九甸峡坝址区河床深厚覆盖层的特性研究

第 44 卷第 6 期 2008 年 11 月
·地质勘察·
甘肃水利水电技术 Gansu Water Conservancy and Hydropower Technology
Vol．44，No．6 Nov． ，2008
九甸峡坝址区河床深厚覆盖层的特性研究
李长虹
（甘肃省水利水电勘测设计研究院 第一分院，甘肃 张掖 734000）
深 槽 形 态 在 横 剖 面 上 变 化 较 大 ，由 宽 阔 的 基 本 对 称 的 “V”字 形 ，变 为 左 斜 的 不 对 称“V”字 形 ，深 槽 左 侧 基 岩 边 坡 75°～80°，深槽右侧 2070～2075 m 高程以上为一缓坡台地，基 岩边坡 25°～35°，该台地凸向左岸，中间较宽，有 20～30 m，向 上游、下游逐渐变窄。 2.2 覆盖层的成因特征
摘要：探讨了坝基深厚覆盖层的物质组成、结构、成因等特点，通过大量的试验，如颗粒分析、渗透系数、干密度、相对
密度、载荷、变形、旁压等，研究河床深厚覆盖层的物理力学性质、水文地质特性，提出其物理力学参数，为进行坝型
确定和设计方案的选择提供可靠的依据。
关键词：九甸峡水利枢纽；深厚覆盖层；特性；研究
中图分类号：P642
文献标识码：B
１ 工程概况 九甸峡水利枢纽工程位于甘南藏族自治州洮河干流上，
规模属于大（2）型，工程等别Ⅱ等，最大坝高 136.5 m。总库 容 9.43 亿 m3，属完全年调节水库 。电站总装机容量 300 MW，年发电总量 10.02 亿 kW·h。地震基本烈度为 7 度，工程 区岩性主要为角砾状灰岩。坝基深厚覆盖层厚度一般 40.0～ 45.0 m，最厚达 56.0 m，可行性研究阶段初选的坝型为混凝 土重力坝。鉴于修建混凝土重力坝要将坝基河床砂卵砾石层 全部清除，施工难度大，工期长，投资大。初步设计时业主多 次邀请有关专家进行咨询，能否根据九甸峡水利工程地形地 质条件（高寒地区，高地震烈度，高陡边坡，深厚覆盖层），选 择适宜的坝型，经多次比选论证，优化方案在初步设计阶段 确定混凝土面板堆石坝为选定坝型。
10-2 cm/s，在钻孔内用 HM-100 钻孔水文地质综合测试仪测
得中部块石砂砾卵石层（Ⅱ岩组）的渗透系数 K 为 4.25×10-2
cm/s，经现场钻孔抽水试验测得 K 为 5.43×10-2 cm/s（均值）。
在 2073.5 m 高程做了 3 组室内渗透试验，K 值在 5.7×10-2～
8.1×10-2 cm/s 之间，平均 6.7×10-2 cm/s，现场和室内测得的
河床覆盖层的物质组成主要有：① 颗粒粗大、磨圆度较 好的漂石、卵砾石类；② 块石、碎石类；③ 颗粒细小的中粗中细砂类；④ 壤土类等。一般砂含量在 9.8%～53.0%，平均值 26.34%。据河床钻孔勘探揭示，黏土、砂土、砂层成层性很差， 均为零星的透镜状或鸡窝状，水平延伸长度一般 5～8 m。
深厚覆盖层结构松散，岩层不连续，岩性在水平和垂直 方向上变化较大，呈现较大的不均匀性。按其颗粒组成和结 构的不同，以及物理力学性质和工程特性的差异，从上到下 可分为 3 层：上层为块石碎石土，定为Ⅰ岩组；中层为块石砂 砾卵石层，定为Ⅱ岩组；下层为砂砾卵石层，定为Ⅲ岩组。
承压板法，承压板直径 100 cm，加压方法为逐级等量施加荷
载，最大荷载力为 3.0 MPa。通过试验可知试件（Ⅱ岩组）在
达到 3.0 MPa 压力下仍没有发生破坏，说明Ⅱ岩组具有较高
的承载力和抗变形能力。承载力最小为 1.5 MPa，类比其他
工程该值有些偏高，但符合实际情况。变形模量最大为
431.4 MPa，最小为 126.9 MPa，经综合分析，以 70.0～90.0 MPa
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
冲积砂卵砾石占绝大多数，结构比较密实。待挖到 2074 m
高程时，从开挖断面上观察，有少量块石、碎石和大孤石，骨
架颗粒呈交错排列，大部分接触，从开挖断面上取出大颗粒，
能保持颗粒凹面形状，开挖断面可保持暂时稳定，局部有坍
塌现象。锹镐可挖掘。块石、碎石呈次棱角状，岩块较新鲜。在
2073.5 m 高程做了 3 组现场载荷试验。试验采用圆形刚性
收稿日期：2008-10-28 作者简介：李长虹（1978-），男，内蒙古人，工程师，主要从事水利水电工程地质及水文地质勘察。
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第6期
李长虹：九甸峡坝址区河床深厚覆盖层的特性研究
第 44 卷
石、石英，次为岩屑和云母及泥质物。整层结构松散，无胶结， 底部基本平坦，局部稍有起伏，厚度 5.0～13.0 m，层底高程 2067.0～2070.5 m。
第四系晚更新世末期，本区地壳上升，在水流冲刷和溶 蚀作用下，河床下切（因灰岩地区在水流作用下极易形成高 山峡谷）而形成河床深槽，当下切至现深槽底部高程时，本区
