SETH水利樞紐工程碾壓混凝土重力壩基礎處理設計

李永兵，王立成

(1.阿勒泰地區水利水電勘測設計院，新疆 伊犁 836500;2.中水北方勘測設計研究有限責任公司，天津 300222)

SETH水利樞紐工程位于新疆阿勒泰山區丘陵地帶，是一座具有多年調節能力的綜合性水庫樞紐，工程建成后，將成為WLGH上游河段的控制性工程。本樞紐的主要工程任務是供水和防洪，兼顧灌溉和發電，并為加強流域水資源管理和水生態保護創造條件。工程規模為Ⅱ等大(2)型，水庫總庫容2.94億m3，防洪庫容0.21億m3，電站裝機27.6MW。工程采用碾壓混凝土重力壩攔河、壩后式廠房布置方案，大壩為2級建筑物。

攔河壩設計最大壩高75.5m，壩頂長度372m，其中泄水壩段壩長34m(包括表孔壩段和底孔壩段)，引水壩段長18m。大壩采用全斷面混凝土筑壩，由于重力壩的受力工況及結構特點，相對于當地材料壩和拱壩其對壩基巖體的要求都較高，因此要求壩基巖體具有足夠的強度、抗滲性能和耐久性[1]，大壩的基礎處理設計尤為重要。

1 壩址地形、地質概況

1.1 壩址地形條件

壩址位于剝蝕低山丘陵區，河谷呈不對稱“U”型，總體走向NE向，谷底寬約150m，主河槽偏向右岸，寬約50m河漫灘主要分布在河床兩岸。兩岸山體基巖裸露，山頂呈渾圓狀，右岸岸坡較陡，坡度約42°，沿岸多有陡壁分布，左岸岸坡稍緩，坡度約30°，局部見有陡壁。

1.2 大壩基礎地質條件

天然岸坡整體穩定，局部可能存在不利于邊坡穩定的結構面組合，需及時處理；河床部位地下水與河水位相近，基坑開挖將存在涌水問題；巖體風化差異明顯，局部構造裂隙發育。

1.3 主要地質問題

1.3.1建基基礎條件

強風化巖體切割劇烈，完整性差，強度低，難以滿足高混凝土重力壩對壩基的強度及完整性和抗滲穩定要求，故選擇弱風化帶中下部—新鮮巖體作為壩基。壩基巖體中節理裂隙較發育，為提高壩基巖體的整體性和抗變形能力，進行固結灌漿和帷幕灌漿是必要的。

1.3.2壩基抗滑穩定

壩基巖體總體呈塊狀、次塊狀結構，局部見有少量緩傾角結構面發育，但很難形成連續的滑動面，因此壩基不存在深層抗滑穩定問題，大壩抗滑穩定主要取決于混凝土與基巖巖體接觸面之間結合強度。施工開挖過程中，必要時需進行局部處理。

1.3.3壩基及繞壩滲漏

壩址左岸坡地段(距壩軸線60～460m)山體相對單薄，存在永久滲漏可能性。根據鉆孔壓水試驗成果，單薄山脊處巖體透水率大多小于10Lu，最大為100Lu。單薄山脊巖性為砂巖、泥巖及凝灰巖，巖體中結構面發育，結構面多擠壓緊密，滲漏以基巖裂隙滲漏的形式為主。滲漏主要在上部強—弱風化段巖體，下部巖體透水性為弱—微透水，問題不大。單薄山脊應采取防滲處理措施，并進行必要的監測工作。

2 大壩基礎處理設計

2.1 基礎開挖

基礎開挖深度，應根據重力壩壩基應力，巖石物理力學性質及其完整程度，結合上部結構對基礎的要求確定[2]。根據規范，壩高50～100m級的中高壩，基礎可建在微風化至弱風化中部基巖上。本工程壩基松散堆積物不能滿足混凝土壩壩基要求，設計全部挖除；對于結構面發育、巖體破碎的強風化巖體同樣做挖除處理。根據壩址基巖風化卸荷程度等實際情況，結合巖層物理力學指標及混凝土與基巖接觸面抗剪斷強度指標見表1。

