SETH水利樞紐工程碾壓混凝土重力壩基礎(chǔ)處理設(shè)計(jì)

李永兵，王立成

(1.阿勒泰地區(qū)水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院，新疆 伊犁 836500;2.中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，天津 300222)

SETH水利樞紐工程位于新疆阿勒泰山區(qū)丘陵地帶，是一座具有多年調(diào)節(jié)能力的綜合性水庫(kù)樞紐，工程建成后，將成為WLGH上游河段的控制性工程。本樞紐的主要工程任務(wù)是供水和防洪，兼顧灌溉和發(fā)電，并為加強(qiáng)流域水資源管理和水生態(tài)保護(hù)創(chuàng)造條件。工程規(guī)模為Ⅱ等大(2)型，水庫(kù)總庫(kù)容2.94億m3，防洪庫(kù)容0.21億m3，電站裝機(jī)27.6MW。工程采用碾壓混凝土重力壩攔河、壩后式廠房布置方案，大壩為2級(jí)建筑物。

攔河壩設(shè)計(jì)最大壩高75.5m，壩頂長(zhǎng)度372m，其中泄水壩段壩長(zhǎng)34m(包括表孔壩段和底孔壩段)，引水壩段長(zhǎng)18m。大壩采用全斷面混凝土筑壩，由于重力壩的受力工況及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，相對(duì)于當(dāng)?shù)夭牧蠅魏凸皦纹鋵?duì)壩基巖體的要求都較高，因此要求壩基巖體具有足夠的強(qiáng)度、抗?jié)B性能和耐久性[1]，大壩的基礎(chǔ)處理設(shè)計(jì)尤為重要。

1 壩址地形、地質(zhì)概況

1.1 壩址地形條件

壩址位于剝蝕低山丘陵區(qū)，河谷呈不對(duì)稱“U”型，總體走向NE向，谷底寬約150m，主河槽偏向右岸，寬約50m河漫灘主要分布在河床兩岸。兩岸山體基巖裸露，山頂呈渾圓狀，右岸岸坡較陡，坡度約42°，沿岸多有陡壁分布，左岸岸坡稍緩，坡度約30°，局部見(jiàn)有陡壁。

1.2 大壩基礎(chǔ)地質(zhì)條件

天然岸坡整體穩(wěn)定，局部可能存在不利于邊坡穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)面組合，需及時(shí)處理；河床部位地下水與河水位相近，基坑開(kāi)挖將存在涌水問(wèn)題；巖體風(fēng)化差異明顯，局部構(gòu)造裂隙發(fā)育。

1.3 主要地質(zhì)問(wèn)題

1.3.1建基基礎(chǔ)條件

強(qiáng)風(fēng)化巖體切割劇烈，完整性差，強(qiáng)度低，難以滿足高混凝土重力壩對(duì)壩基的強(qiáng)度及完整性和抗?jié)B穩(wěn)定要求，故選擇弱風(fēng)化帶中下部—新鮮巖體作為壩基。壩基巖體中節(jié)理裂隙較發(fā)育，為提高壩基巖體的整體性和抗變形能力，進(jìn)行固結(jié)灌漿和帷幕灌漿是必要的。

1.3.2壩基抗滑穩(wěn)定

壩基巖體總體呈塊狀、次塊狀結(jié)構(gòu)，局部見(jiàn)有少量緩傾角結(jié)構(gòu)面發(fā)育，但很難形成連續(xù)的滑動(dòng)面，因此壩基不存在深層抗滑穩(wěn)定問(wèn)題，大壩抗滑穩(wěn)定主要取決于混凝土與基巖巖體接觸面之間結(jié)合強(qiáng)度。施工開(kāi)挖過(guò)程中，必要時(shí)需進(jìn)行局部處理。

