四川水洛河宁朗水电站闸基砂层液化研判和处理方案

作者：刘期勇、康玉峰、杨宏昆、张旭飚、陈水兵、周涛、陈晨

 摘要：宁朗电站采用长引水式开发，首部枢纽属典型的闸坝布置，最大闸坝高度27.5m，接近中低闸分界高度30m，且建基于河床覆盖层，相应对覆盖层基础的承载力和压缩模量要求较高。而宁朗闸基础覆盖层深厚达48m，中间夹分布5-10m厚的中细砂层，砂层液化试验指标介于规范判别标准的临界值范围。本文结合实际设计过程，介绍了设计单位对该液化砂层的认识过程和随设计阶段推进的渐进式研究思路，阐述了基于大型静、动力试验参数所进行的闸坝枢纽联合地基础的三维静力、动力非线性应力变形分析方法和成果，论证了宁朗闸基础液化砂层基础处理的必要性及推荐采用振冲碎石桩处理方案的可行性和经济性。

关键词：闸坝，液化砂层，振冲碎石桩， 三维静力、动力非线性应力变形分析

一、工程概况

宁朗水电站位于四川省凉山彝族自治州木里县境内，为金沙江左岸一级支流水洛河“一库十一级”梯级开发方案中的第九个梯级电站。工程区距木里县城公路里程约310km，距云南丽江市永宁镇公路里程约170km。

工程采用引水式开发，首部枢纽位于宁朗乡全马拐沟下游2.5km，最大闸(坝)高27.5m，正常蓄水位1856.00m以下水库库容173.85万m³，日调节库容110.89万m³，由左岸有压隧洞引水至宁朗乡宁夏沟上游约400m的水洛河左岸台地上建地面厂房发电，引水隧洞全长5415m，引用流量161.8m³/s，装机容量3×38MW，多年平均年发电量4.773亿kW·h。

首部枢纽主要水工建筑物有：右岸挡水坝段、3孔泄洪闸、1孔冲沙闸、左岸挡水坝段、进水口。闸坝坝顶全长99m，正常蓄水位1856.00m，坝顶高程1858.00m，最大闸(坝)高27.5m。冲沙闸、泄洪闸均为胸墙式平底闸，冲沙闸与相临的一孔泄洪闸为独立闸室单元，其余2孔泄洪闸为一独立闸室单元。电站进水口位于河床左岸，进水闸底板高程1835.50m，孔口尺寸7.40×7.40m(宽×高)，闸后与引水隧洞连接。

二、闸基础地质条件

电站首部枢纽为典型闸坝布置，泄水闸、主要挡水坝段建基于河床覆盖层上，两岸坝段建基于基岩。坝址河床覆盖层较厚，勘探揭示最大厚度为47.75m，层次结构较复杂，河床覆盖层厚度一般35～47m，最大厚度47.75m，按成因、组成物质和结构的差异，自下而上分为3层，各层强度和抗变形性能差异较大，其中：闸基础主要持力层为③层含漂砂卵砾石，该层容许承载力[R]=0.4～0.45MPa，压缩模量Es=40～45MPa；河床底部第①层漂卵砾石埋深大，承载力和压缩模量更高，下卧第②层中细砂层容许承载力[R]=0.12～0.15MPa，压缩模量Es=10～12MPa；两层承载力和压缩模量指标均可满足低闸对基础的要求。但于第③层、第①层中间的存在第②层中细砂夹层，厚5.2～10.6m，顶板埋深10.6～15.8m，顶板高程1821.7~1826.5m，该层分布较稳定，整个闸址区河床部位均有分布，属全新世早期因下游河段堰塞形成的河湖相沉积层；根据物性试验成果，<5mm颗粒组成大于70%，粘粒含量小于13%；由于工程地震基本烈度为Ⅶ度，初判具有产生地震液化的可能性；又根据钻孔标贯试验，锤击数为8～9击，按《水利水电工程地质勘察规范》(GB50287-99)的规定进行复判，工程运行时该层修正击数N_63.5=6.7，液化判别标准贯入锤击数临界值Ncr=7.3，N_63.5<Ncr，判断该层为可液化土层。为确认判别成果的可靠性，对闸基下伏第②层中细砂又进行了补充勘探，主要增加钻孔标贯6组、取样补做7组常规物性及7组相对密度试验。根据补充试验成果，标贯击数N_63.5修正为9.8击，大于Ncr7.3击，判断为不液化土，但标贯试验深度超过15m，资料可信度较低；相对密度为0.34~0.63，皆小于0.7，复判为可能液化土；相对含水量为1.09~1.28，均大于0.9，可能液化；液性指数均大于0.75，可能液化。因此，综合前期及补充勘探成果分析，除标贯判断不液化外，其余试验方法初判及复判均显示第②层中细砂为可能液化土，故需采取有效措施进行处理。