對左右岸及河床典型壩段做不同建基面高程的抗滑穩定及壩基應力計算，確定河床壩段建基面基本置于弱風化下部至微風化層，兩岸擋水壩段建基面置于弱風化中上部，最低建基面高程956.50m。施工過程中建基面開挖的標準除設計高程外，應最終以巖石縱波速度反映出的巖石性質是否達到建基要求來控制，對于局部難以滿足要求的地質缺陷還應根據實際情況做特殊處理。壩基開挖邊坡設計為：微—新巖體1∶(0.2～0.3)；弱風化巖體1∶(0.3～0.5)；強風化巖體1∶(0.5～1)∶0.75。

本工程地處嚴寒大風地區，揭露面極易風化，基礎開挖后要求盡快覆蓋混凝土或預留保護層對基礎進行防護，以減少巖體卸荷反彈，防止局部巖體進一步風化。對于開挖形成的永久巖石邊坡采用噴錨支護和排水措施。開挖邊坡每級高度控制在15m以下，各壩段基礎水平段長度保證在1/2～2/3壩段長度范圍內，以保證巖體的側向穩定。

2.2 基礎加固

基礎加固措施主要為固結灌漿，固結灌漿可以膠結基礎巖石裂隙，加強巖體的整體性和均一性，提高壩基巖體的承載能力，并能在一定程度上改善壩基巖體的滲透性。本工程壩基外圍巖性較雜，巖體中結構面發育，巖體破碎，質量較差，設計對整個壩基進行固結灌漿，并在壩體基礎線外3～6m范圍內均進行固結灌漿，灌漿深度為6m，間排距均為3m，對軟弱破碎帶采取加密、加深或采取布置直徑Φ28的鋼筋網(間排距20cm)的措施，跨軟弱破碎帶。固結灌漿在有混凝土覆蓋的情況下進行，根據大壩承受的水頭及地質情況，自上而下實施。確定固結灌漿最大壓力Pmax=0.7MPa，最終應以現場灌漿試驗結果進行調整。

表1 壩址區巖體及結構面地質參數采用值

2.3 基礎防滲和排水

設計重力壩，常考慮防滲帷幕和壩基排水系統結合的方式來解決壩基滲漏和滲透破壞的問題，其設計應當以工程地質、水文地質條件和灌漿試驗資料為依據，結合水庫功能和壩高綜合考慮。本工程壩高75.5m，屬于高壩，因此采用的防滲標準為：壩體部分帷幕灌漿標準采用3Lu控制，兩岸延伸的帷幕灌漿標準為5Lu。主排水孔深取防滲帷幕深度的0.6倍，約30m，副排水孔深取12m。

2.3.1壩基及單薄山脊帷幕灌漿

本工程壩基覆蓋層清除后，壩基滲漏通道主要是巖體結構面。據壩址河床及兩岸鉆孔中進行的138段壓水試驗成果，巖體透水率0.6～79Lu，地表強風化和卸荷巖體破碎、裂隙張開，透水率一般大于10Lu，屬中等—強透水性；左、右岸弱風化巖體透水率平均值3.2～26Lu，屬弱—中等透水性，微風化—新鮮巖體透水率1.1～5.8Lu，屬弱透水性；河床部位弱風化巖體透水率12～55Lu，屬中等透水性，微風化—新鮮巖體透水率1.7～3.9Lu，屬弱透水性。設計上游帷幕深度控制以透水率3Lu控制，壩基部位主帷幕平均深度約為60m左右，并向兩岸壩肩適當延長。考慮到河床壩段巖基裂隙較發育，設計將來結合施工地質情況，在裂隙較發育的河床壩段設2排帷幕，副帷幕設在上游側，主副帷幕孔距均為2.0m。

