吳 章 雷， 鐘 雨 田

(中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072)

0 前 言

兩河口水電站位于四川省甘孜州雅江縣境內(nèi)的雅礱江干流上，樞紐建筑物由礫石土心墻堆石壩、右岸引水發(fā)電系統(tǒng)和左岸泄水建筑物等組成。礫石土心墻堆石壩壩高295 m，心墻底部橫河向?qū)?1.71 m，順河向長(zhǎng)140.00 m。大壩壩料包括心墻防滲土料、高塑性接觸土料、過(guò)渡料及堆石料，共計(jì)約3 900萬(wàn)m3。其中防滲心墻料441.14萬(wàn)m3。該電站目前已運(yùn)行投產(chǎn)，是已建完成的世界第二高土石壩。

堆石壩心墻是大壩防滲的生命線，對(duì)大壩的防滲至關(guān)重要，心墻料質(zhì)量的好壞影響到大壩的滲漏和滲透穩(wěn)定[1-2]，關(guān)系到大壩的安危，大壩對(duì)防滲土料的質(zhì)量要求高，建設(shè)方對(duì)大壩質(zhì)量也很重視，提出了“好字當(dāng)頭，質(zhì)量第一”的要求，因此，防滲土料是兩河口大壩壩料勘察的重點(diǎn)。

設(shè)計(jì)院對(duì)防滲土料開展了大范圍調(diào)查和勘察工作，成果表明，在川西地區(qū)土料成因復(fù)雜，基本不能滿足心墻防滲土料質(zhì)量要求的天然料源，直接可以利用的土料，需對(duì)土料進(jìn)行摻礫改性，方可滿足質(zhì)量要求[3]。鑒于防滲土料需求量大，土料成因復(fù)雜，需改性利用，設(shè)計(jì)院開展了大量的勘探、試驗(yàn)及摻礫改性工作，應(yīng)用了無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)、三維建模、BIM設(shè)計(jì)等信息化技術(shù)手段[4]。通過(guò)大量的研究工作，查清了土料的成因、分布及其工程特性，為土料開采和改性利用提供了技術(shù)支撐。室內(nèi)與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)證明，兩河口堆石壩心墻礫石土具有較高的承載力、抗剪強(qiáng)度與壓實(shí)度，防滲性能良好[5]。電站運(yùn)行以來(lái)，大壩心墻監(jiān)測(cè)及檢測(cè)成果也表明，大壩心墻防滲及變形滿足設(shè)計(jì)要求，表現(xiàn)優(yōu)良。

兩河口水電站防滲土料勘察工作取得了較好的效果，對(duì)防滲土料的勘察進(jìn)行系統(tǒng)的梳理和總結(jié)，可供以后類似工程參考和借鑒。

1 防滲土料基本特征

1.1 分布概況

雅礱江中游兩河口水電站壩址下游5～10 km、壩址上游25～40 km范圍，河谷較寬階段發(fā)育，是土料的主要富集地。預(yù)可行性研究階段，主要在壩址下游開展土料的勘察工作，包括白孜、腳泥堡、呷拉、西地、比地、昆地、朗德、憶扎、亞中、蘋果園等土料場(chǎng)。由于受征地移民等影響，壩址下游土料場(chǎng)實(shí)施難度大，在可行性研究階段土料勘察工作重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到庫(kù)區(qū)開展，在正常蓄水位以下尋找料源和開展勘察工作，主要集中在壩址上游蘋果園、亞中、瓜里及普巴絨，兩河口水電站防滲土料分布示意圖見圖1。

圖1 兩河口水電站防滲土料分布示意圖

經(jīng)過(guò)詳細(xì)勘察和綜合比較，最終選擇了上游亞中、蘋果園、瓜里、普巴絨料場(chǎng)和下游西地料場(chǎng)，為大壩心墻防滲土料料源，兩河口采用防滲土料場(chǎng)基本情況匯總表見表1。

表1 兩河口采用防滲土料場(chǎng)基本情況匯總表

1.2 基本特征

兩河口水電站防滲土料場(chǎng)有以下特點(diǎn)：

(1)土料場(chǎng)受地形地質(zhì)條件限制，規(guī)模相對(duì)較小，料源分散在雅礱江沿岸，但個(gè)別料場(chǎng)的面積和儲(chǔ)量均不大。