1.3.3壩基及繞壩滲漏

壩址左岸坡地段(距壩軸線60～460m)山體相對(duì)單薄，存在永久滲漏可能性。根據(jù)鉆孔壓水試驗(yàn)成果，單薄山脊處巖體透水率大多小于10Lu，最大為100Lu。單薄山脊巖性為砂巖、泥巖及凝灰?guī)r，巖體中結(jié)構(gòu)面發(fā)育，結(jié)構(gòu)面多擠壓緊密，滲漏以基巖裂隙滲漏的形式為主。滲漏主要在上部強(qiáng)—弱風(fēng)化段巖體，下部巖體透水性為弱—微透水，問(wèn)題不大。單薄山脊應(yīng)采取防滲處理措施，并進(jìn)行必要的監(jiān)測(cè)工作。

2 大壩基礎(chǔ)處理設(shè)計(jì)

2.1 基礎(chǔ)開(kāi)挖

基礎(chǔ)開(kāi)挖深度，應(yīng)根據(jù)重力壩壩基應(yīng)力，巖石物理力學(xué)性質(zhì)及其完整程度，結(jié)合上部結(jié)構(gòu)對(duì)基礎(chǔ)的要求確定[2]。根據(jù)規(guī)范，壩高50～100m級(jí)的中高壩，基礎(chǔ)可建在微風(fēng)化至弱風(fēng)化中部基巖上。本工程壩基松散堆積物不能滿足混凝土壩壩基要求，設(shè)計(jì)全部挖除；對(duì)于結(jié)構(gòu)面發(fā)育、巖體破碎的強(qiáng)風(fēng)化巖體同樣做挖除處理。根據(jù)壩址基巖風(fēng)化卸荷程度等實(shí)際情況，結(jié)合巖層物理力學(xué)指標(biāo)及混凝土與基巖接觸面抗剪斷強(qiáng)度指標(biāo)見(jiàn)表1。

對(duì)左右岸及河床典型壩段做不同建基面高程的抗滑穩(wěn)定及壩基應(yīng)力計(jì)算，確定河床壩段建基面基本置于弱風(fēng)化下部至微風(fēng)化層，兩岸擋水壩段建基面置于弱風(fēng)化中上部，最低建基面高程956.50m。施工過(guò)程中建基面開(kāi)挖的標(biāo)準(zhǔn)除設(shè)計(jì)高程外，應(yīng)最終以巖石縱波速度反映出的巖石性質(zhì)是否達(dá)到建基要求來(lái)控制，對(duì)于局部難以滿足要求的地質(zhì)缺陷還應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況做特殊處理。壩基開(kāi)挖邊坡設(shè)計(jì)為：微—新巖體1∶(0.2～0.3)；弱風(fēng)化巖體1∶(0.3～0.5)；強(qiáng)風(fēng)化巖體1∶(0.5～1)∶0.75。

本工程地處嚴(yán)寒大風(fēng)地區(qū)，揭露面極易風(fēng)化，基礎(chǔ)開(kāi)挖后要求盡快覆蓋混凝土或預(yù)留保護(hù)層對(duì)基礎(chǔ)進(jìn)行防護(hù)，以減少巖體卸荷反彈，防止局部巖體進(jìn)一步風(fēng)化。對(duì)于開(kāi)挖形成的永久巖石邊坡采用噴錨支護(hù)和排水措施。開(kāi)挖邊坡每級(jí)高度控制在15m以下，各壩段基礎(chǔ)水平段長(zhǎng)度保證在1/2～2/3壩段長(zhǎng)度范圍內(nèi)，以保證巖體的側(cè)向穩(wěn)定。

2.2 基礎(chǔ)加固

基礎(chǔ)加固措施主要為固結(jié)灌漿，固結(jié)灌漿可以膠結(jié)基礎(chǔ)巖石裂隙，加強(qiáng)巖體的整體性和均一性，提高壩基巖體的承載能力，并能在一定程度上改善壩基巖體的滲透性。本工程壩基外圍巖性較雜，巖體中結(jié)構(gòu)面發(fā)育，巖體破碎，質(zhì)量較差，設(shè)計(jì)對(duì)整個(gè)壩基進(jìn)行固結(jié)灌漿，并在壩體基礎(chǔ)線外3～6m范圍內(nèi)均進(jìn)行固結(jié)灌漿，灌漿深度為6m，間排距均為3m，對(duì)軟弱破碎帶采取加密、加深或采取布置直徑Φ28的鋼筋網(wǎng)(間排距20cm)的措施，跨軟弱破碎帶。固結(jié)灌漿在有混凝土覆蓋的情況下進(jìn)行，根據(jù)大壩承受的水頭及地質(zhì)情況，自上而下實(shí)施。確定固結(jié)灌漿最大壓力Pmax=0.7MPa，最終應(yīng)以現(xiàn)場(chǎng)灌漿試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行調(diào)整。

