四川水洛河寧朗水電站閘基砂層液化研判和處理方案

作者：劉期勇、康玉峰、楊宏昆、張旭飚、陳水兵、周濤、陳晨

 摘要：寧朗電站采用長引水式開發(fā)，首部樞紐屬典型的閘壩布置，最大閘壩高度27.5m，接近中低閘分界高度30m，且建基于河床覆蓋層，相應對覆蓋層基礎的承載力和壓縮模量要求較高。而寧朗閘基礎覆蓋層深厚達48m，中間夾分布5-10m厚的中細砂層，砂層液化試驗指標介于規(guī)范判別標準的臨界值范圍。本文結(jié)合實際設計過程，介紹了設計單位對該液化砂層的認識過程和隨設計階段推進的漸進式研究思路，闡述了基于大型靜、動力試驗參數(shù)所進行的閘壩樞紐聯(lián)合地基礎的三維靜力、動力非線性應力變形分析方法和成果，論證了寧朗閘基礎液化砂層基礎處理的必要性及推薦采用振沖碎石樁處理方案的可行性和經(jīng)濟性。

關鍵詞：閘壩，液化砂層，振沖碎石樁， 三維靜力、動力非線性應力變形分析

一、工程概況

寧朗水電站位于四川省涼山彝族自治州木里縣境內(nèi)，為金沙江左岸一級支流水洛河“一庫十一級”梯級開發(fā)方案中的第九個梯級電站。工程區(qū)距木里縣城公路里程約310km，距云南麗江市永寧鎮(zhèn)公路里程約170km。

工程采用引水式開發(fā)，首部樞紐位于寧朗鄉(xiāng)全馬拐溝下游2.5km，最大閘(壩)高27.5m，正常蓄水位1856.00m以下水庫庫容173.85萬m³，日調(diào)節(jié)庫容110.89萬m³，由左岸有壓隧洞引水至寧朗鄉(xiāng)寧夏溝上游約400m的水洛河左岸臺地上建地面廠房發(fā)電，引水隧洞全長5415m，引用流量161.8m³/s，裝機容量3×38MW，多年平均年發(fā)電量4.773億kW·h。

首部樞紐主要水工建筑物有：右岸擋水壩段、3孔泄洪閘、1孔沖沙閘、左岸擋水壩段、進水口。閘壩壩頂全長99m，正常蓄水位1856.00m，壩頂高程1858.00m，最大閘(壩)高27.5m。沖沙閘、泄洪閘均為胸墻式平底閘，沖沙閘與相臨的一孔泄洪閘為獨立閘室單元，其余2孔泄洪閘為一獨立閘室單元。電站進水口位于河床左岸，進水閘底板高程1835.50m，孔口尺寸7.40×7.40m(寬×高)，閘后與引水隧洞連接。

