某水利樞紐壩基處理設計研究

昌已登

(新疆庫爾干水利樞紐工程建設管理中心，新疆 克孜勒蘇柯爾克孜自治州 845550)

1 概 述

地基是影響工程安全的一個重要因素，地基承載力不足將會造成上部建筑物發(fā)生沉降變形[1-2]。針對攔河建筑物，地基裂縫將會影響到攔河建筑物的攔水效果，亦可降低結構滲流穩(wěn)定情況[3-4]。結合阿爾塔什水利樞紐工程，對壩基處理設計方案進行研究。

某水利樞紐水庫總庫容22.49×108m3，正常蓄水位1 820 m，最大壩高164.8 m，為大(Ⅰ)型Ⅰ等工程。

2 壩基處理方案

2.1 壩殼基礎處理

壩殼基礎處理應做到改善地基表面的平整度，確保堆石與岸坡接觸面變形均勻，減小陡邊坡對壩體變形的不利影響，從而減小陡岸壩體堆石變形梯度。岸坡段清除表層松散體；左岸堆石體地基在趾板內坡至壩軸線范圍內的岸坡開挖坡度為1∶0.5；右岸岸坡較陡，開挖成不陡于1∶0.3的穩(wěn)定坡度，趾板內坡及壩軸線上游側壩基出露的高陡壁均要求采用低強度等級混凝土進行修補整形，使處理后的坡度不陡于1∶0.3～1∶0.5；從現有勘察試驗資料分析，河床段覆蓋層結構總體上較均一，基本上為單一型結構，砂卵礫石層>5 mm的顆粒含量約75.2%，砂含量約22.6%，呈密實狀態(tài)，其上部的干密度平均值為2.24 g/cm3，地震波縱波速度可達2 400～3 000 m/s，表明覆蓋層密實度高，其承載力可滿足大壩要求。根據室內現有大型壓縮試驗成果，卵礫石層在室內100～400 kPa壓力下的壓縮系數為0.01，壓縮模量為121.1 MPa。根據現場試驗成果，河床砂礫石層只清除表層的松散覆蓋層，清基深度初定為2 m。壩體填筑前，進行基礎面碾壓，盡量減少基礎變形。同時，提高壩體碾壓指標，即壩殼砂礫料要求相對緊密度大于0.85，爆破料孔隙率要求小于19%。預留沉降超高，即壩高的1%(1.60 m)。采取以上措施，可有效減少壩體變形。

2.2 趾板地基處理

根據地質勘探分析，左岸基巖強風化層厚2～3 m，弱風化層厚16～22 m。右岸趾板基巖強風化層厚2～3 m，弱風化層厚15 m，弱風化層可滿足面板趾板基礎。左右岸岸坡壩段趾板基礎置于弱風化層巖石基礎上。趾板巖石開挖臨時邊坡為1∶0.3，永久邊坡強風化層為1∶0.5、弱風化層為1∶0.35，覆蓋層開挖邊坡為1∶1.5。河床段為沖積砂卵礫石深厚覆蓋層，相對密度平均值為0.85，覆蓋層密實度高，緊密的砂礫石的壓縮模量較碾壓堆石料高5～10倍。根據室內現有大型壓縮試驗成果，在400 kPa(相當于壩基的最大荷載)壓力下的變形量僅為2～3 cm左右，變形量不大，故僅清除河床覆蓋層表面砂礫石2 m后作為趾板基礎。河床趾板底面開挖高程定為1 661～1 663.00 m，為減小基礎變形，對河床趾板、連接板的建基面進行強夯處理。

2.3 右岸岸坡變模區(qū)設置

右岸岸坡趾板樁號0+760～0+875段岸坡有第四系全新統崩坡積物，岸坡基礎開挖時對該段進行了清除，清除后趾板下游邊坡較陡。計算表明，在地震作用下，在面板靠近右岸岸坡區(qū)域少許面板單元最大拉應力達3.6 MPa(圖1)。為了改善邊坡、調整面板受力條件，對開挖后坡度陡于1∶0.5的陡坡，填筑時在距陡坡面20 m范圍內，采用墊層料、水泥和水拌制成碾壓干貧混凝土進行處理。要求干貧混凝土干密度達到2.25 t/m左右，抗壓強度相當于28天C5-C7的低標號混凝土。

