關(guān)于軟巖地基上修建堆石混凝土壩的探討

甘 澤，楊薈穎，韓秋八，吳顯航

(1.重慶市勘測(cè)院，重慶 400002；2.重慶市水利電力建筑勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，重慶 400002)

西南地區(qū)某水利樞紐工程壩址區(qū)河谷橫斷面呈不對(duì)稱的“U”型，除河谷與左右岸坡腳有第四系覆蓋層分布外，壩址兩岸壩坡均為基巖裸露，巖性為頁(yè)巖，偶夾砂巖與灰?guī)r夾層。巖體均一性差，巖體抗壓、抗滑及抗變形性能較差且差異大，基本呈現(xiàn)垂直風(fēng)化分帶特征，受下游楊柳壩斷層影響，壩址區(qū)頁(yè)巖揉皺較發(fā)育，巖體裂隙發(fā)育較密集，強(qiáng)風(fēng)化深度較大。根據(jù)鉆孔揭示，其風(fēng)化特征是表層巖體強(qiáng)風(fēng)化，巖心破碎多呈碎粒及碎塊，其下巖體屬弱風(fēng)化。

1 壩型的選擇

根據(jù)壩址的地形地質(zhì)條件，有中低重力壩和土石壩(柔性壩)兩大類壩型可供選擇。壩區(qū)出露巖性為奧陶系下統(tǒng)湄潭組(O1m)頁(yè)巖，屬軟巖，巖體抗壓、抗滑、抗變形性能差。工程區(qū)附近廣泛出露有奧陶系下統(tǒng)桐梓和紅花園組灰?guī)r，可用于壩體堆石料填筑和混凝土骨料，興建重力壩和土石壩均可行。結(jié)合壩址地形地質(zhì)條件、工程總體布置、天然建筑材料、施工技術(shù)和工程投資等因素，重點(diǎn)開(kāi)展了混凝土重力壩、面板堆石壩、瀝青混凝土心墻石渣壩3種典型壩型比選。

修建面板堆石壩需要硬巖堆石料，壩區(qū)附近天然建筑材料的開(kāi)采或購(gòu)買條件較好，混凝土面板和趾板施工技術(shù)成熟可靠。但修建土石壩需要布置導(dǎo)流洞及岸邊溢洪道。由于壩址區(qū)頁(yè)巖完整性較差，施工過(guò)程中開(kāi)挖量較大，開(kāi)挖后將形成高陡邊坡，邊坡支護(hù)工程量較大；導(dǎo)流洞洞內(nèi)巖體質(zhì)量較差，圍巖類別多為Ⅴ類，施工難度大，支護(hù)工作量較大，投資較高。

修建瀝青混凝土心墻壩可在壩址區(qū)附近開(kāi)采頁(yè)巖石渣料，料源豐富且較近，但心墻基座必須置于穩(wěn)定巖層上，基座底部需深入弱風(fēng)化頁(yè)巖；修建心墻壩需要布置導(dǎo)流洞及岸邊溢洪道。由于壩址區(qū)頁(yè)巖完整性較差，施工過(guò)程中開(kāi)挖量較大，開(kāi)挖后將形成高陡邊坡，邊坡支護(hù)工程量較大；導(dǎo)流洞洞內(nèi)巖體質(zhì)量較差，圍巖類別多為Ⅴ類，施工難度大，支護(hù)工作量較大，投資較高；瀝青心墻施工技術(shù)要求高，施工設(shè)備投入大。

對(duì)中低重力壩，壩區(qū)附近天然建筑材料的開(kāi)采或購(gòu)買條件較好，據(jù)本階段在壩址區(qū)進(jìn)行的鉆探揭示，壩址區(qū)巖體完整性較差，局部可能存在小斷層及裂隙密集帶，施工過(guò)程中開(kāi)挖量較大，開(kāi)挖后基礎(chǔ)質(zhì)量難以保證，壩肩邊坡穩(wěn)定性較差，且存在傾向左岸偏上游的裂隙(L1∶N70-85°E/SE∠30-44°)，對(duì)壩基深層抗滑不利，建議對(duì)壩基抗滑穩(wěn)定進(jìn)行驗(yàn)算，并在設(shè)計(jì)時(shí)考慮提高壩體抗滑穩(wěn)定性的工程措施。

