托口水电站厂房尾水桥基础持力层分析评价及选择

黄团伟， 陈思宇， 李小雄

(中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，湖南 长沙 410014)

1 工程概况

托口水电站枢纽位于湖南省洪江市境内的沅水上游，电站装机规模830 MW，年平均发电量21.90亿kWh，属一等大(1)型工程。工程枢纽采取分散型布置，由拦河坝(主坝)、王麻溪引水坝和发电厂房、通航建筑物等工程组成。

尾水桥桥址位于王麻溪副坝发电厂房下游约350 m处。桥型为七跨简支预应力梁桥，设计桥面净宽7 m，设计荷载：汽车荷载：城-A级，人群荷载：3.5 kPa，公路等级为三级。

2 桥位区岩(土)层基本情况

综合平面地质测绘及钻探成果，场区内揭露地层由新至老依次为：

(1)人工堆积物(Q4s)：为块、碎石土，厚度0～4.5 m，结构松散。

(2)Ⅰ级阶地堆积物(Q4pal)：粉质、粉砂质黏土夹少量卵砾石组成，厚度7.7～15.3 m，分布于0号桥台至5号桥墩范围。

(3)石炭系中上统壶天群(C2+3)：浅灰、灰白色厚层、巨厚层白云质灰岩，中部夹紫红色砾岩、含砾粉砂质泥岩夹层，总厚度大于75 m，夹层厚度6～9 m。缝合线构造和底部砾岩不明显，与下伏的Zant地层呈不整合接触。

(4)震旦系下统南沱组(Zant)：紫红、灰绿色巨厚层冰碛含砾泥岩、含砾板岩厚度约4.7 m，强风化状，岩体较破碎。

震旦系下统江口组(Zaj)：根据岩性差异，分为两段(Zaj1、Zaj2)：

(5)上段Zaj2：青灰、灰色或少量灰绿色厚层、巨厚层状粉砂质板岩夹灰绿色条带，与Zaj1呈整合接触，分界标志明显，为一炭质页岩夹层。

(6)下段Zaj1：灰绿、浅灰色厚层、巨厚层状含砾凝灰质砂岩夹粉砂质板岩，厚度34～38 m，岩体较完整。

3 岩溶及软弱夹层基本特征

3.1 岩溶基本特征

勘探表明，桥址区的石炭系壶天群(C2+3)地层存在岩溶类型属碳酸盐岩的岩溶，按水动力特征属近河谷排泄基准面岩溶。

桥址区灰岩岩溶发育主要受岩性及构造控制，岩溶发育总体表现为沿层面及主要构造带延伸的特点。在平、剖面上常见带状、层状或串珠状溶蚀，若无明显构造影响，不同的层位或构造中岩溶一般相互独立，互通性差。钻孔岩溶发育情况统计见表1，桥址区遇岩溶钻孔物探CT成果见图1。

表1 尾水桥钻孔岩溶发育情况统计表

图1 尾水桥岩溶钻孔CT扫描剖面成果图

桥址灰岩区10个钻孔中，遇岩溶钻孔4个(遇溶洞总数23个)，未遇岩溶钻孔6个。钻孔揭露情况有如下几点：(1)中、上部岩溶较深部发育，溪沟(场地)中部岩溶较左岸发育；(2)各墩、台中，以4号桥墩最发育，钻孔线岩溶率达32.8%～35.12%，2号桥墩次之，0号桥台和1号桥墩不发育；(3)同一部位也存在差异，如2号、3号桥墩各2个钻孔中一孔遇岩溶，一孔未遇岩溶；(4)溶洞一般直径小于2 m，仅一个直径达4.3 m，总体规模较小；(5)溶洞充填与未充填数各半，主要充填物为黏土夹砂、砾。钻孔QZK4～QZK8物探CT扫描成果表明，各溶洞及溶蚀带表现为相间分布，相互之间的连通特征不明显，具相对独立性。

3.2 软弱夹层基本特征

勘探揭露软弱夹层为不整合接触带与炭质页岩夹层。

不整合接触带：分布于③石炭系中上统壶天群(C2+3)地层与下伏④震旦系下统南沱组(Zant)地层之间，不整合接触带为一层黑至黄褐色含炭质黏土，软塑～可塑状，物理力学性质差，钻孔揭露厚度1.1～2.2 m。

炭质页岩夹层：分布于震旦系下统江口组上段⑤Zaj2与下段⑥Zaj1之间，钻孔揭露(垂直)厚度约5 m，破碎呈片状，遇水易软化，物理力学性质差。

4 基础持力层分析

王麻溪引水坝尾水渠及引航道(通航建筑物)开挖后，除0号桥台基础残留第四系Ⅰ级阶地堆积物外，其他墩、台位置第四系及全风化岩体可全部挖除，其中2～4号桥墩强风化岩体也已基本挖除，根据岩土试验成果，桥址Ⅰ级阶地堆积低液限黏土有一定的承载强度，可作为承载强度要求不高的桥台基础持力层考虑，残余强风化岩体因岩体破碎，均一性差，厚度变化大，不宜做为基础持力层，其他中风化～新鲜的各地层岩体完整性较好，强度较高，均可作为桥梁墩、台基础的持力层，但应结合基础以下溶洞和软弱夹层(包括不整合接触带与炭质页岩夹层)的分布情况综合考虑选择基础持力层。各岩(土)体物理力学指标地质建议值详见表2～表3。

