石虎塘航電樞紐工程泄水閘段地基固結(jié)灌漿設(shè)計(jì)

楊秀榮 熊暉

1 工程概況

石虎塘航電樞紐是一座以航運(yùn)為主，兼顧發(fā)電等綜合利用的Ⅱ等大（2）型航電樞紐工程。工程正常蓄水位56.50 m，相應(yīng)庫容1.668 億m3，電站裝機(jī)容量120 MW，航道及船閘等級(jí)為Ⅱ級(jí)。樞紐主要水工建筑物按3 級(jí)設(shè)計(jì)，次要建筑物按4 級(jí)設(shè)計(jì)。

樞紐建筑物壩頂總長1 639.65 m，從左到右依次為左岸土壩、船閘、泄水閘、廠房、右岸連接壩段和右岸土壩，魚道和導(dǎo)排渠從右岸土壩穿過，二線船閘布置在左船閘的左側(cè)。其中泄水閘為開敞式，布置于河床中部，起止樁號(hào)為0+043.4—0+575.4 m，共23 孔，單閘孔凈寬20 m，閘底板建基高程41.00 m，采用寬頂堰型，堰頂高程46.70 m，工作閘門為露頂弧型鋼閘門，泄水閘前緣總長532 m。

2 閘基固結(jié)灌漿的必要性及目的

2.1 泄水閘段地質(zhì)條件

泄水閘處河床高程44.00～47.10 m，表部為全新統(tǒng)沖積的砂及砂卵礫石層，松散-稍密狀，厚度一般3.9～9.6 m，左側(cè)河床略厚，右側(cè)較薄。下伏基巖主要為白堊系上統(tǒng)贛州群周田組第四巖組紫紅色厚層狀泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖夾薄層泥頁巖及第三巖組紫紅色厚層狀泥質(zhì)粉砂巖夾粉砂質(zhì)泥巖、灰綠色中薄層粉細(xì)砂巖等，兩者中均發(fā)育有泥化夾層?；鶐r上部為全強(qiáng)風(fēng)化層，厚度1.0～2.9 m，弱風(fēng)化基巖頂板埋深4.7～15.3 m，相應(yīng)高程37.37～42.32 m。清基后壩基巖體主要為CⅣ類，透水性中等-弱，其主要工程地質(zhì)如下：

（1）閘段河床砂卵礫石層滲透系數(shù)K=1×10-1～1.8×10-4cm/s，屬中-強(qiáng)透水層，松散-密實(shí)狀。全強(qiáng)風(fēng)化巖體因強(qiáng)度較低，透水率較大，亦應(yīng)清除。

（2）弱-微風(fēng)化的泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖主要為CⅣ類巖體，其聲波縱波波速2 000～4 000 m/s，抗壓強(qiáng)度 5～15 MPa，完整性系數(shù)Kv=0.25～0.46，開挖至40.0 m 高程上下后的基巖主要為弱風(fēng)化巖體，可作為建基面。局部閘基分布有薄層泥巖等軟弱巖層，或局部強(qiáng)風(fēng)化巖體，可能產(chǎn)生較大變形量，需挖除至弱風(fēng)化巖面。

（3）閘基巖體透水率一般小于10 Lu，若以q≤5 Lu 作為相對隔水層，則閘段相對隔水層頂板埋深6.2～29.3 m，相應(yīng)高程40.86～18.61 m。有兩處基巖透水率較大，一處為ZKZ4孔，透水巖體厚21.6 m，寬50～80 m，巖芯破碎。另一處為ZKZ6 孔，透水巖體厚約10 m，寬約50 m，裂隙發(fā)育，且多微張或張開。

（4）閘址斷層多為壓扭性斷層，開挖中如發(fā)現(xiàn)斷層，采用開挖置換混凝土塞的處理措施，開挖深度為斷層寬度的1.5 倍，規(guī)模較大者，再進(jìn)行深部灌漿處理。

（5）抗滑穩(wěn)定問題：壩基基巖中存在軟弱化泥化夾層，壩基巖體主要為（K2z4）巖組地層，未發(fā)現(xiàn)較大斷層通過。對影響抗滑穩(wěn)定的夾層，采用齒槽切斷，混凝土置換措施，以提高壩基巖體的抗滑穩(wěn)定性。

