云南桥街水电站新近系软岩地层建坝条件分析

林 红， 李少飞， 阮 璐

(云南省水利水电勘测设计研究院,云南 昆明 650021)

新近系地层在云南省分布广泛,以冲积相、河湖相沉积环境为主,岩性成分复杂,主要以砾岩、砂岩及粘土岩为主,根据其岩性特征可分为细粒岩组和粗粒岩组，其中细粒岩组岩性软弱,易软化和泥化,其工程地质特性极差,是坝基中的软弱夹层,控制着大坝的抗滑稳定。新近系地层是一种微成岩的软岩地层,其抗压强度及承载力低,抗滑和抗变形能力差,在新近系地层上修建刚性坝就存在压缩变形和抗滑稳定的问题。目前,在这种性质的地层上修建重力坝,如何进行坝基处理设计,还没有可以借鉴类比的资料。本文以桥街水电站工程为例,通过对新近系软岩地层工程地质特性的勘察和试验研究,为坝基处理设计提供依据。

桥街水电站位于云南省保山市境内龙江干流上,是龙江—瑞丽江干流龙江一级—腾龙桥河段龙头水库及相关梯级水电站开发方案中位于龙文桥电站下游的第二级水电站。工程于2015年5月开工,2018年8月全部投产发电。

桥街水电站拦河大坝为常态混凝土重力坝,泄水建筑物为双孔泄洪平底闸孔,厂房形式为河床式厂房,与取水口联合布置,最大坝高48.5 m,电站装机容量43 MW。

1 地质概况

桥街水电站位于侵蚀构造成因的“U”型河谷上,大坝两岸地形不对称,左岸为山麓前缘缓坡地形,局部陡坡,山顶有残留Ⅲ级夷平面；右岸为陡坡地形,高程1 320 m以上为台地地形,属Ⅲ级夷平面。坝址河段近南北向,河流流向由北流向南,河流比降1‰左右,河床高程约1 252 m,宽度约50～80 m,两岸局部有残留Ⅰ级阶地分布。

坝址左岸为第四系覆盖,右岸基岩裸露,河床第四系冲洪积层厚度5～8 m,物质组成主要为漂石、块石、砂卵砾石夹粉细砂。下伏地层为新近系上新统芒棒组下段(N2m1),岩性为以砾岩为主,夹砂砾岩、粉细砂岩、砂质粘土岩、微成岩。

推测龙江断裂中支从枢纽区右岸通过,走向大致与河流平行,隐伏于新近系地层之下,为工程区Ⅰ级结构面。枢纽区断层、节理裂隙等结构面不发育,控制性结构面为层面,倾向下游偏左岸,为枢纽区Ⅲ级结构面。桥街水电站坝址工程地质平面简图见图1。

2 岩组划分

新近系上新统芒棒组下段以冲积相、河湖相沉积环境为主,颗粒组成复杂,大到漂砾小到粘粒,各个粒径基本都有分布,具有明显相变特征,根据平硐、钻探及钻孔电视、钻孔波速测试等综合勘察手段及其岩性特征,将新近系上新统芒棒组下段划分为细粒岩组与粗粒岩组2个大类[1],又进一步细分为砂粒岩组、卵粒岩组和漂粒岩组3类岩组,各类岩组岩性组成如下：

(1) 砂粒岩组。岩性主要为砂砾岩、细砂岩、粉砂岩、泥质粉砂岩、砂质粘土岩,属细粒土质砂,颗粒成分以粉砂、细砂为主,在勘探深度范围内共揭露约8层砂粒岩组,呈带状、透镜状分布于坝基不同深度,厚度1～5 m,局部7 m。

