山西省天鎮(zhèn)縣石佛寺水庫大壩壩基及壩肩處理工程設計

高　超

(山西省水利水電勘測設計研究院， 山西 太原　030024)

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山西省天鎮(zhèn)縣石佛寺水庫大壩壩基及壩肩處理工程設計

高超

(山西省水利水電勘測設計研究院， 山西 太原030024)

天鎮(zhèn)縣石佛寺水庫采用高5m左右的混凝土面板液壓升降壩，該壩型的壩基及壩肩處理至關重要，其處理方式是否合理直接關系到工程閘壩結構的安全穩(wěn)定、水庫的成功蓄水及工程投資大小。本文針對天鎮(zhèn)縣石佛寺水庫壩址處的地質(zhì)條件和地質(zhì)問題，提出壩基與壩肩的處理方式。

石佛寺水庫； 壩基及壩肩處理； 地基處理； 防滲處理

1　工程概況

天鎮(zhèn)縣位于山西省大同市東北端，地處晉、冀、蒙三省(區(qū))交界處。石佛寺水庫位于天鎮(zhèn)縣境內(nèi)南洋河上，屬海河流域永定河水系。該水庫是為了充分開發(fā)利用南洋河的地表水，服務當?shù)毓鄥^(qū)建設和供水而建的水利工程，是一座以供水為主，兼顧防洪、灌溉的小(1)型水庫。水庫壩址以上流域面積為2300km2，水庫總庫容288.7萬m3。

水庫樞紐壩址處上游河床平坦，壩址處河床縮窄，河谷為“U”形谷。該工程特點是控制流域面積大，洪水泄量較大，汛期全斷面泄洪排沙，壩前水深小，所以選擇泄洪能力大、易于排沙的攔河閘壩。

該水庫樞紐的主要建筑物由攔河閘壩、兩岸沖沙引水閘及后箱涵組成。攔河閘壩軸線為一直線，基本與主河槽走向垂直；左、右岸各設一座沖沙引水閘；左岸臺地上布設一處管理房。

攔河閘壩經(jīng)方案比選確定采用鋼筋混凝土面板液壓升降壩，布置在河床中間，呈直線布置，軸線與河道基本垂直。攔河閘壩壩高5.0m。在河床中布設14扇連續(xù)攔河閘壩，每扇閘壩寬6.0m，全長84m，中間不設隔墩。閘壩底板為開敞式寬頂堰，采用C25鋼筋混凝土結構。閘門放平敞泄時同自然河道。

2　壩址處的工程地質(zhì)

2.1河床巖土體

壩址河床上覆地層為第四系全新統(tǒng)洪沖積物，巖性上部為卵石混合土，結構松散，一般粒徑2～5mm，卵礫石主要成分為變質(zhì)巖，磨圓度呈次棱角—次圓狀。卵石含量約 18.9%～24.1%，礫石含量49.1%～51.5%，沙粒含量24.8%～25.6%，粉黏粒含量2.0%～4.0%，不均勻系數(shù)Cu=123.36～130.5，曲率系數(shù)Cc=0.92～1.54。修正后的錐貫擊數(shù)為2.9～10.4擊，小值平均值5.7擊，密實度狀態(tài)為松散—稍密，厚度為6.0～8.0m；中部為級配不良砂，黑灰色，較均勻，其礫石含量23.4%～28.4%，沙粒含量68.5%～74.9%，粉黏粒含量1.7%～3.1%，不均勻系數(shù)Cu=4.34～6.05，曲率系數(shù)Cc=0.61～2.35。修正后的標準貫入錘擊數(shù)為5.5～8.3擊，小值平均值6.4擊，密實度狀態(tài)為松散，厚度為4.2～5.0m；下部為卵石混合土層，一般粒徑3～10mm，卵礫石主要成分為變質(zhì)巖，磨圓度多呈次圓狀，卵石含量約 20.3%～25.6%，礫石含量48.9%～52.5%，沙粒含量23.6%～24.0%，粉黏粒含量1.9%～3.2%，不均勻系數(shù)Cu=98.5～130.3，曲率系數(shù)Cc=0.85～2.45。修正后的錐貫擊數(shù)為7.6～14.2擊，小值平均值8.7擊，密實度狀態(tài)為稍密—中密，厚度為5.0～7.0m。

下伏基巖為太古界集寧群右所堡組黑云斜長片麻巖，局部夾花崗片麻巖，深部漸變?yōu)闇\粒巖、麻粒巖。強風化層厚2～5m，弱風化層厚10～15m。河床處鉆孔壓(注)水試驗統(tǒng)計，在高程942.00m以上透水率為8.5～14.0Lu，屬中等透水巖體(q=10～100Lu)；在高程942.00m以下透水率為5.4～8.5Lu，屬弱透水巖體?；鶐r干密度2.69～2.72g/cm3，平均值2.76g/cm3，飽和抗壓強度32.9 ～58.9MPa，平均值46.4MPa，軟化系數(shù)0.64～0.86，平均值0.75，泊松比0.24～0.26，平均值0.25，飽和彈性模量1.47×104～6.60×104MPa，平均值4.24×104MPa，飽和抗剪斷凝聚力1.33～4.51MPa，內(nèi)摩擦角50.8°～51.8°。