(2)土料成因復(fù)雜，有風(fēng)化作用形成的殘積土，如壩址下游西地土料場(chǎng)；有沖積、沖洪積形成的亞中A區(qū)、普巴絨等土料場(chǎng)，沖洪積形成的一般是階地上，具二元結(jié)構(gòu)的上部土層；坡積形成的一般在料場(chǎng)的后緣部分，如亞中土料場(chǎng)C區(qū)后緣，瓜里料場(chǎng)A區(qū)后緣。

(3)土料場(chǎng)分區(qū)可以看出土料性狀不均一，土料無(wú)論在平面上還是在空間上分布不均一，料場(chǎng)土料顆粒在剖面上呈現(xiàn)由粗到細(xì)、由細(xì)到粗或交替發(fā)育。

(4)由于土料不均一，土料摻和工藝及其開采利用難度大。

2 防滲土料勘查研究

2.1 土料調(diào)查

土料的分布受地形地貌、地層巖性、河谷形態(tài)及河流下切等因素影響，土料一般分布在地形平緩、河谷較寬、階段較發(fā)育及耕地居民較集中部位，兩河口防滲土料主要在上述部位開展調(diào)查工作。前期土料調(diào)查范圍主要集中在壩址下游，最遠(yuǎn)是14 km的白孜土料場(chǎng)?？裳须A段、招標(biāo)階段主要集中在水庫(kù)內(nèi)淹沒區(qū)，調(diào)查范圍距壩址最遠(yuǎn)約40 km的普巴絨土料場(chǎng)。實(shí)施階段在壩址上游普巴絨及瓜里土料場(chǎng)之間增加了普巴絨C區(qū)料場(chǎng)，取消了蘋果園土料場(chǎng)，下游西地土料場(chǎng)進(jìn)行了開采，未開挖到終采平臺(tái)。

從兩河口防滲土料的調(diào)查來(lái)看，土料的調(diào)查是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程，根據(jù)工程的建設(shè)進(jìn)程，征地移民政策的變化進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。從兩河口實(shí)施階段料場(chǎng)的選擇來(lái)看，在水庫(kù)庫(kù)內(nèi)淹沒區(qū)有土料分布的情況下，土料的調(diào)查工作集中在庫(kù)內(nèi)淹沒區(qū)開展，有利于實(shí)施開采、征地移民和節(jié)約投資。

2.2 土料勘探布置

土料勘探的目的是查明土料的儲(chǔ)量及質(zhì)量，目前對(duì)土料勘探的手段機(jī)械化程度不高，主要包括鉆探、井探及槽探工作，鉆孔的目的是揭穿土料有用層，滿足計(jì)算地質(zhì)儲(chǔ)量的要求，淺井和坑槽探是為了滿足分層及實(shí)驗(yàn)取樣的要求。

兩河口防滲土料除西地土料場(chǎng)為一斜坡外，其余土料場(chǎng)為臺(tái)地，微地貌前緣緩后緣有一定坡度，土料地形不完整，除蘋果園土料場(chǎng)外均有較大沖溝切割。針對(duì)以上土料地形地貌特點(diǎn)，對(duì)料場(chǎng)勘探布置進(jìn)行策劃。首先結(jié)合地表地質(zhì)測(cè)繪，對(duì)土料進(jìn)行了平面分區(qū)，兩河口五個(gè)料場(chǎng)，分了十三個(gè)分區(qū)，勘探布置按分區(qū)考慮，其次確定勘探線，勘探線包括橫線和縱線，橫線垂直等高線，縱線垂直橫線，勘探線呈網(wǎng)格狀，亞中土料場(chǎng)典型勘探布置見圖2。

圖2 亞中土料場(chǎng)典型勘探布置圖

初查階段以鉆孔為主，結(jié)合部分淺井及坑槽探，勘探點(diǎn)布置于網(wǎng)格狀的節(jié)點(diǎn)上，勘探間距大于100 m，詳勘階段以淺井為主，鉆孔為輔，在初查基礎(chǔ)上加密。招標(biāo)階段在可研階段的基礎(chǔ)上開展了大量的補(bǔ)充勘探工作，這也是國(guó)內(nèi)首個(gè)同類型工程在招標(biāo)階段開展補(bǔ)充工作，進(jìn)一步加密勘探，鉆孔用淺井代替。經(jīng)過(guò)各個(gè)階段的逐步加密、加深勘探工作勘探點(diǎn)最大間距50 m，最小間距25 m，勘探點(diǎn)基本全是淺井，均揭穿了土料有用層厚度，兩河口防滲土料場(chǎng)勘探布置表見表2。

