陳卓 張新

國(guó)內(nèi)外有諸多在軟巖上建壩的先例，在有平臥軟弱面的軟巖、極軟巖上建壩工程實(shí)例甚少，尤其欠缺針對(duì)性試驗(yàn)研究和穩(wěn)定計(jì)算。云南省臨滄市耿馬縣、雙江縣于20世紀(jì)90年代、2000年代建成的幾座土石壩置于層面發(fā)育的新近系軟巖，曾發(fā)生沿壩基滑坡，成為前車之鑒。耿馬縣團(tuán)結(jié)水庫大壩處于地震動(dòng)峰值加速度0.3g的高烈度地震區(qū)，設(shè)計(jì)壩型為黏土心墻堆石壩，壩頂長(zhǎng)度855 m，最大壩高54.5 m，正常蓄水位1 141.55 m，總庫容2 220.6萬m3。壩基地層巖性為新近系極軟巖、軟巖，可行性研究階段推薦采用振沖碎石樁處理。初步設(shè)計(jì)技術(shù)評(píng)審要求重點(diǎn)研究壩基巖土力學(xué)特性尤其是巖層面的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，計(jì)算大壩沉降變形和抗滑穩(wěn)定，特別是沿壩基軟弱面滑動(dòng)失穩(wěn)可能。研究結(jié)果為壩基軟巖變形在允許值范圍，不存在非層面滑動(dòng)失穩(wěn)問題，但存在沿壩基軟弱面滑動(dòng)失穩(wěn)可能，經(jīng)過方案比選確定壩基混凝土框格梁加固處理，有所創(chuàng)新。

1 壩基地質(zhì)條件

1.1 巖土層分布

壩址為寬淺河谷，沖洪積層厚度1.1～6.1 m，上部為黏性土，下部為卵石混合土，結(jié)構(gòu)松散-稍密，強(qiáng)透水。兩岸殘坡積黏土層厚1～11 m不等，軟塑-硬塑。基巖為厚度數(shù)百米的新近系（N1）河湖相半成巖，為極薄層夾薄層狀泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥頁巖夾碳質(zhì)紋層、煤線和砂巖，屬極軟巖、軟巖，層面、層理發(fā)育間距5～20 cm。

1.2 巖石礦物鑒定

黏土礦物伊利石含量25%、高嶺石含量16%，綠泥石含量11%；原生礦物石英含量39%，斜長(zhǎng)石含量10%。觀察巖層面多具絲絹光澤，絹云母、綠泥石膜厚1～4 mm。

1.3 新近系半成巖性狀特征

局部分布的全風(fēng)化巖呈土狀；強(qiáng)、弱風(fēng)化巖層面、層理密集長(zhǎng)大，具泥化和絹云母化，平直光滑，產(chǎn)狀近水平，判斷具各向異性，垂直層面與平行層面力學(xué)特性差異大，構(gòu)成壩基平臥軟弱面，尤其強(qiáng)風(fēng)化帶（厚度0～8 m）內(nèi)層間結(jié)合差，弱至微風(fēng)化帶內(nèi)層間結(jié)合較好。

1.4 物理力學(xué)指標(biāo)

1.4.1 室內(nèi)試驗(yàn)

巖塊試驗(yàn)18組，取樣深度6.4～73 m。密度2.11～2.34 g/cm3，天然無側(cè)限單軸抗壓強(qiáng)度0.88～4.8 MPa，均值2.1 MPa，小值均值1.2 MPa。23組飽和壓縮試驗(yàn)、固結(jié)快剪試驗(yàn)結(jié)果：壓縮模量8.8～51.5 MPa，均 值20.4 MPa，小 值 均 值13.4 MPa；抗剪強(qiáng)度內(nèi)摩擦角11.1°～46.6°，均值23°，小值均值17.3°，凝聚力17～230 kPa，均值88.1 kPa，小值均值47.1 kPa。