表1 壩址區(qū)巖體及結(jié)構(gòu)面地質(zhì)參數(shù)采用值

2.3 基礎(chǔ)防滲和排水

設(shè)計(jì)重力壩，常考慮防滲帷幕和壩基排水系統(tǒng)結(jié)合的方式來(lái)解決壩基滲漏和滲透破壞的問(wèn)題，其設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)以工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件和灌漿試驗(yàn)資料為依據(jù)，結(jié)合水庫(kù)功能和壩高綜合考慮。本工程壩高75.5m，屬于高壩，因此采用的防滲標(biāo)準(zhǔn)為：壩體部分帷幕灌漿標(biāo)準(zhǔn)采用3Lu控制，兩岸延伸的帷幕灌漿標(biāo)準(zhǔn)為5Lu。主排水孔深取防滲帷幕深度的0.6倍，約30m，副排水孔深取12m。

2.3.1壩基及單薄山脊帷幕灌漿

本工程壩基覆蓋層清除后，壩基滲漏通道主要是巖體結(jié)構(gòu)面。據(jù)壩址河床及兩岸鉆孔中進(jìn)行的138段壓水試驗(yàn)成果，巖體透水率0.6～79Lu，地表強(qiáng)風(fēng)化和卸荷巖體破碎、裂隙張開(kāi)，透水率一般大于10Lu，屬中等—強(qiáng)透水性；左、右岸弱風(fēng)化巖體透水率平均值3.2～26Lu，屬弱—中等透水性，微風(fēng)化—新鮮巖體透水率1.1～5.8Lu，屬弱透水性；河床部位弱風(fēng)化巖體透水率12～55Lu，屬中等透水性，微風(fēng)化—新鮮巖體透水率1.7～3.9Lu，屬弱透水性。設(shè)計(jì)上游帷幕深度控制以透水率3Lu控制，壩基部位主帷幕平均深度約為60m左右，并向兩岸壩肩適當(dāng)延長(zhǎng)。考慮到河床壩段巖基裂隙較發(fā)育，設(shè)計(jì)將來(lái)結(jié)合施工地質(zhì)情況，在裂隙較發(fā)育的河床壩段設(shè)2排帷幕，副帷幕設(shè)在上游側(cè)，主副帷幕孔距均為2.0m。

根據(jù)地形地質(zhì)情況，防滲帷幕向兩岸延伸，封閉埡口薄弱環(huán)節(jié)。右岸帷幕延伸長(zhǎng)度230m，左岸帷幕延伸長(zhǎng)度約700m。單薄山脊防滲帷幕控制標(biāo)準(zhǔn)為透水率5Lu線，單排孔布置，右岸帷幕灌漿孔距1.5m，左岸帷幕灌漿孔近壩段部位為1.5m，延伸方向改變后孔距2m，在左岸單薄山脊巖體較為破碎的埡口部位，增加一排副帷幕以保證防滲效果。

帷幕按三序孔布置。灌漿應(yīng)在有混凝土覆蓋的情況下施工，帷幕灌漿工藝采用“孔口封閉，自上而下，小口徑鉆孔，孔內(nèi)循環(huán)”高壓灌漿工藝。

2.3.2壩基排水系統(tǒng)

