王菊梅

(中國水電顧問集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，四川 成都 610072)

1 工程概況

陰坪水電站位于四川省平武縣境內(nèi)的涪江一級(jí)支流火溪河上，是火溪河水電梯級(jí)開發(fā)的最后一級(jí)，為引水式開發(fā)。水庫正常蓄水位為1 248.00m，相應(yīng)庫容為112.6萬m3， 電站裝機(jī)容量為100MW，為單一發(fā)電工程，無其它綜合利用要求。

電站樞紐工程為三等，主要水工建筑物按3級(jí)設(shè)計(jì)，地震設(shè)防烈度為7度，地震基巖峰值加速度為0.1g。

首部樞紐建筑物由左至右分別為左岸擋水壩、2孔泄洪閘、1孔沖沙閘、右岸擋水壩及其上游側(cè)的取水口閘，壩頂高程1 249.50m，閘壩最大高度為35.0m。據(jù)勘探資料揭示，河床覆蓋層深厚，最深約106.77m，結(jié)構(gòu)層次復(fù)雜，存在軟弱下臥層。軟弱層主要以砂、砂壤土為主，承載力、壓縮模量及抗剪強(qiáng)度均較低，且在7度地震時(shí)有液化的可能。經(jīng)方案比較閘壩基礎(chǔ)采用振沖碎石樁進(jìn)行處理，通過振沖及填料擠壓置換形成復(fù)合地基，以提高地基的承載力、抗剪強(qiáng)度和抗變形能力，防止其發(fā)生液化。

2 首部樞紐工程地質(zhì)情況

陰坪閘址河段為不對(duì)稱的“U”型河谷，兩岸臨河坡高80～100m，最高可達(dá)300余m，呈較典型的橫向谷。基巖主要出露于兩岸谷坡，左岸出露于1 240.00m高程以上，右岸出露于1 220.00～1 290.00m高程以上。巖性為灰白色二云母石英片巖，堅(jiān)硬、性脆，呈中—厚層狀結(jié)構(gòu)，局部薄層狀結(jié)構(gòu)，片狀構(gòu)造，黑云母定向排列，片理極發(fā)育。

閘址覆蓋層厚度變化較大，為28.1～106.77m，左側(cè)坡腳約為28.1m，左岸階地為47.75～106.77m，現(xiàn)代河床一帶為30.2～83.14m。河床覆蓋層主要由砂卵礫石、砂及壤土組成，按成分和粒度的差異自上而下可分為8層，分別為

⑧層：褐黃色粉砂質(zhì)壤土層，厚0～5.92m，碎、礫石主要為二云母石英片巖，土為淺黃色壤土，可見大量植物根系。

⑦層：含漂砂卵礫石層，厚2.83～8.25m，平均厚5.2m，閘區(qū)分布連續(xù)且厚度變化較小。該層結(jié)構(gòu)較松散，漂(塊)卵礫石主要為二云母石英片巖、花崗巖、變質(zhì)砂巖等，漂(塊)石粒徑20～30cm，卵石粒徑5～8cm、礫石粒徑0.5～1cm，圓～次圓狀；砂為灰褐色中細(xì)砂。

⑥層：深灰色粉砂質(zhì)壤土層，厚0～8.78m，最小埋深3.15m。分布于閘軸線以上及以下約70m范圍內(nèi)，從上游到下游逐漸變薄，護(hù)坦末端處尖滅；由河床至左岸緩坡厚度逐漸增大。呈深灰色，結(jié)構(gòu)較緊密，含水量較高，呈軟塑～流塑狀，含有機(jī)質(zhì)，可搓成直徑2～3mm的土條，偶見碎石包含物，風(fēng)干后呈灰白色，較堅(jiān)硬。根據(jù)地質(zhì)判斷當(dāng)遭受設(shè)計(jì)地震烈度影響時(shí)該層為可液化層。

⑤層：砂層，厚2.37～20.16m，最小埋深4.9m，分布較連續(xù)，河床附近較厚，向岸坡方向變薄，上游較厚達(dá)18.83～20.16m，下游變薄僅2.37m。該層主要為灰褐—黃褐色粉細(xì)砂—中粗砂，二者界限不明顯，以粉細(xì)砂夾中粗砂透鏡體更常見。至護(hù)坦下游及下游圍堰漸變?yōu)橹写稚啊Ｔ搶咏Y(jié)構(gòu)較松散，見3～5cm碎石包含物，成分為二云母石英片巖。根據(jù)地質(zhì)判斷當(dāng)遭受設(shè)計(jì)地震烈度影響時(shí)該層為可液化層。

