大規模斷層破碎帶上的重力壩基礎處理措施

劉愛環，唐洪亮

（1.貴州省水利水電勘測設計研究院有限公司，貴州 貴陽 550002；2.江口縣水務局，貴州 江口 554400）

1 工程概況

1.1 軍屯水庫簡介

軍屯水庫樞紐位于長江流域沅江水系錦江的4級支流孟家溪上，壩址距江口縣城22km，距怒溪鎮10km。水庫正常蓄水位438.20m，死水位423.70m（國家高程基準系統），總庫容150萬m3。軍屯水庫工程的任務是為江口縣怒溪鎮提供農業灌溉和居民生活用水。

軍屯水庫水源樞紐工程由堆石混凝土重力壩、溢流表孔、取水兼放空管等建筑物組成。重力壩最大壩高36.20m，壩頂高程441.20m，壩頂長177.30m，壩頂寬6.00m；大壩上游高程〈426.20m壩坡為1:0.20，以上為鉛直；大壩下游高程〈434.70m壩坡為1:0.80 臺階狀布置，以上壩坡為鉛直；壩底最大寬度為33.40m。溢流表孔布置于河床壩段，共2孔，單孔寬7.50m，溢流壩段總長18m，堰頂上方布置交通橋連接左、右岸非溢流壩段。溢流表孔采用壩面臺階及消力池聯合消能。取水兼放空管布置于大壩右岸壩段，由取水口、取水鋼管、壩后閘閥室組成。

工程區地震動反應譜特征周期為0.35 s，地震動峰值加速度為0.05g，相應地震基本烈度為Ⅵ度，此工程主要建筑物級別為4級，故不考慮建筑物抗震設計。

1.2 工程地質簡介

壩區出露地層為寒武系下統金頂山組、杷榔組（∈1p）及第四系覆蓋層。①金頂山組（∈1j）：灰黑色含炭質頁巖，巖質較為軟弱，在空氣中易風化崩解，為河床及左壩肩巖體，厚度〉100m，主要分布在河床及左岸。②杷榔組（∈1p）：層紋—條紋狀粉砂質黏土巖，主要由黏土礦物、陸源碎屑等礦物組分構成，位于河床及右壩肩，F1斷層下盤，擠壓破碎嚴重，厚度〉80m。③第四系覆蓋層（Q）：殘坡積（Qel+dl）砂質黏土，位于兩岸坡，厚度0～2m。沖積（Qal）砂礫石，位于河床，厚度1～4m。

在壩址區右岸發育一較大的斷裂構造——逆斷層F1（怒溪逆斷層），怒溪逆斷層通過庫首右岸，走向北東，從太平場至孟家屯，長約10km，斷層產狀N16°～56°E/NW∠40°～84°，斷層面近地表表現為陡傾，向深部發育傾角逐漸變小，斷層影響帶寬〉100m。

2 斷層未揭露前地質評價及工程處理措施

根據工程地質測繪、勘探及物探等資料綜合分析，逆斷層向庫區右岸及下壩址左岸溝谷延伸，斷層破碎帶一般寬3～6m，主要為斷層泥，少量糜棱巖、片狀巖（片理化不甚明顯）、碎塊巖，多呈條帶狀或透鏡狀，連續或斷續分布于斷層面附近。上盤影響帶寬約20～80m，從地表向下逐漸變窄，且局部不明顯表現出影響帶特征。下盤影響帶寬30～160m，從地表向下逐漸變窄，巖體節理裂隙極發育，局部可見壓碎巖，碎塊巖，巖石有被擠壓拖拉撓曲現象，近地表派生小斷裂較發育，影響帶特征表現明顯。受構造影響，巖層產狀在斷層帶內變化較大，遠離斷層帶變化相對較小，上下盤分別為80°～90°∠13°～27°、97°～105°∠12°～23°。

由于斷層破碎帶規模不大，且組成物質為斷層泥為主，對基礎的強度和壓縮變形有一定影響，根據《混凝土重力壩設計規范》（SL319），挖除后用混凝土塞回填加固，工程處理措施如下：①混凝土塞回填加固。在壩基開挖至405m高程后，將斷層破碎帶進行清理，清理深度為4m，清理后用C15混凝土塞填充加固?；炷寥?m，底寬4m（斷層寬度），見圖1所示。混凝土塞向壩體外的上、下游各延伸8m，混凝土塞總長52m。②壩基固結灌漿。與壩體接觸的斷層范圍及壩體向上、下游方向延伸5m的范圍內，壩基固結灌漿孔距、排距加密，孔深加長：孔距和排距為1.50m，孔深為8m。③防滲帷幕灌漿。在斷層兩側5m范圍（直線距離22m）防滲灌漿孔距加密為1.00m。

圖1 右岸斷層破碎帶混凝土塞斷面示意圖

3 斷層揭露后地質評價

施工開挖揭露斷層性狀與初設基本一致，位置由原右壩肩變至河床（見圖2），建基面斷層泥夾糜棱巖碎石破碎帶寬9～13m，兩側為糜棱巖夾斷層泥破碎帶，斷層帶總寬度為23～35m。因斷層位置及規模發生了較大變化，同時斷層帶巖體參數變?。ㄒ姳?），對壩基影響較大（見圖3）。經對斷層帶進行鉆孔補充勘察，在20m深度（〉385m高程）范圍內，斷層帶巖體性狀相差不大，物理力學參數沒有較大提高，對斷層帶深挖置換意義不大。