表2 兩河口防滲土料場(chǎng)勘探布置表

2.3 土料取樣試驗(yàn)

為了查清防滲土料的物理力學(xué)特性，需對(duì)土料取樣開展試驗(yàn)工作，以便評(píng)價(jià)防滲土料質(zhì)量，取樣工作一般在淺井及坑槽探中進(jìn)行，鉆孔取樣受孔徑影響，試驗(yàn)結(jié)果有偏差，一般顆分結(jié)果偏細(xì)，力學(xué)強(qiáng)度偏低。兩河口防滲土料勘探工作完成后，根據(jù)地質(zhì)編錄成果，從成因、土料顏色、顆粒組成上對(duì)土料進(jìn)行宏觀分層。依據(jù)分層從淺井或坑槽探中取樣，即分層取樣開展試驗(yàn)工作。考慮到施工開采斷面及開采工藝，按每間隔5 m連續(xù)取樣進(jìn)行試驗(yàn)工作。

鑒于兩河口防滲心墻土料級(jí)配較寬，顆粒粒徑變化較大，招標(biāo)階段結(jié)合勘探補(bǔ)充，按每米取樣，在淺井井壁上刻槽取樣，對(duì)取樣方法、原則、刻槽深度等都有相關(guān)要求。

因此，兩河口防滲土料各階段共計(jì)完成近萬(wàn)組物性試驗(yàn)，近幾百組的力學(xué)試驗(yàn)。試驗(yàn)成果對(duì)土料的分層、開挖利用、改性慘拌、信息化工作打下了扎實(shí)的基礎(chǔ)。

3 防滲土料評(píng)價(jià)

兩河口防滲土料的勘查表明，土料來(lái)源較多，級(jí)配較寬、不均一性突出。如何對(duì)土料進(jìn)行客觀真實(shí)的評(píng)價(jià)，以便后續(xù)的開采利用，是兩河口防滲土料評(píng)價(jià)工作面對(duì)的難題。經(jīng)過(guò)兩河口工程實(shí)踐，建立了一套土料評(píng)價(jià)體系，即大量的地質(zhì)測(cè)繪、勘探及試驗(yàn)工作是基礎(chǔ)，信息化工作是手段，分區(qū)、分層是方法，歸納總結(jié)分類是落腳點(diǎn)。

3.1 分區(qū)分層

通過(guò)各階段大量的地質(zhì)測(cè)繪、勘探及試驗(yàn)工作，查明了各防滲土料場(chǎng)土料的分區(qū)分層情況，兩河口防滲土料分區(qū)、分層匯總表見表3。平面分區(qū)主要考慮地形、土料顏色、成因及組成顆粒粒徑等因素，根據(jù)以上條件，對(duì)防滲土料5個(gè)料場(chǎng)進(jìn)行分區(qū)，最終分為十三個(gè)區(qū)。依據(jù)淺井分層編錄，結(jié)合顆分試驗(yàn)和統(tǒng)計(jì)，對(duì)各料場(chǎng)進(jìn)行分層分析統(tǒng)計(jì)，西地土料場(chǎng)、蘋果園土料場(chǎng)、亞中A區(qū)、D區(qū)、瓜里B2區(qū)、普巴絨A區(qū)土料較均一，無(wú)論在平面上或剖面上土料變化不大，除了淺表根植土外，均為有用層，但不同的區(qū)土料的厚度變化較大，土為含(礫)粉質(zhì)黏土。亞中B、C區(qū)、瓜里A、B區(qū)、普巴絨B區(qū)土料不均一，除了瓜里土B2區(qū)分為①、②、③、④層外，其余在里面上分為①、②、③層。各料場(chǎng)第①層為灰黃色礫石土，位于剝離層之下；②層為褐黃—褐紅色含礫粉質(zhì)黏土；第③層為含(塊)碎礫石土，夾含礫粉質(zhì)黏土；第④層為淺黃色粉土，土質(zhì)均勻，水平層理極發(fā)育，瓜里B2區(qū)局部分布。

表3 兩河口防滲土料分區(qū)、分層匯總表

3.2 分類歸納

兩河口防滲土料料源多且分散，既有分區(qū)又有分層，根據(jù)料場(chǎng)的成因結(jié)合物理力學(xué)試驗(yàn)，對(duì)兩河口土料進(jìn)行分類歸納，分為第一、二、三類土，防滲土料分類匯總表見表4。

