綜合加固處理技術(shù)在錦屏高拱壩左岸壩基中的應(yīng)用

李正兵，張立展

(1.成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室，成都 610059;2.中國水利水電第七工程局成都水電建設(shè)工程有限公司，成都 611130)

1 研究背景

隨著水利水電建設(shè)事業(yè)的迅速發(fā)展，大型水庫和水電站樞紐大壩越來越多地采用了混凝土高拱壩壩型［1］，與其它壩型相比，拱壩對地形地質(zhì)條件提出了更高的要求。據(jù)統(tǒng)計，70%的重大拱壩事故與壩基穩(wěn)定性有關(guān)［2］。在影響壩基穩(wěn)定的諸多因素中，斷層軟弱破碎帶是最為常見的因素之一。

近年來國內(nèi)外針對大壩基礎(chǔ)處理開展了很多研究工作［3］。大壩基礎(chǔ)處理技術(shù)隨著壩體設(shè)計技術(shù)的不斷進步也取得了相應(yīng)的進展，主要體現(xiàn)在以下幾個方面:壩基穩(wěn)定性評價由定性逐步向定量過渡;灌漿新材料的研發(fā)與應(yīng)用［4－6］，解決了基礎(chǔ)加固及防滲等諸多工程難題;斷層破碎帶的處理技術(shù)日趨成熟，廣泛應(yīng)用了新方法與新手段;對處于不同部位、產(chǎn)生不同影響的同一類地質(zhì)缺陷，開展個性化加固處理。例如，針對某水電站壩址區(qū)域性斷裂的主體組成部分碎裂巖帶，采用了挖槽回填混凝土塞、固結(jié)灌漿、帷幕灌漿等措施后，滿足了建壩的要求［7］;利用最小勢能原理推導(dǎo)得出了傳力洞截面尺寸的計算公式，并成功應(yīng)用到了葫蘆口拱壩傳力洞的設(shè)計當(dāng)中［8］;白巖河水利工程大壩壩基加固工程中，對不同埋深的破碎帶采用了不同的處理措施:如，埋深不大處增大開挖深度至強風(fēng)化巖體以下，埋深較大處則采用固結(jié)灌漿和帷幕灌漿［9］?？傮w來說，目前對壩體基礎(chǔ)的處理措施可以歸納為開挖處理、基礎(chǔ)排水、灌漿處理、擴大回填、斷層置換、岸坡防護等［10］。

錦屏一級水電站是雅礱江大河灣上錦屏“雙子星”電站之一，位于四川省涼山彝族自治州鹽源縣和木里縣境內(nèi)。大壩高305 m，庫容77.6億m3，裝機容量為3 600 MW，是世界上已建成的最高的雙曲拱壩。大壩左岸壩基地質(zhì)條件復(fù)雜，尤其以f5斷層為代表，不僅規(guī)模巨大，而且?guī)r體性狀極差，處理技術(shù)要求非常高。為了保證大壩能夠長期安全地運營，必須對f5斷層的處理措施進行科學(xué)有效的設(shè)計，以解決其對于錦屏高拱壩滲流穩(wěn)定、抗滑穩(wěn)定、變形穩(wěn)定的影響。

2 壩基地質(zhì)條件

錦屏一級水電站樞紐區(qū)所在峽谷呈典型的深切“V”形，最大高差達到了1 700 m［11］。大壩左岸壩基主要分布大理巖中的至層，以及砂板巖中的至層。左岸巖層總體產(chǎn)狀N0°～30°E/NW∠25°～45°，巖層走向較穩(wěn)定，與河流基本平行，傾向山里，在中高高程山里局部傾角達50°～70°，屬典型逆向坡。

