五蓮縣龍?zhí)稖纤畮靿位幚砑夹g(shù)應(yīng)用分析

穆國棟，卞立攀，馮新權(quán)

（1.水發(fā)集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250000；2.山東省科學(xué)院，山東 濟(jì)南 250014）

龍?zhí)稖纤畮旃こ涛挥谏綎|省日照市五蓮縣潮白河上游，壩址位于五蓮縣戶部鄉(xiāng)上溝村西。水庫大壩為碾壓式混凝土重力壩，是山東省第一座碾壓混凝土重力壩，最大壩高69.206 m，壩頂軸線長264.0 m，其中溢流壩段長30.0 m，其余為非溢流壩段。壩頂寬6.0 m，上游137.0 m 高程以上為直坡，137.0 m 以下坡比為1∶0.2，下游坡比為1∶0.8。水庫主要指標(biāo)：校核洪水位（P=0.1%）170.51 m，設(shè)計(jì)洪水位（P=2%）168.40 m，正常蓄水位161.85 m，死水位137.00 m，總庫容1 078 萬m3。

斷層一直是混凝土重力壩的安全難題，特別是在龍?zhí)稖纤畮齑髩位坶_挖后，出現(xiàn)了特大地質(zhì)斷層，寬度近20 m，經(jīng)過初步計(jì)算，傳統(tǒng)混凝土塞做法在設(shè)計(jì)洪水期抗滑安全系數(shù)小于規(guī)范允許值，并且在將底邊改為斜面后，仍無法滿足工程穩(wěn)定安全。因此，需要對(duì)斷層加固處理進(jìn)行研究，在多方查閱有關(guān)資料基礎(chǔ)上，對(duì)斷層灌漿和混凝土塞進(jìn)行結(jié)構(gòu)上創(chuàng)新。

1 地質(zhì)概況

根據(jù)施工圖地質(zhì)資料，壩址區(qū)地層巖性主要為第四系松散堆積層和基巖。第四系松散堆積層分布在河谷段，巖性為沖積堆積的卵石、漂石層。壩基基巖主要分布兩種巖性，一種為晚元古代榮成超單元威海單元片麻狀正長花崗巖；一種為中生代燕山晚期嶗山超單元八水河單元二長花崗巖。在兩種巖體中還穿插閃斜煌斑巖脈。

壩址處斷層共有F1～F4 四個(gè)較大斷層，其中F4 斷層最大，為特大斷層，也是對(duì)壩體穩(wěn)定影響最大的斷層，本文主要針對(duì)此斷層的加固進(jìn)行研究。

F4 斷層沿谷底右岸延伸，其中心位于勘探樁號(hào)0+175，與壩軸線近于直交，走向NE50°，傾向NW，傾角85°。斷裂長10 km，深度超過2 km，帶內(nèi)巖石擠壓強(qiáng)烈，節(jié)理發(fā)育，風(fēng)化破碎嚴(yán)重。斷層2 側(cè)為中等風(fēng)化正長花崗巖、二長花崗巖的巖石RQD 一般為27.8～52.2；飽和單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)值32.6～122.0 MPa，平均值為91.75 MPa，屬堅(jiān)硬巖，巖體分類為Ⅲ類。

2 傳統(tǒng)工程措施

對(duì)斷層的處理，傳統(tǒng)工程措施主要是固結(jié)灌漿、帷幕灌漿、拉結(jié)錨桿和混凝土塞加蓋等。

2.1 規(guī)范規(guī)定

根據(jù)《重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定：

1）宜在壩基上游和下游一定的范圍內(nèi)進(jìn)行固結(jié)灌漿；斷層破碎帶及其兩側(cè)影響帶或其他地質(zhì)缺陷應(yīng)加強(qiáng)固結(jié)灌漿。固結(jié)灌漿孔的孔距、排距可采用3～4 m，固結(jié)灌漿深度應(yīng)根據(jù)壩高和開挖以后的地質(zhì)條件確定，可采用5～8 m；局部地區(qū)及壩基應(yīng)力較大的高壩基礎(chǔ)，必要時(shí)可適當(dāng)加深，帷幕上游區(qū)宜根據(jù)帷幕深度采用8～15 m。懸掛式帷幕深度通常在0.3～0.7 倍水頭范圍內(nèi)選擇，壩高100 m 以下的可采用一排。對(duì)地質(zhì)條件較差、巖體裂隙特別發(fā)育或可能發(fā)生滲透變形的地段或研究認(rèn)為有必要加強(qiáng)防滲帷幕時(shí)，可適當(dāng)增加帷幕排數(shù)，帷幕孔距可為1.5～3 m，排距宜比孔距略小。