二、閘基礎地質(zhì)條件

電站首部樞紐為典型閘壩布置，泄水閘、主要擋水壩段建基于河床覆蓋層上，兩岸壩段建基于基巖。壩址河床覆蓋層較厚，勘探揭示最大厚度為47.75m，層次結(jié)構(gòu)較復雜，河床覆蓋層厚度一般35～47m，最大厚度47.75m，按成因、組成物質(zhì)和結(jié)構(gòu)的差異，自下而上分為3層，各層強度和抗變形性能差異較大，其中：閘基礎主要持力層為③層含漂砂卵礫石，該層容許承載力[R]=0.4～0.45MPa，壓縮模量Es=40～45MPa；河床底部第①層漂卵礫石埋深大，承載力和壓縮模量更高，下臥第②層中細砂層容許承載力[R]=0.12～0.15MPa，壓縮模量Es=10～12MPa；兩層承載力和壓縮模量指標均可滿足低閘對基礎的要求。但于第③層、第①層中間的存在第②層中細砂夾層，厚5.2～10.6m，頂板埋深10.6～15.8m，頂板高程1821.7~1826.5m，該層分布較穩(wěn)定，整個閘址區(qū)河床部位均有分布，屬全新世早期因下游河段堰塞形成的河湖相沉積層；根據(jù)物性試驗成果，<5mm顆粒組成大于70%，粘粒含量小于13%；由于工程地震基本烈度為Ⅶ度，初判具有產(chǎn)生地震液化的可能性；又根據(jù)鉆孔標貫試驗，錘擊數(shù)為8～9擊，按《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(GB50287-99)的規(guī)定進行復判，工程運行時該層修正擊數(shù)N_63.5=6.7，液化判別標準貫入錘擊數(shù)臨界值Ncr=7.3，N_63.5<Ncr，判斷該層為可液化土層。為確認判別成果的可靠性，對閘基下伏第②層中細砂又進行了補充勘探，主要增加鉆孔標貫6組、取樣補做7組常規(guī)物性及7組相對密度試驗。根據(jù)補充試驗成果，標貫擊數(shù)N_63.5修正為9.8擊，大于Ncr7.3擊，判斷為不液化土，但標貫試驗深度超過15m，資料可信度較低；相對密度為0.34~0.63，皆小于0.7，復判為可能液化土；相對含水量為1.09~1.28，均大于0.9，可能液化；液性指數(shù)均大于0.75，可能液化。因此，綜合前期及補充勘探成果分析，除標貫判斷不液化外，其余試驗方法初判及復判均顯示第②層中細砂為可能液化土，故需采取有效措施進行處理。

三、閘基礎處理方案研究

對寧朗閘基礎的地質(zhì)條件和處理方案經(jīng)過了預可、可研、招標和技施四個階段的不斷認識和研究的過程。

預可階段考慮采用振沖碎石樁存在第③層的“穿透”問題，固擬對于泄洪、沖沙閘、左岸擋水壩、進水口及右岸部分擋水壩基礎下第②含礫粉細砂層及第③層中的砂層透鏡體采用旋噴處理。旋噴樁樁徑0.8m，最大深度33m。根據(jù)分析，基礎下軟弱且有液化可能的第②層為成層狀滿鋪河床，目前僅在水邊布置有鉆孔，其揭示河道靠右岸，就目前的方案右擋水壩段基礎下第②層的分布存有變數(shù)，存在基礎處理未落實的問題。

可研階段對該夾砂層有了進一步的認識，基于基礎地質(zhì)參數(shù)的明確及該層對閘室穩(wěn)定的影響主要表現(xiàn)在地震液化和動剪應力破壞，擬定了振沖處理和大開挖處理兩個方案進行比較后，其中振沖碎石樁方案的振沖碎石樁量23520m，大開挖方案的覆蓋層開挖量16.5萬m³，振沖方案投資比大開挖方案節(jié)省108萬元，推薦振沖方案。根據(jù)專家審查意見，由于基底應力較大，振沖方案可能難于滿足承載力要求，因此，可研補充研究全閘基采用高噴樁處理方案，高壓旋噴樁量18055m。經(jīng)計算，振沖方案和旋噴方案均為可行方案，直接投資分別為1513萬元和2772萬元，仍以振沖方案為優(yōu)。

隨招標和技施階段設計工作開展，需最終確定閘基礎處理實施方案，但由于前期地勘工作的局限性，特別是所取得的砂層液化判別基礎資料有一定發(fā)散性且研判指標值接近規(guī)定臨界值，是否必須進行基礎處理、選擇何種處理方案、處理方案效果如何、是否存在優(yōu)化空間成為招標設計階段解決的問題，為此對寧朗水電站閘基中砂層液化問題開展專題研究。研究分三個階段開展工作，第一階段是進行勘探和試驗工作；第二階段是對勘探試驗資料進行分析，根據(jù)經(jīng)驗進行宏觀和微觀的液化勢的復核判別，形成初判結(jié)論；第三階段，依據(jù)第二階段成果和結(jié)論，開展材料動力特性和非線性分析和研究。