綜上所述，從地質(zhì)條件來(lái)說(shuō)混凝土重力壩、面板堆石壩、瀝青混凝土心墻石渣壩均可修建，巖層條件均能滿足壩基應(yīng)力及穩(wěn)定要求。但每種壩型均存在各自的工程地質(zhì)問(wèn)題和缺陷，建議通過(guò)多專業(yè)綜合比較來(lái)選定壩型。

經(jīng)多專業(yè)反復(fù)比較，推薦重力壩方案。

2 地質(zhì)參數(shù)的確定

根據(jù)室內(nèi)巖石物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)，地質(zhì)專業(yè)提供的主要地質(zhì)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 巖石(體)物理力學(xué)指標(biāo)建議值表

3 大壩斷面的優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)地勘報(bào)告，本工程強(qiáng)風(fēng)化頁(yè)巖下部地基承載力為450kPa，摩擦系數(shù)f=0.37；弱風(fēng)化頁(yè)巖上部地基承載力為1MPa，摩擦系數(shù)f=0.42，參數(shù)較低。通過(guò)壩基穩(wěn)定驗(yàn)算，常規(guī)重力壩方案大壩基礎(chǔ)置于強(qiáng)風(fēng)化層上無(wú)法滿足抗滑穩(wěn)定要求。原推薦的堆石混凝土重力壩壩基置于弱風(fēng)化基巖上，壩基應(yīng)力最大為528kPa，基礎(chǔ)只能置于弱風(fēng)化頁(yè)巖上。設(shè)計(jì)最大壩高35m，最大壩底寬度34.14m，大壩最大埋深15m，由于埋深太大，造成開(kāi)挖量巨大，同時(shí)開(kāi)挖料無(wú)法利用，大量棄渣需占用較多土地，因此該方案并不經(jīng)濟(jì)。

該工程參考國(guó)內(nèi)已建工程中軟基修建重力壩的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)重力壩體型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。重力壩布置最大的問(wèn)題是壩基應(yīng)力和抗滑穩(wěn)定，本工程壩址下伏基巖為頁(yè)巖，物理力學(xué)參數(shù)值較低。為減小埋深，本次設(shè)計(jì)考慮將壩基置于強(qiáng)風(fēng)化層上，通過(guò)加大底板與基巖接觸面積的方式減小壩基應(yīng)力，同時(shí)增大抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)，該項(xiàng)目河床壩段壩基置于強(qiáng)風(fēng)化頁(yè)巖上，壩基設(shè)加長(zhǎng)底板，前后延伸成底板以減小應(yīng)力，底板前趾向上游伸出壩體7m；底板向下游伸出壩體12.04m，水平布置。底板下方設(shè)抗滑齒槽，槽深3m，寬3m。

經(jīng)結(jié)構(gòu)計(jì)算，認(rèn)為該方案可行。

4 大壩穩(wěn)定計(jì)算

(1)壩體與基巖接觸面穩(wěn)定及應(yīng)力計(jì)算。

根據(jù)地質(zhì)描述，本工程壩址處基巖存在裂隙面，巖石完整性較差。本次設(shè)計(jì)重力壩基礎(chǔ)置于頁(yè)巖強(qiáng)風(fēng)化中下部，以減少開(kāi)挖。

