迷云山塘工程拱壩不良地質(zhì)條件基礎(chǔ)處理的技術(shù)探討

許凌錐

(福州市水利水電開(kāi)發(fā)公司，福建 福州 350001)

0 引言

拱壩是固接于基巖的空間殼體結(jié)構(gòu)，在平面上呈凸向上游的拱形，其承受的荷載一部分通過(guò)拱的作用壓向兩岸，另一部分通過(guò)豎直梁的作用傳到壩底基巖。由于壩體的穩(wěn)定主要依靠?jī)砂豆岸说姆戳ψ饔?，不像重力壩那樣依靠自重?lái)維持穩(wěn)定，因此拱壩對(duì)壩址的地形地質(zhì)條件要求較高，對(duì)基礎(chǔ)處理的要求也較嚴(yán)格。為了減小不良地質(zhì)現(xiàn)象對(duì)拱壩結(jié)構(gòu)安全的影響，本文以迷云山塘工程為例，綜合采取灌漿、置換、基礎(chǔ)拱橋等基礎(chǔ)處理措施，其中重點(diǎn)論述基礎(chǔ)拱橋的設(shè)計(jì)方案，確保壩體在斷層破碎帶、節(jié)理裂隙等不良地質(zhì)條件下安全運(yùn)行，同時(shí)滿足節(jié)約投資、經(jīng)濟(jì)合理的要求。

1 工程基本資料

1.1 工程概況

迷云山塘壩址位于馬尾上德村上游約1.8 km的峽谷處，本工程主要是以調(diào)蓄洪水為主，山塘總庫(kù)容9.40萬(wàn) m3，死庫(kù)容0.69萬(wàn) m3，防洪庫(kù)容8.71萬(wàn) m3，壩基高程162.0 m，壩頂高程192.4 m，最大壩高30.4 m，防浪墻頂高程193.36 m，溢洪堰頂高程191.10 m，放水管高程175.17 m。根據(jù)《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，本工程為V等工程，主要建筑物為5級(jí)，次要建筑物為5級(jí)，防洪標(biāo)準(zhǔn)按20 a一遇設(shè)計(jì)，100 a一遇校核。由于壩址以下平原防澇區(qū)內(nèi)有重要企事業(yè)數(shù)十家，還有機(jī)場(chǎng)高速、福州科技園區(qū)馬尾園等重要工程設(shè)施，為保障下游的安全，由馬尾區(qū)農(nóng)發(fā)局組織召開(kāi)的福州市馬尾區(qū)迷云山塘工程初步設(shè)計(jì)審查會(huì)議上決定，建筑物級(jí)別及防洪標(biāo)準(zhǔn)提高一級(jí)，為V等工程，主要建筑物為4級(jí)，次要建筑物為5級(jí)，防洪標(biāo)準(zhǔn)按30 a一遇設(shè)計(jì)，200 a一遇校核。

1.2 工程地質(zhì)

迷云山塘壩址位于上德村上游約1.8 km的峽谷處，河谷成較對(duì)稱的“V”字型。左岸坡度約37°，右岸坡度約30°。左岸高程約195 m處有條帶狀弱風(fēng)化基巖出露，其余長(zhǎng)有雜樹(shù)，河床靠右側(cè)有大片弱風(fēng)化花崗巖基巖裸露，地質(zhì)構(gòu)造主要表現(xiàn)為斷層及節(jié)理裂隙。

根據(jù)工程地質(zhì)勘察報(bào)告，壩址位置存在影響拱壩結(jié)構(gòu)安全的地質(zhì)現(xiàn)象：河床順河F1斷層破碎帶及右岸順河F2斷層破碎帶。河床順河F1斷層破碎帶，寬約13.3 m，斷層中有孤石和夾層泥等；右岸順河F2斷層破碎帶，總寬度(含中間破碎巖石)約12 m，破碎帶中含粘性土。大壩壩基開(kāi)挖時(shí)兩岸邊坡存在崩塌掉塊，工程完工后存在壩基順河向斷層滲漏、繞壩滲漏等工程地質(zhì)問(wèn)題。

