軟基上分期填筑土石壩方案的論證與實踐

李曉平，梅 偉，張寶瓊，樊 勇

（云南省水利水電勘測設(shè)計研究院，云南 昆明 650021）

LI Xiaoping，MEIWei，ZHANG Baoqiong，F(xiàn)AN Yong

（YunnanWaterConservancy and Hydroelectric Survey Design and Research Institute，Kunming 650021，China）

軟基上分期填筑土石壩方案的論證與實踐

李曉平，梅 偉，張寶瓊，樊 勇

（云南省水利水電勘測設(shè)計研究院，云南 昆明 650021）

某土石壩壩軸線長達1172m，在如此長的大壩地基范圍內(nèi)，分布有上第三系20多個地層，地層與地層之間的力學指標差異較大，地質(zhì)條件十分復(fù)雜。如何解決壩體的不均勻沉降，是該攔河壩工程的關(guān)鍵技術(shù)問題。為解決這一技術(shù)難題，本文采用理論計算和離心模型試驗相結(jié)合的方法，論證了采用分期、分段預(yù)壓的設(shè)計和施工筑壩技術(shù)的可行性，水庫建成3年后壩體沉降觀測值3 cm事實，驗證了該設(shè)計和施工方案的正確性。

基礎(chǔ)處理；不均勻沉降；處理對策

不均勻沉降變形是土石壩被破壞的主要因素之一。麻栗壩水庫攔河壩地質(zhì)條件十分復(fù)雜，其土壩壩軸線長達1172m，在其壩基范圍內(nèi)，分布有上第三系20多個地層，且均屬透水地基地層，按N1、N2、N3、…、N19、N20、N21排序，各地層之間即含礫砂土N1、N3、N5、…、N21與砂質(zhì)黏土N2、N4、N6、…、N20之間的力學指標差異較大，抗剪強度指標差別大，軟硬地層在平面和空間上交錯排列，被俗稱為“夾心餅干”。由于地形和淹沒條件的限制，需要在此壩址建壩。因此解決壩基不均勻沉降變形是該壩建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)之一。

目前國內(nèi)外對建筑物級別為4級的中低攔河壩，且地質(zhì)條件單一的軟基沉降變形，多以經(jīng)典理論計算，實施中預(yù)留沉降計算高度或者進行基礎(chǔ)處理來減小沉降變形；對建筑物級別為3級及以上的攔河壩或者建筑物為4級的中低攔河壩、地質(zhì)條件復(fù)雜的軟基沉降變形，多以經(jīng)典理論計算和有限元分析相結(jié)合，并采用離心模型試驗加以驗證，實施中預(yù)留沉降計算高度或者進行基礎(chǔ)處理來減少沉降變形。本攔河壩地基巖層分布相當復(fù)雜，難以用有限元分析進行模擬，也未有相類似工程的研究成果借鑒。

通過研究該壩地基沉降變形，為減少不均勻沉降，本文開展了軟基處理方案比較，采用理論分析計算和離心模型試驗相結(jié)合的方法，論證了所選方案的可行性。最后對選定方案進行了實施和工程運行驗證。

1 工程問題

1.1 工程概況麻栗壩水庫工程位于云南省德宏州隴川縣境內(nèi)城子鎮(zhèn)以北5 km的南宛河上游。水庫為大（2）型水利樞紐工程，以灌溉、防洪為主，結(jié)合發(fā)電等綜合利用。水庫總庫容1.067×109m3，攔河壩為土質(zhì)分區(qū)壩（心墻壩）和均質(zhì)壩，最大壩高37.6m，攔河壩為2級建筑物，設(shè)計地震烈度為7°。

1.2 地質(zhì)條件的復(fù)雜性麻栗壩水庫壩基地層由第四系及上第三系組成。上第三系（N）為洪水湖相沉積，含礫砂土夾黏土層，總厚度未見底界，屬無限深透水軟基土層。

