谷久濃水庫深覆蓋層壩基土石壩設(shè)計(jì)研究

梁堅(jiān)

【摘要】谷久濃水庫大壩壩基為沖洪積和冰積深覆蓋層，且夾有軟弱層，防滲和大壩變形是本工程大壩設(shè)計(jì)研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。經(jīng)多方案比選結(jié)合三維有限元計(jì)算分析，最終推薦穩(wěn)定和應(yīng)力應(yīng)變滿足要求，投資相對較低，并具施工可操作性的設(shè)計(jì)和施工方案。

【關(guān)鍵詞】深覆蓋層；堆石壩；防滲墻；有限元；應(yīng)力變形

1、緒言

谷久濃水庫位于云南省迪慶州德欽縣境內(nèi)，地處高海拔寒冷地區(qū)，自然條件惡劣，地質(zhì)條件十分復(fù)雜，其建設(shè)難度堪稱云南省之最。工程建設(shè)任務(wù)主要解決德欽縣城供水，是德欽全縣唯一的一件蓄水水源工程，其建設(shè)具有穩(wěn)定和發(fā)展藏區(qū)的重大政治意義。水庫總庫容102萬m3，大壩最大壩高43.6m。

2、壩址地質(zhì)條件

壩址為古冰斗、古冰湖、歷史冰川U谷與現(xiàn)代沖溝復(fù)合地貌，谷底較寬平，河床寬80m，水面寬度2～5m。壩基覆蓋層分為4層：

（1）坡積層②，主要為含細(xì)粒土塊石、碎石及礫石，局部含有大孤石。塊石粒徑一般為0.3～2m，右岸厚度較左岸大，厚度達(dá)到20.9m，左岸厚度一般為表層3～5m。一般表層2～3m，結(jié)構(gòu)松散，強(qiáng)度較低，下部呈稍密，承載力為350～400kPa，分布在兩岸坡。

（2）河床沖洪積層①：主要成分為砂卵礫石土，級配較好，總厚度5～18.7m。表層2～3m結(jié)構(gòu)松散，強(qiáng)度較低；中部呈稍密狀態(tài)，承載力為250～300kPa。主要分布在河床一帶。

（3）湖積泥炭質(zhì)土③：根據(jù)木屑含量可劃分為含木屑泥炭質(zhì)土③-2及泥炭質(zhì)土③-1，含木屑泥炭質(zhì)土③-2：為灰褐-黑色泥炭質(zhì)土，呈可塑狀態(tài)，成分復(fù)雜，局部含有未腐化的木屑，強(qiáng)度低，允許承載力為50～70kPa。埋深18.7m，厚度為3.5～10.3m。泥炭質(zhì)土③-1：為褐色泥炭質(zhì)土，呈可塑狀，強(qiáng)度低，承載力為100～120kPa，埋深16.5～25m，厚度為3.5～10m。

（4）冰川堆積層④：分粉土夾碎石④-1及礫石土④-2兩層，礫石土④-2：分布在上部，受地下水沖刷細(xì)粒土被帶走，在河床形成管涌現(xiàn)象，將河水分為上下兩層，該層為下層河水的主要通道，局部存在大孤石，埋深大，密實(shí)狀態(tài)較好，承載力為350～400kPa，主要分布在河床及兩岸坡，河床埋深為25～28m，左岸埋深3～5m，右岸最大埋深達(dá)20m，河床一帶厚度為8m，兩岸坡厚度為13～20m。粉土夾碎石④-1：大面積下伏于礫石土④-2之下，埋深大，較為密實(shí)，承載力為300～350kPa。

河床段覆蓋層深40～61.5m，底部冰水堆積層④強(qiáng)度較高，但埋深大，難以直接利用；中部湖積層含木屑泥炭質(zhì)土③-2和含木屑泥炭質(zhì)土③-1軟弱下臥層強(qiáng)度和承載力低、壓縮性高，抗剪強(qiáng)度低，大壩存在沉降量大、不均勻沉降和抗滑穩(wěn)定等問題，但因厚度較大，埋深大，清除工程量大、施工困難，而頂部沖洪積層①厚度5～18.7m，中部呈稍密狀態(tài)，強(qiáng)度較高。