由于拱壩對(duì)壩址的地形地質(zhì)條件要求較高，對(duì)基礎(chǔ)處理的要求也較嚴(yán)格，因此設(shè)計(jì)過(guò)程中依據(jù)基礎(chǔ)處理：運(yùn)行安全、技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理的基本原則，對(duì)拱壩基礎(chǔ)進(jìn)行科學(xué)合理的處理后方能進(jìn)行上部壩體的施工。

1.3 壩體結(jié)構(gòu)

迷云山塘壩型為漿砌石雙曲拱壩，壩體不設(shè)灌漿、排水廊道。壩體防滲主要靠自身砌筑質(zhì)量來(lái)保證，壩體采用C15細(xì)石砼砌塊石，上、下游面采用厚0.6 m的M10水泥砂漿砌條石并深勾縫，壩體基礎(chǔ)采用C15素砼墊層。

1.4 壩體應(yīng)力計(jì)算成果

采用浙江大學(xué)編制的拱壩分析與優(yōu)化軟件系統(tǒng)《ADAO》進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算(多拱梁分載法)，拱壩周邊的最大主拉應(yīng)力值為1.0 MPa，發(fā)生在拱端上游面，拱壩其它部位的最大主拉應(yīng)力值為0.48 Mpa，膠結(jié)材料標(biāo)號(hào)為C15，允許拉應(yīng)力值為1.5 MPa；拱壩最大壓應(yīng)力為2.25 Mpa，出現(xiàn)在拱端下游面，砌體種類為塊石，允許壓應(yīng)力值為6.9 MPa。以上壩體應(yīng)力都控制在規(guī)范允許范圍內(nèi)，滿足大壩安全要求。

2 基礎(chǔ)處理設(shè)計(jì)方案

2.1 基礎(chǔ)開(kāi)挖

2.2 固結(jié)灌漿

拱壩壩基由于巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，影響巖體完整性。同時(shí)，開(kāi)挖爆破可能造成表面巖石震裂，為增強(qiáng)基巖的整體性，提高基巖的彈性模量，增強(qiáng)壩基承載能力，對(duì)壩基進(jìn)行全面積的固結(jié)灌漿，灌漿孔的孔距、排距均為3 m，孔深為5 m，呈梅花形布置。

2.3 帷幕灌漿

帷幕深度應(yīng)達(dá)到基礎(chǔ)相對(duì)隔水層以下3～5 m (單位吸水率W≤5 lu)。壩基帷幕深度，河床部分及溢流段15 m，左、右兩岸壩段10 m。為防止兩岸繞壩滲漏，帷幕灌漿沿兩岸各延伸15.0 m左右，帷幕灌漿孔設(shè)一排，孔距2.5 m。

2.4 混凝土塞置換

右岸順河F2斷層破碎帶，總寬度(含中間破碎巖石)約12 m，破碎帶中含粘性土。設(shè)計(jì)挖除順河向斷層破碎帶后采用混凝土塞進(jìn)行置換，根據(jù)規(guī)范要求混凝土塞的高度h約為破碎帶寬度b的1.0～1.5倍，由于該處破碎帶寬度大，即使按1.0倍的寬度開(kāi)挖，基坑深度將近12 m，開(kāi)挖工作量及難度都非常大。

根據(jù)地形地質(zhì)條件，考慮混凝土置換結(jié)合上部設(shè)置鋼筋混凝土板傳力的方案，鋼筋混凝土板兩頭搭在完整基巖上以改善拱壩力傳遞到壩肩的條件?；炷寥捎肅20埋石砼結(jié)構(gòu)，底高程為159.5 m，高5.2 m，底寬10.0 m，并在其影響帶加密固結(jié)灌漿孔，孔距、排距均加密為2.0 m，混凝土塞上部設(shè)置C25鋼筋混凝土板傳力，板厚2.5 m(圖1)。

圖1 混凝土塞置換設(shè)計(jì)圖

圖2 基礎(chǔ)拱橋設(shè)計(jì)圖

2.5 基礎(chǔ)拱橋

河床順河F1斷層破碎帶，寬約13.3 m，斷層中有孤石和夾層泥等，出于大壩安全考慮，該處斷層要進(jìn)行重點(diǎn)處理。若采取常規(guī)置換法，即斷層挖除后采用混凝土塞進(jìn)行置換，根據(jù)規(guī)范要求：混凝土塞的高度h約為斷層寬度b的1.0～1.5倍，由于該處斷層寬度大，即使按1.0倍的寬度開(kāi)挖，基坑深度將近18.0 m，開(kāi)挖工作量及難度都非常大。

