巖溶地區(qū)混凝土重力壩設(shè)計(jì)及基礎(chǔ)處理

于野 唐昕 齊穎 遇夢(mèng)

本文以大興水利樞紐工程為例，介紹了通過(guò)壩基設(shè)齒槽、壩基灌漿和壩肩長(zhǎng)帷幕灌漿的處理方式使工程滿足安全需要，以期為巖溶發(fā)育地區(qū)工程防滲積累必要的經(jīng)驗(yàn)。

1 工程地質(zhì)條件

大興水利樞紐工程壩址區(qū)地層主要由清虛洞組灰?guī)r及第四系組成，壩基地層為清虛洞組下段條帶狀灰?guī)r、薄層-中厚層灰?guī)r夾少量泥質(zhì)灰?guī)r，屬堅(jiān)硬巖。河床表部為弱風(fēng)化巖體，厚度2.0～2.3 m。在右岸及河床部位，距離建基面6～8 m地層中發(fā)育有一層連續(xù)性較好的泥質(zhì)條帶狀灰?guī)r夾層，該夾層與灰?guī)r間層面無(wú)充填，抗剪強(qiáng)度較低，對(duì)壩基深層抗滑穩(wěn)定存在一定影響。

壩基無(wú)大斷層和較大溶洞存在，產(chǎn)生集中滲漏的可能性不大，壩基滲漏為裂隙式滲漏。兩岸岸坡溶洞較發(fā)育，溶洞口規(guī)模不大，可能存在管道式集中滲漏。根據(jù)鉆孔壓水試驗(yàn)成果，壩基巖體滲透性總體屬弱透水（q=1～10 Lu），壩基巖體滲透性隨深度的增加有逐漸減小的趨勢(shì)。

2 壩體結(jié)構(gòu)布置

本樞紐大壩全長(zhǎng)98.0 m，從左到右共分6個(gè)壩段，分別為：左岸擋水壩段長(zhǎng)28 m，分2個(gè)壩段；溢流壩段長(zhǎng)40 m，分2個(gè)壩段；右岸擋水壩段長(zhǎng)30 m，分2個(gè)壩段。泄水建筑物為河床溢流壩段及下游消力池，共設(shè)3個(gè)表孔，設(shè)閘門(mén)控制泄流，溢流堰頂高程507.0 m。

壩體斷面按實(shí)體混凝土重力壩設(shè)計(jì)，按單寬驗(yàn)算壩體穩(wěn)定和應(yīng)力。壩體斷面基本三角形的選定以建基面抗滑穩(wěn)定及壩體應(yīng)力滿足規(guī)范要求為準(zhǔn)則，擬定不同的上下游壩坡，通過(guò)斷面優(yōu)化，選出最佳斷面，再結(jié)合壩體結(jié)構(gòu)及水力學(xué)條件等要求進(jìn)行局部修正，適當(dāng)修改使各個(gè)壩段壩體在外觀上協(xié)調(diào)一致。最終設(shè)計(jì)斷面如下：基本三角形頂點(diǎn)位于518.0 m高程，下游面在505.14 m高程以上鉛直，以下坡比1∶0.7；上游面490.0 m高程以上鉛直，以下坡比1∶0.1。壩頂寬9 m，壩頂高程517.0 m，最低建基面高程465.0 m，最大壩高52.0 m，大壩上游490.0 m以上豎直，以下坡比1∶0.1；下游坡比1∶0.7，最大斷面寬度41 m。

3 基礎(chǔ)處理方案

壩基弱風(fēng)化巖體裂隙較發(fā)育，巖體完整性較差，需要進(jìn)行處理。對(duì)于壩基揭露的分布的溶洞、破碎帶需進(jìn)行專(zhuān)門(mén)處理。為提高基巖的整體性和強(qiáng)度，改善壩基應(yīng)力不均勻性及降低地基的透水性，對(duì)大壩基礎(chǔ)進(jìn)行以下處理。

