旁海航電樞紐斷層帶壩基處理措施

凌 威， 任啟江， 王 能， 印術(shù)宇

(湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司， 湖南 長(zhǎng)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(nèi)，為清水江干流革東以上河段12 級(jí)梯級(jí)規(guī)劃開發(fā)方案中的第8 座梯級(jí)， 是1 座以航運(yùn)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(chǎng)及右岸副壩(安裝平臺(tái))。 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(zhǎng)度94 m， 共分為4 個(gè)結(jié)構(gòu)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(zhì)條件

樞紐壩基巖體工程地質(zhì)類別可劃分為3 類:1)左岸及左側(cè)河床巖性以奧陶系大灣組(O1d)砂質(zhì)灰?guī)r、 泥質(zhì)灰?guī)r為主， 局部夾頁巖， 該類巖體較完整， 巖體的強(qiáng)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(xué)強(qiáng)度低、 聲波值低； 斷層帶內(nèi)充填密實(shí)， 透水性弱。 斷層影響帶2 ～10 m， 局部影響帶較寬， 斷層延伸長(zhǎng)度約3 km。 3)右岸及右側(cè)河床巖性為志留系翁項(xiàng)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(qiáng)度較低。 樞紐地質(zhì)情況見圖2。

根據(jù)地質(zhì)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(jié)構(gòu)段均處于斷層帶內(nèi)； 斷層帶厚度大于40 m， 鉆孔未揭穿。

圖2 泄水閘范圍地質(zhì)

F1斷層跨結(jié)構(gòu)方向范圍大、 厚度深、 物理力學(xué)指標(biāo)較低， 雖透水性差， 但在長(zhǎng)期的庫區(qū)水位下， 滲流可能帶走斷層中的細(xì)小顆粒， 產(chǎn)生滲透破壞。 F1斷層及壩基巖石物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 巖石物理力學(xué)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(chǔ)的強(qiáng)度和整體性， 減小基礎(chǔ)沉降。 對(duì)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(dāng)開挖量過大時(shí)， 可采用樁基、 梁等跨越的方式進(jìn)行處理[1]。 從工程造價(jià)、 施工導(dǎo)流、 工期進(jìn)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(shè)置樁基承臺(tái)形成跨越斷層的處理方式都是不合適的。

通過對(duì)水閘結(jié)構(gòu)初步驗(yàn)算， 穩(wěn)定性欠缺主要表現(xiàn)在壩體的抗滑安全系數(shù)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(xué)強(qiáng)度， 結(jié)合調(diào)整壩體體型、 優(yōu)化結(jié)構(gòu)分縫等方式盡量使結(jié)構(gòu)基底應(yīng)力更小、 更均勻來加以改善。 對(duì)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(jí)水電站壩基的處理方式[2-4]， 提出在固結(jié)灌漿孔位再增加壩基抗剪錨筋樁以提高結(jié)構(gòu)的滑阻力； 另一方面， 在壩軸線位置設(shè)置兩排帷幕灌漿孔， 并設(shè)置排水通道， 形成壩基防滲體系， 從而有效減小揚(yáng)壓力作用， 為防止帷幕灌漿失效， 壩體內(nèi)設(shè)置灌漿廊道以及時(shí)進(jìn)行補(bǔ)漿和維修。

3.1 固結(jié)灌漿

灌漿處理設(shè)計(jì)方案: 在F1斷層破碎及影響帶內(nèi)全范圍布置固結(jié)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(jìn)行， 澆筑混凝土前， 在灌漿孔位預(yù)埋內(nèi)徑為120 mm 鋼管作為鉆孔和灌漿通道。

斷層帶內(nèi)糜棱巖、 斷層泥等充填密實(shí)、 裂隙較小、 物質(zhì)膠結(jié)性差且呈散體結(jié)構(gòu)， 常規(guī)灌漿方式較難使水泥漿填充， 出現(xiàn)常說的“不吃漿” 現(xiàn)象； 斷層帶原巖體為層狀結(jié)構(gòu)， 巖體中存在易于劈裂的結(jié)構(gòu)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(dòng)。 通過現(xiàn)場(chǎng)灌漿試驗(yàn)證明，當(dāng)采用“自下而上純壓式分段灌漿” “孔口封閉灌漿法” 時(shí)， 斷層帶內(nèi)難以進(jìn)漿， 增加灌漿壓力會(huì)使蓋重發(fā)生顯著抬動(dòng)， 低壓灌注則無法進(jìn)漿， 常規(guī)灌漿方式不適用。