2.2 固結(jié)灌漿的必要性

根據(jù)泄水閘段地勘成果及處理建議，為了提高泄水閘地基的完整性和增強(qiáng)淺部防滲效果，對整個(gè)閘室段（全長532 m）地基進(jìn)行固結(jié)灌漿處理，灌漿孔距3.0 m，排距1.5 m，呈梅花形布置，孔深5.0 m。對于分布在局部的斷層破碎帶及軟弱夾層帶，灌漿孔距加密至2.5 m，孔深加深至8.0 m。

2.2.1 改善建基巖體的完整性和均一性，降低不均勻沉降的風(fēng)險(xiǎn)

閘基河床高程43.60～47.10 m，左岸為寬400～800 m 的高漫灘，灘面高程53.11～56.35 m，右岸為寬300～500 m的一級(jí)階地，階面高程52.00～56.00 m。

閘基巖體主要為K2z5、K2z4的泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖，其弱風(fēng)化基巖頂板高程37.37～42.32 m，弱風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖單軸飽和抗壓強(qiáng)度Rb=6.6～10.4 MPa，弱風(fēng)化泥質(zhì)粉砂單軸飽和抗壓強(qiáng)度Rb=8.5～15.3 MPa，均屬于軟巖。設(shè)計(jì)對閘室穩(wěn)定（淺層及深層）及基底應(yīng)力分別進(jìn)行了計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表1、2。

表1 閘室穩(wěn)定（淺層抗滑、抗?。┘盎讐簯?yīng)力計(jì)算成果表

表2 泄水閘深層抗滑穩(wěn)定計(jì)算成果表

由表1和表2可以看出，閘基底最大應(yīng)力276 kPa（特殊組合檢修工況），最不利抗滑穩(wěn)定工況安全系數(shù)1.76（深層抗滑檢修情況），計(jì)算結(jié)果尚能滿足設(shè)計(jì)規(guī)范[1]要求并略有余度。

從強(qiáng)度、波速成果分析，壩基巖體天然狀態(tài)下均一性較差，存在不均勻性沉降問題，且施工開挖時(shí)對局部巖體整體性也產(chǎn)生一定的影響和破壞，因此，實(shí)施固結(jié)灌漿是必要的。

2.2.2 提高閘基礎(chǔ)淺部防滲效果

石虎塘航電樞紐主要建筑物等級(jí)為3 級(jí)且為低壩，依據(jù)規(guī)范要求，采用q≤5 Lu 作為相對隔水層，則閘壩段相對隔水層頂板埋深6.2～29.3 m，相應(yīng)高程40.86～18.61 m。據(jù)現(xiàn)有鉆孔提示，閘壩區(qū)內(nèi)有兩處基巖透水率較大，一處為ZKZ4孔，透水巖體厚21.6 m，寬50～80 m；巖芯破碎另一處為ZKZ6孔，透水巖體厚約10 m，寬約50 m，裂隙發(fā)育。為減少壩基滲流量和壩基面的滲透壓力，壩基上游測設(shè)防滲帷幕1 道，帷幕深度按q≤5 Lu 線控制，孔距為2.0 m。

本工程擋水高度僅10 m 左右，為了節(jié)省工程投資，加快施工進(jìn)度，縮短工期，不影響閘底板混凝土的澆筑，壩基礎(chǔ)沒有設(shè)帷幕灌漿廊道，結(jié)合泄水閘底板上游側(cè)齒墻基礎(chǔ)開挖形成一工作面，在上游0-000.5 處設(shè)一單排防滲帷幕。

因閘底板內(nèi)沒有設(shè)帷幕灌漿廊道，工程蓄水后，一旦閘基防滲帷幕出現(xiàn)問題，有水時(shí)不具備檢修條件。通過對閘基范圍內(nèi)進(jìn)行固結(jié)灌漿，可以降低巖體透水率，增強(qiáng)防滲帷幕的安全儲(chǔ)備，對工程安全運(yùn)行具有一定的意義。