四、閘基靜動力特性和非線性分析和研究

委托中國水利水電科學研究院巖土所進行了有關材料靜、動力特性和非線性分析和研究，先后提出了《閘基第②層中細砂的液化勢進行宏觀和微觀經(jīng)驗初判報告》、《覆蓋層地基材料的靜、動力工程特性試驗研究報告》和《閘壩和地基系統(tǒng)三維靜力、動力非線性應力變形分析和評價研究報告》。

4.1 閘基中細砂層的液化勢經(jīng)驗判斷

依據(jù)《水利水電工程勘察規(guī)范》(GB 50287-99），對寧朗水電站下閘址覆蓋層中初判為可能液化的粉（粘）土質(zhì)砂層進行了液化復判，包括建閘前天然場地條件下的液化復判和建閘后閘室下粉（粘）土質(zhì)砂層在正常擋水情況下的液化復判。其中，天然場地條件下的液化復判又采用了相對含水量復判法、液性指數(shù)復判法和標準貫入錘擊數(shù)法，建閘后閘室下粉（粘）土質(zhì)砂層的液化判別采用標準貫入錘擊數(shù)法。

采用標準貫入錘擊數(shù)法對建閘前天然場地條件下的粉（粘）土質(zhì)砂層進行液化復判時，又進行了粉（粘）土質(zhì)砂層標貫試驗點的液化判別和歸一化標貫擊數(shù)液化判別；對建閘后閘基下粉（粘）土質(zhì)砂層的液化判別采用經(jīng)歸一化的標貫錘擊數(shù)值。

(1) 建閘前天然場地條件下的液化復判結(jié)論如下：

① 相對含水量復判法或液性指數(shù)復判法

地震設防烈度為Ⅶ度時，天然場地條件下，閘址粉（粘）土質(zhì)砂層砂層相對含水量均大于0.9，液性指數(shù)均大于0.75，各鉆孔試驗點均發(fā)生液化。

② 標貫試驗點液化判別

地震設防烈度為Ⅶ度時，天然場地條件下，閘址粉（粘）土質(zhì)砂層可能發(fā)生液化。近震時液化試驗點為試驗點總數(shù)的近42%，遠震時液化試驗點占試驗點總數(shù)的50%。

上述液化試驗點中包括因粘粒含量不能準確確定而取各鉆孔試驗點粘粒含量的小值平均值的兩個鉆孔試驗點，即ZK101（16.7m）和ZK111。

③ 采用粉（粘）土質(zhì)砂層統(tǒng)計特征參數(shù)的液化判別

地震設防烈度為七度時，天然場地條件下，標貫錘擊數(shù)取13.7m深度處歸一后的平均值，粘粒含量取各鉆孔試驗點粘粒含量小值平均值，近震時，粉（粘）土質(zhì)砂層在15m深度范圍內(nèi)均發(fā)生液化，從各鉆孔砂層埋深和砂層厚度來看，這相當于整個砂層有40%以上發(fā)生液化；遠震時，粉（粘）土質(zhì)砂層在整個深度分部范圍內(nèi)均發(fā)生液化。

(2) 建閘后閘室下粉（粘）土質(zhì)砂層液化復判結(jié)論如下：

在地震設防烈度Ⅶ度時，閘基下粉（粘）土質(zhì)砂層在正常擋水情況下，近震時不發(fā)生液化；遠震時僅在閘基四個角點下的局部小區(qū)域內(nèi)發(fā)生液化，在15m深度處液化區(qū)域最大，占閘基面積的不到4%。

以下插圖2給出了錘擊數(shù)和粘粒含量均取13.7m深度處歸一的平均值時，閘基下粉（粘）土質(zhì)砂層的可能液化區(qū)域云圖。由圖可見，錘擊數(shù)和粘粒含量取平均值時，閘基下粉（粘）土質(zhì)砂層在近震和遠震時均不發(fā)生液化。