壩基持力層為上第三系地層，由巨厚含礫砂土和黏土層構(gòu)成，在平面和空間成互層狀，以含礫砂土為主，其中含礫砂土巖組10層（N1、N3、N5、…、N19），總厚度約910m，占77.65%，透水層，成巖度差，承載力低（〔R〕=0.2～0.6MPa），屬中等壓縮性；黏土巖組10層（N2、N4、N6、…、N20），總厚度262m，占22.35%［1］，薄層黏土層，為隔水層（〔R〕=0.1～0.25MPa），屬高壓縮性土，抗剪強度低（φ=11.5°～15.7°）。主要持力層：N18為砂質(zhì)黏土；N17為含礫砂土；N16為黏土；N15為含礫粗中砂土；N14為黏土夾細砂土；N13為粗、中、粉、細砂土；N12為砂質(zhì)黏土夾中砂土；N11為中砂土夾薄層砂質(zhì)黏土；N10為粉砂質(zhì)黏土；N9為含礫砂土，卵礫質(zhì)土；N8為粉砂質(zhì)黏土；N7為含礫砂壤土及卵礫質(zhì)土；N6為砂質(zhì)黏土、黏土；N5為砂卵礫質(zhì)土；N4為灰黑色黏土，強度偏低；N3為含礫中粗砂土；N2為砂質(zhì)黏土；N1為含礫中細砂土。除以上主層外，每一個主層還派生有眾多力學指標不同的副層，如橫剖面中N3-1、2、3、4、5等。各地層縱剖面和橫剖面布置詳見圖1、圖2。鑒于篇幅所限，左岸壩段連同地層N11、N12、N13、…、N20和各副層均未示出。

表1 攔河壩基礎(chǔ)及壩體的物理力學指標

1.3 攔河壩的結(jié)構(gòu)布置攔河壩被溢洪道分隔，溢洪道左岸壩段為黏土均質(zhì)壩，右岸壩體為心墻壩，最大壩高37.6m，壩頂長1172m，壩頂寬6m，壩頂高程1000.60m，上游壩坡1∶3，下游壩坡從上至下分別為1∶2、1∶2.5、1∶3，心墻頂面與壩頂面齊平，上游坡比1∶0.35，下游坡比1∶0.25。上游設(shè)一層反濾，下游設(shè)三層反濾，壩基采用混凝土防滲墻防滲。結(jié)構(gòu)布置詳見圖2。

1.4 存在的問題從壩基地質(zhì)條件和攔河壩結(jié)構(gòu)布置綜合分析，該攔河壩地質(zhì)條件十分復(fù)雜，壩軸線長達1172m，在1000多m的壩體范圍內(nèi)，分布有上第三系20多個地層，含礫砂土地層與砂質(zhì)黏土地層之間的力學指標和滲透系數(shù)差異較大，軟硬地層在平面和空間上交錯排列，顯然，在該地基上填筑土石壩需要解決壩基的不均勻沉降變形問題。

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2 軟基上筑壩方案論證

為了安全筑壩，解決該壩地基不均勻沉降的問題，提出壩基大挖除、振沖置換碎石樁、壩體一次性填筑和壩體分期填筑等4種方案，并對所選方案開展技術(shù)經(jīng)濟比較，通過理論計算和離心模型試驗論證確定出設(shè)計和施工方案。

2.1 挖除方案將N2、N4、N6、…、N20砂質(zhì)黏土層挖除，回填含礫砂土，使壩體沉降均勻，但由于砂質(zhì)黏土分布不均勻，使開挖施工即有不確定性，在具體開挖實施過程中，含礫砂土極易垮塌，且上第三系中，含有承壓水，勢必給施工排水、基坑護壁加固帶來較大困難，另一方面，由于上第三系層間軟硬夾雜，不同的巖層分布于不同的空間，空間分布相當復(fù)雜，在現(xiàn)場施工中不易分清需挖除的土層，因此，挖除方案不可行。

2.2 軟基振沖加固方案振沖碎石樁可有效穿透障礙物，樁體連續(xù)性好，由高強度的微風化碎石作為填料與軟基組成復(fù)合地基，經(jīng)適當固結(jié)后抗剪強度滿足上部結(jié)構(gòu)的抗滑穩(wěn)定需要，承載力將能明顯改善和提高，將有效地減少不均勻沉降變形，但由于壩軸線較長，處理面積較大，工程造價較高，被否定。

