砂为主，底部见粉土层。渗透系数k=4.85×10-5cm/s，鼠强~中等透水性；天然干密度为1.42g/cm3～1.94g/cm3；小于5mm颗粒含量平均为95.81%；承载力为0.226Mpa，变形模量E0=19.75 Mpa，压缩模量Es=9.35MPa，属中等压缩性土，C=0.008MPa，φ=14.8°，抗剪强度较低。
　　③-1亚层：含漂（块）卵（碎）砾石土层。展布于坝址区Ⅰ级阶地和上坝址河谷右岸。厚度5.0～39.36m，顶板埋深0～39.36m。粗颗粒成分以弱风化花岗岩、闪长岩为主，少量辉绿岩,次圆～次棱角状。漂块石粒径20～30cm，含量10%～20%；卵（碎）石粒径以3～8cm为主，约占35%～45%；砾石粒径0.5～1cm，含量约15%～25%；细粒以粉细砂或粉土为主，含量约20%～25%，局部呈透镜状成层产出，结构较密实，渗透系数k=3.31×10-1cm/s～1.10×10-4cm/s，属强～微弱透水性土；天然干密度为1.62g/cm3～2.24g/cm3；小于5mm颗粒含量为12.00％～65.00％；压缩模量Es=8.8 MPa～192.6 MPa之间，属中～低压缩性土，C=0.02MPa～0.065MPa，φ=24.2°～47.4°，抗剪强度中等～中等偏上。
　　③-1b层透镜体为含泥角砾中粗砂，呈透镜状展布。渗透系数k=6.92×10-5cm/s，属弱透水性土。天然干密度为1.82g/cm3～1.89g/cm3，小于5mm颗粒含量为90.54％～97.13％，孔隙比为0.478～0.507，承载力为0.367Mpa，变形模量E0=39.59Mpa，压缩模量Es= 13.70 MPa，属中压缩性土，C=0.011MPa，φ=17.3°，抗剪强度值较低。该透镜体以细粒为主，力学性能较差。
　　③-2亚层：砾石砂层。不连续分布于上坝址横Ⅱ线右岸Ⅰ级阶地浅表部，厚度约8.3m，以中、粗砂为主，含量约70%；余为砾石，次圆状为主。偶见粒径3～7cm的卵石。渗透系数k=1×10-3cm/s～1×10-4cm/s，属中等透水性。天然干密度为1.47g/cm3～1.55g/cm3，小于5mm颗粒粒径含量为95.37％～100.00％；变形模量Es= 18 Mpa ~22 Mpa，C=0MPa，φ=17.3°。
　　第④层：冲积（alQ4）堆积之漂卵砾石层。分布于坝址区现代河床及漫滩。厚度5.6～25.5m。漂卵砾石成份以弱风化闪长岩、花岗岩为主，磨圆度较好，次圆～圆状。漂石粒径一般20～30cm，含量约15%～25%；卵石粒径多为4～8cm及10～15cm，约占40%～50%；砾石粒径多1～2cm，约占10%；砂为中细砂，局部见粉细砂层呈透镜状展布，结构较密实。渗透系数k=1.65×10-1cm/s～2.21×10-1cm/s，属强透水性。天然干密度为2.10g/cm3～2.27g/cm3，小于5mm颗粒粒径含量为11.00％～35.00％；压缩模量Es=64.9 MPa～192.6 MPa，属低压缩性土；C=0.06～0.08MPa，φ=41.2°～44.3°。
　　3 大坝基础处理设计
　　3.1 坝基防渗处理设计
　　3.1.1 坝基防渗方案
　　覆盖层地基上土石坝一般采用水平铺盖、垂直防渗等坝基防渗措施。泸定大坝坝基表层④层漂卵砾石层为强透水层，前期考虑在上游建基面设复合土工膜水平铺盖与上游围堰防渗墙连接，以延长渗径、减小坝基渗漏损失和渗流坡降。招标、技施阶段对坝基防渗方案进行了优化，三维渗流有限元计算结果表明，上游复合土工膜水平铺盖对整个渗流场作用不大，水平防渗效果不明显。同时，考虑到现场施工工艺、施工难度等因素，取消了上游建基面复合土工膜水平铺盖。坝基覆盖层垂直防渗采用混凝土防渗墙，最大深度106.0m，墙厚1.0m。河床部位为悬挂式防渗墙，墙下设灌浆帷幕；左、右岸为封闭防渗墙。