針對(duì)上述方法出現(xiàn)的問題， 提出了高壓脈沖灌漿。 灌漿工作原理: 先采用鉆機(jī)一次性鉆至灌漿孔底部， 灌漿時(shí)在各孔段內(nèi)自下而上提升灌注，各孔段分段不宜過長(zhǎng)； 灌漿過程中， 以預(yù)先安裝的淺層抬動(dòng)觀測(cè)裝置所示的抬動(dòng)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(fù)式高壓注漿泵產(chǎn)生的瞬間沖擠高壓將漿液擠入， 從而達(dá)到進(jìn)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(gè)固結(jié)灌漿孔按1 ～3 m∕段共分為6 段， 其中接觸段長(zhǎng)1 m； 漿液水灰比為0.8∶1。 灌漿時(shí)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(zhǎng)1 ～2 m 自下至上純壓脈沖灌注。根據(jù)先期試驗(yàn)， 在控制抬動(dòng)量(≤0.05 mm)和單位注入量(50 kg∕m)時(shí)， 斷層帶巖體的漿力劈裂壓力p＜1.6 MPa； 施工時(shí)， 采取強(qiáng)制性灌漿方式，控制抬動(dòng)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(dāng)抬動(dòng)量不大于0.05 mm 時(shí)，逐漸提高灌漿壓力， 并控制注入率； 抬動(dòng)量不大于0.1 mm 時(shí)， 灌漿升壓過程中控制注入率不大于5 L∕min， 如果抬動(dòng)量穩(wěn)定， 可逐級(jí)升壓， 否則停止升壓。 結(jié)束標(biāo)準(zhǔn): 灌漿壓力2.0 MPa 時(shí)， 灌入量達(dá)到100 L∕m 可結(jié)束灌漿； 灌漿壓力3.5 MPa時(shí)， 灌入量達(dá)到60 L∕m 可結(jié)束灌漿。

3.2 錨筋樁

錨筋樁是通過在地基內(nèi)鉆孔澆筑形成樁體并錨固于建筑物內(nèi)部， 使建筑物基礎(chǔ)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(jié)果[8-9]。

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

初步確定錨筋樁單根樁長(zhǎng)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(jié)構(gòu)中， 錨固長(zhǎng)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(jié)構(gòu)段為例， 共189 根錨筋樁。

圖4 錨筋樁設(shè)計(jì)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(yīng)組成，抗滑作用時(shí)產(chǎn)生的滑阻力可根據(jù)瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院試驗(yàn)提出的經(jīng)驗(yàn)公式[10]計(jì)算抗滑力， 其表達(dá)式為:

式中:T0(kN)為錨筋樁產(chǎn)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(qiáng)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(yàn)

灌漿鉆孔孔距、 排距均為2 m， 并按分序加密的原則進(jìn)行。 固結(jié)灌漿試驗(yàn)施工結(jié)束14 d 后， 采用單孔法和跨孔法進(jìn)行聲波測(cè)試， 測(cè)試結(jié)果見表2。采用固結(jié)灌漿后， 跨孔聲波檢測(cè)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(cè)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(shù)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(chǔ)的整體性， 灌漿效果良好。

表2 聲波測(cè)試成果

4.2 錨筋樁抗滑能力計(jì)算

結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)， 將壩基開挖成向上游傾斜的平面， 可適當(dāng)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(shù)Kc可按式(2)計(jì)算。

圖5 水閘閘室基礎(chǔ)處理斷面(單位: m)

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

以水閘中間閘孔結(jié)構(gòu)段在正常擋水和檢修兩種工況為例， 對(duì)建筑物的抗滑穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)算，將固結(jié)灌漿處理后F1斷層帶力學(xué)指標(biāo)和完整性的提升作為安全儲(chǔ)備，f′、c′仍按表1 中參數(shù)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(jì)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(qiáng)度增加， 錨筋垂直布置時(shí)， 結(jié)構(gòu)抗滑安全系數(shù)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(shù)更進(jìn)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(shè)計(jì)需求。

表3 特征工況下結(jié)構(gòu)段抗滑穩(wěn)定計(jì)算

5 結(jié)語

1)斷層帶內(nèi)充填物膠結(jié)性差且密實(shí)， 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(jìn)行時(shí)， 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(yīng)用。

2)以旁海航電樞紐水閘單個(gè)結(jié)構(gòu)段為例， 不作處理時(shí)結(jié)構(gòu)抗滑穩(wěn)定性不滿足規(guī)范要求， 適當(dāng)設(shè)置錨筋樁后， 能提供較大抗滑作用， 使壩基抗剪強(qiáng)度增加， 結(jié)構(gòu)抗滑穩(wěn)定性有較大幅度提高。

3)通過現(xiàn)場(chǎng)施工及目前運(yùn)行狀態(tài)來看， 固結(jié)灌漿結(jié)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(jià)更低， 能滿足施工導(dǎo)流進(jìn)度的要求， 在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上取得了期望的效果。