3.1 壩基開(kāi)挖

壩基風(fēng)化帶巖體力學(xué)強(qiáng)度較低，裂隙張開(kāi)并有泥質(zhì)充填。對(duì)于中高壩，河床壩段將弱風(fēng)化巖體大部分挖除，使壩基基本坐落在弱風(fēng)化-微新巖體上；兩岸地層風(fēng)化較深，新鮮基巖坡度較陡，為滿足壩體縱向穩(wěn)定，將兩岸壩肩建基面挖至弱風(fēng)化的下部，使大壩落在一個(gè)左右岸大致對(duì)稱而又新鮮的基巖上，以保證壩基巖體有足夠的剛度和承壓強(qiáng)度。

3.2 固結(jié)灌漿

為提高壩基巖體承載力，加強(qiáng)基巖整體性、各向均一性及尾巖抗力，改善基巖的抗?jié)B性能，本工程對(duì)大壩基礎(chǔ)及消力池上游底板進(jìn)行固結(jié)灌漿處理。固結(jié)灌漿孔間、排距為3.0 m，梅花形布置，孔深5 m。實(shí)際固結(jié)灌漿布孔與孔深時(shí)，對(duì)基礎(chǔ)巖體軟弱的部位采取局部加密孔距、加大孔深進(jìn)行處理。

3.3 壩基防滲和排水

3.3.1 帷幕灌漿

由于壩址兩岸地下水位低于庫(kù)水位，且壩址區(qū)巖體滲透性不均一，蓄水后將存在繞壩和壩基滲漏問(wèn)題。壩基無(wú)較大溶洞和大斷層存在，產(chǎn)生集中滲漏的可能性不大，壩基滲漏為裂隙式滲漏。兩岸岸坡溶洞較發(fā)育，溶洞口規(guī)模不大，可能存在管道式集中滲漏。根據(jù)壩址區(qū)地下水運(yùn)動(dòng)規(guī)律及巖體的滲透特性，壩基防滲采取帷幕灌漿與排水相結(jié)合的工程措施，其主要目的為控制承壓水的影響、降低壩基揚(yáng)壓力、減少并控制繞壩和壩基滲漏量、防止泥質(zhì)夾層部位發(fā)生滲透破壞。壩基及兩岸防滲帷幕設(shè)計(jì)形成封閉系統(tǒng)，其深度按巖體透水性和巖溶發(fā)育情況綜合確定。

壩址區(qū)巖溶發(fā)育程度隨深度增加而減弱，河床部位巖溶發(fā)育程度較弱，巖溶滲漏問(wèn)題相對(duì)簡(jiǎn)單，因此，壩基帷幕深度以透水率控制，河床段帷幕深約20 m。兩岸巖體隨著深度的增加，地下水徑流強(qiáng)度、循環(huán)交替和溶蝕、侵蝕能力逐漸減弱，兩岸巖溶發(fā)育強(qiáng)度也相應(yīng)減弱。壩肩巖體∈1q1-1為薄-中厚層狀灰?guī)r，裂隙不發(fā)育，微透水性，巖溶不發(fā)育，可作為壩基防滲相對(duì)隔水層，帷幕底進(jìn)入本單元地層5～10 m為宜，兩岸帷幕灌漿深度為21～52 m，局部范圍內(nèi)適當(dāng)加深。

為使帷幕、排水保持連續(xù)性，控制繞壩滲流的問(wèn)題，帷幕兩頭由壩肩向兩岸延伸至地下水與正常蓄水位相交處，左、右岸防滲帷幕長(zhǎng)分別為609 m和541.5 m，延伸長(zhǎng)度可滿足水庫(kù)防滲要求。考慮巖溶地區(qū)巖體滲透性的不均一，壩基及兩岸局部巖溶較發(fā)育部位采用雙排帷幕灌漿孔，其余為單排孔，右岸帷幕線覆蓋層部位采用固結(jié)灌漿+雙排帷幕灌漿相結(jié)合方式，以保障幕體形成，確保灌漿質(zhì)量。