本次設(shè)計(jì)對(duì)壩體進(jìn)行了抗滑穩(wěn)定和邊緣應(yīng)力計(jì)算。經(jīng)多種滑動(dòng)面計(jì)算比較，左右岸非溢流壩最不利滑動(dòng)面為墊層混凝土與基巖接觸面；溢流壩段最不利滑動(dòng)面為沿齒墻腳與壩下游腳連線的基巖面。壩體穩(wěn)定、應(yīng)力計(jì)算按正常水位工況、設(shè)計(jì)洪水位工況、校核水位工況和施工工況等4種工況進(jìn)行復(fù)核，應(yīng)力計(jì)算只計(jì)算壩踵、壩趾處垂直正應(yīng)力。

按SL 319—2018《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》，壩體抗滑穩(wěn)定計(jì)算可采用如下公式：

(1)

(2)

上、下游面垂直正應(yīng)力計(jì)算采用公式：

(3)

(4)

本工程河床壩段壩基置于強(qiáng)風(fēng)化頁(yè)巖中下部，岸坡壩段壩基置于強(qiáng)風(fēng)化下部。計(jì)算采用的壩基與巖體接觸面的抗剪、抗剪斷摩擦系數(shù)：河床壩段采用f=0.35，f＇=0.40，c＇=0.25MPa進(jìn)行計(jì)算，岸坡壩段采用f=0.37，f＇=0.45，c＇=0.30MPa進(jìn)行計(jì)算。依據(jù)SL319—2018，穩(wěn)定、應(yīng)力計(jì)算分別取非溢流壩段最大斷面、岸坡典型斷面進(jìn)行計(jì)算。應(yīng)力計(jì)算采用材料力學(xué)法進(jìn)行計(jì)算，抗滑穩(wěn)定計(jì)算采用抗剪斷公式進(jìn)行計(jì)算(低壩更適合)，并利用抗剪公式進(jìn)行復(fù)核。揚(yáng)壓力綜合折減系數(shù)α=0.25；計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2—3。

表2 河床壩段結(jié)構(gòu)穩(wěn)定及應(yīng)力計(jì)算成果表

表3 岸坡壩段結(jié)構(gòu)穩(wěn)定及應(yīng)力計(jì)算成果表

為保證大壩安全，本次對(duì)河床壩段高程995.20m截面及高程997.7m截面進(jìn)行了應(yīng)力分析，采用抗剪強(qiáng)度公式進(jìn)行穩(wěn)定驗(yàn)算，用材料力學(xué)公式進(jìn)行應(yīng)力分析，采用f=0.7。計(jì)算成果見(jiàn)表4。

表4 壩體截面穩(wěn)定及應(yīng)力計(jì)算成果表

計(jì)算成果表明，壩體在各種工況下抗滑穩(wěn)定均滿足規(guī)范要求，河床壩段溢流壩及岸坡壩段應(yīng)力最大值均小于地基允許承載力，因此抗滑穩(wěn)定及應(yīng)力分析結(jié)果滿足規(guī)范要求，壩體設(shè)計(jì)安全合理。

(2)深層抗滑穩(wěn)定分析

根據(jù)地質(zhì)報(bào)告，壩址區(qū)主要發(fā)育3組裂隙面，產(chǎn)狀分別為L(zhǎng)1∶160-175°∠30-44°，L2∶198-220°∠25-38°，L3∶18-25°∠67-90°，其中L1、L2形成一組“X”型裂隙面，對(duì)壩基抗滑穩(wěn)定不利，但裂面延伸長(zhǎng)度較小，裂面多閉合，淺表未見(jiàn)夾泥。本次對(duì)壩基深層抗滑穩(wěn)定進(jìn)行分析。

根據(jù)壩址處的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，深層滑動(dòng)按單滑動(dòng)面計(jì)算，分別采用抗剪斷公式及抗剪公式計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 深層滑動(dòng)計(jì)算成果表