1.4.2 原位測(cè)試

鉆孔縱波速測(cè)試強(qiáng)風(fēng)化帶波速1 500～1 700 m/s，巖體完整性差；弱風(fēng)化帶波速值1 600～1 900 m/s，巖體較完整。

強(qiáng)風(fēng)化帶標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)和靜力觸探試驗(yàn)成果匯總見表1，載荷試驗(yàn)成果匯總見表2，剪切試驗(yàn)成果匯總見表3，設(shè)計(jì)單位提出的飽和抗剪強(qiáng)度建議值見表4。

2 力學(xué)試驗(yàn)影響因素分析

（1）現(xiàn)場(chǎng)用錘敲擊全風(fēng)化巖有松軟感，強(qiáng)風(fēng)化巖啞聲，敲擊弱風(fēng)化巖多沿層面、層理裂解，錘擊聲介于啞聲與脆聲。鉆進(jìn)時(shí)擾動(dòng)常發(fā)生沿層面、層理破壞，難獲得柱狀巖芯，取芯后圍壓解除沿層理松馳，試樣不連續(xù)，室內(nèi)直剪試驗(yàn)多發(fā)生沿層面剪切破壞，部分非層面剪破。標(biāo)貫試驗(yàn)強(qiáng)風(fēng)化帶修正擊數(shù)較高，稠度屬很硬；弱風(fēng)化帶擊數(shù)大多超過25擊，最大值49.5擊，屬堅(jiān)硬。弱風(fēng)化帶嘗試靜力觸探試驗(yàn)無法貫入，說明探頭阻力很大。載荷試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)直剪試驗(yàn)在淺部強(qiáng)風(fēng)化帶內(nèi)，因?qū)用娼?，直剪試?yàn)近于平推剪切，沿層面破壞，所獲沿層面抗剪強(qiáng)度數(shù)據(jù)可信度較高。

（2）綜上影響因素，室內(nèi)巖塊試驗(yàn)抗壓強(qiáng)度、壓縮模量存在一定失真，數(shù)值偏?。粠r塊固結(jié)快剪低值大致反映層面抗剪強(qiáng)度，高值反映非層面抗剪強(qiáng)度；強(qiáng)、弱風(fēng)化帶按標(biāo)貫試驗(yàn)擊數(shù)計(jì)算的垂直層面抗剪斷強(qiáng)度值高；載荷試驗(yàn)因膨脹、松馳變形模量偏??；直剪試驗(yàn)沿層面抗剪強(qiáng)度值低。鑒于基巖頂部5 m厚度巖層面泥化程度更高，設(shè)計(jì)單位按小于5 m、大于5 m深度分別提出抗剪強(qiáng)度建議值，沿層面抗剪強(qiáng)度值基本合理，非層面抗剪強(qiáng)度值偏低。

表1 標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)與靜力觸探試驗(yàn)結(jié)果匯總表

表2 載荷試驗(yàn)成果統(tǒng)計(jì)表

表3 基巖直剪試驗(yàn)強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)表

表4 設(shè)計(jì)單位提出的飽和抗剪強(qiáng)度建議值

3 壩基巖土屬性界定和力學(xué)特性評(píng)價(jià)

（1）新近系半成巖應(yīng)界定為極軟巖、軟巖，大壩建基面置于基巖時(shí)，壩基類型屬軟質(zhì)巖基，不能視為土基甚至軟土壩基。

（2）壩基極軟巖、軟巖的承載力、壓縮模量和非層面抗剪強(qiáng)度大于土基，低于一般軟質(zhì)巖基，能否滿足高度54.5 m黏土心墻壩建基要求需做壩基變形沉降驗(yàn)算和抗滑穩(wěn)定驗(yàn)算。

（3）現(xiàn)場(chǎng)用錘敲擊和巖石試驗(yàn)均反映出巖石受力多沿層面破壞，各向異性特性明顯反映在垂直層面抗剪抗度較高而平行層面抗剪強(qiáng)度很低，鑒于層面產(chǎn)狀近水平且延伸長(zhǎng)大，構(gòu)成壩基平臥軟弱面，大壩在承受庫水荷載時(shí)存在沿巖層面滑移失穩(wěn)可能，汲取當(dāng)?shù)赝悏位ㄎ醇庸烫幚恚┌l(fā)生過下游壩坡滑坡的教訓(xùn)，本工程壩基抗滑穩(wěn)定計(jì)算必須考慮沿巖層面滑移模式。