地壳又开始相对缓慢下降，河床接受冲积相砂卵砾石沉积， 根据河床组成物特性，当沉积达 2070～2075 m 高程时，河床 沉积环境发生了较大改变，高陡崖壁形成大量崩塌，使坝址 区河床迅速抬高，另外，1958 年引洮工程的施工，大量的开 挖料弃于洮河堆积，使河床再次抬高，形成现今 2085～2095 m 高程的河床。 2.3 覆盖层的物质组成及岩组划分
Gd=353.00～483.80 MPa，均值 452.10 MPa。在 2 个钻孔 7 个 位置做了旁压试验，测得旁压模量为 12.810～121.300 MPa，
变形模量为 51.250～485.180 MPa。
为查明 Ⅲ 岩 组 的 力 学 特 征 ，在 不 同 钻 孔 内 取了 12 组
样进行 室 内 抗 剪 强 度 试 验 ，在 饱 和 状 态 下 ，内 摩 擦 角 在
数值基本一致，均属强透水层。这与其颗粒粗大、级配不良的
实际相符。按《水利水电工程地质勘察规范》提出的方法判别
和评价Ⅱ岩组的渗透变形形式：
流土：Pc≥100/4（1-n） 管涌：Pc＜100/4（1-n） 式中：Pc— ——细粒含量（%）； n— ——土的孔隙率（%）。
（3） 冲积砂砾卵石层（Ⅲ岩组） 分布于河床底部，组成物主要为卵石和砾石，成分为砂 岩、灰岩、石英岩等，磨圆度较好，多呈浑圆和次圆状；砂以中 粗砂为主，局部呈透镜状或鸡窝状富集，成分为长石、石英及 少量云母和岩屑，局部有 2～3 m 的孤块石分布，均一性较 差，横向厚度 12～37 m，无胶结。 ３ 河床覆盖层工程特性研究 3.1 物理性质 根 据 孔 内 取 样 可 知 ，第 2 层 粒 径 大 于 150 mm 的占 22.00% ， 粒 径 150 ～80 mm 占 14.43% ，80 ～5 mm 占 39.3 6%，5～0.15 mm 的占 15.43%，粒径小于 0.15 mm 占 8.78%； 干密度 1.83～2.15 g/cm3，平均值 2.03 g/cm3。第 3 层粒径大 于 150 mm 的 占 14.74% ，150 ～80 mm 的 占 10.29% ，80 ～5 mm 的占 46.71%，5～0.15 mm 的 占 16.73% ，粒 径 小 于 0.15 mm 的占 11.53%，泥含量较大；干密度 2.04～2.16 g/cm3，均 值 2.15 g/cm3。 在围堰挡水的条件下，对Ⅱ岩组的工程特性进行了进一 步研究。在清除Ⅰ岩组后，在Ⅱ岩组的上部（2083 m 高程左 右）做了 9 组干密度试验和 9 组颗粒分析试验。在Ⅱ岩组的 下部（2073.5～2074.0 m）做了 14 组干密度、4 组相对密度试 验和 8 组颗粒分析试验。现场所做的干密度值一般为 2.11～ 2.16 g/cm3，平均 2.14～2.15 g/cm3，与钻孔取样所做的值基本 一致，但略为偏大，这与事实相符。因为钻孔样为扰动过的。 相对密度 0.78～0.91，平均 0.87。天然状态孔隙率 21.0%～ 22.1%，平均 21.5%。从 12 组颗粒分析试验成果表上看，该层 粗颗粒居多，粒度不均匀，不均匀系数平均 13.93，属不良级 配。这与钻孔取样描述一致。控制粒径 66.240 mm，有效粒径 4.755 mm，孤块石含量约 10%，含泥量：砾石 4.13%，砂 25.93%（平均值）。从试验成果可以看出，第Ⅱ、Ⅲ岩组具有较 高的密度和较低的孔隙比，呈中密-密实状态。 3.2 力学特征 （1） 岩组力学性质 由于块石砂砾卵石中块石含量较多，颗粒粗大，钻孔动 力触探试验效果较差，故利用 CSA24A 地震仪采用单孔法和 跨孔法在 3 对共 6 个钻孔内进行了剪切波的测试。两岩组所 测得的值比较接近，Ⅱ岩组单孔法测试的纵波速 vp=1120～ 1370 m/s，均值 1 190 m/s，剪切波 vs=480～520 m/s，均值 490 m/s，动剪切模量 Gd=480～525 MPa，均值为 500 MPa；跨孔法 孔距 3 m，测试的纵波速范围值 vp=860～1030 m/s，均值 930 m/s，横波速范围值 vs=430～460 m/s，均值 440 m/s，动剪切模 量 Gd=388.3～444.4 MPa，均值 406.9 MPa，动泊桑比 μd=0.33～ 0.37，均值为 0.35。 Ⅲ岩组单孔法测试的纵波速 vp=1160～1450 m/s，均值 1 270 m/s，剪切波 vs=490～610 m/s，均值 550 m/s，动剪切模 量 Gd=486.00～781.00 MPa，均值 626.00 MPa；跨孔法孔距 3 m，测试的纵波速范围值 vp=910～1300 m/s，均值为 1 060 m/s， 横波速范围值 vs=410～480 m/s，均值为 460 m/s，动剪切模量
作为该层的变形模量建议值。
在 11 个钻孔Ⅲ岩组的不同高程做了 50 段重型动力触
探试验，算得其允许承载力在 0.48～0.79 MPa 之间，平均
0.67 MPa。以上试验结果说明，砂砾卵石层有较高的承载能
力和抗变形性能，同时也反映出其颗粒组成不均匀，试验的