插圖 2  閘基下粉（粘）土質(zhì)砂層可能液化區(qū)域分布云圖（=9.7，=5.28%）

4.2   三維靜力、動力非線性應力變形分析和評價

4.2.1 計算方法及邊界條件

(1) 分析方法

地基土體采用鄧肯-張（Ducan-Chang）E-B非線性模型模擬，混凝土采用線彈性模型模擬，混凝土防滲墻與地基土的接觸面采用薄層接觸面單元模擬。

動力計算采用等效線性總應力法進行分析。采用等效粘彈性模型來模擬地基土的動應力應變特性，動力時程積分采用Wilson法。

采用應力法進行液化可能性判別。地震在土層中引起的動剪應力可由動力反應分析得到，以地震在土層中引起的動剪應力比（表示為CSR）來表征動力作用的大小，以一定振次下達到液化時所需要的動剪應力比（表示為CRR）來表征土抵抗液化的能力。

(2) 計算參數(shù)

各種材料的靜力計算參數(shù)見表1，其中中細砂參數(shù)為試驗結(jié)果，卵礫石參數(shù)為由設計單位根據(jù)試驗結(jié)果和現(xiàn)場條件并參考其它工程經(jīng)驗確定，防滲墻接觸面單元和防滲墻底沉渣單元參數(shù)，由設計單位參考其它工程經(jīng)驗和根據(jù)實際施工條件確定。防滲墻、閘、重力壩、鋪蓋及護坦等砼材料，均采用線彈性模型模擬，采用C20砼的參數(shù)。

表1 閘基礎靜力計算參數(shù)

(3) 有限元模型及邊界條件

根據(jù)對寧朗水電站總布置和地質(zhì)資料的分析，取定模型分析范圍，建立的三維整體模型見插圖3。基本方案和比較方案的有限元模型的區(qū)別見插圖4?；痉桨腹灿?/span>12382個單元、14270個節(jié)點。對各閘（壩）段間的結(jié)構(gòu)縫，均采用薄層接觸單元模擬。在閘與上游鋪蓋、閘與下游護坦間的結(jié)構(gòu)縫，也采用薄層接觸單元模擬。模型的邊界約束為：在模型的上下游兩端（y方向）約束y向自由度，在模型的底端三個自由度均約束。

4.2.2 靜力計算成果分析

計算結(jié)果的主要特征值匯總于表2。

表2  方案靜力計算結(jié)果特征值匯總表

(1) 基底應力分析

由插圖4基底應力等值線圖可見：閘壩基礎表面z方向均為壓應力，未出現(xiàn)拉應力。閘壩地基的應力分布不均勻，在閘室底部大部區(qū)域基底應力值約為100~200kPa，在閘室邊緣出現(xiàn)明顯的應力集中現(xiàn)象，基底應力最大值約為500kPa。這是因為閘壩的剛度相對于地基覆蓋層的剛度大很多，可視為剛性基礎，從而出現(xiàn)了基礎邊緣的應力集中。計算的基底應力分布符合剛性基礎下地基應力分布的一般規(guī)律。閘壩地基的應力水平在閘室邊緣處較高，達到0.8~0.9，閘室中部的應力水平普遍在0.5以下，這也符合剛性基礎下應力水平分布的一般規(guī)律。從計算的基底應力和應力水平來看，地基的承載力滿足要求。

(2) 沉降分析

攔河閘壩的各壩段、上游鋪蓋、下游護坦在竣工期產(chǎn)生了一定的沉降和相對的沉降差?？偟囊?guī)律是：閘壩沉降量最大發(fā)生在河床中央，即1#泄洪閘和2#泄洪閘的分縫處；沉降量向兩岸逐漸減小。計算成果表明，閘室段的沉降較大，在竣工期閘室段的最大沉降達到14.2cm；蓄水期沉降略有增大，為15.4cm。由于地基的不均勻沉降，使得閘室間發(fā)生較大的不均勻沉降，各閘段間的沉降量和沉降差匯總于表4。最大沉降差發(fā)生在閘室和左右的擋水壩段之間。閘段和壩段間的最大沉降差竣工期為4.6cm；蓄水期為5.0cm；能滿足《水閘設計規(guī)范》的要求。