表4 防滲土料分類匯總表

第一類土料包括西地、蘋果園B區(qū)、亞中A區(qū)、普巴絨A區(qū)土料，成因沖積或殘積土，為含礫粉質(zhì)黏土。

顆分試驗(yàn)表明平均線<5 mm顆粒含量為86.0%～92.0%，即P5含量平均值0～15%。<0.075 mm細(xì)粒平均線含量63.2%～80.0%，<0.005 mm黏粒平均線含量16.6%～31.3%，天然含水率平均11.6%～15.1%，塑性指數(shù)均值11.8～16.4。力學(xué)試驗(yàn)表明壓縮模量ES(0.1～0.2 MPa)為11.6～19.9 MPa，平均為16.7 MPa，為低壓縮性土。黏聚力c值為12 ～30 kPa，平均為23.8 MPa；摩擦角φ值為14.6°～24.8°，平均為19.8°，抗剪能力較低。破壞比降if值>15，滲透系數(shù)k小于10-7cm/s。

第二類土料包括蘋果園A區(qū)、瓜里B區(qū)、普巴絨B區(qū)土料，成因沖洪積，為礫石土。

顆分試驗(yàn)表明平均線<5 mm顆粒含量為75.2%～78.4%，即P5含量平均值15%～25%。<0.075 mm細(xì)粒平均線含量49.9%～63.2%，<0.005 mm黏粒平均線含量14.9%～21.0%，含水率平均8.7%～11.7%，塑性指數(shù)均值11～15.6。力學(xué)試驗(yàn)表明壓縮模量ES(0.1～0.2 MPa)為19.4～21.6 MPa，平均為20.6 MPa，為低壓縮性土。黏聚力c值為30～45 kPa，平均為36.6 MPa；摩擦角φ值為24.2°～26.6°，平均為25.3°，抗剪能力較低。破壞比降if值>12，滲透系數(shù)k小于10-7cm/s。

第三類土料包括亞中B、C區(qū)第①、③層瓜里A區(qū)土料，成因?yàn)闆_洪積和坡積混合作用。

顆分試驗(yàn)表明平均線<5 mm顆粒含量為49.8%～58.7%，即 P5含量平均值30%～40%。<0.075 mm細(xì)粒平均線含量29.9%～34.7%，<0.005 mm黏粒平均線含量8.9%～12.0%，含水率平均7.1%～8.3%，塑性指數(shù)均值11.6～14.1。力學(xué)試驗(yàn)表明壓縮模量ES(0.1～0.2 MPa)為21.2～26.1 MPa，平均為22.98 MPa，為低壓縮性土。黏聚力c值為35～50.0 kPa，平均為43.75 MPa；摩擦角φ值為27.1°～29.4°，平均為28.13°，抗剪強(qiáng)度中等。破壞比降if值>13.4，滲透系數(shù)k小于10-7cm/s。

3.3 防滲土料評(píng)價(jià)

兩河口水電站擋水大壩高，心墻防滲土料要求高，對(duì)防滲土料質(zhì)量要求高，主要防滲土料指標(biāo)如下：粒徑大于5 mm的顆粒含量不超過(guò)50%，不低于30%；小于0.075 mm的顆粒含量應(yīng)不小于15%；小于0.005 mm的顆粒含量應(yīng)大于8%，滲透系數(shù)應(yīng)小于1×10-5cm/s[6]。

從防滲土料顆分和滲透性角度要求看，各類土料均滿足要求，但從力學(xué)強(qiáng)度來(lái)看，第一、二類土料力學(xué)強(qiáng)度偏低。心墻防滲土料需要一定的強(qiáng)度及變形模量，以滿足大壩的變形和沉降要求[7]。因此，需對(duì)第一、二類土摻礫改性，方可滿足要求，第三類土可以直接利用。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)研究，第一類土需按6∶4(重量比)摻礫，第二類土需按7∶3(重量比)摻礫[8]。

4 土料信息化工作

由于防滲心墻料源共計(jì)5個(gè)土料場(chǎng)，物性差異明顯，分區(qū)、分層復(fù)雜。為直觀了解各料區(qū)空間分層情況，為后期各類土的開采利用提供依據(jù)。對(duì)防滲土料開展了信息化設(shè)計(jì)工作。