三、闸基础处理方案研究

对宁朗闸基础的地质条件和处理方案经过了预可、可研、招标和技施四个阶段的不断认识和研究的过程。

预可阶段考虑采用振冲碎石桩存在第③层的“穿透”问题，固拟对于泄洪、冲沙闸、左岸挡水坝、进水口及右岸部分挡水坝基础下第②含砾粉细砂层及第③层中的砂层透镜体采用旋喷处理。旋喷桩桩径0.8m，最大深度33m。根据分析，基础下软弱且有液化可能的第②层为成层状满铺河床，目前仅在水边布置有钻孔，其揭示河道靠右岸，就目前的方案右挡水坝段基础下第②层的分布存有变数，存在基础处理未落实的问题。

可研阶段对该夹砂层有了进一步的认识，基于基础地质参数的明确及该层对闸室稳定的影响主要表现在地震液化和动剪应力破坏，拟定了振冲处理和大开挖处理两个方案进行比较后，其中振冲碎石桩方案的振冲碎石桩量23520m，大开挖方案的覆盖层开挖量16.5万m³，振冲方案投资比大开挖方案节省108万元，推荐振冲方案。根据专家审查意见，由于基底应力较大，振冲方案可能难于满足承载力要求，因此，可研补充研究全闸基采用高喷桩处理方案，高压旋喷桩量18055m。经计算，振冲方案和旋喷方案均为可行方案，直接投资分别为1513万元和2772万元，仍以振冲方案为优。

随招标和技施阶段设计工作开展，需最终确定闸基础处理实施方案，但由于前期地勘工作的局限性，特别是所取得的砂层液化判别基础资料有一定发散性且研判指标值接近规定临界值，是否必须进行基础处理、选择何种处理方案、处理方案效果如何、是否存在优化空间成为招标设计阶段解决的问题，为此对宁朗水电站闸基中砂层液化问题开展专题研究。研究分三个阶段开展工作，第一阶段是进行勘探和试验工作；第二阶段是对勘探试验资料进行分析，根据经验进行宏观和微观的液化势的复核判别，形成初判结论；第三阶段，依据第二阶段成果和结论，开展材料动力特性和非线性分析和研究。

四、闸基静动力特性和非线性分析和研究

委托中国水利水电科学研究院岩土所进行了有关材料静、动力特性和非线性分析和研究，先后提出了《闸基第②层中细砂的液化势进行宏观和微观经验初判报告》、《覆盖层地基材料的静、动力工程特性试验研究报告》和《闸坝和地基系统三维静力、动力非线性应力变形分析和评价研究报告》。

4.1 闸基中细砂层的液化势经验判断

依据《水利水电工程勘察规范》(GB 50287-99），对宁朗水电站下闸址覆盖层中初判为可能液化的粉（粘）土质砂层进行了液化复判，包括建闸前天然场地条件下的液化复判和建闸后闸室下粉（粘）土质砂层在正常挡水情况下的液化复判。其中，天然场地条件下的液化复判又采用了相对含水量复判法、液性指数复判法和标准贯入锤击数法，建闸后闸室下粉（粘）土质砂层的液化判别采用标准贯入锤击数法。

采用标准贯入锤击数法对建闸前天然场地条件下的粉（粘）土质砂层进行液化复判时，又进行了粉（粘）土质砂层标贯试验点的液化判别和归一化标贯击数液化判别；对建闸后闸基下粉（粘）土质砂层的液化判别采用经归一化的标贯锤击数值。

