关州水电站堰塞沉积物工程地质特性与评价

杨 绍 平， 王 子 忠

(1.四川水利职业技术学院，四川崇州 611231;2.四川省水利水电勘测设计研究院，四川成都 610072)

崩滑堵江灾害在全球各地均有分布，其形成与该地区地壳上升及河流下切强烈、构造复杂、地震活动频繁、山高坡陡等因素密切相关。目前国内外的研究主要集中在崩滑堵江事件的分布、识别、天然堆石坝的形成和特征以及堵江事件的环境效应等方面。在水电资源开发中，经常遇到崩滑堵江形成的堰塞沉积物，笔者以四川丹巴关州水电站为例，对堰塞沉积物的工程特性以及将其作为闸坝地基的主要工程地质问题进行了研究。

1 关州水电站工程地质概况

关州水电站位于四川省丹巴县大渡河一级支流小金川河干流上。地貌上处于川西高原东部，属川西高山至高原过渡地带的侵蚀型高山峡谷地貌。大地构造上位于松潘-甘孜造山带的小金、丹巴弧形构造带的北西翼。工程场地位于川西北强隆起内部，新构造运动以第四纪大面积整体间歇性隆升为主;工程区地震基本烈度为Ⅶ度。

区内除寒武纪地层缺失外，从震旦纪至三叠纪均有出露。岩层以火山岩、海相砂泥岩、碳酸盐岩建造为主，三叠纪末期的印支运动使区内地层普遍褶皱，形成一系列浅(局部中等)变质岩系。

2 堰塞沉积物的形成

2.1 小金川河崩滑堵江事件的形成机制分析

崩滑堵江事件发生并堵断河道后，形成了天然堆石坝与水库，河流中的固体径流在天然水库中淤积，形成堰塞沉积物。关州水电站闸基堰塞沉积物的形成是坝址下游约1 km处的阿娘寨崩滑堆积体堵断小金川河后产生的。笔者对阿娘寨崩滑堵江的特点及其机制进行了分析。

测绘资料表明，该段山顶高程3 500～3 800 m，河底高程约2 100 m，相对高差达1 400～1 800 m，见图1。高陡的岸坡为岩体的变形破坏提供了临空条件。

岸坡岩石高程2 700 m以上为板岩与变质砂岩，岩石饱和抗压强度为70～80 MPa;高程2 700～2 200 m岩性以绢云母千枚岩为主，岩石饱和抗压强度为20～30 MPa。岩层产状 N10°～15°W/NE∠60°～63°，倾向坡内，见图1。岸坡为上硬下软的岩性结构，构造上属于反向斜坡。此类斜坡由于下部的千枚岩软岩蠕变弯曲变形，上部板岩与变质砂岩失去支撑产生弯曲-拉裂型式的变形破坏，导致上部斜坡岩体产生倾倒型崩塌破坏，在坡脚形成崩塌堆积体，堵断河流形成了天然堆石坝。堆积体中孤石、块石成分主要为板岩与变质砂岩，与组成斜坡的上部岩性基本一致，也证实了上述分析的斜坡变形破坏机制。堆积体在后期再次沿最大剪应力潜在滑动面产生圆弧滑动，由此使得堆积体在地貌上表现为多级平台。故阿娘寨堆积体从其形成机制上为崩滑堆积体。

2.2 堰塞沉积物的形成

天然堆石坝形成后，河流的固体径流物质在坝体上游产生淤积，于河流冲洪积之砂卵砾石层上形成一定厚度的堰塞沉积物;堰塞沉积物堆积到一定厚度之后，天然堆石坝被河水溃决，河流再次通畅，在堰塞沉积物之上堆积了冲洪积之砂卵砾石层，形成了坝址区河流堆积物从下至上由河流 冲 洪 积 砂 卵 砾 石(Q4al)——堰 塞 沉 积 物(Q4ys)——河流冲洪积砂卵砾石(Q42al)组成的三元结构(图2)。

图1 阿娘寨滑坡与堰塞沉积分布图

图2 坝址区河床堰塞沉积物剖面图

3 堰塞沉积物的工程地质特性

3.1 分层特征

据岩芯鉴定，小金川河堰塞沉积物按其工程地质特征从上至下分为5层(图2)，各层特征见表1。

由表1可知，堰塞沉积物在垂向上各层的工程地质特性差异主要表现在土壤组成颗粒级配的差异上，这种差异应与地质历史时期气候等因素引起的水动力条件变化有关。

3.2 各堰塞沉积层物理力学指标

在堰塞沉积堆积层上兴建工程建筑物，首先应对其物理力学特性进行研究。针对堰塞沉积物的分层特点，对闸坝基础持力层范围内的第②、③、④层的相应指标进行了测试，其试验成果见表2～4。