3、壩型選擇

壩址河床和兩岸覆蓋層較深厚，河床覆蓋層中還存在埋藏較深、厚度較大、向上游傾斜的泥炭質(zhì)淤泥夾層，屬軟土，地質(zhì)條件只能建土石壩。土石壩型中面板壩方案趾板線地質(zhì)條件極差，并且軟基變形沉降易造成面板拉裂，因此不適宜面板壩方案；工程區(qū)周邊粘土料源欠缺，無建土質(zhì)防滲體壩型的條件；瀝青混凝土心墻堆石壩的心墻基座河床和兩岸均無法清至基巖面，建在土基上不均勻沉降可能導(dǎo)致心墻開裂，同樣不宜選擇。混凝土防滲墻堆石壩相對適宜壩址地質(zhì)條件，在壩基開挖、防滲體系、施工難度、安全可靠性方面相對優(yōu)于其他壩型，因此，推薦混凝土防滲墻堆石壩。

4、壩基處理方案研究

（1）混凝土防滲墻：貫穿河床和兩岸覆蓋層，嵌入強(qiáng)風(fēng)化基巖一定深度，以確保形成連續(xù)完整防滲體系。

（2）堆石區(qū)：河床砂卵礫石層和兩岸坡積層的淺表層結(jié)構(gòu)較松散，承載力、變形模量不滿足要求，須清除。

泥炭質(zhì)土呈軟塑—可塑狀，抗剪強(qiáng)度、承載力、變形模量等指標(biāo)小，性質(zhì)軟弱，不滿足壩基持力層要求。如清除，則清基深度達(dá)25～30m，形成深基坑，壩高大幅增加。如不予清除，則構(gòu)成軟弱下臥層，對壩基變形穩(wěn)定、抗滑穩(wěn)定起控制作用，必須采取工程措施處理，解決大壩變形穩(wěn)定和抗滑穩(wěn)定問題。

（3）壩基地質(zhì)條件不宜采取高壓旋噴樁或深攪樁處理，如采取振沖碎石樁處理，樁體需貫穿上部沖積蓋層，蓋層厚度達(dá)5～18.7m，含大小不等塊石和漂孤石，碎石樁難以穿過，須采用鉆孔探測、孔內(nèi)爆破、沖擊鉆造孔成樁等手段解決，施工難度較大。如采取強(qiáng)夯加固處理，由于軟弱下臥層埋藏較深，加固效果難以達(dá)到要求。經(jīng)比較，采取大壩上、下游壩腳設(shè)反壓平臺方案，并嚴(yán)格控制大壩填筑速度，使壩基軟弱下臥層逐步排水固結(jié)，以降低軟土層含水量，提高緊密度，增加抗剪強(qiáng)度、承載力和變形模量。

（4）壩基、壩肩坡積、沖積和冰積層具強(qiáng)透水性，湖積泥炭質(zhì)土層和基巖強(qiáng)風(fēng)化帶屬中等透水，存在嚴(yán)重壩基滲漏、繞壩滲漏和滲透變形問題，須實(shí)施防滲處理。

河床及岸坡段壩基采用混凝土防滲墻，防滲墻底界嵌入基巖內(nèi)0.5m，大壩填筑至正常蓄水位附近時(shí)開始造槽施工，最大墻深為101.8m。為防止漏漿和垮槽，壩體內(nèi)混凝土防滲墻上、下游各設(shè)3.0m厚土夾石過渡層。因防滲墻深度大，且壩基坡積、沖洪積、冰積層內(nèi)漂孤石塊徑大，部份架空，防滲墻施工遇堅(jiān)硬大孤石須采取孔內(nèi)爆破處理，防滲墻施工難度大，能否順利實(shí)施決定本工程的成敗。為防止繞壩滲漏，兩壩肩采取3排孔帷幕灌漿防滲。