圖1 面板壩軸向最大拉應力等值線(靜動疊加)(單位：MPa)

2.4 基礎灌漿

2.4.1 固結灌漿

1) 左右岸巖石基礎固結灌漿?；A坐在基巖上的趾板設置固結灌漿，孔、排距3 m。根據基巖情況，固結灌漿深度為8 m。

2) 河床段砂礫石基礎固結灌漿。采用防滲墻上游20 m至河床趾板下游20 m及河床段趾板和連接板范圍內進行固結灌漿加固處理，灌漿深度為10 m，孔、排距3 m，灌漿壓力控制0.1～0.3 MPa，灌后檢查按滿足5 Lu控制。

2.4.2 帷幕灌漿

帷幕深度宜深入相對不透水層5 m，也可根據地質條件按壩高的1/3～1/2選定。本樞紐為大(Ⅰ)型Ⅰ等工程，大壩為1級建筑物，3 Lu線埋深較深(未勘探到)。壩基帷幕防滲深度按壩基透水率小于5 Lu和1/2壩高控制，左岸趾板下帷幕深度為38～74 m，右岸趾板下帷幕深度為44～82 m，雙排，帷幕孔的孔、排距2 m。兩壩肩灌漿在壩頂高程處設置灌漿廊道，左壩肩廊道長30 m，帷幕深度20～38 m；右壩肩廊道長38 m，帷幕深度20～44 m，設置單排帷幕?；炷练罎B墻段，墻下設1排帷幕灌漿，孔距2 m，帷幕灌漿最大深度為墻下69 m。

2.5 斷層處理及輝綠巖脈處理

根據地質報告，左岸在高程1 830 m處有F3斷層出露，產狀78～85°SE∠52～64°，與坡面走向近于平行，與趾板開挖剖面交角68°左右。該斷層上盤巖體較破碎，斷層屬張性斷層，寬0.3～0.5 m，有卸荷跡象，可能產生繞壩滲漏，對趾板穩(wěn)定影響不大，應加強斷層帶的處理，以防滲透破壞。左岸高程1 830 m處的F3由于有卸荷跡象，應清除卸荷帶，加強錨固和灌漿處理。高程1 772 m處有F16斷層出露，產狀為78°SE∠63°，規(guī)模較小，加強灌漿處理即可。右岸高程1 710和1 830 m處分別分布有F7和F9斷層，對邊坡穩(wěn)定影響不大，斷層破碎帶寬1～5 m，主要以角礫巖、膠結的糜棱巖為主。右岸出露的F10斷層，規(guī)模不大，破碎帶寬0.3～0.5 m，斷層與岸坡近于平行，傾向岸里，對斷層帶采用開挖后回填砼塞及加強灌漿處理?；炷寥疃劝凑諗鄬悠扑閹挾?倍設置混凝土塞，即混凝土塞深度1 m，邊坡為1∶0.5，長度沿斷層方向設置10 m，在10 m范圍內加強灌漿。在趾板基礎出露的輝綠巖脈其風化破碎呈碎塊狀，不能滿足趾板基礎要求，須開挖回填砼及進行灌漿處理。