f5 斷層產(chǎn)狀為N35°～45°E/SE∠70°～80°。在地表和平洞中，斷層面整體上為較平整的板狀，局部位置為舒緩的波狀，個別地段近乎直立。總體上斷層面產(chǎn)狀比較穩(wěn)定，斷面形態(tài)也比較規(guī)整。不同部位和不同巖性中的斷層破碎帶性狀都有所不同:位于上部高程的砂板巖中的破碎帶一般寬4～8 m，主要組成物質(zhì)為散體結(jié)構(gòu)的巖屑、泥質(zhì)物質(zhì)和角礫;位于中低高程的大理巖中的破碎帶則普遍寬1～3 m，主要組成物質(zhì)為斷層角礫巖和碎裂巖，膠結(jié)較為緊密，沿斷面在局部區(qū)段可見2～3 cm的斷層泥［12］。分布在1 680～1 800 m高程之間的斷層破碎帶，均處于大理巖中，一般寬3～5 m，局部可達10～15 m，主要由角礫巖、碎裂巖組成，含少量片狀巖、糜棱巖以及不連續(xù)斷層泥，局部位置有5～10 cm的張開距離，幾乎沒有充填，巖體分級為Ⅴ級。f5斷層的地質(zhì)縱剖面如圖1所示。由上述可見，f5斷層及其影響帶寬度大，物理力學(xué)參數(shù)低，并在建基面上出露，直接對拱壩的變形、穩(wěn)定和滲透條件產(chǎn)生不利影響。

圖1 f 5斷層地質(zhì)剖面示意圖Fig.1 Geological profile of fault f 5

3 斷層及影響帶處理關(guān)鍵技術(shù)

3.1 置換處理

(1)混凝土大墊座置換:f5斷層在拱端1 800～1 730 m高程間及附近出露，該段大理巖受斷層及其影響帶影響，巖體裂隙大多較為松弛，完整性也較差，巖級大部分為Ⅲ2和Ⅳ2。為消除該軟弱巖體區(qū)對大壩造成的不利影響，采取明挖回填混凝土，與上部高程的混凝土墊座相結(jié)合進行處理。該高程段內(nèi)墊座具體尺寸見表1。

表1 各高程墊座尺寸Table 1 Sizes of cushion blocks at different elevations m

(2)平洞及斜井置換:在斷層及其影響帶內(nèi)，布置2條置換平洞和4條置換(防滲)斜井，平洞一般為9 m×10 m(寬×高);斜井按15 m×B(長×寬)布置，其中2條井B≥7 m，另外2條井B≥8 m。因置換平洞部位大部分為Ⅴ類圍巖，穩(wěn)定性極差，每排炮爆后均要及時噴混凝土對巖面進行封閉。

(3)高壓水對穿沖洗置換:采用巖土錨固鉆機順斷層從1 730 m鉆至1 670 m高程，在1 730 m高程開展對穿孔高壓沖洗，打通串通通道，在高壓風(fēng)和水的聯(lián)合切割、擾動、破壞下，使得細小顆粒和液化后的泥漿順著通道進入1 670 m置換洞內(nèi)，不僅加強了置換效果，而且增大了回填空腔尺寸。最后，從下而上回填自密實混凝土。對穿沖洗孔位剖面示意圖如圖2所示。

圖2 對穿沖洗孔位剖面(以樁號K 0+54至K 0+59段為例)Fig.2 Profile of two-ended washing holes(K0+54 to K0+59)

3.2 高壓灌漿

(1)高壓水泥固結(jié)與帷幕防滲灌漿:采用孔口封閉自上而下分段灌漿法灌漿，漿液采用2∶1普通硅酸鹽水泥漿，也可采用濕磨細水泥或穩(wěn)定漿液。灌漿壓力段及段長劃分見表2。在最大灌漿壓力下，注入率＜1 L/min，繼續(xù)灌注60 min即可結(jié)束灌漿。全孔高壓沖洗灌漿完成后，采用全孔灌漿封孔法進行封孔，用0.5∶1濃漿進行純壓式灌漿，封孔灌漿壓力采用最大灌漿壓力，封孔持續(xù)時間＞1 h。

表2 固結(jié)與帷幕灌漿壓力及段長控制Table 2 Pressure in each segment of consolidation and curtain grouting

(2)水泥－化學(xué)復(fù)合灌漿:水泥灌漿完成后，在3排水泥灌漿孔中間布置2排水泥－化學(xué)復(fù)合灌漿補強孔，間距1.0 m，孔向與該部位水泥灌漿孔孔向一致?？咨钜源┻^f5斷層進入相對較好的巖體內(nèi)2 m為原則。f5斷層水泥－化學(xué)復(fù)合灌漿布置見圖3。