(1) 建闸前天然场地条件下的液化复判结论如下：

① 相对含水量复判法或液性指数复判法

地震设防烈度为Ⅶ度时，天然场地条件下，闸址粉（粘）土质砂层砂层相对含水量均大于0.9，液性指数均大于0.75，各钻孔试验点均发生液化。

② 标贯试验点液化判别

地震设防烈度为Ⅶ度时，天然场地条件下，闸址粉（粘）土质砂层可能发生液化。近震时液化试验点为试验点总数的近42%，远震时液化试验点占试验点总数的50%。

上述液化试验点中包括因粘粒含量不能准确确定而取各钻孔试验点粘粒含量的小值平均值的两个钻孔试验点，即ZK101（16.7m）和ZK111。

③ 采用粉（粘）土质砂层统计特征参数的液化判别

地震设防烈度为七度时，天然场地条件下，标贯锤击数取13.7m深度处归一后的平均值，粘粒含量取各钻孔试验点粘粒含量小值平均值，近震时，粉（粘）土质砂层在15m深度范围内均发生液化，从各钻孔砂层埋深和砂层厚度来看，这相当于整个砂层有40%以上发生液化；远震时，粉（粘）土质砂层在整个深度分部范围内均发生液化。

(2) 建闸后闸室下粉（粘）土质砂层液化复判结论如下：

在地震设防烈度Ⅶ度时，闸基下粉（粘）土质砂层在正常挡水情况下，近震时不发生液化；远震时仅在闸基四个角点下的局部小区域内发生液化，在15m深度处液化区域最大，占闸基面积的不到4%。

以下插图2给出了锤击数和粘粒含量均取13.7m深度处归一的平均值时，闸基下粉（粘）土质砂层的可能液化区域云图。由图可见，锤击数和粘粒含量取平均值时，闸基下粉（粘）土质砂层在近震和远震时均不发生液化。

插图 2  闸基下粉（粘）土质砂层可能液化区域分布云图（=9.7，=5.28%）

4.2   三维静力、动力非线性应力变形分析和评价

4.2.1 计算方法及边界条件

(1) 分析方法

地基土体采用邓肯-张（Ducan-Chang）E-B非线性模型模拟，混凝土采用线弹性模型模拟，混凝土防渗墙与地基土的接触面采用薄层接触面单元模拟。

动力计算采用等效线性总应力法进行分析。采用等效粘弹性模型来模拟地基土的动应力应变特性，动力时程积分采用Wilson法。

采用应力法进行液化可能性判别。地震在土层中引起的动剪应力可由动力反应分析得到，以地震在土层中引起的动剪应力比（表示为CSR）来表征动力作用的大小，以一定振次下达到液化时所需要的动剪应力比（表示为CRR）来表征土抵抗液化的能力。

(2) 计算参数

各种材料的静力计算参数见表1，其中中细砂参数为试验结果，卵砾石参数为由设计单位根据试验结果和现场条件并参考其它工程经验确定，防渗墙接触面单元和防渗墙底沉渣单元参数，由设计单位参考其它工程经验和根据实际施工条件确定。防渗墙、闸、重力坝、铺盖及护坦等砼材料，均采用线弹性模型模拟，采用C20砼的参数。

表1 闸基础静力计算参数

(3) 有限元模型及边界条件

根据对宁朗水电站总布置和地质资料的分析，取定模型分析范围，建立的三维整体模型见插图3。基本方案和比较方案的有限元模型的区别见插图4。基本方案共有12382个单元、14270个节点。对各闸（坝）段间的结构缝，均采用薄层接触单元模拟。在闸与上游铺盖、闸与下游护坦间的结构缝，也采用薄层接触单元模拟。模型的边界约束为：在模型的上下游两端（y方向）约束y向自由度，在模型的底端三个自由度均约束。

4.2.2 静力计算成果分析

计算结果的主要特征值汇总于表2。

表2  方案静力计算结果特征值汇总表

(1) 基底应力分析

由插图4基底应力等值线图可见：闸坝基础表面z方向均为压应力，未出现拉应力。闸坝地基的应力分布不均匀，在闸室底部大部区域基底应力值约为100~200kPa，在闸室边缘出现明显的应力集中现象，基底应力最大值约为500kPa。这是因为闸坝的刚度相对于地基覆盖层的刚度大很多，可视为刚性基础，从而出现了基础边缘的应力集中。计算的基底应力分布符合刚性基础下地基应力分布的一般规律。闸坝地基的应力水平在闸室边缘处较高，达到0.8~0.9，闸室中部的应力水平普遍在0.5以下，这也符合刚性基础下应力水平分布的一般规律。从计算的基底应力和应力水平来看，地基的承载力满足要求。