根據地形地質情況，防滲帷幕向兩岸延伸，封閉埡口薄弱環節。右岸帷幕延伸長度230m，左岸帷幕延伸長度約700m。單薄山脊防滲帷幕控制標準為透水率5Lu線，單排孔布置，右岸帷幕灌漿孔距1.5m，左岸帷幕灌漿孔近壩段部位為1.5m，延伸方向改變后孔距2m，在左岸單薄山脊巖體較為破碎的埡口部位，增加一排副帷幕以保證防滲效果。

帷幕按三序孔布置。灌漿應在有混凝土覆蓋的情況下施工，帷幕灌漿工藝采用“孔口封閉，自上而下，小口徑鉆孔，孔內循環”高壓灌漿工藝。

2.3.2壩基排水系統

壩基排水的目的是排除透過帷幕的滲水及基巖裂隙中的潛水，與帷幕灌漿構成一個相對完整的壩基(壩肩)防滲排水系統[1]，為有效降低壩基揚壓力，在基礎下游布置排水系統是非常必要的。本工程壩基設2道縱向基礎排水廊道，4條橫向排水廊道將上游帷幕灌漿與主排水廊道、第一基礎排水廊道和第二基礎排水廊道聯系。廊道底部鉆排水孔形成排水幕，孔距3m，主排水廊道排水孔深取為防滲帷幕深度的0.6倍，約30m，基礎排水廊道和橫向排水廊道排水孔深取12m。12#壩段基礎最低位置布置集水井，用以抽排各排水廊道匯集的地下水。

2.4 巖混結合(接觸灌漿)

本工程建基面岸坡部位開挖較陡，斜坡坡度1∶0.5，傾角約為63°，為預防壩體混凝土側向收縮出現張開，與基巖之間形成縫隙，導致滲漏，設計以接觸灌漿措施加強混凝土與壩基巖體的結合。根據斜坡面積布置灌區數量，每個灌區均設計灌漿管路、止漿片和出漿盒，管路通至各灌漿站，灌漿站一般設在壩內廊道。灌漿管布置間排距為6m×3m，出漿盒布置間排距為6m×3m，二者梅花型布置。

3 施工期基礎地質缺陷處理

對于施工期間開挖揭露的小規模裂隙和斷層破碎帶，采用常規刻槽與混凝土塞方法處理。對于規模較大的地質缺陷，如15#～16#壩段基礎揭露的風化深槽，根據現場實際地質和施工情況，挖除部分囊狀風化深槽而不必開挖至囊狀風化深槽的深槽底線，以人工碼放塊石回填開挖后的囊狀風化深槽，人工碼放塊石回填成穹頂形狀，內部預埋鋼管作為排水管套管，預留水泵進水口與排水管相連，大壩建基面設置排水泵，將地下水通過水泵排出，隨后在人工碼放塊石周圈設置鋼筋混凝土支撐圈梁，圈梁置于囊狀風化深槽周邊的堅固巖體上，以人工碼放塊石作為混凝土模板，澆筑穹頂形的鋼筋混凝土蓋板，最后在穹頂形的鋼筋混凝土蓋板上部回填混凝土至建基面高程。處理措施如圖1所示。

4 結語

大壩基礎的質量是整個大壩長期正常運轉的保障[3]，基礎處理不過關，將導致壩體存在安全隱患，因此在水利樞紐設計中，重點關注基礎處理設計是非常重要的。我國水利事業經過多年的發展，對于基礎處理已經形成了相對成熟的系統方法，但水利工程都有其各自的特點，基礎處理的設計需要針對不同工程的實際情況出具適用性方案。本文通過對嚴寒地區SETH水利樞紐工程主體大壩基礎處理各方面設計的詳細闡述，為同等施工環境和地質條件下的類似工程提供可靠的技術參考。

圖1 風化深槽處理示意圖