龍頭石水電站壩基河床砂層液化判別分析

蔡 斌，劉 暢，王旭紅

(中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，四川 成都 610072)

1 概 述

龍頭石水電站位于四川省西部大渡河中游石棉縣境內(nèi)，是大渡河干流近期開(kāi)發(fā)的大型水電工程之一，壩址處控制流域面積63 040km2，占全流域的81.44%，多年平均流量1 020m3/s，水庫(kù)正常蓄水位955m，死水位952m，總庫(kù)容1.39億m3。電站裝機(jī)容量700MW。樞紐工程由瀝青混凝土心墻堆石壩、左岸引水發(fā)電系統(tǒng)和左岸三條泄洪洞等建筑物組成。

瀝青混凝土心墻堆石壩壩頂長(zhǎng)度374m，壩頂高程960.00m，壩頂寬10m，最大壩高58.5m。瀝青混凝土心墻為直立式，位于壩體中部壩軸線上游。瀝青混凝土心墻基礎(chǔ)覆蓋層設(shè)一道厚1.2m的全封閉混凝土防滲墻，墻底嵌入弱風(fēng)化基巖1m。

2 壩基工程地質(zhì)條件

水電站庫(kù)壩區(qū)處于川滇南北向構(gòu)造帶北段，為南北向與北西向、北東向等多組構(gòu)造的交匯復(fù)合部位。由磨西斷裂、大渡河斷裂和金坪斷裂所切割的黃草山斷塊上。區(qū)內(nèi)主要構(gòu)造有磨西斷裂、大渡河斷裂、安寧河斷裂(北段)、金坪斷裂、錦屏山～小金河斷裂(北段)和石棉斷裂等，水電站工程場(chǎng)地設(shè)計(jì)地震動(dòng)參數(shù)結(jié)果為：50年超越概率10%的基巖水平向峰值加速度為219gal，相應(yīng)地震基本烈度為Ⅷ度，為高地震烈度區(qū)，并考慮地震設(shè)防烈度為Ⅸ度。

壩址出露巖石主要為澄江期粗?；◢弾r和細(xì)?；◢弾r，并有后期侵入的少量各類基性脈巖。此外，河床及岸坡分布有沖積、洪積、崩積及坡積等松散堆積物。

壩址區(qū)河床覆蓋層深厚，厚度一般為60～70m，最大厚度為77m，相應(yīng)谷底基巖頂板高程為823.60m，按其物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)及工程地質(zhì)特征，自下而上分為三大層：主要由①層含砂卵礫石(alQ33)、②層含礫砂層(alQ41)和③層漂(塊)卵(碎)石層(alQ42)等三層組成。

①層—含砂卵礫石層(alQ33)：層厚15～40m。粗顆粒成分主要為花崗巖，次為灰?guī)r、片麻巖、砂巖等。卵石圓球度較差，粗、中礫一般為角礫，細(xì)礫多為圓礫。層內(nèi)自下而上有三個(gè)較大的砂層透鏡體(①-1、①-2、①-3)，其分布具有縱向延伸較長(zhǎng)，橫向延伸較短的特點(diǎn)。

②層-含礫中粗砂層(alQ41)：層厚2.04～15.65m，上迭于①層之上。該層在橫Ⅰ勘探線下游基本上連續(xù)分布，鋪滿壩址河谷，平面形態(tài)呈現(xiàn)為上游窄、中間寬，凸向右岸的不規(guī)則形態(tài)，頂板埋深12.65～35.80m。砂層一般為含礫中粗砂或純中砂，局部有細(xì)砂，因兩側(cè)環(huán)流影響，向四周邊緣漸變?yōu)榈[質(zhì)粗砂或細(xì)礫。

③層—漂(塊)卵(碎)石層(alQ42)：層厚19～33m，結(jié)構(gòu)疏松，透水性強(qiáng)。粗粒成分主要為花崗巖、灰?guī)r、輝綠巖。該層物質(zhì)顆粒粗大，以卵(碎)石為主，但由上游往下游顆粒有逐漸變細(xì)的趨勢(shì)，垂向上粗細(xì)顆粒呈似層狀交替變化，該層夾有兩層較大的砂層透鏡體③-1、③-2，具一定韻律，在心灘部位表層以下分布有一層厚約2.5～3m的含漂卵(碎)石層。

壩址河床覆蓋層各層物理力學(xué)參數(shù)建議值見(jiàn)表1，砂層、砂層透鏡體分布特征見(jiàn)表2。

表1 壩址區(qū)覆蓋層物理力學(xué)性指標(biāo)建議值

3 壩基砂層分布及液化綜合判別

3.1 砂層分布特征

河床壩基砂層自下而上分為三大層：①-1、①-2、①-3層卵礫質(zhì)中粗砂、中細(xì)砂、②層中砂、③-1、③-2層含礫粗砂、中砂(見(jiàn)表2、圖1)。

表2 壩址區(qū)砂層、砂層透鏡體分布特征

圖1 壩基砂層分布橫剖面示意

3.2 砂層液化初判

根據(jù)GB50287-2006《水力發(fā)電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》有關(guān)飽和砂土的液化判別標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)壩基砂層液化的可能性進(jìn)行初判及復(fù)判。

(1)地層年代：壩基除①-1、①-2、①-3砂層埋深較大、14C測(cè)齡沉積時(shí)代為晚更新世(Q3)外，其余②、③-1、③-2砂層埋深均較淺，沉積年代為全新世(Q4)。