表3  基本方案閘（壩）段間的沉降量及沉降差匯總表

注：閘室沉降指閘室左右兩側(cè)的z向位移；沉降差指閘室沉降縫兩側(cè)z向位移差。

(3) 防滲墻的應力位移分析

防滲墻布置在閘室底板上游側(cè)。根據(jù)設計，防滲墻伸入閘底板，并與閘底板之間留有15cm厚的瀝青瑪締脂作填充。因此，防滲墻頂部不直接承擔閘的自重。方案竣工期防滲墻的沉降量為1.0cm，上部閘室的最大沉降量為14.2cm，閘底板與防滲墻之間不會接觸。防滲墻在竣工期的最大大主應力為4.6MPa，最小小主應力為0.3MPa。蓄水期，防滲墻在上下游水壓力差的作用下，產(chǎn)生了向下游的位移。防滲墻向下游位移最大值發(fā)生在砂層，約為7cm。蓄水期防滲墻的最大大主應力為4.9MPa，最小小主應力-1.5MPa。防滲墻的最小小主應力為拉應力，出現(xiàn)在砂層高程范圍靠近兩岸側(cè)。

插圖5  防滲墻位移及應力等值線圖(蓄水期)

4.2.3 動力計算成果分析

（1）地震輸入

根據(jù)四川省以“川震發(fā)防〔2007〕159號文”批復同意的《水洛河寧朗電站工程場地地震安全性評價報告》：寧朗水電站閘址的地震基本烈度為Ⅶ度；相應50年超越概率為10%的基巖水平峰值加速度分別為106cm/s²。工程主要水工建筑物為3級，根據(jù)《水工建筑物抗震設計規(guī)范》(DL5073-2000），抗震設防類別為乙類，抗震設計烈度為基本烈度Ⅶ度?；鶐r輸入地震的順河向加速度峰值為＝106cm/s²，地震持續(xù)時間為35s。取地震時壩前水位為正常蓄水位，即取正常蓄水位下的應力狀態(tài)為動力計算的初始應力狀態(tài)。

(2) 材料動力參數(shù)

根據(jù)共振柱試驗確定的各土層的動模量和阻尼比參數(shù)見表4。

表4  動力計算參數(shù)

（3）砂層液化判別標準

根據(jù)對粉細砂進行的飽和固結(jié)不排水條件下的往返加荷動三軸試驗得到的試樣動應力過程線、動孔壓過程線和動變形過程線，以初始液化或軸向應變值達到5%作為破壞標準，得到粉細砂的動強度試驗結(jié)果（以動剪應力比與破壞振次Nf 的關系曲線表示）見圖5。

插圖6  粉細砂的動剪應力比與破壞振次的關系曲線

按地震震級7級至8級對應的等效破壞振次為12次至30次，7.5級為15次，8.5級為26次。由三軸試驗結(jié)果，根據(jù)公式可確定取該砂的抗液化剪應力比CRR（7級地震）為0.162，CRR（8級地震）為0.152。

（4）動力計算結(jié)果及分析

動力計算成果表明，在VII度地震作用下，地基覆蓋層第2層中細砂層的動剪力較大，最大動剪力約為50kPa。由于閘基下土層的上覆壓力大，動剪應力比不大，閘基下的砂層抗液化安全系數(shù)最小為1.25，不會發(fā)生液化。但是在閘的上下游側(cè)，由于靠近閘，受閘的振動影響，在基礎覆蓋層產(chǎn)生的動剪力比較大，同時上覆壓力又比較小，最大動剪應力比達到0.3，中細砂發(fā)生液化。

VIII度地震作用下閘壩的動力反應分析，基巖地震峰值加速度為219cm/s²。在VIII度地震作用下（基巖），閘基下中細砂層的抗液化穩(wěn)定安全系數(shù)最小為0.7，閘基及閘上下游較大面積砂層發(fā)生液化。計算得到的砂層液化分布見圖7。

4.3三維靜力、動力非線性應力變形分析小結(jié)

