高地震區深厚覆蓋層高閘壩設計探索

摘 要：在高地震地區深厚覆蓋層基礎上修建高閘壩，主要涉及基礎條件、基礎處理等技術問題。本文結合小天都水電站首部樞紐施工過程中遇到的主要問題，從閘壩應力計算分析、基礎處理、基礎不均勻沉降控制等方面進行了研究，為覆蓋層上建高閘壩提供了寶貴的經驗。

關鍵詞：高閘壩 不均勻沉降 基礎 小天都水電站

中圖分類號：TU2文獻標識碼：A文章編號：1674-098X（2012）09（b）-0039-02

1 引言

近年隨著水電開發的不斷推進，地處高地震地區水電工程也相繼建成投產，特別是在山區河流上河床比降較陡，需要修建高閘壩獲得一定的調節庫容。對處在高地震地區深厚覆蓋層上的高閘壩設計存在一定的技術難度。在設計過程經常遇到基地應力計算分析、基礎不均勻沉降控制、基礎處理等方面的幾個問題。

2 設計過程中主要碰到的技術問題

2.1 高閘壩基底應力計算分析

在高閘壩體型和高閘壩基底應力計算中，經常遇到基地大小應力不均勻系數偏大，特別是在強地震工況下，甚至會出現超規范的情況。地震工況經常成為控制性工況。因此在設計過程中，應充分考慮閘室長度以及擋水壩的體型設計，使體型勻稱，在各種工況下基底應力均能較好的分布，減小基底大小應力比值。

2.2 基礎處理

深厚覆蓋層上建高閘壩，基地應力一般較大，對基礎承載力要求較高，一般均需要進行基礎處理提高承載力。因此在壩址選擇時應充分考慮基礎地層的可塑性，即進行基礎處理是否能夠大幅提高其物理力學指標，以達到預期的效果。在基礎處理設計時，應結合不同閘（壩）段的基底應力分布特點和基礎條件，有針對性的進行處理。

2.3 基礎不均勻沉降控制

由于覆蓋層組成較為復雜，基礎本身存在不均勻性，再加之閘壩結構的特殊性，閘與壩相鄰部位，基礎應力分布不同，經常會產生基礎不均勻變形，一旦變形太大，將影響閘壩的止水結構，進而影響建筑物的正常運行。因此在高閘壩設計時一定要充分考慮基礎不均勻變形問題。在加強基礎處理，提高基礎承載力的同時，應采取措施減小相鄰壩段的基礎不均勻性。

3 小天都電站閘壩設計

3.1 工程概況

小天都水電站為低閘引水式電站，中型Ⅲ等工程，永久性主要建筑物級別為3級。首部樞紐攔河閘壩正常蓄水位2157.00m，壩頂高程2158.50m，通過右岸長6.03km的“一坡到底”高壓引水隧洞、氣墊式調壓室及長約489m的埋藏式壓力管道引水至日地建地下廠房發電，電站裝機容量240mW。軟基上建混凝土閘壩最大壩高39.00m、建混凝土重力壩最大壩高37.70m，為當時亞洲覆蓋該層上建成的最高混凝土閘（壩）。沿閘軸線方從左至右分為10個壩塊，其中1#、2#、3#壩塊為左岸擋水壩，4#、5#壩塊為泄洪閘，6#壩塊為沖砂閘，7#壩塊為排污閘，8#、9#、10#壩塊右岸擋水壩。

工程區位于鮮水河地震帶、安寧河地震帶及龍門山地震帶的交匯部位，電站閘址區地震基本烈度為Ⅸ度。閘址區河床覆蓋層深厚，勘探揭示的河床覆蓋層最大厚度96m。由下至上依次冰水堆積層、湖相堆積層粉土質砂或粉土層、冰水堆積層漂、沖積堆積層漂卵石夾砂層、崩坡積塊碎石土層、崩積孤塊碎石層。

左岸擋水壩1#壩塊基礎置于花崗巖巖體上，2#、3#壩塊基礎，除上游部分置于沖積層漂卵石夾砂和崩坡積層塊碎石土的混合堆積體上，2#壩塊左側少部分置于基巖上外，其余均置于沖積層漂卵石夾砂層上；泄洪閘、沖砂閘、排污閘基礎全部置于沖積層漂卵石夾砂層上；右岸擋水壩除8#壩塊基礎置于沖積層漂卵石夾砂層上外，9#、10#壩塊建基于基巖。在漂卵石夾砂層中分布有厚度不等的砂層透鏡體，因埋深較淺且處于高地震烈度區，可能會產生液化。

3.2 閘（壩）基應力計算分析

根據閘址區地質條件、覆蓋層物理力學指標參數對閘壩體型斷面進行了初擬，對建筑物不同水位運行工況下閘壩的抗滑穩定及基礎應力進行了計算，對應力分布不合理的壩體斷面進行調整，反復試算后，確定閘壩體型。確定閘壩斷面體型后，分別對沖沙閘、泄洪閘及左、右岸主要擋水壩段的抗滑穩定和閘壩基底的應力情況進行了計算分析。固結灌漿施工后的檢測成果表明：固灌后的地基建基面允許承載力均可達到約0.7MPa。主要控制工況計算結果如（表1）。