(2)顆粒級(jí)配判別法：②、③-1、③-2砂層的顆粒分析成果表明(見(jiàn)表3、表4)，砂層基本無(wú)粘粒含量，對(duì)應(yīng)基本烈度Ⅷ度時(shí)粘粒含量小于18%。

經(jīng)上述方法初判，壩基①層砂層為非液化砂層，②、③-1、③-2飽和砂層均屬可能發(fā)生液化的砂層。

表3 壩區(qū)砂層試驗(yàn)成果

表4 壩基砂層特性總表

3.3 砂層液化復(fù)判

復(fù)判采用標(biāo)貫擊數(shù)判別法、相對(duì)密度法和剪應(yīng)力對(duì)比法。

(1)標(biāo)貫擊數(shù)判別法：該方法只適合埋深15m范圍內(nèi)的飽水砂土，采用標(biāo)準(zhǔn)貫入法判別砂土液化時(shí)，分別由公式N63.5=N'63.5〔(ds+0.9dw+0.7)/(d's+0.9d'w+0.7)〕計(jì)算出地震時(shí)臨界標(biāo)貫擊數(shù)Ncr，與所測(cè)得的標(biāo)貫擊數(shù)校正值N63.5進(jìn)行比較，當(dāng)N63.5

利用標(biāo)貫試驗(yàn)對(duì)③-2層含礫中粗砂進(jìn)行復(fù)判(按Ⅷ度遠(yuǎn)震考慮)，經(jīng)過(guò)(標(biāo)貫深度d>15m)參與統(tǒng)計(jì)的標(biāo)貫試驗(yàn)結(jié)果表明，N63.5

但該方法僅適用于埋深15m范圍內(nèi)的飽水砂土，因此只列③-2層的標(biāo)貫試驗(yàn)成果(見(jiàn)表5)。

(2)相對(duì)密度法：該方法適用于含有粗砂粒(φ2mm)的無(wú)粘性土，且可以延伸標(biāo)貫試驗(yàn)所不能判別的范圍，壩基②層含礫質(zhì)粗砂和③-2中粗砂層的相對(duì)密度分別為44%～70%和44%～45%，均小于Ⅷ度地震設(shè)防烈度為75%之臨界值，②層有一組為77%，大于Ⅷ度為75%之臨界值。據(jù)此，判定②、③-2砂層為可液化土。

表5 砂層標(biāo)貫試驗(yàn)成果

表6 動(dòng)強(qiáng)度試驗(yàn)成果

(3)剪應(yīng)力對(duì)比法：為進(jìn)一步論證壩基砂層的抗地震液化性能，分別在分布較廣的②、③-2層砂層采樣進(jìn)行了室內(nèi)振動(dòng)液化試驗(yàn)，其成果見(jiàn)表6。根據(jù)西特剪應(yīng)力對(duì)比作如下判別。

作用于地表以下某一深度土層的平均地震作用剪應(yīng)力為

根據(jù)τ121、τ112、τ117、τ109試驗(yàn)成果，按下式計(jì)算的液化安全系數(shù)，并用以判斷液化可能性的計(jì)算成果列于表7。

式中K1——液化安全系數(shù)；

τ1——地基抗剪應(yīng)力；

τdv——地基地震應(yīng)力；

σV——上覆總壓力；

γd——深度折減系數(shù)；

amax——地面最大加速度；

τd/σ3c′——?jiǎng)蛹魬?yīng)力比。

當(dāng)抗震液化安全系數(shù)K1>1，不易液化；

抗震液化安全系數(shù)K1<1，可能或易液化。

表7 場(chǎng)地液化安全系數(shù)K1計(jì)算

從表7中可看出，孔109(②)、孔121(③-2)砂層在Ⅷ地震情況下液化安全系數(shù)皆小于1，會(huì)產(chǎn)生液化；孔112、孔117的②層砂在Ⅷ地震情況下液化安全系數(shù)大于1，不會(huì)液化。這樣的結(jié)果，與前面根據(jù)標(biāo)貫和相對(duì)密度法判斷的結(jié)論基本一致。

現(xiàn)將砂層抗地震液化綜合判別匯總于表8。

表8 壩基砂層地震液化綜合判別

4 結(jié) 語(yǔ)

綜合以上判別結(jié)果，當(dāng)砂層遭受工程設(shè)計(jì)地震基本烈度Ⅷ度時(shí)，按《水力發(fā)電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(GB50287-2006，附錄M)初判，多數(shù)指標(biāo)屬可能液化。按相對(duì)密度法、標(biāo)貫錘擊數(shù)法進(jìn)行復(fù)判，參考室內(nèi)振動(dòng)液化試驗(yàn)成果，結(jié)果是③-2為基本液化，②層為部分液化、部分不液化。

龍頭石水電站壩址西距活動(dòng)性磨西斷裂約2km，地震危險(xiǎn)主要受鮮水河地震帶的波及和影響，地震基本烈度為Ⅷ度，砂層存在震動(dòng)液化，且該層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不均勻多層次分布，又在壩基主要持力層范圍以內(nèi)，存在不均勻沉降等問(wèn)題，綜合以上因素考慮，建議對(duì)地基采取相應(yīng)的工程處理措施。

[1] 水力發(fā)電工程地質(zhì)勘察規(guī)范(GB50287-2006)[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2008.

[2] 馬林等.砂土液化判定評(píng)價(jià)與對(duì)策[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì)2000(4).

[3] 劉穎.砂土液化判別方法《地震小區(qū)劃理論與實(shí)踐》[M].地震出版社，1989.

[4] 楊健，陳慶壽.砂土液化影響因素及其判別方法[J].西部探礦工程．2004(2).