2.3 壩體分期填筑方案由于壩基特殊的地質(zhì)條件，壩體長度又較長，如按常規(guī)一次性筑壩至壩頂，壩基將可能產(chǎn)生較大的不均勻沉降，導(dǎo)致壩體破壞，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟比較，該壩基的基礎(chǔ)處理方案又不可行，為保證大壩安全，及大壩的建設(shè)施工、蓄水和運行管理提供重要的科學技術(shù)支撐，并從節(jié)約工程投資考慮，經(jīng)填筑方案比較分析后提出分期、分時段預(yù)壓的設(shè)計和施工筑壩技術(shù)方案，即采取將壩體分三期施工的措施來減緩不均勻沉降，盡量把較大的沉降量消除在施工期。該分三期筑壩方案是否可行，計算壩基和壩體各縱向位置準確的沉降量就成為分析和解決攔河壩不均勻沉降問題的關(guān)鍵所在。

圖1 心墻壩段剖面圖（溢洪道右岸k0+521.57m—k1+183.00m）

圖2 心墻壩段剖面圖（溢洪道右岸k0+521.57m—k1+183.0）

由于壩基具有極其復(fù)雜的水文地質(zhì)條件，按照經(jīng)典理論計算的沉降值是否準確，土壩在運行中是否會由于不均沉降而被破壞，在如此復(fù)雜的地質(zhì)條件下要解決這樣的技術(shù)難題，僅靠經(jīng)典理論計算存在一定的局限性，為此，在設(shè)計中引入土壩的離心模型進行驗證，以達到理論和實踐的完美結(jié)合，保證攔河壩工程安全可靠。

按經(jīng)典理論計算（方法1）和離心實體模型進行驗證（方法2）土壩一次性填筑至壩頂?shù)某两盗亢头制谥蔚某两盗垦芯糠椒ǚ质鋈缦拢?/p>

（1）大壩沉降計算（方法1）。

①壩體變形的基本假定：（a）壩體中任何一點由自重所引起的垂直壓應(yīng)力等于該點上面土柱的重量。（b）大壩土料在壓縮時不發(fā)生側(cè)向變形［2］。

壓縮層最大計算深度，按附加應(yīng)力與自重應(yīng)力的比值達到0.2時為控制標準［7］。

將壩體和壩基沿縱向每30m取一個橫斷面，計算該斷面沉降值，分別在壩體和壩基縱斷面將各橫斷面計算的沉降值連接成為一條曲線。

③計算公式：按照碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范（SL274-2001）中土壩沉降計算公式［8-9］：

式中：S為總沉降量，cm；n為計算層數(shù)；e1為增壓前的初始孔隙比；e2為增壓后的初始孔隙比；h為計算的厚度，cm。

④計算參數(shù)：壩體和壩基的物理力學指標見表1，各壩料的e-P壓縮曲線圖見圖3［5］。

⑤計算結(jié)果：一次性填筑大壩最大沉降量發(fā)生在k0+928m斷面，壩體的最大沉降量1.22m，基礎(chǔ)的最大沉降量1.69m［10］。大的沉降差發(fā)生在里程k0+700m—k1+000m段，為壩體的最大壩高壩段，如果一次性填筑大壩，壩體100m范圍內(nèi)產(chǎn)生的最大沉降差為0.68m、壩基1.08m，大于1%的設(shè)計沉降率，故一次性填筑大壩方案不可行。由計算成果繪制的沉降曲線見圖4。

分三期填筑施工過程中，最大沉降量發(fā)生在k0+928m斷面，施工期間壩體和壩基總沉降量281.8 cm。到第三期壩體填筑完成，壩體和壩基100m內(nèi)最大沉降差為36 cm，最大沉降差發(fā)生在里程k0+700m—k1+000m段，為壩體的最大壩高段，已小于壩高的1%，大壩沉降在設(shè)計允許范圍內(nèi)，達到設(shè)計要求。由計算成果繪制的沉降曲線見圖5、圖6。

圖3 壩基e-P曲線圖

圖4 一次性加壩的壩體和壩基沉降曲線圖

圖5 施工期壩體沉降曲線圖

圖6 施工期壩基沉降曲線圖

（2）離心模型試驗（方法2）試驗中選取的典型斷面與常規(guī)計算方法相同。

①土工離心模型試驗基本原理［11］。土工離心模型試驗是通過高速旋轉(zhuǎn)的離心機，使由原型材料制作的模型受到離心力作用，模型受到的離心力是其重力的n倍，模型中各點就可達到與其原型相應(yīng)點相同的應(yīng)力狀態(tài)，并呈現(xiàn)出與原型相似的變形狀況和破壞過程。