根據(jù)工程地質(zhì)勘察報(bào)告，斷層左右兩側(cè)的基巖都較為新鮮，根據(jù)地形地質(zhì)條件，設(shè)計(jì)采用基礎(chǔ)拱橋跨過(guò)斷層，基礎(chǔ)拱橋兩端落在新鮮基巖上，基礎(chǔ)拱橋頂高程為162.0 m，采用C30素砼結(jié)構(gòu)，厚2.8 m，凈寬22 m，兩端拱腳嵌入巖石1.4 m，拱腳寬5.6 m，并在斷層及其影響帶加密固結(jié)灌漿孔，孔距、排距均加密為2.0 m，壩基開(kāi)挖后超挖部分采用C15素砼回填?；A(chǔ)拱橋達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后方可進(jìn)行拱壩的砌筑(圖2)。

3 基礎(chǔ)拱橋設(shè)計(jì)方案的可行性

本節(jié)主要通過(guò)基礎(chǔ)拱橋與混凝土塞方案投資、施工難度比較，基礎(chǔ)拱橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，基礎(chǔ)拱橋穩(wěn)定計(jì)算，三個(gè)方面來(lái)驗(yàn)證基礎(chǔ)拱橋方案的可行性。

3.1 方案比選

河床順河F1斷層破碎帶，寬約13.3 m，斷層中有孤石和夾層泥等，若采取混凝土塞置換的方案，即使按1.0倍的寬度開(kāi)挖，河床現(xiàn)狀高程約166.0 m，拱壩設(shè)計(jì)底高程162.0 m，混凝土塞底高程需至少開(kāi)挖至148.7 m，基坑深度將近18.0 m，開(kāi)挖工程量為3 565 m3，回填C20埋石混凝土為2 438 m3。

若采用基礎(chǔ)拱橋方案，河床現(xiàn)狀高程為166.0 m，拱壩設(shè)計(jì)底高程162.0 m，基礎(chǔ)拱橋設(shè)計(jì)底高程約為158.0 m，拱腳要嵌入巖石，局部高程會(huì)略低于底高程，基礎(chǔ)拱橋需要開(kāi)挖的最低高程約為155.0 m，基坑深度僅為混凝土塞方案的一半左右，開(kāi)挖工程量為1 930 m3，基礎(chǔ)拱橋C30素混凝土為931 m3，C15素砼回填為391 m3。方案比選見(jiàn)表1。

表1 方案比選表

以上比較可知，基礎(chǔ)拱橋方案工程量遠(yuǎn)小于混凝土塞置換方案，且基坑深度也僅為混凝土塞置換方案的一半，因此，基礎(chǔ)拱橋方案從投資、施工難度方面，都有著明顯的優(yōu)越性。

圖3 貴州窄巷口水電站雙拱壩

3.2 基礎(chǔ)拱橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

河床順河F1斷層破碎帶左右兩側(cè)的基巖都較為新鮮，距離約13.32 m，設(shè)計(jì)采用基礎(chǔ)拱橋跨過(guò)斷層破碎帶，基礎(chǔ)拱橋兩端落在左右岸新鮮基巖上。查閱水工設(shè)計(jì)手冊(cè)，參考類似工程經(jīng)驗(yàn)(貴州窄巷口水電站雙拱壩，圖3)，基礎(chǔ)拱橋厚度初擬為3.0 m，圓心角α宜為70°～90°，矢跨比f(wàn)/l宜為0.2～0.25。根據(jù)以上參數(shù)結(jié)合實(shí)際地形初擬基礎(chǔ)拱橋模型(圖4)。

圖4 基礎(chǔ)拱橋模型

初擬基礎(chǔ)拱橋參數(shù)：采用C25素砼結(jié)構(gòu)，頂高程162.0 m，厚度3.0 m，中心角α=87.1°，f=3.6 m，l=18.0 m，矢跨比f(wàn)/l=0.2。