(2) 沉降分析

拦河闸坝的各坝段、上游铺盖、下游护坦在竣工期产生了一定的沉降和相对的沉降差。总的规律是：闸坝沉降量最大发生在河床中央，即1#泄洪闸和2#泄洪闸的分缝处；沉降量向两岸逐渐减小。计算成果表明，闸室段的沉降较大，在竣工期闸室段的最大沉降达到14.2cm；蓄水期沉降略有增大，为15.4cm。由于地基的不均匀沉降，使得闸室间发生较大的不均匀沉降，各闸段间的沉降量和沉降差汇总于表4。最大沉降差发生在闸室和左右的挡水坝段之间。闸段和坝段间的最大沉降差竣工期为4.6cm；蓄水期为5.0cm；能满足《水闸设计规范》的要求。

表3  基本方案闸（坝）段间的沉降量及沉降差汇总表

注：闸室沉降指闸室左右两侧的z向位移；沉降差指闸室沉降缝两侧z向位移差。

(3) 防渗墙的应力位移分析

防渗墙布置在闸室底板上游侧。根据设计，防渗墙伸入闸底板，并与闸底板之间留有15cm厚的沥青玛缔脂作填充。因此，防渗墙顶部不直接承担闸的自重。方案竣工期防渗墙的沉降量为1.0cm，上部闸室的最大沉降量为14.2cm，闸底板与防渗墙之间不会接触。防渗墙在竣工期的最大大主应力为4.6MPa，最小小主应力为0.3MPa。蓄水期，防渗墙在上下游水压力差的作用下，产生了向下游的位移。防渗墙向下游位移最大值发生在砂层，约为7cm。蓄水期防渗墙的最大大主应力为4.9MPa，最小小主应力-1.5MPa。防渗墙的最小小主应力为拉应力，出现在砂层高程范围靠近两岸侧。

插图5  防渗墙位移及应力等值线图(蓄水期)

4.2.3 动力计算成果分析

（1）地震输入

根据四川省以“川震发防〔2007〕159号文”批复同意的《水洛河宁朗电站工程场地地震安全性评价报告》：宁朗水电站闸址的地震基本烈度为Ⅶ度；相应50年超越概率为10%的基岩水平峰值加速度分别为106cm/s²。工程主要水工建筑物为3级，根据《水工建筑物抗震设计规范》(DL5073-2000），抗震设防类别为乙类，抗震设计烈度为基本烈度Ⅶ度。基岩输入地震的顺河向加速度峰值为＝106cm/s²，地震持续时间为35s。取地震时坝前水位为正常蓄水位，即取正常蓄水位下的应力状态为动力计算的初始应力状态。

(2) 材料动力参数

根据共振柱试验确定的各土层的动模量和阻尼比参数见表4。

表4  动力计算参数

（3）砂层液化判别标准

根据对粉细砂进行的饱和固结不排水条件下的往返加荷动三轴试验得到的试样动应力过程线、动孔压过程线和动变形过程线，以初始液化或轴向应变值达到5%作为破坏标准，得到粉细砂的动强度试验结果（以动剪应力比与破坏振次Nf 的关系曲线表示）见图5。

插图6  粉细砂的动剪应力比与破坏振次的关系曲线

按地震震级7级至8级对应的等效破坏振次为12次至30次，7.5级为15次，8.5级为26次。由三轴试验结果，根据公式可确定取该砂的抗液化剪应力比CRR（7级地震）为0.162，CRR（8级地震）为0.152。

（4）动力计算结果及分析

动力计算成果表明，在VII度地震作用下，地基覆盖层第2层中细砂层的动剪力较大，最大动剪力约为50kPa。由于闸基下土层的上覆压力大，动剪应力比不大，闸基下的砂层抗液化安全系数最小为1.25，不会发生液化。但是在闸的上下游侧，由于靠近闸，受闸的振动影响，在基础覆盖层产生的动剪力比较大，同时上覆压力又比较小，最大动剪应力比达到0.3，中细砂发生液化。