充分考慮土體應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的非線性、剪漲性和剪縮性，由于壩基工程和水文地質(zhì)較復(fù)雜，壩體較長，本項離心模擬試驗所選用的設(shè)備為中國水利水電科學研究院的LXJ-4-450大型土工離心模型機，最大加速度300 g，有效負載1.5 t，有效荷載容量450 g-t，并配有自動數(shù)據(jù)采集和圖像監(jiān)視系統(tǒng)，是目前國內(nèi)容量最大，較先進的試驗設(shè)備。選定模型率n＝200，試驗?zāi)Ｐ拖涑叽玳L×寬×高：1350mm×740mm×680mm。離心模型機見圖7。

②試驗規(guī)劃。（a）模擬范圍：本次試驗的地基模擬深度為70m、最大壩高37.5m。模型包括壩基、壩體及攔河壩壩體內(nèi)各建筑物。（b）壩基和壩體分期填筑施工模擬第一組模型的制作和模型試驗分5次完成。第一次壩體填筑至模擬976m高程，并通過離心模擬試驗?zāi)M其自重作用下的沉降變形，第二次將預(yù)制好的攔河壩、防滲墻模型置于模型內(nèi)，然后進行壩體填筑至模擬976m高程，并通過離心模擬試驗?zāi)M其自重作用下的沉降變形。第三、四次試驗繼續(xù)填筑壩體至模擬988m、1000.6m高程，同第二次試驗一樣，分別確定其自重作用下的沉降變形。（c）模型材料的選?。耗Ｐ偷膲位⑿膲皦螝ち暇x取現(xiàn)場的原狀土料的天然容重、干容重、含水量和顆分曲線。根據(jù)地質(zhì)資料按照設(shè)計要求在模擬范圍內(nèi)制作壩體和互層狀壩基模型。驗，一次性填筑大壩最大沉降量發(fā)生在k0+928m斷面，壩體的最大沉降量1.12m，基礎(chǔ)的最大沉降量1.56m。大的沉降差發(fā)生在里程k0+700m—k1+000m段，為壩體的最大壩高壩段，如一次性填筑大壩，壩體100m范圍內(nèi)產(chǎn)生的最大沉降差為0.59m、壩基0.98m，大于1%的設(shè)計沉降率。

圖7 離心模型機

分三期填筑施工過程中，最大沉降量發(fā)生在k0+928m斷面，壩體的最大沉降量1.12m，基礎(chǔ)的最大沉降量1.58m。到第三期壩體填筑完成壩體和壩基100m內(nèi)最大沉降差為35 cm，最大沉降差發(fā)生在里程k0+700m—k1+000m段，為壩體的最大壩高段，已小于壩高的1%，大壩沉降在設(shè)計允許范圍內(nèi)，達到設(shè)計要求。由一次加壩和分期填筑方案的模型試驗成果繪制的沉降曲線圖見圖4—6。

（3）離心模型試驗成果與計算值的比較。一次性填筑大壩的壩體和基礎(chǔ)的最大沉降差均發(fā)生在里程k0+700m—k1+000m段，為壩體的最大壩高壩段，如一次性填筑大壩，計算成果和模型試驗成果均表明壩體和壩基100m范圍內(nèi)產(chǎn)生的最大沉降差均大于1%的設(shè)計沉降率，故一次性填筑大壩方案不可行。

對壩體的分期填筑，按常規(guī)計算和離心模型試驗獲得的沿壩軸線的沉降曲線均表現(xiàn)出光滑平順的特征，雖具體數(shù)據(jù)有微小的差別，第三期壩體填筑完成后壩體和壩基100m內(nèi)最大沉降差分別為36 cm和35 cm，最大沉降差均發(fā)生在里程k0+700m—k1+000m段，為壩體的最大壩高段，均小于壩高的1%，大壩沉降在設(shè)計允許范圍內(nèi)，達到設(shè)計要求，兩者在壩基的縱剖面的沉降規(guī)律基本相同［12］，攔河壩在縱、橫兩個方向的沉降變形均是相互協(xié)調(diào)的，分三期加壩施工完畢后，土壩在運行期不會產(chǎn)生大的不均勻沉降，壩體模型試驗后表面并未見有任何開裂現(xiàn)象，壩基防滲墻也未見開裂，由防滲墻表面的應(yīng)變片觀測到的應(yīng)力軌跡未見突變［12］，壩體在施工期和運行期不會因沉降變形等不利因素而遭到破壞，離心模型試驗充分驗證了設(shè)計方案的合理性。