　　大坝防渗系统由粘土心墙、坝基垂直防渗墙和灌浆帷幕、两岸基岩帷幕组成。
　　3.1.2 混凝土防渗墙
　　坝基河床覆盖层深厚，最大厚度148.6m，坝轴线处一般为120～130m。采用混凝土防渗墙是最为有效和经济的防渗措施。根据国内防渗墙施工能力和本工程施工进度要求，本工程防渗墙深度为106.m，防渗墙封闭范围为1306.00～1220.00m高程，防渗墙厚度1.0m，混凝土防渗墙实际承担的最大渗透坡将为74。
　　三维应力应变计算表明，防渗墙的应力主要是由防渗墙两侧地基土的拖曳力和蓄水后上游水荷载引起的，防渗墙最大主应力为33.9Mpa，位于防渗墙底部右侧与基岩接触部位；在坝轴向河谷段右端基岩鼓包处出现了较大拉应力，最大值为-7.7MPa。根据计算分析和材料配比试验，结合国内已建工程经验，确定防渗墙设计参数如下：28天弹模不宜超过30000Mpa，180天弹模不宜超过35000Mpa，抗渗等级W12，抗冻等级F100，墙体渗透系数小于1.0×10-7cm/s。
　　3.1.2 墙下灌浆帷幕
　　防渗墙底端至基岩40～50m深的覆盖层地基采用帷幕灌浆处理，防渗墙底端置于覆盖层①层之中，经分析该层帷幕灌浆具有较好的可灌性，根据施工安排，帷幕灌浆须全部在灌浆廊道内进行。经三维渗流分析，确定采用3排帷幕，防渗帷幕采用均厚式帷幕，排距1.5m，帷幕厚度3~3.5m。防渗墙内预埋一排灌浆管灌浆，呈梅花形布置，上、下游各设一排灌浆，距离防渗墙轴线距离均为1.5m。各排灌浆孔均进入基岩，中心一排深入基岩深度根据地质条件情况按小于5Lu确定，其它排帷幕进入基岩深度2m。
　　3.2 心墙基础开挖及处理
　　左岸心墙基础为强风化、强卸荷闪长岩，天然坡度较陡。心墙防渗体与基岩接触面需紧密结合，表层强风化岩石予以挖除。为适应地形，1340.00m高程以上基岩开挖坡比1:1，1340.00m高程以下基岩开挖坡比1:0.65。为防止基岩表层裂隙渗水、心墙与基岩接触面产生接触冲刷，在左岸心墙基础设混凝土盖板，最小厚度40cm。
　　右岸心墙基础为覆盖层，地形坡度相对较缓，为减少右岸心墙基础覆盖层开挖和心墙填筑量、节省投资，右岸心墙基础建在覆盖层上，同时挖除表层崩坡积、③-2砾石砂层和含漂（块）卵（碎）砾石土层。河床部位心墙基础表层砂层予以挖除，换填砾石料。
　　为提高左岸心墙基础基岩不透水性、完整性，减小渗流坡降，减小渗漏损失；为降低由于河床和右岸心墙基础覆盖层不均匀变形或变形过大而引起的坝基灌浆廊道和混凝土防渗墙开裂、坝基灌浆廊道间相对位移过大的风险，在左岸心墙基岩基础、河床和右岸心墙覆盖层基础固结灌浆处理，灌浆孔梅花形布置，间、排距3m，各部位深度为8m、10m或12m不等。
　　3.3坝基砂层处理
　　坝基砂类土体主要有③-2亚层、②-3亚层。其中③-2亚层埋深浅，分布范围小，承载及抗变形能力低，难以满足大坝基础的要求，坝基开挖
　　将之清除。②-3亚层初判可能液化，砂层分析及处理措施主要围绕②-3亚层展开。
　　3.3.1 坝基砂层液化分析
　　（1）天然地基液化分析
　　按《水利水电工程地质勘察规范》（GB 50287-99），对②-3亚层的液化进行初判和复判。
　　初判：存在液化的可能性，需进行复判。
　　复判：②-3亚层的相对含水量为0.88，液性指数为0.74，3组相对密度成果为0.77～0.98，综合判定②-3亚层在自然条件下为不液化砂土，复判标准与成果详见表1。
　　（2）建坝后液化分析