計(jì)算結(jié)果表明，大壩深層滑動(dòng)安全系數(shù)滿足規(guī)范要求，大壩深層抗滑穩(wěn)定是安全的。

5 筑壩材料的選擇

堆石混凝土技術(shù)特征是利用高流動(dòng)性、抗分離性好、穿透能力強(qiáng)的自密實(shí)混凝土充填堆石空隙從而形成完整密實(shí)混凝土，具有節(jié)能低碳、低水化熱、工藝簡(jiǎn)便、造價(jià)低廉、施工速度快等特點(diǎn)。堆石混凝土采用大量塊石作為混凝土材料，堆石體積比例可達(dá)55%～60%，可大量減少水泥用量，免除混凝土澆筑的振搗或碾壓工序，減少施工設(shè)備，減少甚至取消溫控措施，大幅節(jié)約工程成本和減少工期，特別適用于基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。

通過(guò)資料查詢和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，堆石混凝土的防滲等級(jí)達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，因?yàn)樵撝亓蔚谋韺臃罎B區(qū)、抗沖區(qū)、基礎(chǔ)、迎水面和背水面均采用常態(tài)混凝土。

大壩壩體采用堆石混凝土澆筑，堆石距離壩體面層預(yù)留1m澆筑自密實(shí)混凝土，兼做防滲層，面層布置一層Φ16鋼筋網(wǎng)片防止溫度裂縫。大壩基礎(chǔ)采用C15常態(tài)混凝土作為墊層，墊層厚0.5m。壩體設(shè)4道橫縫，縫內(nèi)設(shè)一道銅片止水。壩體與基巖接觸面止水深入基巖0.5m。

6 大壩邊坡處理措施

本工程的邊坡計(jì)算采用基于薩爾瑪法的 “巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定分析EMU”程序進(jìn)行邊坡穩(wěn)定分析。對(duì)于壩基開(kāi)挖的臨時(shí)邊坡，結(jié)合壩基巖石防風(fēng)化保護(hù)措施，采取C20混凝土錨噴噴護(hù)。對(duì)于大壩樞紐范圍內(nèi)的永久邊坡，開(kāi)挖邊坡坡比按覆蓋層1∶1.5，強(qiáng)風(fēng)化巖層1∶1，弱風(fēng)化巖層1： 0.75控制。對(duì)邊坡高度大于10m時(shí)設(shè)一級(jí)馬道，馬道寬2.0m，馬道內(nèi)側(cè)設(shè)排水溝，排水溝尺寸為0.5m×0.5m。邊坡支護(hù)采取掛網(wǎng)噴錨支護(hù)，支護(hù)方式為：噴C20混凝土，厚10cm；掛網(wǎng)鋼筋直徑Φ8，間距150mm×150mm；錨桿直徑Φ25，長(zhǎng)6.0m，間、排距1.5m×1.5m；邊坡設(shè)排水孔，采用直徑為Φ50的塑料排水盲管，間、排距3m×3m，深入巖石4.0m。對(duì)邊坡危巖及松動(dòng)巖體必須及時(shí)清理，排除險(xiǎn)情。噴錨支護(hù)后的坡面可采用爬山虎、葛藤等藤蔓植物覆綠處理以保持壩區(qū)生態(tài)景觀性。

7 結(jié)論與建議

(1)水利工程地質(zhì)情況具有復(fù)雜性和重要性，在設(shè)計(jì)時(shí)候應(yīng)充分考慮。

(2)重力壩的穩(wěn)定和應(yīng)力計(jì)算，地質(zhì)參數(shù)尤為重要，應(yīng)結(jié)合地質(zhì)試驗(yàn)資料，參照當(dāng)?shù)匾呀üこ痰慕?jīng)驗(yàn)綜合考慮選取。

(3)在軟巖地區(qū)，重力壩布置最大的問(wèn)題是壩基應(yīng)力和抗滑穩(wěn)定。當(dāng)壩體不能滿足穩(wěn)定要求時(shí)，通過(guò)大壩設(shè)計(jì)尺寸的調(diào)整，特別是底板尺寸的調(diào)整，以滿足各種工況下壩基應(yīng)力和大壩穩(wěn)定的要求。