5、大壩穩(wěn)定和變形分析

5.1大壩結(jié)構(gòu)布置

大壩為混凝土防滲墻堆石壩，壩頂高程為3635.50m，最大壩高43.6m，壩軸線長216m，壩頂寬5m。壩體上游坡坡比為1：1.8，變坡處高程3608.00m設(shè)置30.0m寬反壓平臺，下游為三級壩坡，從上至下為1：1.7、1：1.7、1：1.5（棱體坡度），高程3611.00m設(shè)置75.0m寬反壓平臺，高程3597.0m設(shè)置5.0m寬平臺（排水掕體平臺）?；炷练罎B墻軸線位于壩軸線上游1.5m，墻厚1.0m，最大深度為101.8m，抗壓強(qiáng)度等級為C20，抗?jié)B標(biāo)號≥W8，抗凍標(biāo)號≥F150。

5.2工期和施工程序控制

從建基面開始，用6個(gè)月將壩體填筑至3611m高程、停工固結(jié)4個(gè)月、用9個(gè)月從3611m高程填筑至防滲墻施工平臺、用8個(gè)月進(jìn)行混凝土防滲墻施工、用1個(gè)月完成剩余壩體回填，總工期28個(gè)月。

5.3大壩穩(wěn)定分析

經(jīng)大壩抗滑穩(wěn)定分析，上、下游壩坡在正常運(yùn)用、特殊工況Ⅰ（校核洪水位）和特殊工況Ⅱ（正常運(yùn)行遇8°地震）最小安全系數(shù)均大于規(guī)范規(guī)定的最小值，抗滑、抗震穩(wěn)定均滿足要求。

5.4應(yīng)力應(yīng)變分析

大壩應(yīng)力應(yīng)變采用三維有限元進(jìn)行靜、動力分析，分析結(jié)論為：

（1）竣工期壩體、壩基最大沉降為187.2cm，沉降量主要為壩基沉降，蓄水后沉降略有增大，為189.7cm?？⒐て?、蓄水期壩體指向上游最大水平位移分別為14.8cm和11.8cm，指向下游最大水平位移分別為8.1cm和12.9cm。

（2）壩基覆蓋層滲透系數(shù)較大，填筑過程中產(chǎn)生的超靜孔隙水壓力很小，最大值為0.069m，停工期間很快消散。

（3）竣工期和蓄水期壩體內(nèi)均未出現(xiàn)拉應(yīng)力，也沒有出現(xiàn)塑性破壞區(qū)域。

（4）防滲墻是在壩體基本填筑完成后施工，蓄水期防滲墻大、小主應(yīng)力最大值分別為5.26MPa和-0.67MPa，拉壓應(yīng)力均在混凝土的抗壓抗拉強(qiáng)度允許范圍內(nèi)（C20混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)值：抗壓9.6MPa，抗拉1.1MPa），蓄水后防滲墻不會發(fā)生破壞。

（5）設(shè)計(jì)8°地震動力情況下，壩軸向、順河向和垂直向最大反應(yīng)加速度分別為4.79m/s2、5.75m/s2和4.30m/s2，相應(yīng)于輸入的基巖峰值加速度，壩頂反應(yīng)加速度放大倍數(shù)分別為2.44、2.93和3.29。壩頂及壩頂附近區(qū)域的加速度絕對值較大，永久變形最大震陷為46.2cm，壩頂需預(yù)留相應(yīng)的附加沉降量。

（6）設(shè)計(jì)地震動力情況下，防滲墻大主應(yīng)力和小主應(yīng)力最大值分別為6.38MPa和-1.04MPa，拉壓應(yīng)力均在混凝土的抗壓抗拉強(qiáng)度允許范圍內(nèi)，地震后防滲墻不會發(fā)生破壞。拉應(yīng)力產(chǎn)生位置為與強(qiáng)風(fēng)化基巖接觸部位。

6、結(jié)論

谷久濃水庫大壩壩基采用混凝土防滲墻進(jìn)行防滲，大壩上、下游利用開挖料進(jìn)行前后壓腳，既減少了工程棄渣，又節(jié)省了投資。只要嚴(yán)格控制大壩填筑速度和施工程序，使壩基軟弱下臥層逐步排水固結(jié)，壩基主要變形完成后，再進(jìn)行防滲墻施工，盡管竣工期的變形量較大，但壩體內(nèi)均未出現(xiàn)拉應(yīng)力，也沒有出現(xiàn)塑性破壞區(qū)域，防滲墻的最大拉應(yīng)力小于混凝土的允許應(yīng)力，工程安全是可以保證的。

參考文獻(xiàn)：

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