　　采用简化总应力法、二（三）维有限元分析法、总应力有限元法分析建坝后②-3粉细砂及粉土层的液化性。分析结果表明，设计工况与复核工况均不发生发生液化。遭遇100年超越概率2%地震时，下游压重区与大坝基础以下砂层液化安全率大于1。
　　3.3.2 坝基砂层处理设计
　　通过上述砂层液化分析及以往坝坡稳定分
　　析结论，坝基砂层处理的原因不是砂层液化，而是控制坝体沉降及满足坝坡稳定要求。
　　预可、可研及招标阶段根据《水电枢纽工程
　　等级划分及设计安全标准（DL5180-2003）》6.0.4和6.0.6规定，泸定粘土心墙坝按Ⅷ度设防，按50年超越概率10%的地震峰值加速度246.0cm/s2进行抗震设计，按50年超越概率5%的地震峰值加速度325.0cm/s2进行抗震稳定复核。
　　技施阶段对坝基砂层处理进行了优化，开展了现场振冲生产性试验，钻孔过程中塌孔严重，成孔难度大，考虑到振冲施工难度大、工期紧、费用高，取消了振冲碎石桩处理方案。为了提高坝坡和坝基的抗滑稳定性，提高②-3粉细砂及粉土层的上覆土体重量，在上游围堰外设置压重，
　　
　　
　　坝基②-3亚层粉细砂及粉土层地震液化经验判别表
　　表1
　　 判别方法 判 别 标 准 坝基土体基本特性 判定 综合判定
　　初
　　
　　
　　判 地层年代 第四纪晚更新世（Q3）或以前，不液化；全新世（Q4），可能液化 Q3（埋深27~39m以下） 不液化 可能液化
　　 颗粒大小
　　（粘粒含量） 土中粘粒大于5mm质量百分含量Pc≥70％可判为不液化；土中粘粒大于5mm质量百分含量大于30％其中粘粒小于0.005mm质量百分含量，相应于地震烈度8°分别不小于18％时，可判为不液化 粘粒含量多小于18％ 可能液化
　　 剪切波 土层的剪切波速度大于公式Vst＝ 计算的上限剪切波速度时，可判为不液化 剪切波速度为260～350m/s 可能液化
　　复
　　
　　判 液性指数 液性指数IＬ≥ 0.75时，可能液化，否则不液化 液性指数IＬ=0.74 不液化 不液化
　　 相对密度 地震烈度8°时，（Dr）cr大于75%不液化 相对密度（Dr）cr=77%～98% 不液化
　　 相对含水量 相对含水量Wu≥ 0.9时，可能液化，否则不液化，塑性指数Ｉp≥ 7～10时不液化，Ip≤ 7～10时可能液化 相对含水量Wu=0.88 不液化
　　 现场标准
　　贯入试验 现场标贯N６３.５击数大于液化临界Ncr值时不液化，否则液化 标贯N６３.５击数为3.36～35.7（变幅大），标准值fk 12.12 标贯深度
　　已超过15m
　　结果供参考
　　 振动液化
　　试验 地震设防烈度下，抗液化安全系数
　　K=τL／τav＞1.0时不液化；否则可液化 地震加速度246.0cm/s2时Kmin=1.46；325.0cm/s2时Kmin=1.09； 不液化
　　
　　
　　
　　上游压重平台高程1340.00m，顺河向最大长度150.0m；同时下游堆石区范围增大，在可研设计断面下游坝脚设置堆石Ⅱ区，平台顶高程1346.00m，顺河向最大长度130.0m。
　　4 结语
　　泸定工程大坝河床覆盖层深厚，最大深度148.6m，层次结构复杂，本工程通过分析研究，针对坝基不同工程特性采取了混凝土垂直防渗墙、灌浆帷幕、固结灌浆、挖除、置换和压重等处理方式，技术可行并可节省投资、缩短工期。特别是混凝土防渗墙最大深度106.0m，是目前国内已建工程最深的防渗墙，本工程防渗墙的实施为深厚覆盖层防渗处理奠定了坚实的基础。
　　
　　注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。

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