2）混凝土塞。斷層其組成物質(zhì)以軟弱的構(gòu)造巖為主，且對(duì)基礎(chǔ)的強(qiáng)度和壓縮變形有一定影響時(shí)，可用混凝土塞加固，混凝土塞的深度可采用1.0～1.5 倍斷層破碎帶的寬度或根據(jù)計(jì)算確定。貫穿壩基上、下游的縱向斷層破碎帶的處理，宜向上、下游壩基外適當(dāng)延伸。規(guī)模較大的斷層破碎帶或斷層交匯帶，影響范圍較廣，且其組成物質(zhì)主要是軟弱構(gòu)造巖，并對(duì)基礎(chǔ)的強(qiáng)度和壓縮變形有較大影響時(shí)，必須進(jìn)行專門的處理設(shè)計(jì)。由于龍?zhí)稖蠑鄬觾?nèi)巖性為夾泥靡稜巖，固結(jié)灌漿和帷幕灌漿完全按照規(guī)范建議，很難達(dá)到加固效果，而混凝土塞深度按照規(guī)范至少要20 m 深，這顯然不可接受，因此，需要在借鑒國內(nèi)外斷層加固工程經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行專門研究。

2.2 斷層加固工程實(shí)例

從有關(guān)資料查得，斷層的加固工程措施，需要根據(jù)不同的壩型和不同的斷層特性，根據(jù)國內(nèi)外的有關(guān)資料，高度較大的混凝土壩壩基斷層處理，基本都是將斷層開挖至一定深度和寬度，挖除軟弱破碎巖石、然后回填混凝土，使其能滿足基礎(chǔ)穩(wěn)定的要求。對(duì)斷層采用混凝土塞的處理方案，在國內(nèi)外都有成功的案例，如美國的沙斯塔壩、印度的巴克拉壩，以及我國的新安江和月江口等工程。

青銅峽工程根據(jù)具體條件，在研究了固結(jié)灌漿法、混凝土拱梁法、大型受拉樁等加固方案，最后也是采用了混凝土塞的辦法，其灌漿也進(jìn)行了加密處理。

3 斷層加固工程措施

除了保持底邊向上游傾斜外，采取了以下斷層加固工程創(chuàng)新措施。

1）由于斷層上游窄下游寬的平面形狀，不利于抗滑穩(wěn)定，因此，結(jié)合兩側(cè)巖石影響帶情況，加寬上游開口，尺寸加大到33 m，形成上游寬下游窄的平面形狀。這種形狀相當(dāng)于形成一個(gè)楔形體，嵌入兩邊完整性好、強(qiáng)度較高的巖石內(nèi)，在上游水平壓力的作用下有利于混凝土塞的穩(wěn)定。

2）混凝土塞兩側(cè)伸到斷層影響帶以外，上游超出壩體2.0 m，下游超出壩體3.0 m；上游側(cè)加設(shè)前趾，深5.0 m，寬5.0 m，下游側(cè)加設(shè)后踵，深3.0 m，寬5.0 m，并向兩側(cè)各伸入中等風(fēng)化巖石中3.0 m。在混凝土塞中部兩側(cè)各設(shè)平隼一個(gè)，伸入兩側(cè)巖石中3.0 m，深4.5 m?；炷翝仓r(shí)，先施工上下游各30 m，再以微膨脹混凝土施工中部混凝土，并對(duì)施工冷縫處理。

3）斷層范圍內(nèi)，帷幕灌漿突破規(guī)范要求的一排，改為三排，排距加密到0.6 m，深度加深到50 m。

4）斷層內(nèi)固結(jié)灌漿深度為30 m 和20 m，間距為1.5 m；大壩軸線以前灌漿間距為1.5 m，大壩軸線以后灌漿間距為3.0 m；在混凝土塞兩側(cè)與中等風(fēng)化巖石接觸面進(jìn)行接觸灌漿，間距1.5 m，深4.5 m。

5）在壩后斷層范圍內(nèi)進(jìn)行固結(jié)灌漿，以加強(qiáng)混凝土塞后土體穩(wěn)定性，從而加強(qiáng)混凝土塞的穩(wěn)定性，灌漿范圍自壩邊向下游10 m，深度為15.0 m，間距1.5 m，梅花形布置，技術(shù)要求同壩底固結(jié)灌漿。

方案如圖1、圖2 所示：

圖1 混凝土塞平面圖

圖2 混凝土塞剖面圖

4 計(jì)算分析

4.1 混凝土塞抗滑穩(wěn)定計(jì)算

斷層帶寬度為15.0～17.0 m，混凝土塞寬度為33.0～29.0 m，計(jì)算模型寬度為33.0 m，計(jì)算寬度內(nèi)壩底面面積2 159 m2，其中斷層面積1 450 m2，占67.2%，中等風(fēng)化巖石面積709 m2，占32.8%。

