水利樞紐大壩基礎(chǔ)處理設(shè)計(jì)研究

王聰輝

摘 要：水利樞紐工程中存在大量水工建筑物，其中大壩為水利樞紐當(dāng)中的主體工程。大壩基礎(chǔ)處理工作是否到位對整個(gè)水利樞紐的安全運(yùn)行產(chǎn)生重要影響，同時(shí)還可能影響到大壩作用的正常發(fā)揮。因此，在實(shí)際工作中必須充分重視大壩基礎(chǔ)處理設(shè)計(jì)問題。文章以工程實(shí)例作為分析基礎(chǔ)，重點(diǎn)探討了水利樞紐大壩基礎(chǔ)處理設(shè)計(jì)工作，包括基巖加固處理設(shè)計(jì)，基礎(chǔ)排水設(shè)計(jì)，基礎(chǔ)地質(zhì)問題處理設(shè)計(jì)及基礎(chǔ)回填處理設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：水利樞紐；基礎(chǔ)設(shè)計(jì)；處理；大壩

1 工程概況

某水利樞紐工程主要被應(yīng)用于防洪，大壩為混凝土結(jié)構(gòu)，壩高最大為82m，壩底寬度最大為140.5m，壩軸線長度為350m，大壩全長743.1m。大壩基礎(chǔ)周圍存在基巖淺槽及6條東西向發(fā)育的斷層，其中有兩條斷層可對水利樞紐工程的部分建筑物產(chǎn)生影響。由于該工程的壩高達(dá)到了80m以上，在處理大壩基礎(chǔ)時(shí)應(yīng)確保最大應(yīng)力能夠達(dá)到3.5～7.5Mpa。在設(shè)計(jì)大壩基礎(chǔ)處理工作時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮滲流、承載力與穩(wěn)定性問題。

2 水利樞紐大壩基礎(chǔ)處理設(shè)計(jì)分析

2.1 基巖加固處理設(shè)計(jì)

本工程大壩基礎(chǔ)主要由灰?guī)r組成，灰?guī)r具有爆破抵抗能力弱、易腐蝕及產(chǎn)生裂縫的特點(diǎn)，一旦基巖遭到破壞，將會對大壩基礎(chǔ)的穩(wěn)定性造成影響，對此本工程根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行了基巖加固處理設(shè)計(jì)，加固處理方法為固結(jié)灌漿處理工藝，以增強(qiáng)基巖防滲性能。（1）加固處理設(shè)計(jì)原則。由于大壩基礎(chǔ)受到一定的水平推力與壓應(yīng)力，所以在設(shè)計(jì)應(yīng)對固結(jié)灌漿的施工部位進(jìn)行合理安排[2]。針對本工程大壩基礎(chǔ)下游側(cè)具有過大側(cè)應(yīng)力的特點(diǎn)，在下游側(cè)適當(dāng)擴(kuò)大了固結(jié)灌漿處理范圍，增加范圍在20～30m之間，并在考察大壩基礎(chǔ)實(shí)際應(yīng)力的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)加固處理深度。（2）基巖加固處理范圍如下：對于存在地質(zhì)缺陷的位置，固結(jié)灌漿處理范圍為30～35m，重力墩為15～23m，河床壩段為8～15m。此外，大壩基礎(chǔ)防滲帷幕的灌漿孔深度為20～30m。帷幕防滲設(shè)計(jì)要求為，水墊塘、近岸山體及壩肩的透水率應(yīng)≤3Lu，河床壩基則≤1Lu。（3）在利用固結(jié)灌漿工藝處理大壩基巖時(shí)，嚴(yán)格控制混凝土的配合比，將混凝土蓋重控制在2.5～5.5m之間，固結(jié)灌漿施工中優(yōu)先考慮將普通或大壩硅酸鹽水泥作為施工材料，并將灌漿壓力設(shè)計(jì)為0.3MPa。

2.2 基礎(chǔ)排水設(shè)計(jì)

在對水利樞紐工程的實(shí)際情況進(jìn)行考察并綜合比較了幾種基礎(chǔ)排水方案后，將本工程的基礎(chǔ)排水形式設(shè)計(jì)為封閉式帷幕抽水排水，以便能夠使大壩基礎(chǔ)的揚(yáng)壓力得以降低，并同時(shí)提高大壩基礎(chǔ)的穩(wěn)定性與安全性。（1）在對工程地下的滲流場進(jìn)行計(jì)算分析后發(fā)現(xiàn)，如對大壩基礎(chǔ)進(jìn)行封閉式抽排處理，則水墊塘壩段、泄洪壩段的揚(yáng)壓力可以降低至0.4及0.25以下。對于近岸地段、山體及兩岸壩肩，則采用常規(guī)形式的帷幕進(jìn)行排水，兩岸壩肩揚(yáng)壓力設(shè)計(jì)為0.35，近岸地段設(shè)計(jì)為0.25[3]。（2）在本工程的大壩基礎(chǔ)中還設(shè)計(jì)了排水孔，排水孔包括輔助性排水孔、封閉性排水孔及主排水孔，封閉性排水孔與主排水孔的位置被安排在主帷幕后方、水墊塘U型區(qū)域，輔助性排水孔則設(shè)置于封閉抽排范圍當(dāng)中。排水孔設(shè)計(jì)參數(shù)為，直徑控制在90～120mm之間，間距為5m，封閉性排水孔與主排水孔均為傾斜形式，傾斜角度保持在80°左右。輔助性排水孔應(yīng)保持垂直向上狀態(tài)。由于主排水孔需要發(fā)揮降低主帷幕揚(yáng)壓力的作用，所以在本工程中將主排水孔的孔深控制在主帷幕實(shí)際孔深的2/3左右。在調(diào)整主排水孔的深度之后，綜合考察了基礎(chǔ)揚(yáng)壓力情況，并將輔助性排水孔孔深設(shè)計(jì)為10m，封閉性排水孔孔深設(shè)計(jì)為15m。采用以上設(shè)計(jì)方案之前先進(jìn)行了滲透流變等相關(guān)試驗(yàn)，在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)滲透比被控制在2.5～6.5之間。圖1為大壩基礎(chǔ)排水設(shè)計(jì)圖。