圖3 f 5斷層水泥－化學(xué)復(fù)合灌漿布置示意圖Fig.3 Layout of cement-chemical grouting for fault f5

3.3 預(yù)應(yīng)力錨固體系

錨索采用壓力分散型全防腐預(yù)應(yīng)力錨索結(jié)構(gòu)。預(yù)應(yīng)力筋采用低松弛且高強度的無粘結(jié)鋼絞線，直徑為15.24 mm，強度為1 860 MPa。在施工之前，對其材質(zhì)以及力學(xué)性能進行了檢測試驗，鋼絞線破斷力可達271.8 kN。錨索具體布置如下:使用2 000 kN的預(yù)應(yīng)力錨索矩形長短交錯布置，錨索深60～80 m，間排距為4.0 m ×4.0 m。

4 處理后監(jiān)測成果分析

4.1 變形及位移監(jiān)測

在左岸高程1 730 m基礎(chǔ)處理平洞的置換洞煌斑巖脈和f5斷層附近布置了2個監(jiān)測斷面。第4階段蓄水前后洞室各監(jiān)測斷面位移計孔口位移值分布見圖4。由圖中可以看出，第4階段蓄水前后，圍巖位移變化量在－0.04～0.07 mm之間，位移變化量很小。在左岸高程1 730 m f5斷層置換洞布置了五向應(yīng)變計，第4階段蓄水前后應(yīng)變值變化量在－16.75～4.70με 之間，應(yīng)變變化較小，目前測值基本平穩(wěn)。

圖4 孔口位移分布柱狀圖Fig.4 Histogram of displacement distribution of the orifice

4.2 滲壓監(jiān)測

壩基帷幕后滲壓計折減系數(shù)為α1=0.00～0.37，排水孔后 α2=0.01～ 0.09，符合壩基揚壓力分布的一般規(guī)律，且全部小于設(shè)計折減系數(shù)控制值，即帷幕后 α1≤0.40，排水孔后 α2≤0.20。在第4 階段蓄水中，帷幕后的折減系數(shù)總體變化不大，且大多數(shù)小于設(shè)計控制值，帷幕整體效果較好。典型滲壓計PDZ—2的滲透水壓力蓄水過程曲線如圖5所示。

圖5 滲透水壓力－時間關(guān)系曲線Fig.5 Curves of hydraulic seepage pressure vs.time

4.3 滲流量監(jiān)測

壩基滲流量監(jiān)測主要包括排水孔排水(含壩基測壓管排水)監(jiān)測、兩岸壩肩灌漿洞和排水洞匯水監(jiān)測等。目前滲流量采用量水堰監(jiān)測各層廊道內(nèi)滲流量，蓄水至1 880 m后，f5斷層及其影響帶部位滲流監(jiān)測如表3所示。從表中可以看出，相應(yīng)部位的滲流量均較小，滿足設(shè)計要求，說明滲控工程施工工藝得當(dāng)，質(zhì)量可靠。

表3 左岸f 5部位量水堰監(jiān)測成果統(tǒng)計Table 3 Monitored results of measuring weir around fault f5

5 結(jié)論

(1)經(jīng)過4個階段的蓄水運行檢驗，大壩左岸壩基及抗力體巖體變形及滲控等各項指標(biāo)正常，說明針對錦屏高拱壩左岸壩基f5斷層及影響帶，采用混凝土墊座、平洞及斜井置換、抗力體高壓固結(jié)與防滲灌漿、水泥－化學(xué)復(fù)合灌漿及高壓水對穿沖洗回填混凝土和預(yù)應(yīng)力錨固等多種綜合加固處理措施得當(dāng)，施工工藝和方法科學(xué)可行，檢查指標(biāo)滿足了拱壩設(shè)計和規(guī)范的要求。

(2)錦屏高拱壩左岸壩基f5斷層的加固工程實踐證明，綜合加固處理技術(shù)能夠縮短工期、降低工程量，進而節(jié)約成本。且與單一的加固措施相比，能夠最大限度地同時滿足拱壩對滲流穩(wěn)定、抗滑穩(wěn)定和變形穩(wěn)定的要求，值得在類似的工程中推廣應(yīng)用。

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