3.3.2 壩基排水

在壩基帷幕線下游設(shè)置1道排水孔幕，與帷幕線構(gòu)成一個(gè)相對(duì)完整的壩基防滲排水系統(tǒng)，以排除透過(guò)帷幕的滲水及基巖裂隙中的潛水，降低揚(yáng)壓力，保證壩體的穩(wěn)定。壩基巖體透水性隨深度增加而透水性減弱，兩岸透水率小于5 Lu巖體一般在壩基下15～20 m，可作為壩基防滲相對(duì)隔水層，壩基排水孔需深入該層。

排水孔向下游傾斜5°，孔深10 m，孔距2.5 m，孔徑200 mm。

3.4 溶洞處理

庫(kù)區(qū)溶洞發(fā)育，調(diào)查發(fā)現(xiàn)溶洞60個(gè)，主要發(fā)育于河谷岸坡及洼地周邊，多沿裂隙或順層發(fā)育。洞口形態(tài)呈扁長(zhǎng)形、近橢圓形或不規(guī)則形，洞徑一般1～5 m，大者10～20 m，洞身長(zhǎng)短不一。壩址處河谷兩岸岸坡溶洞較發(fā)育，溶洞口規(guī)模不大，左岸溶洞均發(fā)育在壩線上游，右岸少數(shù)溶洞位于壩線上游，大部分發(fā)育高程高于水庫(kù)正常蓄水位。溶洞處理措施如下。

（1）庫(kù)區(qū)內(nèi)的溶洞，根據(jù)溶洞進(jìn)出口高程、匯流面積及蓄水后可能形成的滲漏通道，采用以下處理方式：①基本無(wú)匯流面積、溶洞內(nèi)基本為干洞的，采用進(jìn)口及出口清理、擴(kuò)挖，并回填混凝土塞處理。②溶洞進(jìn)口高程低于正常蓄水位，且地表有出流通道的，進(jìn)、出口清理，擴(kuò)挖，并回填混凝土塞處理。③溶洞進(jìn)口高程高于正常蓄水位或低于正常蓄水位，但沒(méi)有出流通道的，不進(jìn)行處理。

（2）與帷幕線相交的溶洞，采用灌注細(xì)石混凝土或砂漿處理。對(duì)巖溶滲漏通道，采取落水洞擴(kuò)挖，采用混凝土塞處理，并對(duì)溶洞進(jìn)行封堵。

（3）施工期根據(jù)遇到的溶洞具體情況，采取具體的處理措施。

4 壩體穩(wěn)定及應(yīng)力

4.1 抗滑穩(wěn)定綜合措施

根據(jù)地質(zhì)勘查，在右岸及河床部位，距離建基面6～8 m地層中發(fā)育有一層連續(xù)性較好的泥質(zhì)條帶狀灰?guī)r夾層，該夾層層面傾角傾向下游且傾角較緩，與持力層之間層面無(wú)充填，層面抗剪強(qiáng)度較低 （f=0.30～0.40，f′=0.5，c′=100 kPa），是河床壩基中的潛在滑動(dòng)面，壩基深層抗滑穩(wěn)定存在風(fēng)險(xiǎn)，需對(duì)該夾層進(jìn)行處理。對(duì)軟弱夾層的處理措施，按夾層產(chǎn)狀、埋深、性狀及其對(duì)壩體的影響程度，結(jié)合工程規(guī)模進(jìn)行研究，按照施工條件和工程進(jìn)度，綜合分析確定。其作用主要為：提高軟弱夾層抗剪強(qiáng)度指標(biāo)、增加尾巖抗力。由于壩基泥化夾層連續(xù)性好，埋藏較深，挖除工程量較大。為確保大壩安全，本工程采取如下工程措施來(lái)解決大壩深層抗滑穩(wěn)定問(wèn)題。

4.1.1 壩踵設(shè)置齒槽

在壩踵部位設(shè)置齒槽。齒槽的深度主要保證沿泥化夾層的深層抗滑穩(wěn)定，將泥化夾層挖斷，確定齒槽深入泥質(zhì)條帶狀灰?guī)r夾層以下1 m。齒槽的寬度考慮壩體基底摩擦系數(shù)、方便施工、保證不被滑動(dòng)剪斷等要求。經(jīng)比較，齒槽尺寸為深8 m，底寬9 m，上游坡比1∶0.2，下游坡比1∶0.5，利用齒槽的抗剪斷作用提高泥質(zhì)灰?guī)r夾層以上地基的抗滑穩(wěn)定性，并利用齒槽阻斷壩體沿夾泥層滑動(dòng)路線。