計(jì)算工況為設(shè)計(jì)洪水期。

豎向力及水平推力計(jì)算見表1。

表1 豎向力及水平推力計(jì)算表

考慮底面傾角1.75°因素，進(jìn)行受力分解后：總豎向力為1 702 768 kN；總水平力為9 629 939 kN。

阻滑力計(jì)算見表2。

表2 阻滑力計(jì)算表

因此，混凝土塞抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)

混凝土塞滿足規(guī)范規(guī)定的抗滑要求。

4.2 單隼抗剪強(qiáng)度復(fù)核

由于混凝土塞穩(wěn)定必須滿足其結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度要求，因此，需要符合混凝土隼的抗剪強(qiáng)度。

單隼所受剪力：Q=16 086.6 kN

單隼抗剪能力：V=a·ft·b·h0=17 151.8 kN>Q

因此，單隼結(jié)構(gòu)滿足抗剪要求。

從計(jì)算結(jié)果可以看出，混凝土塞滿足規(guī)范規(guī)定的抗滑穩(wěn)定要求。

5 結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

傳統(tǒng)混凝土塞計(jì)算主要為彈性深梁計(jì)算模型，論文《從青銅峽水電站的原型觀測成果談壩基斷層混凝土塞的設(shè)計(jì)問題》中提到：青銅峽以及丹江口、云峰等工程斷層處理多年來的原型觀測成果對(duì)于混凝土塞的實(shí)際作用和傳力情況，以及溫度、應(yīng)力提供了系統(tǒng)的資料。

從已有的一些研究成果可以看出：一般按基礎(chǔ)深梁的理論設(shè)計(jì)混凝土塞，由于只考慮了壩體傳來的垂直正應(yīng)力和充填帶的彈性抗力等，而忽略了斷層兩側(cè)堅(jiān)硬巖壁的抗力和壩體剛度的作用，以及混凝土塞的幾何尺寸、濕度膨脹和溫度應(yīng)力等因素的影響，使得計(jì)算假定與實(shí)際情況出入較大。因此，混凝土塞實(shí)際上不是起著梁的作用，按固端深梁的計(jì)算方法設(shè)計(jì)是不合理的，應(yīng)當(dāng)研究改進(jìn)。

本文研究中，考慮到本工程混凝土塞為空間結(jié)構(gòu)，厚度不超過斷層寬度的0.5 倍，傳統(tǒng)方法無法考慮平面楔形體的應(yīng)力影響，因此，采用了空間有限元模型進(jìn)行計(jì)算，結(jié)合靡稜巖的力學(xué)特性，約束支座采用豎向彈性支撐，側(cè)向無約束的單向支座模型。計(jì)算深度取混凝土塞厚度的2倍，經(jīng)計(jì)算，混凝土塞對(duì)周圍巖體壓力滿足巖石的抗壓強(qiáng)度，內(nèi)部壓應(yīng)力和拉應(yīng)力均滿足規(guī)范要求，結(jié)合施工期溫度應(yīng)力的要求，混凝土塞設(shè)置上下兩層鋼筋22@300，以保證混凝土塞的結(jié)構(gòu)安全。

6 結(jié)論及效果

6.1 結(jié) 論

斷層內(nèi)巖性一般較差，基本是嚴(yán)重的風(fēng)化破碎，而且其位置往往在壩體中間位置，對(duì)斷層的處理是大壩是否穩(wěn)定的關(guān)鍵。

1）應(yīng)加強(qiáng)斷層內(nèi)固結(jié)灌漿和帷幕灌漿，可在規(guī)范的基礎(chǔ)上增加排數(shù)或終孔間距。

2）混凝土塞除了傳統(tǒng)的做成底斜面辦法外，可以在側(cè)面和底面巖石內(nèi)做一道或數(shù)道混凝土隼，以增強(qiáng)混凝土塞的抗滑性能。

3）在混凝土塞后的斷層一定范圍內(nèi)做固結(jié)灌漿，以增強(qiáng)其后土體對(duì)塞體的穩(wěn)定抗滑力。

4）可以通過靜壓爆破的辦法，將混凝土塞平面形狀調(diào)整為上游寬下游窄的形狀，利用楔形體作用達(dá)到混凝土塞穩(wěn)定目的。

5）采用空間有限元進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算，根據(jù)巖性特點(diǎn)，合理確定約束形式，配置一定量的鋼筋，保證結(jié)構(gòu)安全。

6.2 混凝土塞改進(jìn)效果

從2013 年大壩蓄水運(yùn)行以來，大壩在各水位工況下穩(wěn)定運(yùn)行，從近10 年觀測數(shù)據(jù)分析，滑動(dòng)變形量很小，斷層內(nèi)壩基排水管基本在管口以下，說明斷層處理是成功的，對(duì)類似工程問題的處理有很好的借鑒意義。