2.2左岸巖土體

壩址左岸上、下游各發(fā)育一支溝，兩溝之間山梁寬約250m。壩肩處基巖裸露，向四周基巖埋深加大，S201省道以南基巖埋深0～40m。上伏覆蓋層為第四系上更新統(tǒng)洪沖積級配不良礫夾低液限粉土透鏡體，為古河道。據(jù)鉆孔資料，地下水水位972.30～972.91m，略高于現(xiàn)河水位971.4m。

左岸表層覆蓋層為第四系上更新統(tǒng)洪沖積物，巖性為級配不良礫，夾低液限粉土透鏡體。級配不良礫石主要成分為變質(zhì)巖，磨圓度呈次棱角—次圓狀。厚0～40.0m。卵石含量約 5.6%～9.1%，礫石含量64.5%～70.1%，沙粒含量21.7%～24.5%，粉黏粒含量0.4%～3.1%，不均勻系數(shù)Cu=22.31～30.81，曲率系數(shù)Cc=1.30～2.96。級配不良礫層修正后的錐貫擊數(shù)為2.9～9.5擊，小值平均值5.4擊，除表層密實度較松散外，其下多處于稍密狀態(tài)。滲透系數(shù)K=5.18～12.3m/d，屬中等—強透水層。

下伏基巖為太古界集寧群右所堡組黑云斜長片麻巖。強風化層厚3～8m，弱風化層厚10～15m。據(jù)左岸鉆孔壓(注)水試驗，在高程937.00m以上屬中等透水巖體(q=10～100Lu)，在高程937.00m以下屬弱透水巖體。以巖體透水率小于10Lu做為相對隔水層，左壩肩上部中等透水帶巖體滲透系數(shù)1.5～2.5m/d，基巖中等透水帶厚7～10m，平均8.5m。

該段滲漏帶滲透系數(shù)取其加權平均值為11.0m/d。經(jīng)計算，在正常蓄水位978.2m時，左壩肩繞壩滲漏為3031m3/d。需要對壩肩級配不良礫及中等透水巖體進行防滲處理。

2.3右壩肩基巖

右岸山體基巖裸露，巖性為集寧群右所堡組黑云斜長片麻巖。強風化層厚5～9.5m，弱風化層厚10～15m。據(jù)右岸鉆孔壓(注)水試驗，在高程951.00m以上屬中等透水巖體(q=10～100Lu)，在高程951.00m以下屬弱透水巖體。以巖體透水率小于10Lu作為相對隔水層，右壩肩巖體中等透水帶透水率9.0～11.8Lu，平均值為10.6Lu，換算滲透系數(shù)為K=0.10m/d。經(jīng)計算，在正常蓄水位978.2m時，右岸繞壩滲漏量為400m3/d。需要對壩肩巖體進行帷幕灌漿處理。

3　閘壩壩基地基處理

壩址河床左岸漫灘為人工堆積級配不良砂，結構松散，設計擬將其清除。閘基置于上部卵石混合土層，考慮卵石混合層結構松散，存在不均勻變形問題，需要進行地基處理。

工程區(qū)地震基本烈度為7度，壩基覆蓋層存在地震液化問題。依據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(GB 50487—2008)附錄P中土的液化判別進行評價。經(jīng)初判和復判，壩基基底以下為可能液化土層(卵石混合土)、厚4～6m，其下為液化土層(級配不良沙)、厚4.2～5m。壩基上部卵石混合土、級配不良沙層分布不均，需要將表層Qs級配不良沙層挖除，并對壩基下部的卵石混合土層及級配不良沙層采取碎石擠密樁或圍封措施進行處理，消除或防止液化問題。

根據(jù)地質(zhì)情況，設計擬對壩基覆蓋層的卵石混合土和級配不良沙采取碎石擠密樁進行處理。綜合比較各種地基處理方式，根據(jù)《建筑地基處理技術規(guī)范》(JGJ 79—2012)，對位于卵石混合土上的閘壩底板基礎選用振沖碎石樁進行地基處理，以增加壩基的承載力，提高壩基的穩(wěn)定性，減少或消除地基的有害沉降，消除卵石混合土和級配不良沙層的液化問題。壩基處理范圍為84m×12.0m，樁位布置采用等邊三角形。樁距為2.0m，樁徑為300mm，樁長3.5～16.2m。樁頂和閘壩基礎之間鋪設一層300mm厚的碎石墊層。