3.3 基礎處理

閘壩基礎處理主要包括防滲墻、固結灌漿、帷幕灌漿、砂層透鏡體處理、局部工程措施處理等幾個方面，在此主要對固結灌漿、砂層透鏡體處理進行探討。

3.3.1 閘壩基礎加固處理

根據閘、壩的應力計算結果，在正常蓄水組合地震工況下，基底出現最大應力值。

擋水壩段基礎應力最大為0.64MPa，平均基底應力最大為0.48MPa，在地基允許承載力0.45～0.54MPa范圍內；泄洪閘和沖沙閘基礎應力最大為0.59MPa和0.75MPa，平均基底應力最大分別為0.46MPa和0.52MPa，在地基允許承載力0.45～0.54MPa范圍內。鑒于本工程閘址區屬IX度地震區，閘、壩最大高度達39.0m和37.7m，為減少基礎的不均勻沉降，保證閘壩的安全，采用固結灌漿對閘、壩基礎的覆蓋層進行加固處理，固結灌漿的深度為10～15m，間、排距為1.5～2.5m。固結灌漿實施后通過檢查孔的N120超重型動力觸探試驗（16個檢查孔，共計181組）測得灌后承載力基本不小于0.7MPa。經過基礎處理后，最大基底應力基本在灌后承載力范圍之內。

3.3.2 基礎砂層透鏡體處理

樞紐布置上充分考慮砂層透鏡體的埋藏深度，利用原地形盡量少開挖，增加砂層頂部的壓重等措施，減小處理范圍，對必須處理的砂層透鏡體，采用置換灌漿進行處理，工序采用先固灌后置換灌漿，根據固灌造孔返砂及固灌情況確定置換灌漿位置。通過用高壓風水沖切砂層透鏡體，使孔間產生串通，再通過主、副孔的切換，將砂沖洗出孔外，之后灌入水泥漿液，形成在一定范圍內有較好連續性的水泥結石，消除了砂層透鏡體地震液化的可能性。置換灌漿處理后通過N120超重型動力觸探試驗（15個檢查孔，共計145組）測得灌后承載力基本不小于0.7MPa。通過上述處理后，對壩基進行了加固，解決了砂層透鏡體地震液化問題。

3.4 基礎不均勻沉降控制

3.4.1 三維靜動力分析

可研階段對攔河閘壩結構及地基進行三維有限元靜力分析和動力響應分析，計算閘壩結構及地基在竣工期、運行期和地震作用下的變形和應力分布狀況。分析表明，地基沉陷值大部分在竣工期已經完成，運行期由水荷載引起的地基鉛直變位略向上回彈，運行期泄洪閘基底最大沉陷值為14.8cm，較竣工期的最大沉陷值增加了0.5cm。在地震工況下，地基沉陷相對竣工期變化不大。其中，橫河向地震工況下閘基最大沉陷值為11.8cm，順河向地震工況下閘基最大沉陷值為14.0cm。

竣工期地基不均勻沉陷對結構應力的影響不可忽視，在閘室底板底部及胸墻與閘墩交接處均產生了較大的拉應力。因此，設計及施工中應采取必要的措施，盡量控制并減小閘壩地基的不均勻沉陷，以改善結構的應力狀況。

3.4.2 工程措施

為減小壩基沉降，特別是不均勻沉降，主要考慮提高基礎承載力，通過減小總體沉降量，進而減小不均勻沉降。根據基礎開挖揭示的地質條件，適時對固結灌漿參數進行調整加強，以達到與周邊基礎承載能力的協調一致。同時對岸邊壩段、取水口、閘壩與鋪蓋相接處、閘壩與護坦相接處，相應進行加固處理，對取水口、閘軸線上游5m范圍、擋水壩壩踵上游3～5m范圍基礎進行固結灌漿處理，以減小閘壩與其相鄰建筑物之間的沉降差。

由于兩岸部分擋水壩段基礎為基巖，因此對基覆分界線附近的基礎均進行了單獨處理。根據基巖出露情況，左岸1#壩段基礎為花崗巖，2#壩段基礎部分為漂卵石夾砂層，3#壩段基礎為漂卵石夾砂層，基礎不均勻沉降問題突出，針對具體的地質條件，沿2#、3#壩段分縫樁號，建基面高程有基巖出露的部位進行預裂爆破，預裂深度3～4m，并對2#壩段基礎出露的基巖進行松動爆破，使基礎剛度趨于均勻，減小了不均勻沉降變形。

根據8#、9#壩段基礎的基、覆分界線出露位置，對8#、9#壩段分縫位置進行調整，使8#壩段基礎大部分置于漂卵石夾砂層上，9#壩段基礎置于花崗巖上。壩段之間的沉降縫采用異型縫，8#壩段壩趾橫河方向加寬3m，9#壩段壩趾橫河方向相應縮窄，處理后不但減小了基礎不均勻沉降，而且增加了8#壩段基礎面積，減小了8#壩段基礎應力。此外對調整分縫后8#壩段基礎范圍內仍出露的部分基巖進行挖除，挖除深度為建基面以下3m，采用級配良好的砂卵礫進行回填。同時對9#壩下游小范圍分布的的覆蓋層基礎進行固結灌漿，灌漿深度從建基面至基巖頂板。

電站自2005年蓄水發電開始，安全監測成果表明左岸擋水壩段沉降量小于右岸擋水壩段，左岸擋水壩最大沉降量為22.59mm，出現在左岸3#擋水壩段，右岸擋水壩段最大沉降量為29.68mm，出現在7#壩段。河床壩段沉降量比較均勻，沉降量最大為29.68mm。壩段之間最大沉降量差為15.11mm，出現于左岸1#與2#擋水壩段之間，由于兩個壩段基礎分別為基巖和覆蓋層，基礎沉降量差較大，但差值在允許范圍之內。

4 結語

覆蓋層上建高閘壩的關鍵在于基礎條件，在具有較強可塑性的基礎上，通過基礎處理，在一定程度上可以解決基礎承載力、基礎沉降等方面的缺陷。因此在高地震地區深厚覆蓋層上修建高閘壩是可行的。

參考文獻

[1]梁炯鋆.錨固與注漿技術手冊[M].中國電力出版社，1999.

[2]毛昶熙.閘壩工程水力學與設計管理[M].水利電力出版社，1995.