旁海航電樞紐斷層帶壩基處理措施

凌 威， 任啟江， 王 能， 印術宇

(湖南省交通規(guī)劃勘察設計院有限公司， 湖南 長沙410200)

1 工程概況

旁海航電樞紐位于貴州黔東南凱里市境內，為清水江干流革東以上河段12 級梯級規(guī)劃開發(fā)方案中的第8 座梯級， 是1 座以航運為主、 兼顧發(fā)電及旅游等綜合利用的航電樞紐工程， 工程等別為3 等， 主要建筑物從左至右依次為左岸副壩、船閘、 水閘、 電站主廠房、 電站安裝場及右岸副壩(安裝平臺)。 樞紐平面布置見圖1， 水閘布置于河床的主河道， 沿壩軸線方向長度94 m， 共分為4 個結構段， 采用孔中分縫。 壩頂高程568.5 m，水閘由5 孔凈寬為14 m 泄水孔組成， 最大工作水頭23 m， 最大壩高40.5 m。

圖1 樞紐平面布置(單位: m)

2 地質條件

樞紐壩基巖體工程地質類別可劃分為3 類:1)左岸及左側河床巖性以奧陶系大灣組(O1d)砂質灰?guī)r、 泥質灰?guī)r為主， 局部夾頁巖， 該類巖體較完整， 巖體的強度較高。 2)河床中部為F1斷層破碎帶及影響帶， 以碎裂巖、 糜棱巖、 斷層泥為主，巖體破碎、 力學強度低、 聲波值低； 斷層帶內充填密實， 透水性弱。 斷層影響帶2 ～10 m， 局部影響帶較寬， 斷層延伸長度約3 km。 3)右岸及右側河床巖性為志留系翁項群(S2-3wn)綠泥石板巖夾頁巖， 該類巖體較完整， 局部完整性差， 巖體的強度較低。 樞紐地質情況見圖2。

根據地質平、 立面圖及一期圍堰基坑揭示情況， F1斷層破碎帶及影響帶寬度約45 m， 于壩址處沿水流方向延伸， 泄水閘4#、 5#、 6#閘墩結構段均處于斷層帶內； 斷層帶厚度大于40 m， 鉆孔未揭穿。

圖2 泄水閘范圍地質

F1斷層跨結構方向范圍大、 厚度深、 物理力學指標較低， 雖透水性差， 但在長期的庫區(qū)水位下， 滲流可能帶走斷層中的細小顆粒， 產生滲透破壞。 F1斷層及壩基巖石物理力學參數見表1。

表1 巖石物理力學推薦

3 地基處理措施

為保證建筑物的安全及正常使用， 本工程中F1斷層破碎及影響帶必須通過處理， 以提高基礎的強度和整體性， 減小基礎沉降。 對巖基中的斷層破碎帶處理措施一般以開挖為主， 并回填混凝土； 當開挖量過大時， 可采用樁基、 梁等跨越的方式進行處理[1]。 從工程造價、 施工導流、 工期進度、 處理效果等綜合考慮， 本工程若采取將F1斷層大規(guī)模開挖后換填混凝土， 或在壩基下設置樁基承臺形成跨越斷層的處理方式都是不合適的。

通過對水閘結構初步驗算， 穩(wěn)定性欠缺主要表現在壩體的抗滑安全系數偏小， 而地基承載力和沉降的問題并不突出， 可通過有效的灌漿提高斷層破碎帶的整體性和力學強度， 結合調整壩體體型、 優(yōu)化結構分縫等方式盡量使結構基底應力更小、 更均勻來加以改善。 對于壩基抗滑穩(wěn)定性問題， 一方面， 參考筱溪水電站和錦屏二級水電站壩基的處理方式[2-4]， 提出在固結灌漿孔位再增加壩基抗剪錨筋樁以提高結構的滑阻力； 另一方面， 在壩軸線位置設置兩排帷幕灌漿孔， 并設置排水通道， 形成壩基防滲體系， 從而有效減小揚壓力作用， 為防止帷幕灌漿失效， 壩體內設置灌漿廊道以及時進行補漿和維修。