3.3 基礎(chǔ)拱橋穩(wěn)定計(jì)算

根據(jù)拱壩應(yīng)力計(jì)算成果，設(shè)計(jì)作用在基礎(chǔ)拱橋上的均布荷載取2.25 MPa，基礎(chǔ)拱橋簡(jiǎn)化成等截面無(wú)鉸圓拱進(jìn)行計(jì)算?；A(chǔ)拱橋承受的荷載：(1)上部拱壩的壓應(yīng)力q；(2)拱背充填材料壓力W1；(3)基礎(chǔ)拱橋自重W。計(jì)算簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖5。

圖5 基礎(chǔ)拱橋穩(wěn)定計(jì)算簡(jiǎn)圖

除上圖所示者外，其它符號(hào)為：

Qc、Nc、Mc分別為頂拱C截面的剪力、軸向力及彎矩;W1為拱背充填材料自重；h為等截面拱的截面高度；γ為拱體材料容重；γ1為拱背充填材料容重。

等截面無(wú)鉸圓拱設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表2。

由計(jì)算結(jié)果可知：A截面應(yīng)力為11.8 MPa，查閱巖石力學(xué)參數(shù)工程地質(zhì)手冊(cè)，新鮮完整的巖石抗壓強(qiáng)度經(jīng)驗(yàn)值為70.0 MPa，巖石抗壓強(qiáng)度大于截面應(yīng)力，拱座基礎(chǔ)抗壓強(qiáng)度滿足要求；C截面應(yīng)力為8.7 MPa，查閱規(guī)范C25素砼基礎(chǔ)拱橋抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為11.9 MPa，基礎(chǔ)拱橋抗壓強(qiáng)度大于截面應(yīng)力，基礎(chǔ)拱橋抗壓強(qiáng)度滿足要求。設(shè)計(jì)方案基本可行。

3.4 斷面優(yōu)化設(shè)計(jì)

為保障工程穩(wěn)定安全運(yùn)行，同時(shí)達(dá)到節(jié)約投資的目的，設(shè)計(jì)對(duì)斷面進(jìn)一步優(yōu)化。

(1)基礎(chǔ)拱橋拱腳基巖作為影響本工程的安全重點(diǎn)部位，應(yīng)盡可能對(duì)其減壓，設(shè)計(jì)采用增大拱腳與基巖的接觸面，即通過(guò)擴(kuò)大拱腳尺寸的方式較小基巖承受的壓力，并將拱腳設(shè)計(jì)成馬蹄狀嵌入基巖，拱腳寬5.6 m，嵌入巖石深1.4 m。

(2)基礎(chǔ)拱橋厚度直接影響到投資及施工難度，為減小基礎(chǔ)拱橋的澆筑量，較小開(kāi)挖深度，降低基礎(chǔ)拱橋的施工難度，設(shè)計(jì)采用減小基礎(chǔ)拱橋厚度，同時(shí)提高混凝土標(biāo)號(hào)的方式進(jìn)行斷面優(yōu)化設(shè)計(jì)，基礎(chǔ)拱橋采用C30素砼結(jié)構(gòu)，厚2.8 m。

表2 設(shè)計(jì)參數(shù)表

優(yōu)化后的基礎(chǔ)拱橋斷面見(jiàn)圖6。

圖6 斷面優(yōu)化設(shè)計(jì)

由計(jì)算結(jié)果可知：A截面應(yīng)力為5.9 MPa， C截面應(yīng)力為9.3 MPa，均滿足規(guī)范要求，設(shè)計(jì)方案可行。

4 結(jié)語(yǔ)

水庫(kù)大壩作為重要的水利基礎(chǔ)設(shè)施，在發(fā)揮巨大的防洪、興利作用的同時(shí)，我們也要看到大壩失事給國(guó)家和人民生命財(cái)產(chǎn)造成的重大損失的隱患。由于拱壩的多數(shù)事故都起因于壩基破壞，因此，拱壩壩基處理至關(guān)重要，科學(xué)合理的基礎(chǔ)處理措施，可以保證壩基所需的剛度及承載能力，改善大壩和基礎(chǔ)的應(yīng)力和變位狀態(tài)，可以保證大壩在整個(gè)施工期和運(yùn)行期的可靠性、耐久性和經(jīng)濟(jì)性，讓水利工程在造福人類的同時(shí)，將不利影響降至最小。