鄭以寶, 田作印

(中水東北勘測設計研究有限責任公司,吉林 長春 130021)

荒溝抽水蓄能電站工程上水庫壩基全風化巖體利用研究

鄭以寶, 田作印

(中水東北勘測設計研究有限責任公司,吉林 長春 130021)

荒溝抽水蓄能電站上水庫主壩壩基土狀全風化帶厚度大、分布廣,是壩基的主要地層,對其工程性質的研究是勘察工作中的重點內容。通過可研、招標階段坑探、鉆探及試驗,確認該土層是花崗巖風化而形成,可以作為大壩次堆區(qū)基礎。在面板堆石壩設計中對該層的利用,既減少了料場開采量及棄渣量,又節(jié)省了工程量和投資。

抽水蓄能電站;上水庫主壩;全風化巖體;面板堆石壩

圖1 上水庫主壩壩軸線工程地質剖面圖Fig.1 The engineering geological section of upper reservoir basin axis

1 工程概況

荒溝抽水蓄能電站位于黑龍江省牡丹江市海林市三道河子鄉(xiāng),下水庫為已建的蓮花水電站水庫,上水庫為牡丹江支流三道河子右岸的山間洼地。站址距牡丹江市145 km(公路里程),距蓮花壩址43 km(公路里程)。

1991—1992年進行了可行性研究階段勘察設計工作。1994年開展了初步設計階段勘察設計工作。上水庫壩型為心墻堆石壩,根據地質資料,認為工程地質條件不甚理想,并開展面板堆石壩方案的比較工作。1998年進行了面板壩方案補充勘察設計工作。2005年在收集前期初步設計地質資料基礎上開展可行性研究設計(等同初步設計)工作,根據可行性研究報告審批和項目評估意見,2011年6—11月進行招標設計階段工程地質勘察工作?，F該工程正進行施工建設。

2 可研階段的勘察成果及設計方案

上水庫主壩壩址位于八十七溝上部。筑壩地段溝谷呈淺“U”字型,正常蓄水位處谷寬約690 m。左岸山體比高100～160 m,坡度10°～25°;右岸山體比高65～70 m,坡度10°～20°,局部為陡崖。高程670 m以下常見崩塌堆積,溝底局部為沼澤濕地。第四系松散層分布于溝底及兩岸山坡,厚度隨地貌單元的不同而有所差異(見圖1)。

根據可研階段勘察成果,上水庫主壩壩基土共分5層:第①層,碎石混合土;第②層,混合土碎石;第③層,碎、塊石;第④層,含礫高液限粘土;第⑤層,粘土質砂[1]。

其中第⑤層是壩基的主要地層,主要分布于溝底基巖面上,在壩址范圍內連續(xù)分布,厚度變化較大,層厚一般為2～23 m,最厚達30 m左右。可研勘察階段著重對該土層進行了大量的取樣試驗和現場原位測試工作,認為該層的滲透系數變化范圍較大,分選性及均一性均較差。該土層開挖形式對壩體投資和安全運行有影響,故對不同的基礎開挖形式進行了比選。共擬定了3個比選方案(方案A、方案B、方案C)。

方案A:主堆石區(qū)局部建基于基巖方案,趾板和主堆石區(qū)局部建基于弱風化基巖上部,下游堆石區(qū)全部建基于土狀全風化層上。其它主堆石區(qū)基礎分二級開挖,建基面由弱風化基巖上部過渡至土狀全風化層上。

方案B:主堆石區(qū)建基于基巖方案,趾板和主堆石區(qū)局部建基于弱風化基巖上部,其它主堆石區(qū)建基于強風化基巖上部,下游堆石區(qū)全部建基于土狀全風化層上。