4.1.2 增加尾巖抗力

因本工程壩基存在泥質(zhì)灰?guī)r夾層，并以緩傾角傾向下游，壩趾下游尾巖抗力有利于壩體穩(wěn)定，在一定長(zhǎng)度內(nèi)保護(hù)尾巖免遭破壞十分必要，為此溢流壩采用底流消能。為保證抗力體厚度，采用綜合消能坎式消力池，池底高程為464.5 m，消力池長(zhǎng)60.0 m，消力池水重有利于增大尾巖抗力。

4.1.3 壩基上游帷幕及抽排系統(tǒng)

壩基上游側(cè)設(shè)防滲帷幕并向左、右岸壩肩內(nèi)延伸來(lái)控制繞壩滲流。帷幕下游設(shè)1道排水孔幕，排水孔深10 m，確保壩基揚(yáng)壓力符合設(shè)計(jì)要求。抗滑穩(wěn)定計(jì)算時(shí)考慮抽排作用，河床壩段揚(yáng)壓力折減系數(shù)為0.25，岸坡壩段為0.35。

4.1.4 加強(qiáng)壩的整體穩(wěn)定性

為提高大壩的整體穩(wěn)定性，將壩段間橫縫、縱縫面均進(jìn)行灌漿處理，從而使各壩段整體作用加強(qiáng)。

4.2 抗滑穩(wěn)定及應(yīng)力計(jì)算

采取上述措施后，復(fù)核溢流壩段穩(wěn)定、壩基應(yīng)力及深層抗滑穩(wěn)定，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。由計(jì)算結(jié)果可知，在各種荷載組合下溢流壩段建基面抗滑穩(wěn)定均滿足規(guī)范要求。在以上各種荷載組合下壩基應(yīng)力均小于灰?guī)r允許的應(yīng)力，壩基應(yīng)力計(jì)算結(jié)果滿足規(guī)范要求。

表1 河床溢流壩段壩體穩(wěn)定、壩基應(yīng)力及深層抗滑穩(wěn)定計(jì)算表

根據(jù)以上分析可知，加齒槽后壩體斷面滿足抗滑穩(wěn)定和深層抗滑穩(wěn)定要求，壩踵未出現(xiàn)拉應(yīng)力，且壩趾垂直應(yīng)力小于壩基容許壓應(yīng)力。

5 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)大興水利樞紐工程壩基軟弱夾層和兩岸巖溶等地質(zhì)缺陷，結(jié)合重力壩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、壩基開(kāi)挖、基礎(chǔ)防滲及大壩穩(wěn)定穩(wěn)定等要求，綜合確定了大興水利樞紐工程混凝土重力壩的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和基礎(chǔ)處理方案，以期為巖溶發(fā)育地區(qū)類(lèi)似工程設(shè)計(jì)提供參考。

（1）巖溶地區(qū)水利工程地質(zhì)情況的復(fù)雜性、不確定性和壩基下覆泥質(zhì)夾層等地質(zhì)缺陷，設(shè)計(jì)時(shí)需充分考慮。通過(guò)大壩局部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，增加壩踵齒槽，阻斷壩體沿夾泥層滑動(dòng)路線；通過(guò)全壩基固結(jié)灌漿，可增強(qiáng)壩基及下游尾巖的完整性和穩(wěn)定性，滿足了各種工況下壩體抗滑穩(wěn)定均大于規(guī)范允許值的要求。

（2）由于壩址兩岸巖溶發(fā)育的不確定性，壩基需加強(qiáng)防滲措施，采取壩基雙排帷幕灌漿+左右壩肩延長(zhǎng)帷幕處理后，可滿足防滲要求，壩基防滲可靠。