3.1 固結灌漿

灌漿處理設計方案: 在F1斷層破碎及影響帶內全范圍布置固結灌漿孔， 采用梅花形布置， 孔距2 ～3 m， 孔徑120 mm， 孔深12 m， 灌漿在有3 m厚蓋重混凝土下進行， 澆筑混凝土前， 在灌漿孔位預埋內徑為120 mm 鋼管作為鉆孔和灌漿通道。

斷層帶內糜棱巖、 斷層泥等充填密實、 裂隙較小、 物質膠結性差且呈散體結構， 常規(guī)灌漿方式較難使水泥漿填充， 出現常說的“不吃漿” 現象； 斷層帶原巖體為層狀結構， 巖體中存在易于劈裂的結構面， 水泥漿液在壓力作用下侵入劈裂巖體， 必須控制灌漿壓力和注入率， 防止混凝土蓋重發(fā)生突變性抬動。 通過現場灌漿試驗證明，當采用“自下而上純壓式分段灌漿” “孔口封閉灌漿法” 時， 斷層帶內難以進漿， 增加灌漿壓力會使蓋重發(fā)生顯著抬動， 低壓灌注則無法進漿， 常規(guī)灌漿方式不適用。

針對上述方法出現的問題， 提出了高壓脈沖灌漿。 灌漿工作原理: 先采用鉆機一次性鉆至灌漿孔底部， 灌漿時在各孔段內自下而上提升灌注，各孔段分段不宜過長； 灌漿過程中， 以預先安裝的淺層抬動觀測裝置所示的抬動值和漿液注入量作為條件， 控制最大劈裂壓力， 利用三缸往復式高壓注漿泵產生的瞬間沖擠高壓將漿液擠入， 從而達到進漿效果[5-7]。 高壓脈沖灌漿工作原理及分段施工過程見圖3。

圖3 自下而上分段高壓脈沖灌漿工作原理

單個固結灌漿孔按1 ～3 m∕段共分為6 段， 其中接觸段長1 m； 漿液水灰比為0.8∶1。 灌漿時按照“濃漿擠密、 分段灌入、 逐段控制灌漿壓力”的原則并以段長1 ～2 m 自下至上純壓脈沖灌注。根據先期試驗， 在控制抬動量(≤0.05 mm)和單位注入量(50 kg∕m)時， 斷層帶巖體的漿力劈裂壓力p＜1.6 MPa； 施工時， 采取強制性灌漿方式，控制抬動量為0.2 mm， 確定每一段最大灌漿壓力， 接觸段灌漿壓力為0.5 ～1.2 MPa， 基巖段灌漿壓力為2～3.5 MPa。

灌漿過程中， 當抬動量不大于0.05 mm 時，逐漸提高灌漿壓力， 并控制注入率； 抬動量不大于0.1 mm 時， 灌漿升壓過程中控制注入率不大于5 L∕min， 如果抬動量穩(wěn)定， 可逐級升壓， 否則停止升壓。 結束標準: 灌漿壓力2.0 MPa 時， 灌入量達到100 L∕m 可結束灌漿； 灌漿壓力3.5 MPa時， 灌入量達到60 L∕m 可結束灌漿。

3.2 錨筋樁

錨筋樁是通過在地基內鉆孔澆筑形成樁體并錨固于建筑物內部， 使建筑物基礎與地基連接形成更為牢固的整體， 樁體具有水平承載能力， 提高了建筑物的整體抗滑性。 通過初步制定錨筋樁的布置方案， 反算建筑物的整體穩(wěn)定性結果[8-9]。

錨筋樁樁位布置與固結灌漿孔孔位一致， 錨筋樁鉆孔待固結灌漿完成后， 于原孔位預埋鋼管處再次鉆進； 為便于錨筋和注漿管的安放及滿足錨筋水泥漿保護層厚度， 鉆孔孔徑為120 mm。 清孔后于孔內插入3 根點焊成束、 直徑為32 mm 的HRB400 鋼筋。 錨筋樁設計流程見圖4。

初步確定錨筋樁單根樁長15 m， 其中入巖錨固段10.5 m， 蓋重混凝土段3 m， 上端錨固于主體結構中， 錨固長度1.5 m， 鋼筋定位完成后， 全鉆孔斷面采用水泥砂漿灌注封孔。 以中間閘孔結構段為例， 共189 根錨筋樁。