壩基排水的目的是排除透過(guò)帷幕的滲水及基巖裂隙中的潛水，與帷幕灌漿構(gòu)成一個(gè)相對(duì)完整的壩基(壩肩)防滲排水系統(tǒng)[1]，為有效降低壩基揚(yáng)壓力，在基礎(chǔ)下游布置排水系統(tǒng)是非常必要的。本工程壩基設(shè)2道縱向基礎(chǔ)排水廊道，4條橫向排水廊道將上游帷幕灌漿與主排水廊道、第一基礎(chǔ)排水廊道和第二基礎(chǔ)排水廊道聯(lián)系。廊道底部鉆排水孔形成排水幕，孔距3m，主排水廊道排水孔深取為防滲帷幕深度的0.6倍，約30m，基礎(chǔ)排水廊道和橫向排水廊道排水孔深取12m。12#壩段基礎(chǔ)最低位置布置集水井，用以抽排各排水廊道匯集的地下水。

2.4 巖混結(jié)合(接觸灌漿)

本工程建基面岸坡部位開(kāi)挖較陡，斜坡坡度1∶0.5，傾角約為63°，為預(yù)防壩體混凝土側(cè)向收縮出現(xiàn)張開(kāi)，與基巖之間形成縫隙，導(dǎo)致滲漏，設(shè)計(jì)以接觸灌漿措施加強(qiáng)混凝土與壩基巖體的結(jié)合。根據(jù)斜坡面積布置灌區(qū)數(shù)量，每個(gè)灌區(qū)均設(shè)計(jì)灌漿管路、止?jié){片和出漿盒，管路通至各灌漿站，灌漿站一般設(shè)在壩內(nèi)廊道。灌漿管布置間排距為6m×3m，出漿盒布置間排距為6m×3m，二者梅花型布置。

3 施工期基礎(chǔ)地質(zhì)缺陷處理

對(duì)于施工期間開(kāi)挖揭露的小規(guī)模裂隙和斷層破碎帶，采用常規(guī)刻槽與混凝土塞方法處理。對(duì)于規(guī)模較大的地質(zhì)缺陷，如15#～16#壩段基礎(chǔ)揭露的風(fēng)化深槽，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際地質(zhì)和施工情況，挖除部分囊狀風(fēng)化深槽而不必開(kāi)挖至囊狀風(fēng)化深槽的深槽底線，以人工碼放塊石回填開(kāi)挖后的囊狀風(fēng)化深槽，人工碼放塊石回填成穹頂形狀，內(nèi)部預(yù)埋鋼管作為排水管套管，預(yù)留水泵進(jìn)水口與排水管相連，大壩建基面設(shè)置排水泵，將地下水通過(guò)水泵排出，隨后在人工碼放塊石周圈設(shè)置鋼筋混凝土支撐圈梁，圈梁置于囊狀風(fēng)化深槽周邊的堅(jiān)固巖體上，以人工碼放塊石作為混凝土模板，澆筑穹頂形的鋼筋混凝土蓋板，最后在穹頂形的鋼筋混凝土蓋板上部回填混凝土至建基面高程。處理措施如圖1所示。

4 結(jié)語(yǔ)

大壩基礎(chǔ)的質(zhì)量是整個(gè)大壩長(zhǎng)期正常運(yùn)轉(zhuǎn)的保障[3]，基礎(chǔ)處理不過(guò)關(guān)，將導(dǎo)致壩體存在安全隱患，因此在水利樞紐設(shè)計(jì)中，重點(diǎn)關(guān)注基礎(chǔ)處理設(shè)計(jì)是非常重要的。我國(guó)水利事業(yè)經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，對(duì)于基礎(chǔ)處理已經(jīng)形成了相對(duì)成熟的系統(tǒng)方法，但水利工程都有其各自的特點(diǎn)，基礎(chǔ)處理的設(shè)計(jì)需要針對(duì)不同工程的實(shí)際情況出具適用性方案。本文通過(guò)對(duì)嚴(yán)寒地區(qū)SETH水利樞紐工程主體大壩基礎(chǔ)處理各方面設(shè)計(jì)的詳細(xì)闡述，為同等施工環(huán)境和地質(zhì)條件下的類似工程提供可靠的技術(shù)參考。

圖1 風(fēng)化深槽處理示意圖