VIII度地震作用下闸坝的动力反应分析，基岩地震峰值加速度为219cm/s²。在VIII度地震作用下（基岩），闸基下中细砂层的抗液化稳定安全系数最小为0.7，闸基及闸上下游较大面积砂层发生液化。计算得到的砂层液化分布见图7。

4.3三维静力、动力非线性应力变形分析小结

通过对闸坝及地基整体三维有限元静力应力变形及动力响应计算，可得出以下结论：

(1)  闸坝基础表面主要为压应力，未出现拉应力。闸坝地基的应力分布不均匀，在闸室底部大部区域基底应力值约为100~200kPa，在闸室边缘出现明显的应力集中现象，基底应力最大值约为500kPa。闸室中部的应力水平普遍在0.5以下，边缘应力水平较高。从计算的基底应力和应力水平来看，地基的承载力满足要求。

(2)  拦河闸坝的各坝段、上游铺盖、下游护坦在竣工期产生了较大的沉降和相对的沉降差。竣工期闸室的最大沉降达到14.2cm；蓄水期沉降略有增大为15.4cm。 由于地基的不均匀沉降，使得闸室间发生较大的不均匀沉降，最大沉降差发生在闸室和左右的挡水坝段之间，闸段和坝段间的最大沉降差竣工期为4.6cm；蓄水期为5.0cm。防渗墙的应力均不大，最大压应力为4.9MPa，最大拉应力1.5MPa。

(3)  在地基不加固的情况下，在VII度地震作用下，地基覆盖层第2层中细砂层的动剪力较比较大，最大动剪力约为50kPa，由于闸基下的上覆压力大，动剪应力比不大，闸基下的砂层抗液化安全系数最小为1.25，不会发生液化；但是在闸的上下游侧，由于靠近闸，受闸的振动影响，在基础覆盖层产生的动剪力较比较大，同时上覆压力又比较小，最大动剪应力比达到0.3，中细砂要发生液化。在VIII度地震作用下，闸基下中细砂层的抗液化稳定安全系数最小为0.7，闸基及闸上下游较大面积砂层发生液化。

(4)  综合静动力计算结果，三维静力、动力非线性应力变形分析表明需对闸基可液化砂层进行处理。

五、振冲处理方案设计

鉴于闸下第②层中细砂总体上结构松散，力学性质较差，存在液化可能性，必须对闸基下第②层中细砂采取有效的基础处理措施，可研阶段推荐采取的振冲处理方案可行。经进一步专题研究工作，确定振冲处理方案为实施方案。

拟定的1.5×1.5m、1.8×1.8m、2.0×2.0m三种桩距布置方案，通过沉降量安全余度、工程量、施工工艺和工期综合考虑，依据《水闸设计规范》 “最大沉降不宜超过15cm” 的要求，选定1.8m方案桩距方案，该方案处理后沉降量13.7cm，满足规范要求并有一定余度。具体设计：桩间距1.8m，桩直径0.8m，梅花形布置，桩长7.69m~19.00m，桩体材料采用含泥量不大于5%的碎石或砾石，粒径20mm~150mm。振冲处理方案的估算工程量15167m，直接投资743.21万元，估算直接投资比可研报告项目减少1090.51万元。

六、结语

宁朗电站采用长引水式开发，首部枢纽属典型的闸坝布置，最大闸坝高度27.5m，接近中低闸分界高度30m，且建基于河床覆盖层，相应对覆盖层基础的承载力和压缩模量要求较高。而宁朗闸基础覆盖层深厚达48m，中间夹5-10m厚的中细砂层，液化砂层试验指标介于规范判别标准的临界值范围。按常规类似电站的基础处理思路，对可能液化的砂层多以经验方法为主，缺乏对枢纽建筑物和基础联合变形和应力特点的认识，特别是动力条件下的液化判别标准问题较为模糊。宁朗电站由于业主对工程安全性和经济性的诉求，设计单位有条件开展了闸基础的材料静力和动力参数试验，通过三维静力、动力的非线性有限元分析，深入了解的闸、液化砂层基础的变形和应力特性，为最终方案选择、优化提供了有力保证，不仅使工程按期实施，也为业主节省了投资。