4 大壩穩(wěn)定計(jì)算

4.1 壩體和壩基沉降計(jì)算

經(jīng)三維靜力有限元計(jì)算，大壩建基面置于軟巖強(qiáng)風(fēng)化帶時(shí)，壩基豎向變形沉降量小，壩體自身沉降集中發(fā)生在施工填筑期，豎向沉降最大值為218 cm；滿蓄期水平位移最大值分別為30 cm（上游）和96 cm（下游）；心墻豎向、順河向及沿壩軸線方向存在一定程度變形，但未出現(xiàn)拉應(yīng)力。從力學(xué)試驗(yàn)影響因素分析壩基變形穩(wěn)定應(yīng)有一定安全裕度。

4.2 抗滑穩(wěn)定計(jì)算

（1）不采取處理措施時(shí)，大壩抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)不滿足規(guī)范數(shù)值要求。

（2）不做壩基加固處理，僅增加上、下游壓重平臺(tái)時(shí)，地震工況下抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)不滿足規(guī)范數(shù)值要求，尤其沿壩基巖層面滑移模式的安全系數(shù)小，存在沿壩基巖層面滑動(dòng)失穩(wěn)可能。

（3）壩基采用地下混凝土框格梁加固或深開挖（5～13 m）置換處理時(shí)抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)滿足規(guī)范要求，如圖1所示。

圖1 正常運(yùn)行期極限地震下游壩坡滑弧位置（折線法，安全系數(shù)1.174）

5 壩基加固處理方案

鑒于壩基類型不屬土基，屬軟質(zhì)巖基，強(qiáng)度高于土基但低于一般軟巖壩基，壩基平臥軟弱面（巖層面）對(duì)抗滑穩(wěn)定起控制作用。根據(jù)大壩沉降和抗滑穩(wěn)定計(jì)算，不推薦采取振沖碎石樁加固處理，因?yàn)樵摲椒ㄌ幚韺訝顜r體搗碎為散土，反而破壞原巖結(jié)構(gòu)，破壞壩基巖體整體性。

壩基采用地下混凝土框格梁加固或深開挖（5～13 m）置換處理均可解決大壩抗滑穩(wěn)定問題。開挖置換方案將加大上下游水頭差，不利于壩基層間滲流穩(wěn)定，且棄渣量過大。混凝土框格梁加固方案可有效解決軟巖層間滑動(dòng)失穩(wěn)問題，棄渣量小。經(jīng)過比選，最終選擇混凝土框格梁加固方案滿足設(shè)計(jì)抗滑穩(wěn)定計(jì)算，處理效果尚待大壩建成驗(yàn)證。

6 結(jié)語

鑒于極軟巖、軟巖壩基往往存在土基與巖基認(rèn)識(shí)問題，應(yīng)根據(jù)巖土物理力學(xué)試驗(yàn)加以界定。軟巖內(nèi)還發(fā)育長(zhǎng)大軟弱面時(shí)，土石壩方案也存在沿壩基軟弱面滑動(dòng)失穩(wěn)可能，除一般試驗(yàn)研究外，還應(yīng)專門試驗(yàn)研究軟弱面的各向異性，以判斷軟弱面是否對(duì)壩基抗滑穩(wěn)定起控制作用，在此基礎(chǔ)上計(jì)算大壩變形穩(wěn)定、抗滑穩(wěn)定，然后才能確定切合工程實(shí)際的壩基處理方案。團(tuán)結(jié)水庫的壩基研究過程和方法對(duì)今后在類似地質(zhì)條件建壩具有一定參考意義，希望引起對(duì)軟巖壩基軟弱面更細(xì)致深入的研究。