圖4 錨筋樁設計流程

錨筋樁的抗剪能力由錨筋抗拔力的水平分力、附加剪面摩擦力及樁周巖體抗力等綜合效應組成，抗滑作用時產生的滑阻力可根據瑞士聯邦理工學院試驗提出的經驗公式[10]計算抗滑力， 其表達式為:

式中:T0(kN)為錨筋樁產生的抗滑力；Pt(kN)為單根錨筋樁的最大拉力； σc(MPa)為巖石的單軸抗壓強度， 10 MPa≤σc≤70 MPa；i和φ 分別為裂隙或潛在滑裂面的剪脹角和摩擦角(°)； α 為錨桿的傾角(0°≤α≤30°)。

4 處理效果分析

4.1 灌漿試驗

灌漿鉆孔孔距、 排距均為2 m， 并按分序加密的原則進行。 固結灌漿試驗施工結束14 d 后， 采用單孔法和跨孔法進行聲波測試， 測試結果見表2。采用固結灌漿后， 跨孔聲波檢測3 條剖面A-B、A-C、 B-C 波速， 平均提高12.8%、 9%、 11%， 單孔聲波檢測A、 B、 C 波速， 平均提高12.4%、 7.7%、9.2%， 斷層帶整體波速提高10%以上； 巖石完整性指數平均提高20%以上， 表明該灌漿處理方式有效提高了泄水閘斷層帶基礎的整體性， 灌漿效果良好。

表2 聲波測試成果

4.2 錨筋樁抗滑能力計算

結構優(yōu)化設計時， 將壩基開挖成向上游傾斜的平面， 可適當提高建筑物抗滑安全性， 水閘閘室底板與地基處理斷面見圖5， 壩底混凝土與壩基接觸面和水平面相交的傾角為θ， 建筑物沿閘室基底面的抗滑穩(wěn)定安全系數Kc可按式(2)計算。

圖5 水閘閘室基礎處理斷面(單位: m)

式中:T0為錨筋樁產生的抗滑力；N為錨筋樁根數；f′為閘室基底面與巖石地基之間的抗剪斷摩擦系數；c′為閘室基底與巖石地基之間的抗剪斷黏結力； ∑G為作用在閘室上全部鉛直荷載(不包括揚壓力)； ∑H為作用在閘室上全部水平荷載；U為揚壓力；A為閘室基底面積。

以水閘中間閘孔結構段在正常擋水和檢修兩種工況為例， 對建筑物的抗滑穩(wěn)定性進行驗算，將固結灌漿處理后F1斷層帶力學指標和完整性的提升作為安全儲備，f′、c′仍按表1 中參數取值。即: σc=50 MPa，i=10°， φ=30°，Pt=868 kN，θ=3°，f′=0.49，c′=0.08 MPa，A=765 m2，N=189 根。 表3 為地基處理前后及錨筋樁不同傾角下抗滑穩(wěn)定計算成果， 由此可見， 錨筋樁能夠提供較大抗滑力， 使壩基抗剪強度增加， 錨筋垂直布置時， 結構抗滑安全系數提高約60%； 若使錨筋樁頂部略向下游傾斜， 與豎直平面呈一定夾角(15°≤α ≤30°)， 抗滑安全系數更進一步提高64%～72%， 安全性提升幅度不明顯， 因此， 為減小施工難度及錨筋樁工程量， 錨筋樁垂直布置亦能滿足設計需求。

表3 特征工況下結構段抗滑穩(wěn)定計算

5 結語

1)斷層帶內充填物膠結性差且密實， 采用常規(guī)的灌漿方式效果較差， 而采用高壓脈沖灌漿方法、 按照“濃漿擠密、 分段灌入、 逐段控制灌漿壓力” 的原則進行時， 灌漿效果明顯， 斷層帶整體性提高， 該種灌漿工藝方法適合在斷層帶應用。

2)以旁海航電樞紐水閘單個結構段為例， 不作處理時結構抗滑穩(wěn)定性不滿足規(guī)范要求， 適當設置錨筋樁后， 能提供較大抗滑作用， 使壩基抗剪強度增加， 結構抗滑穩(wěn)定性有較大幅度提高。

3)通過現場施工及目前運行狀態(tài)來看， 固結灌漿結合錨筋樁的處理方式避免了大規(guī)模開挖回填， 該方式施工周期短、 工程造價更低， 能滿足施工導流進度的要求， 在技術和經濟上取得了期望的效果。