图1 坝址工程地质平面简图
Fig.1 Engineering geological plan of dam site

1.冲洪积层；2.Ⅰ级阶地；3.Ⅱ级阶地；4.Ⅲ级阶地；5.新近系芒棒组下段；6.岩层产状；7.第四系与基岩界线；8.回水线；9.钻孔。

(2) 卵粒岩组。岩性主要以粗砾岩为主,属卵石混合土,颗粒成分以砾石、卵石为主。

(3) 漂粒岩组。岩性主要以巨砾岩为主,属漂石混合土,颗粒成分以漂石、卵石为主。岩组分层见图2。

图2 坝轴线工程地质剖面简图
Fig.2 Engineering geological profile of dam axis

1.冲洪积层；2.Ⅰ级阶地；3.Ⅱ级阶地；4.Ⅲ级阶地；5.新近系芒棒组下段；6.砂粒岩组编号；7.砂卵砾石；8.孤块石、砂卵砾石夹土；9.粗粒岩组；10.砂粒岩组。

3 岩组工程地质特性研究

坝基由砂粒岩组、卵粒岩组和漂粒岩组3类岩组组成,其中砂粒岩组为软弱夹层,对坝基稳定及变形起控制作用,针对坝基地质条件,对坝基岩体进行了现场试验与室内试验,以研究砂粒岩组、卵粒岩组和漂粒岩组的工程地质特性。

3.1 现场试验

现场试验包括波速测试、密度试验、直剪试验和载荷试验。其中：砂粒岩组密度试验、直剪试验和载荷试验在地表进行；卵粒岩组和漂粒岩组密度试验、直剪试验和载荷试验在两岸勘探平硐内进行。

3.1.1 密度试验

完成砂粒岩组岩体密度试验1组,卵粒岩组和漂粒岩组密度试验各2组,试验成果见表1。

表1 岩体密度试验成果Table 1 Test results of rock mass density

3.1.2波速测试

波速测试在钻孔内进行,对孔内岩体进行纵波速度测试,测试成果见表2。

表2 岩组纵波速度统计Table 2 P-wave velocity statistics of rock formations

砂粒岩组由于含有的粗粒含量的不同波速有变化,细粒含量较高的岩体平均纵波速度在2 000 m/s左右,粗粒含量相对高的平均纵波速度接近2 500 m/s左右；卵粒岩组以粗粒(卵砾)为主,岩体平均纵波速度>2 500 m/s,含有一部分漂砾的接近3 000 m/s左右；漂粒岩组岩体平均纵波速度>3 000 m/s,粗粒含量较高的基本都在3 000 m/s以上。

总体来看,砂粒岩组、卵粒岩组和漂粒岩组在坝址区分布还是相对连续的,只是岩相变化大(细粒及粗粒含量变化大)。

3.1.3直剪试验[2]

对砂粒岩组、卵粒岩组和漂粒岩组各进行了1组岩体直剪试验,每组5个试验点,由于试点强度离散性大,抗剪断强度参数、抗剪强度参数采用作图法得出,试验成果见图3-图5。

直剪试验总体呈现以下特征：①不同岩组之间随着颗粒粒径的增大其强度也逐渐增大,砂粒岩组强度<卵粒岩组强度<漂粒岩组强度；②同一岩组内随着粗粒含量的增高其强度也逐渐增高。

3.1.4载荷试验

对砂粒岩组、卵粒岩组和漂粒岩组进行了岩体载荷试验。承压板直径为50.5 cm,大坝基础设计最大压力为0.5 MPa,试验荷载最大加至1 561.59 kPa,超过设计最大压力3倍,试验成果见图6-图8与表3。

载荷试验呈现出与直剪试验相似的特征：①不同岩组之间随着颗粒粒径的增大而岩体变形逐渐减小,砂粒岩组变形>卵粒岩组变形>漂粒岩组变形；②同一岩组内随着粗粒含量的增高而岩体变形逐渐减小。

图3 砂粒岩组直剪试验剪应力和正应力关系曲线
Fig.3 Relationship between shear stress and normal stress in direct shear test of sandstone formation

图4 卵粒岩组直剪试验剪应力和正应力关系曲线
Fig.4 Relationship between shear stress and normal stress in direct shear test of granulite formation