4　閘壩壩基防滲處理

壩基覆蓋層為強透水層，需要采取防滲措施。設計擬在閘壩軸線上游5.2m處設一條防滲軸線，對壩基和左岸覆蓋層采用高壓旋噴灌漿防滲處理，對壩基和兩壩肩的基巖采用帷幕灌漿防滲處理。

壩基卵石混合土層防滲采用高壓旋噴防滲墻，壩基高壓旋噴防滲范圍為防滲軸線樁號FS0+222.4～FS0+312.0。高壓旋噴灌漿采用三管法施工，采用單排灌漿孔布置，孔距0.8m，防滲墻頂高程972.20m，防滲墻深入基巖1.0m。設計要求高噴灌漿墻體滲透系數(shù)不大于1×10-6cm/s、墻體結石強度5～15MPa。為滿足設計要求，初步確定灌漿孔距0.8m，灌漿壓力35MPa，氣壓0.7MPa，漿壓0.8MPa，水泥采用普通硅酸鹽水泥，水灰比1∶1。上述技術指標值均為初定值，灌漿施工前應在現(xiàn)場進行高壓旋噴灌漿試驗，滿足設計要求后再進行施工。

壩基卵石混合土層下的巖體具中等—弱透水性，綜合考慮中等透水帶分布情況，根據(jù)地質(zhì)專業(yè)建議，設計對壩基巖體的中等透水帶進行帷幕灌漿處理。壩基帷幕灌漿范圍為防滲樁號FS0+216.3～FS0+320.6。單排孔布置，帷幕灌漿伸入中等透水帶下限1.0m，孔距2.0m，單孔帷幕灌漿深度為16.0～31.0m。

5　閘壩兩壩肩防滲處理

5.1左壩肩防滲處理

為增加左壩肩繞壩滲徑，減少左壩肩的繞壩滲漏量，設計對左壩肩的卵石混合土層及其下的基巖進行防滲處理。對左壩肩高程為978.70m以下(正常蓄水位978.20m)的卵石混合土層進行高壓旋噴灌漿。左壩肩高壓旋噴灌漿處理范圍為防滲樁號FS0+000～FS0+169.6，底部深入基巖1m，施工要求與壩基處相同。同時對其下的基巖采用帷幕灌漿處理，左壩肩帷幕灌漿處理范圍為防滲樁號FS0+000～FS0+216.3，帷幕灌漿孔深入巖基的中等透水帶下限1.0m，單排孔布置，孔距2.0m。單孔帷幕灌漿平均深度為16.0～68.0m 。

5.2右壩肩防滲處理

為增加右壩肩繞壩滲徑，減少右壩肩的繞壩滲漏量，設計對右壩肩部分基巖采用帷幕灌漿處理。右壩肩帷幕灌漿處理范圍為防滲樁號FS0+320.6～FS0+394。帷幕灌漿孔深入巖基的中等透水帶下限1.0m，單排孔布置，孔距2.0m。單孔帷幕灌漿平均深度為32.0～40.0m。

6　結　語

天鎮(zhèn)縣石佛寺水庫采用的混凝土面板液壓升降壩是近幾年發(fā)展較快的一種新型活動壩，但多數(shù)壩高僅2m左右。國內(nèi)5m左右的壩高較少，僅在安徽、河南有工程采用，山西省境內(nèi)還沒有。該壩型的壩基及壩肩處理至關重要，其處理方式直接關系到工程閘壩結構的安全穩(wěn)定和水庫的成功蓄水，且該部分投資占整個工程投資的比重較大，故其設計是否經(jīng)濟合理對工程投資的影響較大。

[1]GB 50487—2008水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范[S].北京：中國計劃出版社，2009.

[2]SL 265—2001水閘設計規(guī)范[S].北京：中國水利水電出版社，2001.

[3]SL 191—2008水工混凝土結構設計規(guī)范[S].北京：中國水利水電出版社，2008.

[4]GB/T 50662—2011水工建筑物抗冰凍設計規(guī)范[S].北京：中國計劃出版社，2011.

[5]JGJ 79—2012建筑地基處理技術規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2012.

Design of dam foundation and abutment treatment project in Shanxi Tianzhen County Shifosi Reservoir Dam

GAO Chao

(Shanxi Water Conservancy and Hydropower Survey and Design Institute, Taiyuan 030024, China)

Tianzhen County Shifosi Reservoir is provided with concrete face hydraulic elevator dam as high as about 5m. The dam foundation and dam abutment treatment is critical. Whether the treatment approach is reasonable or not is directly related to the safety and stability of the project dam structure, successful reservoir water storage and project investment. In the paper, dam foundation and dam abutment treatment mode is proposed aiming at the geological conditions and geological problems of Tianzhen County Shifosi Reservoir dam site.

Shifosi Reservoir; dam foundation and abutment treatment; foundation treatment; anti-seepage treatment

10.16616/j.cnki.11- 4446/TV.2016.08.009

TV640.31

B

1005- 4774(2016)08- 0033- 03