表2 岩体主要物理力学性质指标地质建议值表

表3 Ⅰ级阶地土物理力学指标地质建议值表

5 基础持力层评价及选择

综合上述结果， 尾水桥桥梁基础方案选择遵循以下要求：溶洞位于尾水底板开挖面高程5 m以下且溶洞以上地质承载力较好(允许承载力≥600 kPa)，优先采用明挖基础以避开溶洞对桥梁下部的影响；溶洞距尾水底板开挖面较深(大于10 m)，溶洞以上地质情况不理想，应采用桩基础，桩端穿过岩溶发育区进入下部稳定基岩。

0号桥台：设计可根据荷载及结构要求选择扩大基础，以②为层土体为基础持力层，或选择嵌岩桩基础以③层中的中风化岩为基础持力层。采用嵌岩桩基础时，应查明桩端以下岩溶情况，确保桩端以下可靠岩基厚度满足设计要求。

1号桥墩：该部位基础岩溶程度较弱，宜采用明挖扩大基础，以③层中的中风化岩为基础持力层，并对基础以下5 m范围地基进行固结灌浆处理。

2号桥墩：该部位基础局部岩溶程度较强，主要岩溶分布高程181～190 m，尾水渠按设计高程186 m开挖后，主要岩溶残留厚度约5 m，建议采用明挖扩大基础，以③层中的中风化岩为基础持力层，挖除并置换主要岩溶岩体，并对高程176 m以上地基进行固结灌浆处理。

3号桥墩：尾水渠按设计高程186 m开挖后，桥墩位置覆盖层及强风化基岩均被挖除，基岩地层为③层C2+3，下限埋深大于40 m，顶部为中风化砾岩、含砾粉砂质泥岩夹层，残留厚度5.5～6 m，建议采用明挖扩大基础，以顶部中风化岩为基础持力层。

4号桥墩：尾水渠按设计高程186 m开挖后，覆盖层大多被挖除，下伏基岩为③层C2+3和④层Zant。③层C2+3岩溶发育强烈，遍布整层，底部C2+3/Zant不整合接触带为一层黑色含炭质黏土，软塑～可塑状，④层Zant顶部受构造影响风化剧烈，岩体呈强风化状，厚度约5 m。③层C2+3及④层Zant顶部基岩，均难以满足墩基要求，建议采用嵌岩桩基础，以④层Zant中的中风化岩为基础持力层。

5号桥墩：尾水渠按设计高程186 m开挖后，覆盖层及全风化岩体可全部挖除。下伏③层C2+3残留最小厚度仅约4 m，底部C2+3/Zant不整合接触带黑至黄褐色含炭质黏土呈软塑～可塑状，④层Zant厚度约5～7 m，呈强风化状，岩体破碎，⑤层Zaj2顶部分布厚度约2 m的强风化岩体。虽然③层C2+3岩溶不发育，但其残存厚度较小，且底部C2+3/Zant不整合接触带为一软塑～可塑状软弱夹层，④层Zant和⑤层Zaj2强风化岩体均性状较差，均难以满足墩基要求，建议采用嵌岩桩基础，以⑤层Zaj2中的中风化岩为基础持力层。

6号桥墩：尾水渠按设计高程186 m开挖后，覆盖层及全风化岩体可全部挖除，基岩为⑤层Zaj2和⑥层Zaj1。⑤层Zaj2残留厚度约25 m，强风化厚度1～3 m，底部炭质页岩夹层厚度约3 m，夹层顶面埋深约18～21 m。建议采用明挖扩大基础，以⑤层Zaj2中的中风化岩为基础持力层。

7号桥台：尾水渠边坡按设计开挖后，桥台部位覆盖层及全风化岩体可全部挖除。基岩残留厚度8～10 m，底部炭质页岩夹层(垂直)厚度约5 m，顶部强风化岩厚度3～5 m，岩体破碎，⑤层顶部强风化岩体及底部炭质页岩性状均差，不宜做基础持力层。建议采用嵌岩桩基础，以⑥层Zaj1中的中风化岩为基础持力层。

6 设计和施工建议

(1)桥梁墩、台基础开挖后应及时封闭，避免扰动或暴露后持力层风化破碎，桥墩采用嵌岩桩基础时，桩端应进入较完整的中风化基岩之中，明挖扩大基础的埋深须大于尾水渠的冲刷深度。

(2)当尾水渠底板无防护时，应对墩周一定范围内的不整合接触带、岩溶、风化破碎岩体进行防护，必要时进行刻槽回填混凝土处理。

(3)1、2号桥墩位于引航道进(出)口部位，应对桥墩设置预防船只冲撞的保护措施。

(4)桥址区墩、台基础多数位于岩溶区，应采取措施保证基础置于完整可靠的岩基上，并对地基进行必要的检测。

(5)基础施工时，应作好地下水的疏排工作，特别是多数桩基位于沅水河水位以下，应准备充足的抽、排水设施，避免地下水影响施工安全与质量。同时，应加强施工验槽工作，若发现与本报告出入较大的不良地质问题，应及时会同设计、施工协商，进行动态设计。