3 選定方案的實施和工程運行驗證

依據(jù)沉降綜合分析成果，按前述將壩體分三期填筑，結(jié)合導(dǎo)流方式，第一期壩體填筑至高程976m，待半年后再填筑第二期壩體至高程988m，再半年后，等前兩期壩體和壩基沉降變形基本完成后，再填筑第三期壩體至壩頂高程1000.6m，這樣把較大的沉降量消除在施工中，使壩體每一期填筑的壩體和壩基沉降變形均在建筑物的安全允許范圍內(nèi)。為安全起見大壩設(shè)計預(yù)留沉降量0.37 m。在每一期壩體填筑完畢后多填筑0.8m作為保護層，下一期填筑時挖除保護層后，再填筑新一期壩體。

在減小不均勻沉降的措施中，還采取將左、右兩岸Ⅱ級階地前沿較陡岸坡，在壩體縱向，通過削坡放緩，采取將左、右兩岸Ⅱ級階地前沿自然邊坡變化較大的岸坡及右岸在里程k0+900m—k1+ 000m范圍內(nèi)由原25°的自然邊坡削坡放緩為7°，左岸在里程k0+700m—k0+800m范圍內(nèi)由原15°的自然邊坡削坡放緩為9°［13］，使該兩里程段沉降曲線更平順，減小產(chǎn)生不均勻沉降變形的不利因素。

依據(jù)在基礎(chǔ)下部埋設(shè)的多套電磁式沉降儀，經(jīng)統(tǒng)計實測得壩體和壩基最大不均勻沉降量為34.2 cm，小于壩高的1%，大壩未產(chǎn)生變形破壞，施工期觀測成果與計算值和模型試驗成果相符，大壩沉降在設(shè)計允許范圍內(nèi)，在每一期填筑前，對前一期填筑的壩體都進行了仔細觀察，均未見壩體有開裂現(xiàn)象。攔河壩通過6年的安全運行和觀測，由于壩基的沉降量在施工期基本完成，在試運行期觀測到的最終沉降量最大值為12.5 cm［11］、正式運行期第一年為3 cm，第二年至今六年多均未觀測到大壩和基礎(chǔ)有沉降變形發(fā)生，表明通過分期加壩施工、對基礎(chǔ)預(yù)壓的方案是正確的。

4 結(jié)論

（1）麻栗壩水庫樞紐工程攔河壩，基礎(chǔ)為上第三系含礫砂土，在空間上地質(zhì)分層多且軟硬互層，層與層之間力學指標差異較大。根據(jù)這種地基情況分別提出壩基大挖除、振沖置換碎石樁、壩體一次性填筑和壩體分期填筑4種方案進行比選。（2）從施工和經(jīng)濟比較排除了壩基大挖除和振沖置換碎石樁方案。（3）通過沉降變形的理論計算和離心模型試驗論證，選擇壩體分三期填筑、基礎(chǔ)分時段預(yù)壓的設(shè)計和施工筑壩技術(shù)方案。（4）大壩建成后，運行期間沉降原型觀測資料表明：工程正式運行期第一年沉降為3 cm，第二年至今均未觀測到大壩和基礎(chǔ)有沉降變形發(fā)生，表明所選擇的設(shè)計施工方案是正確的。

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Demonstration and implementation of earth-rockfill damfilling by stage in a soft

The length ofan earth-rock dam is up to 1 172m,ofwhichmore than 20 stratamake themechanical index of those layers different.For such complex geological conditions，how to solve the problem ofuneven settlement ofthe dam is the key to the project.In order to solve the technical problems,this paperproves the feasibility ofprecompaction in differentperiods and sections.The reservoirhas been running for three years，and the fact that the observed value ofthe dam settlement is 3 cm，verifies the correctness ofthisdesign and program.

basic treatment；uneven settlement treatment；countermeasure

LI Xiaoping，MEIWei，ZHANG Baoqiong，F(xiàn)AN Yong

（YunnanWaterConservancy and Hydroelectric Survey Design and Research Institute，Kunming 650021，China）

TV641

A

10.13244/j.cnki.jiwhr.2017.03.004

1672-3031（2017）03-0187-07

（責任編輯：韓 昆）

2016-07-28

李曉平（1958-），云南昆明人，高級工程師，主要從事水利水電工程設(shè)計工作。E-mail：376169223@QQ.com