方案C:壩體全部建基于基巖方案,趾板和主堆石區(qū)局部建基于弱風化基巖上部,其它主堆石區(qū)和下游堆石區(qū)全部建基于強風化基巖頂部。

雖然主堆石區(qū)局部建基于基巖方案和主堆石區(qū)建基于基巖方案較經濟,但考慮壩基土狀全風化層性狀差異較大,混凝土面板壩壩體承受不均勻變形能力較差,壩體全部建基于基巖方案可降低壩體主堆石區(qū)的變形以及面板的撓度,因此,從安全考慮,推薦壩體全部建基于基巖方案。

3 招標設計階段的研究成果

將主壩壩基全部建于基巖這一方案,壩基土石方開挖量為154.6×104m3,除了必須挖除的表土外,粘土質砂的開挖量為116×104m3,占總開挖量的75%,如果能得到利用,對節(jié)省投資意義重大。

2011年,荒溝抽水蓄能電站上水庫壩址招標設計階段勘察,對第⑤層土重新進行了認識和研究,物理力學性質試驗成果詳見表1-表3[2-3]。

(1) 天然含水量試驗16組,平均值為13.1%;干密度試驗5組,平均值為1.86 g/cm3;孔隙比試驗5組,平均值為0.44;塑性指數試驗16組,平均值為11.51;顆分試驗16組,其中礫粒的含量平均值為30.4%,砂粒的含量平均值為30.3%,粉粒含量平均值為16.6%,粘粒含量平均值為23.1%。粗粒含量變化較大,在48%～73%之間。

表1 壩基土狀全風化白崗花崗巖三軸試驗成果表Table 1 The triaxial test results table of earthy fully weathered white granite from base of dam

表2 土狀全風化白崗花崗巖物理性質試驗成果表Table 2 The results of main physical properties of earthy fully weathered white granite

表3 土狀全風化白崗花崗巖固結試驗成果表Table 3 The consolidation test results of earthy fully weathered white granite

(2) 土的標準壓縮系數a1-2在0.08～0.25 MPa-1之間,平均值為0.15 MPa-1;壓縮模量Es1-2在5.96～18.69 MPa之間,平均值為11.08 MPa;屬中等壓縮性土。

(3) 滲透性試驗5組,其最大值為5.29×10-5cm/s,最小值為1.35×10-6cm/s,平均值為3.10×10-5cm/s。從土的滲透試驗成果分析,也說明該土層均一性較差。

結合可行性研究階段—招標設計階段整個勘察過程地質測繪及探坑、探槽、鉆孔地質資料,地質人員對第⑤層土的成因有了新的認識,確認第⑤層土實際上是白崗花崗巖風化而形成。根據最終勘察成果,該土層重新被定名為“土狀全風化”。由于這一變化,結合各項試驗成果數據,勘察設計人員發(fā)現壩基中需要挖除廢棄的“粘土質砂”可以為工程所用。

4 最終設計開挖方案

根據新的地質認識對主壩基礎開挖形式進行設計優(yōu)化。

由于前期壩基土三軸試驗剔除了(0.5 mm以上全部剔除)大顆粒、有擾動、分散性較大、代表性不強,招標階段重新取原狀樣進行了三軸、固結等試驗,壩基土由“粘土質砂”重新定名為“土狀全風化”。根據新的試驗成果重新論證了下游堆石區(qū)全部建基于土狀全風化帶的可行性,推薦采用可研方案B,主堆石區(qū)建基于基巖方案。即趾板和主堆石區(qū)局部建基于弱風化基巖上部,其它主堆石區(qū)建基于強風化基巖上部,下游堆石區(qū)(壩軸線以后)全部建基于土狀全風化層上。