經(jīng)初步概算，閘基范圍內(nèi)的固結(jié)灌漿投資約100 萬元，約占工程總投資22 億元的比例相對較小，結(jié)合已建工程經(jīng)驗(yàn)，石虎塘航電樞紐工程對泄水閘基礎(chǔ)范圍內(nèi)進(jìn)行固結(jié)灌漿是非常必要的。

2.3 固結(jié)試驗(yàn)灌漿布置

工程閘基開挖后，首先在工程區(qū)內(nèi)選擇具有代表性地段進(jìn)行固結(jié)試驗(yàn)灌漿，通過試驗(yàn)驗(yàn)證固結(jié)灌漿設(shè)計(jì)參數(shù)。

2.3.1 固結(jié)試驗(yàn)灌漿區(qū)的選擇和試驗(yàn)孔的布置

經(jīng)對泄水閘段的地質(zhì)條件分析，結(jié)合建筑物的布置，擬選兩個(gè)試驗(yàn)區(qū)即ZKZ6 孔（A 區(qū)）及ZKZ4 孔（B 區(qū)）附近，地質(zhì)鉆孔孔位如圖1 所示，控制在泄水閘閘室段區(qū)域內(nèi)，灌漿試驗(yàn)完畢后即可作為基礎(chǔ)處理的一部分。此兩試驗(yàn)場地分別代表軟化-泥化夾層（A 區(qū)）及基巖透水率較大試驗(yàn)區(qū)（B 區(qū)），兩區(qū)分別測試試驗(yàn)前和試驗(yàn)后的巖體各物理力學(xué)指標(biāo)。通過對閘基固結(jié)灌漿，A 區(qū)重點(diǎn)檢驗(yàn)試驗(yàn)后巖體完整性的改善和提高，B 區(qū)重點(diǎn)檢驗(yàn)透水率的降低，對灌漿前后閘基巖體力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行詳細(xì)測試和準(zhǔn)確記錄，對比試驗(yàn)前后各指標(biāo)的提高和改善：水泥固結(jié)后的巖心單軸抗壓強(qiáng)度、巖心RQD、巖體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)、巖體聲波縱波速度vp、巖體完整性系數(shù)、巖體透水率等。

A 區(qū)及B 區(qū)均選擇常規(guī)固結(jié)灌漿方法，各區(qū)內(nèi)布置灌漿孔及檢查孔共9 個(gè)（AG1-AG9）、（BG1-BG9），孔位布置如圖1 所示，灌漿試驗(yàn)工藝及技術(shù)要求遵循規(guī)程要求進(jìn)行。

圖1 A、B區(qū)布置示意圖（單位：cm）

2.3.2 選定的固結(jié)灌漿方案

根據(jù)試驗(yàn)灌漿驗(yàn)證，泄水閘壩段地基固結(jié)灌漿處理方案設(shè)計(jì)是合理的：灌漿孔距3.0 m，排距1.5 m，呈梅花形布置，孔深5.0 m。對于局部壩基下部的斷層破碎帶及軟弱夾層帶，為增加閘基巖體的整體性，提高壩基的深層抗滑穩(wěn)定，灌漿孔距加密至2.5 m，孔深加深至8.0 m。

2.3.3 固結(jié)灌漿效果

采用巖體聲波測試和壓水試驗(yàn)對固結(jié)灌漿效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，要求巖體透水率不大于5 Lu。本工程固結(jié)灌漿實(shí)施后，經(jīng)檢測，固結(jié)灌漿后巖體的彈性波速均有大幅度提高，改善了巖體的完整性和均勻性，提高了建基巖體的質(zhì)量。

3 結(jié) 語

石虎塘航電樞紐最大擋水高度約10.0 m，屬于低水頭建筑物，泄水閘是工程重要組成部分，經(jīng)濟(jì)合理地選擇基礎(chǔ)處理方案，可以達(dá)到事半功倍的目的。本工程對泄水閘閘基進(jìn)行固結(jié)灌漿處理設(shè)計(jì)技術(shù)上可行，經(jīng)濟(jì)上合理。試驗(yàn)灌漿驗(yàn)證，經(jīng)固結(jié)灌漿處理后，顯著改善了建基巖體的完整性和均一性，降低了不均勻沉降的風(fēng)險(xiǎn)。