图5 漂粒岩组直剪试验剪应力和正应力关系曲线
Fig.5 Relationship between shear stress and normal stress in direct shear test of Piaoyuanite formation

图6 砂粒岩组载荷试验压力和沉降关系曲线
Fig.6 Relation curve between pressure and settlement
in load test of sand granule rock formation

图7 卵粒岩组载荷试验压力和沉降关系曲线
Fig.7 Relation curve between pressure and settlement in load test of pebbles granule rock formation

图8 漂粒岩组载荷试验压力和沉降关系曲线
Fig.8 Relation curve between pressure and settlement in load test of
boulders granule rock formation

表3 载荷试验成果Table 3 Load test results

现场试验结果表明,在不同岩组之间及其同一岩组内由于颗粒组成的不均一性，其物理力学性质存在明显差异,这是由新近系地层的特殊性决定的,总体呈现以下特征及规律：①不同岩组之间随着颗粒粒径的增大,其抗剪强度及承载力也逐渐增大,而岩体变形逐渐减小；②同一岩组内随着粗粒含量(主要指漂石、卵粒及砾石)的增高,其抗剪强度及承载力也逐渐增高,而岩体变形逐渐减小,现场试验成果见表4。

表4 现场试验成果统计表Table 4 Statistical table of field test results

3.2 室内试验[3]

室内试验主要对卵粒岩组、漂粒岩组所含粗粒进行了抗压强度试验,对砂粒岩组进行了物理性质试验、抗剪强度试验和无测限抗压强度试验,抗剪强度试验采用排水反复剪,试验成果统计见表5。

表5 砂粒岩组室内试验成果统计表Table 5 Statistical table of laboratory test results of sand granule rock formation

根据抗剪强度试验,卵粒岩组、漂粒岩组所含粗粒大多为弱—微风化花岗岩,饱和抗压强度一般36～57 MPa,最高可达96 MPa,强度较高,在采取桩基处理措施时,需选取合理有效的成孔方法,才能达到快速高效的目的。

坝基岩(土)体物理力学参数取值见表6。

表6 坝基岩(土)体物理力学参数表Table 6 Table of physical and mechanical parameters of dam foundation rock(soil)

4 坝基处理设计

根据桥街水电站勘察试验成果分析,新近系地层是一种微成岩的软岩地层,其抗压强度及承载力低,抗滑和抗变形能力差,坝基承载力以及建基面抗滑稳定、深层抗滑稳定无论采用抗剪断计算还是纯摩擦计算,其安全系数均小于规范要求[4],在新近系软岩地层上修建重力坝就存在压缩变形和抗滑稳定的问题,作为重力坝坝基需进行处理设计。

4.1 坝基加固处理设计

坝基处理采用灌注桩、锚筋桩复合地基结合固结灌浆的处理方案。其中：灌注桩采用混凝土灌注桩,可以增强底板稳定性,桩基水平承载力、桩顶水平位移、竖向承载力、桩顶竖向位移等计算依据《建筑桩基技术规范》(JGJ 94—2008)[5]；锚筋桩采用砂浆锚筋桩,可以提高基础抗拉拔力及水平抗剪能力,依据《建筑地基基础设计规范》(GB 50007—2011)[6]中的岩石锚杆基础单根锚杆抗拔承载力进行设计；固结灌浆可以加强坝基岩体的整体性和均一性,提高坝基的弹性模量,减少坝基的渗透性,见图9。