根據新的固結試驗,壩基土狀全風化層壓縮系數在0.2 MPa-1左右,為中等壓縮性土偏于低壓縮;土的軟硬狀態(tài)為硬塑—堅硬;固結系數(1×10-2cm2/s),較前期(前期平均值為1.54×10-3cm2/s)試驗成果增大了一個數量級,即更易固結;干密度為1.77～2.02 g/cm.3,近于砂土指標;土狀全風化帶滲透系數大值為5.29×10-5cm/s,小值為1.35×10-6cm/s,其下層砂狀全風化帶滲透系數為2.31×10-3～6.94×10-3cm/s(其上層為排水體,其上游側為主堆石,可以三向排水)。從壩體安全考慮,對基礎土狀全風化層滲透系數取大值和取小值(主堆石區(qū)建基于基巖方案)分別進行了固結計算。經計算,壩基土狀全風化層滲透系數取大值時,施工期結束后,該土層已固結,壩體沉降已完成,可直接進行面板施工、蓄水,不會影響壩體安全;壩基土狀全風化層滲透系數取小值時,施工期結束后基礎(土狀全風化)沉降仍未完成,但未完成的沉降主要在下游堆石區(qū),根據應力應變結果,主堆石區(qū)竣工期最大沉降為50.3 cm,運行期為53.5 cm,差值為3.2 cm,即沉降在施工期大部分已完成,總體沉降量相對不大,對面板的影響很小。

根據面板堆石壩的受力特點,本工程主堆石區(qū)建基于強風化和弱風化巖石上,壩軸線下游部分建基于土狀全風化層上,其變形影響不到面板,所以即使在運行期繼續(xù)產生垂直沉降也不會影響面板的變形,壩頂沉降是可以修復的,也是易于施工處理的。

基于以上分析,保留土狀全風化層作為基礎在技術上是可行的,綜合考慮土料平衡、壩體穩(wěn)定、應力應變等因素,采用自壩軸線以后保留土狀全風化層的基礎開挖形式。

招標階段基礎開挖方案較可研的推薦方案(基礎全部建于基巖方案)主壩石料減少約37×104m3,土石方開挖減少約61×104m3,同時也減少了棄渣和占地(約減少189×104m3),節(jié)省了工程量和投資。

5 結語

工程地質勘察過程中,要結合重要建筑物的布置、規(guī)模,對重要的地質現象開展針對性的地質勘察試驗工作,勘察工作量的布置要滿足勘察階段的精度要求。勘察的不同階段,是對地質現象逐漸認識的過程,正確地認識地質現象,才能合理提出地質結論和建議,對于重要的地質現象,應采用多種勘察手段進行研究。在堆石壩的勘察設計過程中,對壩基的土層應根據勘察試驗指標充分論證,土狀全風化層的利用帶來了顯著的經濟效益。

[1] 劉錄君.荒溝抽水蓄能電站可研設計報告[R].吉林:中水東北勘測設計研究有限責任公司,2010.

[2] 楊宗玲,鄭以寶,趙海闊,等.荒溝抽水蓄能電站招標設計報告[R].吉林:中水東北勘測設計研究有限責任公司,2012.

[3] 中華人民共和國國家發(fā)展和改革委員會.水電水利工程土工試驗規(guī)程:DL/T 5355—2006[S].北京:中國電力出版社,2007.

(責任編輯：于繼紅)

Research on Fully Weathered Soil Use on the Upper ReservoirBasin in Huanggou Pumped-storage Power Station

ZHENG Yibao, TIAN Zuoyin

(ChinaWaterNortheasternInvestigation,Design&ResearchCo.,Ltd,Jilin,Changchun130021)

The fully weathered soil zone from the upper reservoir basin in Huanggou Pumped-storage Power Station is the main dam foundation,which is in weathered large thickness and wide distribution,and the research on the engineering properties of it is the key content in the investigation work. It can be verified with drilling pitting and testing that the soil layer is formed by weathering granite and it can be used as the base of secondary zone in dam. The use of fully weathered soil zone in the design of concrete face rockfill dam,can reducing the produced quantity and the amount of slag,and the amount of engineering and investment can be save.

pumped-storage power station; the upper reservoir basin; fully weathered soil; face rockfill dam

2017-06-20;改回日期:2017-06-29

鄭以寶(1981-),男,高級工程師,地質工程專業(yè),從事水利水電工程地質勘察工作。E-amil:376965493@qq.com

TV223

A

1671-1211(2017)04-0389-03

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2017.04.007

數字出版網址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20170622.1655.004.html 數字出版日期:2017-06-22 16:55