表1 坝址区堰塞沉积物分层特性表

表2 第②、③、④层堰塞沉积层物物理力学试验成果表

表3 第②层堰塞沉积层N63.5标准贯入测试成果统计表

表4 第②、③层堰塞沉积层静力触探测试成果统计表

表2中的试验成果表明，堰塞沉积物各层粒度差异较大，相应各层结构差异较大，各层干密度在1.28～1.77 g/cm3之间，这种较大的差异正是各层粒度及结构差异的反映。按各层压缩系数划分，第②层砂壤土为低压缩性土，第③、④层壤土及粉质粘土属于中等压缩性土;各土层具有一定的抗剪能力。

为研究堰塞沉积层作为闸坝基础持力层的承载能力，对第②层砂壤土和第③层壤土进行了现场标准贯入及静力触探测试。表3及表4的测试成果表明各土层具有一定的承载能力，第②层砂壤土承载力标准值fk=173～175 kPa，第③层壤土承载力标准值fk=132 kPa。

4 堰塞沉积物工程地质问题评价

4.1 地基压缩变形

鉴于河床堰塞堆积层厚度约为50～90 m，而本工程闸坝设计坝高仅17 m，若全部将其进行挖除换填，存在深基边坡稳定、基坑涌水等技术问题，投资上也不经济。因此，需要利用堰塞沉积层软基作为闸坝地基。据各持力层土的物理力学特性指标计算出的地基沉降变形时各土层的压缩模量分别为:第②层砂壤土Es=11.5 MPa，第③层壤土 Es=10.3 MPa，第④层粉质粘土 Es=7.7 MPa。采用分层总和法计算地基最终沉降量，计算成果见表5。

表5 闸坝基础沉降计算成果表

表5的计算结果表明:在完建和正常蓄水位两种工况下，闸室的沉降量大于《水闸设计规范》(SL265－2001)要求的地基最大沉降量小于15 cm、沉降差小于5 cm的要求，需进行基础处理。

4.2 渗透及渗透变形问题

据钻孔抽(注)水试验，第②层砂壤土渗透系数 K=(4～30)×10－4cm/s，属中等透水层;第③层壤土渗透系数 K=1.9 ×10－6～2.6 ×10－5cm/s，属微透水层。埋藏于右岸河床岸坡的孤块碎石土层(图2)的渗透系数K=(4.6～65)×10－2cm/s，属强透水层，强透水带厚度为20～55 m。因此，河床坝基存在坝基渗漏和渗透稳定问题，其中右岸坝基的孤块碎石土层为集中渗漏的强透水带。

按照各土层级配特点，据《水利水电工程地质勘察规范》(GB50287－99)土的渗透变形判别标准，各土层的渗透变形类别分别为:第②层砂壤土及第③层壤土为流土;Q4col+dl孤块碎石土为管涌;特别是Q4col+dl孤块碎石土与第②层砂壤土及第③层壤土界面存在接触冲刷。因此，建议对各土层采用防渗墙作防渗处理。

4.3 地震液化问题

工程区地震基本烈度为Ⅶ度，第②层砂壤土的粘粒含量为7.4%，小于《水利水电工程地质勘察规范》(GB50287－99)N.0.3条第3款16%之规定，可能发生液化;又据标贯资料，第②层砂壤土 N63.5=7 ～9 ＜Ncr=11.3 ～14，故第②层砂壤土在Ⅶ度地震条件下将产生地震液化。第③层壤土的粘粒含量为23.3%，大于16%，Ⅶ度地震条件下不存在地震液化问题。第④层、第⑤层及第⑥层位于地面29.5 m以下，大于《建筑物抗震设计规范》(GB50011－2001)规定的地震液化判别范围0～20 m，故不需要研究其地震液化特性。

综上所述，第②层砂壤土在Ⅶ度地震条件下存在地震液化问题，需要采取相应的抗液化处理措施;其余各堰塞沉积层不存在地震液化问题。

5 结论及认识

(1)堰塞沉积物的形成与山体崩滑堵江事件密切相关，而崩滑堵江事件的发生一般又与陡峻的地形、复杂的岩性和构造组合以及地震等因素关系密切。水电工程实践中常常利用堰塞沉积物作为坝基，但需要研究其工程特性及相关工程地质问题。

(2)堰塞沉积物的形成是在河流岸坡岩体发生崩滑堵江形成天然堆石坝及水库之后，在地质历史时期于天然水库静水环境下沉积的河流固体径流物质其颗粒级配一般以砂粒～粘粒等细粒为主。由于当时气候及河流水动力条件的变化，堰塞沉积物也表现出不同的颜色、粒度结构及相应的工程特性分层变化。

(3)各堰塞沉积层的结构变化在物性参数上表现为不同的干密度指标，并对应不同的力学特性。

(4)堰塞沉积层作为低闸坝基础，需要对压缩变形、渗漏及地震液化等方面的工程适宜性作出分析评价，并进行相应的工程处理。

［1］黄润秋，王士天，张倬元，刘汉超，等.中国西南地壳浅表层动力学过程及其工程环境效应研究［M］.成都:四川大学出版社，2001.

［2］张倬元，王士天，王兰生.工程地质分析原理(第二版)［M］.北京:地质出版社，1994.