2.6 河床深厚覆蓋層防滲處理

根據地質勘探及試驗并參考已建工程，本工程河床深覆蓋層段將趾板基礎建在覆蓋層上。對覆蓋層的處理進行以下幾方面的研究：

2.6.1 單墻防滲墻方案

單墻防滲墻+墻后下游進行不同深度、不同灌漿范圍的充填灌漿，減少變形，提高承載力，起到防滲墻到壩基的逐漸過渡，減少連接板變形梯度。

2.6.2 雙墻防滲墻方案

對雙防滲墻處理方案防滲墻施工期、運行期位移(上下游方向)變形和應力狀態(tài)的研究。

1) 雙墻+墻間不同深度固結灌漿。

2) 雙墻防滲墻+墻后下游進行不同深度、不同灌漿范圍的充填灌漿。

2.6.3 防滲墻與趾板連接型式的研究

1) 覆蓋層連接板布置型式的研究。

2) 研究不同連接板數量(2塊、3塊)對連接板沉降縫變形的影響。

3) 研究單塊連接板長度(2 m、2.5 m、3 m)對連接板沉降縫變形的影響。

4) 研究防滲墻下游進行不同深度、不同灌漿范圍的充填灌漿對連接板沉降縫變形的影響。

2.6.4 二維有限元分析計算結果

由二維有限元分析計算結果可知，各比選設計方案應力變形分布規(guī)律均未出現大的異常，符合高面板堆石壩應力變形一般分布規(guī)律。

1) 壩體位移?？⒐て诤蜐M蓄期最大沉降分別為0.75和0.95 m，占壩高比重分別為0.46%和0.6%；各對比方案竣工期水平位移基本呈對稱分布，向上游和下游變形均在0.1 m左右；蓄水后，壩體變形均朝向下游，最大水平位移位于面板中部，最大變形約為0.3 m。由此可見，上述影響因素對壩體整體變形影響較小，各比選設計方案均具備良好的抵抗變形能力。

2) 壩體應力。滿蓄期，庫水位上升后，由于水壓力作用，各對比方案中壩體最大主應力和最小主應力均有一定程度增大，但幅度不大，分布規(guī)律與基準方案較為一致，壩體內部應力分布均勻。各對比方案中，壩體最大壓應力均在4.0 MPa左右，靠近面板的墊層區(qū)域與防滲墻附近區(qū)域出現少許受拉破壞單元，拉應力約為1.5 MPa。壩體內部應力水平分布相對均勻，各對比方案差異不大，最大應力水平數值均在0.4左右。

3) 面板應力與變形。各計算方案竣工期和滿蓄期面板撓度幅值及其發(fā)生位置較為一致，蓄水期，在上游水壓力作用下，面板撓度達到最大，最大撓度為43.7 cm。另外，趾板下部固結灌漿深度和趾板寬度對面板順坡向應力存在一定影響，但影響程度有限，最大順坡向壓應力為9.5～10.5 MPa，位于面板中下部，面板全斷面受壓，且滿足抗壓要求。

4) 防滲墻應力變形。各比較計算方案竣工期和滿蓄期防滲墻應力和變形幅值及其分布趨勢較為一致，竣工期最大變形約為10 cm(指向上游)，發(fā)生在墻體頂部；最大豎向壓應力約為10 MPa左右，位于墻體底部。滿蓄期最大變形指向下游，墻體頂部最大水平位移量約為30 cm，最大豎向壓應力為20～29 MPa。單墻設計時墻體底部壓應力較大，墻體最大壓應力為29 MPa，略微超過所選混凝土抗壓強度。雙墻設計中，當雙墻之間進行100 m固結灌漿時，墻體底部壓應力最小，為19.8 MPa，滿足防滲墻所選混凝土抗壓強度要求。

5) 連接縫和周邊縫變形。連接縫變形各對比方案與基準方案較為一致，蓄水后，防滲墻墻頂與連接板之間的連接縫剪切變形量達到最大。在各計算方案中，最大沉陷量為3.4 cm，均在變形允許范圍內。另外，各計算方案周邊縫沉陷量和拉伸量均較小，沉陷量小于3.0 cm，拉伸量小于1.0 cm。隨著趾板下灌漿深度的增加，連接縫和周邊縫沉陷量小幅增加。總之，各影響因素對滿蓄期周邊縫和連接縫沉陷和拉伸變形影響較小。

6) 趾板應力。各計算對比方案與基準方案應力幅值較為一致，滿蓄期趾板應力達到最大，水平向應力為1.1～1.3 MPa，豎向應力為2.7～3.0 MPa，均滿足所選混凝土(C30)抗拉壓強度要求。

3 結 論

水利樞紐工程壩基覆蓋層厚度大、斷層發(fā)育，地基條件差。從壩殼、趾板地基處理等方面對壩基加固方案進行分析。通過對比分析，不同方案加固覆蓋層后，壩體位移、面板變形、連接縫變形量等因素均可滿足規(guī)范要求；各部位應力均可滿足混凝土抗拉強度要求。