2.3 基礎(chǔ)地質(zhì)問題處理設(shè)計(jì)

在大壩基礎(chǔ)的施工階段所采用的開挖方式不同，則基礎(chǔ)處理設(shè)計(jì)過程中需要解決的地質(zhì)問題也存在一定的差異，如裂隙及斷層等，本工程需要處理的主要問題為軟弱夾層與斷層。（1）斷層處理設(shè)計(jì)。根據(jù)工程實(shí)際情況調(diào)整基面，確?；驿J角的角度>50°，在設(shè)計(jì)處理深度時(shí)依據(jù)以下公式h=0.0067bH+1.5，在上述公式中，H為地質(zhì)缺陷部位的壩高，單位為m，b為斷層寬度，單位為m，h為混凝土填塞的深度，單位為m。如基面銳角<50°，則根據(jù)實(shí)際情況控制完整巖體的最小厚度值，如兩岸壩基的斷層性狀較差，則厚度值應(yīng)控制在1.5～2.5m之間，如性狀較好，則厚度為1.0～1.5m。此外，對于大壩的重力墩，如斷層性狀較差，則厚度最小為2.5～3.5m，如性狀較好，則最小厚度應(yīng)為1.0～2.5m。如傾角斷層貫穿壩基下游與上游，則在壩基中設(shè)計(jì)防滲豎井，使豎井深度到達(dá)巖溶高程，以便有效封堵巖溶通道。此外，在處理斷層時(shí)要注意將處理范圍延伸至斷層周圍2～3m。（2）軟弱夾層處理設(shè)計(jì)。在處理大壩基礎(chǔ)中的軟弱夾層時(shí)，可采用掏挖處理形式，掏挖深度為夾層寬度的1～1.5倍，開挖后重點(diǎn)處理斷層與軟弱夾層交叉部位、夾層密集部位。如采用明挖形式，則全部挖除埋藏較淺的軟弱夾層，以保證大壩的安全穩(wěn)定性。如采用洞挖形式，則將平洞沿軟弱夾層傾角交叉布置，將部分夾層挖出后采用接觸灌漿工藝或固結(jié)灌漿工藝進(jìn)行處理。

2.4 基礎(chǔ)回填處理設(shè)計(jì)

在開挖壩基時(shí)通常會留下鉆孔及勘探平洞等，為了提高大壩的穩(wěn)定性，則必須將混凝土回填到鉆孔及勘探平洞當(dāng)中，本工程所采用的回填處理設(shè)計(jì)方法如下：（1）回填設(shè)計(jì)應(yīng)綜合考慮大壩防滲情況及應(yīng)力分布情況，并確保設(shè)計(jì)方案與壩基安全要求、基礎(chǔ)排水要求相符。如勘探平洞貫穿整條帷幕線，且勘探平洞在帷幕軸線下10m、上20m的范圍內(nèi)時(shí)，則清理平洞后進(jìn)行回填封堵處理即可。在設(shè)計(jì)鉆孔回填處理方案時(shí)，必須考慮大壩拱座應(yīng)力情況，并采用有限元方法對混凝土的回填深度進(jìn)行分析計(jì)算。（2）在進(jìn)行回填處理時(shí)采用以下設(shè)計(jì)方案：首先徹底清理出平洞或鉆孔中存在的雜質(zhì)與廢棄物，如存在松動巖塊，也必須完全清除后才能開始回填施工。第二，了解平洞與鉆孔情況后，在回填部位放置灌漿管路，以便于順利進(jìn)行回填灌漿施工。（3）采用灌漿回填與封堵回填相互配合的施工工藝處理平洞、鉆孔中的管狀、脈狀及狹縫狀裂縫；同時(shí)將止水片設(shè)置于貫穿主帷幕的巖溶通道、鉆孔及勘探平洞當(dāng)中。此外，如鉆孔及勘探平洞的規(guī)模較大且埋藏深，則采用泵送回填工藝將混凝土填塞到孔洞當(dāng)中，以便有效增強(qiáng)大壩基礎(chǔ)的強(qiáng)度。

3 結(jié)束語

綜上所述，大壩基礎(chǔ)處理是一項(xiàng)較為復(fù)雜的任務(wù)，在設(shè)計(jì)大壩基礎(chǔ)處理方案的過程中應(yīng)綜合考慮多種因素，如防滲要求、基礎(chǔ)強(qiáng)度要求等，并同時(shí)結(jié)合水利樞紐大壩的具體功能，以便使基礎(chǔ)處理設(shè)計(jì)方案變得科學(xué)化與合理化。此外，在大壩基礎(chǔ)處理的設(shè)計(jì)工作中應(yīng)不斷積累經(jīng)驗(yàn)，找出大壩基礎(chǔ)處理工作中存在的不足之處，以便能夠有效完善大壩基礎(chǔ)設(shè)計(jì)工作，從而促進(jìn)水利工程的發(fā)展。

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