图9 坝基处理示意图
Fig.9 Schematic diagram of dam foundation treatment

1.粗粒岩组；2.细粒岩组。

从重力坝应力分布并结合相应计算分析结果的角度考虑,为保证工程的永久运行安全,采取以下布置方案。

(1) 砂浆锚筋桩。本工程在锚筋桩的设计上将锚筋前倾15°,仅考虑锚筋的水平分力,锚筋按抗拉构件进行设计。

对1#、2#、3#、5#、6#坝段基础布设砂浆锚筋桩,砂浆锚筋桩除上游第一排、第二排和下游第一排为铅直外其余均顺铅直倾向上游15°造孔布设,桩径φ110,梅花形布置,锚筋桩倾斜布置对基础稳定提供抗拉拔力的同时也提供了一定水平抗剪作用,以增强底板稳定性。其中：1#、2#、6#坝段锚筋桩设3Φ28的锚筋束,间、排距3 m,深入基岩11 m；3#坝段锚筋桩设3Φ28的锚筋束,间、排距2 m,深入基岩12 m；5#坝段锚筋桩设3Φ32的锚筋束,间、排距2 m,深入基岩12 m。

(2) 混凝土灌注桩。4#坝段布设C25混凝土钻孔灌注桩,以增强底板稳定性,桩径1.2 m,桩深20 m,采用回旋钻造孔的施工工艺,梅花形布置,桩距4 m,桩的根数和尺寸按承担底板底面以上的全部荷载确定,共计98颗。

(3) 固结灌浆。为加强基岩的整体性和均一性,提高基岩的弹性模量,减少坝基的渗透性,对坝基进行全面固结灌浆,固结灌浆均利用锚筋桩钻孔进行,分二序施工,按分序加密原则进行。

4.2 坝基处理效果分析

坝基进行了加固处理之后,对各坝段抗滑稳定进行了复核,增设锚筋桩后坝基的浅层、深层抗滑稳定性均有相应的提高,安全系数提高幅度在1.1～1.8倍之间。

为保证工程的永久运行安全,准确分析坝基渗控方案及各坝段的受力、位移状态,采用三维有限元方法对桥街水电站进行了坝体结构有限元分析。分析采用ANSYS有限元软件,选用弹塑性本构模型,利用Drucket-Prager屈服准则,采用拟静力法进行地震荷载模拟。运行期坝体在实际采用处理措施下的坝体稳定、应力有限元计算成果见表7。

表7 运行期坝体稳定、应力有限元计算成果表Table 7 Table of finite element computation results of dam stability and stress in operation period

如表7所示，各工况基底应力、坝基下卧软弱层承载力、坝体绝对沉降量值与沉降差满足规范要求；锚筋桩(灌注桩)设计间排距、单桩强度基本能够满足正常运行工况下桩体强度及桩身水平承载力要求；坝体沿建基面及深层抗滑稳定性均满足规范要求。

5 结语

(1) 新近系地层颗粒组成复杂,岩相变化大,根据其岩性特征可划分为细粒岩组与粗粒岩组2个大类,又进一步细分为砂粒岩组、卵粒岩组和漂粒岩组3类岩组,通过简化岩性分层,可以有效地研究新近系软岩地层的物理力学特性,指导前期勘察和后期施工。

(2) 试验研究表明,在不同岩组之间及其同一岩组内由于颗粒组成的不均一性，其物理力学性质存在明显差异,这是由新近系地层的特殊性决定的,总体呈现以下特征及规律：①不同岩组之间随着颗粒粒径的增大,其抗剪强度及承载力也逐渐增高,而岩体变形逐渐减小；②同一岩组内随着粗粒含量(主要指漂石、卵粒及砾石)的增高,其抗剪强度及承载力也逐渐增高,而岩体变形逐渐减小。

(3) 新近系地层是一种微成岩的软岩地层,其工程地质特性差,具有抗压强度及承载力低,抗滑和抗变形能力差的特征,作为重力坝坝基存在压缩变形和抗滑稳定问题,需进行坝基处理设计。坝基处理设计可以采用锚筋桩与灌注桩结合加固结灌浆的处理措施,该处理措施是一种复合地基处理技术,除了可以提高坝基的承载力外,还可以提高坝基的抗剪强度,增强坝基的抗滑和抗变形能力,满足设计要求，达到加固坝基强度的目的。

新近系地层在云南省分布广泛,桥街水电站工程实例可供有关类似工程参考。