表1 斷層帶及影響帶基礎巖體物理力學參數表

圖2 F1斷層開挖揭露位置與推測位置對比圖

圖3 壩基范圍內斷層實際分布圖

4 斷層處理方案擬定與比較

根據實際開挖揭露的斷層破碎帶的分布及物理力學性狀，斷層破碎帶規模較大，對基礎的強度和壓縮變形影響較大，容易使壩基產生不均勻沉降，如果破碎帶不處理，蓄水后會發生泥化，甚至產生機械或化學管涌，危及大壩安全。

經復核，如果繼續沿用原處理方案，則坐落在斷層破碎帶段基礎上的大壩最小滑動安全系數正常蓄水位和設計洪水位工況下的最小安全系數為1.68 〈［3.00 ］，校核洪水位工況下的最小安全系數為1.65 〈［2.50 ］，壩體基底最大應力不滿足壩基承載力要求。為保證大壩安全及水庫正常運行，右岸河床壩段基礎型式需進一步研究，以下擬定2個處理方案進行比較。

方案1：擴大基礎方案（見圖4）。該方案是指壩橫0+035.150 ～壩橫0+088.150 壩段415.20m以下高程進行整體澆筑，形成擴大基礎，使壩體整體抗滑穩定?；?05.00 ～405.20m高程采用二級配C25混凝土進行封閉，405.20 ～415.20m高程范圍設置為10m厚的C15自密實堆石混凝土擴大基礎。

圖4 擴大基礎方案大壩斷面設計圖

方案2：樁基式抗滑剛體方案（見圖5、圖6）。該方案是指壩橫0+035.150 ～壩橫0+088.150 壩段底部增設5根C30混凝土樁基式抗滑剛體?？够瑒傮w采用橢圓形斷面，單根長12.50m，深入基巖8m。抗滑剛體截面采用橢圓形，d=2500mm，L=1300mm。

圖5 抗滑剛體方案平面布置圖

圖6 抗滑剛體大樣圖

經計算，擴大基礎方案壩段正常蓄水位和設計洪水位工況下的最小滑動安全系數為3.40 〉［3.00 ］，校核洪水位工況下的最小滑動安全系數為3.50 〉［2.50 ］，壩體基底最大應力滿足壩基承載力要求。樁基式抗滑剛體方案正常蓄水位和設計洪水位工況下的最小滑動安全系數為3.50 〉［3.00 ］，校核洪水位工況下的最小滑動安全系數為3.50 〉［2.50 ］，樁側最大應力在側承載能力范圍內，滿足規范要求。兩個方案均能滿足大壩穩定和承載力要求。

由表2可知，樁基式抗滑剛體方案施工工期較長、難度大、臨時費用較高，工程投資較擴大基礎方案增加71萬元，經比較最終采用擴大基礎方案。

表2 方案比較表

5 斷層處理實施情況

5.1 大壩結構調整

右岸壩段（壩橫0+000.000 ～0+壩橫088.150 ）總長88.15m，原設計為3個壩段，單壩段長為28～30m，由于右岸實際揭露地質條件較差，為適應不良的地質條件，提高壩體的整體穩定性能，將右岸壩段調整為2個壩段，具體設計為:壩橫0+000.000 ～壩橫0+048.150 壩段總長48.15m，為1個壩段，基礎高程為408.00 ～441.20m；壩橫0+048.150 ～壩橫0+088.150 壩段總長40m，為1個壩段，基礎高程為408m。壩橫0+000.000 ～壩橫0+035.150 壩段基礎高程為415.00 ～441.20m，澆筑3m厚三級配C15混凝土墊層，因擔心斷層切割會對右岸高邊坡(臨時邊坡總高度為100m)造成不利影響，該墊層作為邊坡的臨時支護先行實施。右岸壩段調整如圖7所示。

圖7 基礎為斷層的壩段上游立視圖

5.2 壩基固結灌漿

右岸大壩壩橫0+000.000 ～0+088.150 壩段基礎的固結灌漿分為3個區：帷幕線上游區、帷幕線下游區和斷層泥區。1區（帷幕線上游區）：深入基巖8m，間排距3m，梅花型布置；2區（帷幕線下游區）：深入基巖5m，間排距3m，梅花型布置；3區（斷層泥區）：深入基巖8m，間排距1.50m，梅花型布置。固結灌漿孔孔徑為80mm，孔中心設2根25鋼筋束，灌注P·O42.5普通硅酸鹽水泥，如圖8所示。

圖8 固結灌漿孔橫斷面設計圖

5.3 防滲帷幕灌漿

帷幕灌漿的原則不變，因斷層位置和寬度改變，灌漿量發生變化。防滲帷幕沿壩軸線布置，左、右岸接地下水位，進入地下相對穩定水位〉5m，防滲帷幕底界伸入至弱風化下限以下10～20m。

防滲帷幕除右岸壩肩邊坡2m長度（壩橫0-27.345 ～壩橫0-25.345 ）為雙排布置（排距1m）外，其余部位（壩橫0-25.345 ～壩橫0+200.300）均按單排布置。斷層帶左右5m內（壩橫0+058.150 ～壩橫0+082.150 ）孔距1.00m，其余（壩橫0-27.345 ～壩橫0+058.150 、壩橫0+082.150 ～壩橫0+200.300 ）孔距2m。

6 結語

軍屯水庫大壩于2019年封頂，2020年開始蓄水，截至目前已運行〉1a；運行期最高水位達433.20m，距正常蓄水位438.20m僅差5m；大壩變形滲流、監測等數據正常，大規模斷層破碎帶的處理取得了很好的成效。文章對堆石混凝土重力壩大規模斷層破碎帶基礎處理措施可供同類工程借鑒。