通過對閘壩及地基整體三維有限元靜力應力變形及動力響應計算，可得出以下結(jié)論：

(1)  閘壩基礎表面主要為壓應力，未出現(xiàn)拉應力。閘壩地基的應力分布不均勻，在閘室底部大部區(qū)域基底應力值約為100~200kPa，在閘室邊緣出現(xiàn)明顯的應力集中現(xiàn)象，基底應力最大值約為500kPa。閘室中部的應力水平普遍在0.5以下，邊緣應力水平較高。從計算的基底應力和應力水平來看，地基的承載力滿足要求。

(2)  攔河閘壩的各壩段、上游鋪蓋、下游護坦在竣工期產(chǎn)生了較大的沉降和相對的沉降差。竣工期閘室的最大沉降達到14.2cm；蓄水期沉降略有增大為15.4cm。 由于地基的不均勻沉降，使得閘室間發(fā)生較大的不均勻沉降，最大沉降差發(fā)生在閘室和左右的擋水壩段之間，閘段和壩段間的最大沉降差竣工期為4.6cm；蓄水期為5.0cm。防滲墻的應力均不大，最大壓應力為4.9MPa，最大拉應力1.5MPa。

(3)  在地基不加固的情況下，在VII度地震作用下，地基覆蓋層第2層中細砂層的動剪力較比較大，最大動剪力約為50kPa，由于閘基下的上覆壓力大，動剪應力比不大，閘基下的砂層抗液化安全系數(shù)最小為1.25，不會發(fā)生液化；但是在閘的上下游側(cè)，由于靠近閘，受閘的振動影響，在基礎覆蓋層產(chǎn)生的動剪力較比較大，同時上覆壓力又比較小，最大動剪應力比達到0.3，中細砂要發(fā)生液化。在VIII度地震作用下，閘基下中細砂層的抗液化穩(wěn)定安全系數(shù)最小為0.7，閘基及閘上下游較大面積砂層發(fā)生液化。

(4)  綜合靜動力計算結(jié)果，三維靜力、動力非線性應力變形分析表明需對閘基可液化砂層進行處理。

五、振沖處理方案設計

鑒于閘下第②層中細砂總體上結(jié)構(gòu)松散，力學性質(zhì)較差，存在液化可能性，必須對閘基下第②層中細砂采取有效的基礎處理措施，可研階段推薦采取的振沖處理方案可行。經(jīng)進一步專題研究工作，確定振沖處理方案為實施方案。

擬定的1.5×1.5m、1.8×1.8m、2.0×2.0m三種樁距布置方案，通過沉降量安全余度、工程量、施工工藝和工期綜合考慮，依據(jù)《水閘設計規(guī)范》 “最大沉降不宜超過15cm” 的要求，選定1.8m方案樁距方案，該方案處理后沉降量13.7cm，滿足規(guī)范要求并有一定余度。具體設計：樁間距1.8m，樁直徑0.8m，梅花形布置，樁長7.69m~19.00m，樁體材料采用含泥量不大于5%的碎石或礫石，粒徑20mm~150mm。振沖處理方案的估算工程量15167m，直接投資743.21萬元，估算直接投資比可研報告項目減少1090.51萬元。

六、結(jié)語

寧朗電站采用長引水式開發(fā)，首部樞紐屬典型的閘壩布置，最大閘壩高度27.5m，接近中低閘分界高度30m，且建基于河床覆蓋層，相應對覆蓋層基礎的承載力和壓縮模量要求較高。而寧朗閘基礎覆蓋層深厚達48m，中間夾5-10m厚的中細砂層，液化砂層試驗指標介于規(guī)范判別標準的臨界值范圍。按常規(guī)類似電站的基礎處理思路，對可能液化的砂層多以經(jīng)驗方法為主，缺乏對樞紐建筑物和基礎聯(lián)合變形和應力特點的認識，特別是動力條件下的液化判別標準問題較為模糊。寧朗電站由于業(yè)主對工程安全性和經(jīng)濟性的訴求，設計單位有條件開展了閘基礎的材料靜力和動力參數(shù)試驗，通過三維靜力、動力的非線性有限元分析，深入了解的閘、液化砂層基礎的變形和應力特性，為最終方案選擇、優(yōu)化提供了有力保證，不僅使工程按期實施，也為業(yè)主節(jié)省了投資。