(1)模型建立思路。以亞中土料場(chǎng)可研階段、招標(biāo)階段勘探試驗(yàn)為依據(jù)，選定和大壩心墻礫石土料設(shè)計(jì)關(guān)鍵指標(biāo)和參數(shù)(P5含量、含水率、黏粒含量)，物性參數(shù)為試坑中不同深度的試驗(yàn)值，通過(guò)空間插值計(jì)算分別得出P5含量、含水率、黏粒含量三套屬性模型。

(2)模型建立過(guò)程。建模過(guò)程中首先完成各試坑中不同深度數(shù)據(jù)的采集和整理，亞中土料場(chǎng)A區(qū)不同深度試坑參數(shù)屬性見圖3。

圖3 亞中土料場(chǎng)A區(qū)不同深度試坑參數(shù)屬性

然后以料場(chǎng)剝離面和開采底面為空間范圍建立亞中土料場(chǎng)A區(qū)空間三維體網(wǎng)格(圖4)，并將參數(shù)值賦值于空間三維體網(wǎng)格，通過(guò)不同插值計(jì)算方法得出亞中土料場(chǎng)A區(qū)P5含量屬性模型(圖5)、亞中土料場(chǎng)A區(qū)黏粒含量屬性模型(圖6)、亞中土料場(chǎng)A區(qū)含水率變化屬性模型(圖7)。

圖4 亞中土料場(chǎng)A區(qū)空間三維體網(wǎng)格

圖5 亞中土料場(chǎng)A區(qū)P5含量屬性模型

圖6 亞中土料場(chǎng)A區(qū)黏粒含量屬性模型

圖7 亞中土料場(chǎng)A區(qū)含水率變化屬性模型

(3)模型分析結(jié)果解譯。從P5含量屬性模型可以看出：亞中土料場(chǎng)A區(qū)絕大部分區(qū)域?yàn)橐活愅?P5含量<15%)。后緣原老鄉(xiāng)房屋部位、下游側(cè)鄰溝部位P5含量較高，最高為16.8%，開采表明該部位存在崩坡積碎礫石、沖洪積塊、碎礫石集中現(xiàn)象，模型分析結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)高度吻合。另外從三個(gè)屬性模型綜合分析看：黏粒含量較高、P5含量較低的部位含水率普遍較高，最高為21.6%，集中在料場(chǎng)的中部及前緣部位。利用信息化技術(shù)手段，可以直觀地表達(dá)不同屬性土料空間分布情況，能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)分層、分區(qū)，更好地解決復(fù)雜土料的設(shè)計(jì)利用，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)開采和摻拌利用。

5 結(jié) 語(yǔ)

(1)兩河口水電站為已建世界第二高土石壩，心墻防滲土料設(shè)計(jì)用量大，單個(gè)土料場(chǎng)不能滿足設(shè)計(jì)用量要求，因此，兩河口防滲土料料源多，且分散，土料來(lái)源多。

(2)防滲土料料源復(fù)雜，一是土料形成的成因類型較多既有風(fēng)化作用形成的殘積土，又有沖積、沖洪積、坡積等形成的含礫土及碎礫石土；二是土料空間分布不均一。

(3)鑒于防滲土料料源的復(fù)雜性，并針對(duì)防滲土料的特點(diǎn)，從勘探布置及試驗(yàn)取樣進(jìn)行了研究，形成了土料分區(qū)網(wǎng)格化布置勘探，隨著工程建設(shè)階段逐步加密加深勘探，最終以井探為主，實(shí)現(xiàn)每米連續(xù)取樣的土料勘查方法，工程實(shí)踐證明，應(yīng)用該方法基本查清了多源復(fù)雜防滲土料的工程地質(zhì)特性，為土料評(píng)價(jià)、開采及利用打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

(4)依據(jù)測(cè)繪、勘探及試驗(yàn)成果，對(duì)防滲土料評(píng)價(jià)體系進(jìn)行了研究。經(jīng)過(guò)兩河口工程實(shí)踐，建立了以地質(zhì)測(cè)繪、勘探及試驗(yàn)為基礎(chǔ)，以信息化為手段，以分區(qū)、分層為方法，對(duì)防滲土料分類歸納，服務(wù)于土料的開采、利用及改性，實(shí)現(xiàn)土料質(zhì)量?jī)?yōu)良為目標(biāo)的評(píng)價(jià)體系。