④層：深灰色粉砂質(zhì)壤土層，層厚0～8.52m，最小埋深9.1m。從閘軸線上游約25m至護(hù)坦末端及現(xiàn)代河床至公路一帶該層厚4.89～8.52m；上游圍堰河床部位，該層變薄，厚3.40～3.83m；到下游圍堰河床部位該層尖滅。該層結(jié)構(gòu)較緊密，多呈硬塑狀，見5～20cm柱狀巖心，失水后出現(xiàn)裂紋，風(fēng)干后呈灰白色，堅(jiān)硬，可搓成直徑3～4mm的土條。局部夾粉細(xì)砂，偶見3～5cm及20～30cm碎、塊石包含物，成分為二云母石英片巖，含有機(jī)質(zhì)。

③層：塊碎石土層，分布較連續(xù)，層厚0～8.47m，塊、碎石成分為二云母石英片巖，塊石粒徑40～60cm；碎石粒徑3～10cm，多呈棱角狀，部分呈次圓狀；礫石粒徑1～2cm，次棱角狀；土為砂土。

②層：深灰色粉砂質(zhì)壤土層，層厚0～18.0m，總體變化規(guī)律為：從上游到下游逐漸變厚、從左岸至河床逐漸變薄，閘軸線河床部位層厚4.68m，而下游圍堰河床部位層厚達(dá)18.0m，左岸斜坡處層厚一般8.51～16.09m，河床處層厚一般4.68～15.11m，且局部缺失。該層結(jié)構(gòu)緊密，多呈硬塑狀，見5～25cm柱狀巖心，失水后出現(xiàn)裂紋，風(fēng)干后呈灰白色，堅(jiān)硬。偶見含粒徑27～35cm塊石及3～10cm碎石，塊、碎石成分為二云母石英片巖。

①層：含漂砂卵礫石層，分布于河谷底部，該層厚度變化較大，厚0～55.21m。向左岸變薄，河床中局部缺失。漂石粒徑30～50cm，成分為二云母石英片巖、花崗巖等；卵石粒徑5～15cm及2～3cm；礫石成分同卵石，粒徑0.5～1.5cm，圓～次圓狀；砂為灰黃色中細(xì)砂。

閘址基礎(chǔ)各類土體的允許承載力試驗(yàn)值及物理力學(xué)性能建議指標(biāo)見表1、2、3，閘基第⑤、⑥層地震液化綜合判別見表4。

表1 細(xì)粒土層標(biāo)貫試驗(yàn)成果匯總

表2 粗粒土層超重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)成果匯總

表3 閘區(qū)覆蓋層物理力學(xué)參數(shù)建議值(原狀土)

表4 閘基第⑤、⑥層地震液化綜合判別

3 閘、壩設(shè)計(jì)

首部樞紐建筑物由左至右分別為左岸擋水壩、2孔泄洪閘、1孔沖沙閘、右岸擋水壩及其上游側(cè)的取水口閘，壩頂高程為1 249.50m，閘壩最大高為35.0m。

左、右岸擋水壩段均為混凝土重力壩，左岸擋水壩段共長(zhǎng)119.5m，最大壩高29.5m(齒槽處為34m)，分為7個(gè)壩段。緊鄰泄洪閘的壩段為沖沙閘和泄洪閘平板檢修門儲(chǔ)門槽壩段，壩頂寬12.0m，其余擋水壩段壩頂寬為8.0m。右岸擋水壩段位于沖沙閘右側(cè)、取水口下游，壩段長(zhǎng)約22.1m，最大壩高33.5m。

為保證泄洪、沖沙順暢，泄洪閘和沖沙閘盡量布置在主河道上。根據(jù)閘址的地形條件及樞紐建筑物泄洪能力和沖沙的要求，并考慮沖排水庫沉積的淤沙需要，結(jié)合泄洪計(jì)算成果，確定主河床布置2孔泄洪閘、1孔沖沙閘。2孔泄洪閘和沖沙閘共同組成1個(gè)閘室段，閘室長(zhǎng)50.0m，寬30.95m，最大閘高35.0m。為了減小閘門擋水高度，泄洪閘、沖沙閘設(shè)置胸墻。泄洪閘孔口尺寸為6.0m×10.0m(寬×高)，沖沙閘孔口尺寸為3.0m×10.0m(寬×高)。閘室段底板前段20.0m高程為1 220.50m，后段30.0m以縱坡i=0.15與護(hù)坦在高程1 216.00m相接。為減輕閘室的磨損，在泄洪閘、沖沙閘工作閘門前的底板和閘墩1.2m高范圍采用鋼板襯護(hù)，工作閘門后底板表層40cm及閘墩1.2m高度范圍均采用C40HF抗沖耐磨混凝土保護(hù)。

閘室上游設(shè)25.0m長(zhǎng)鋼筋混凝土鋪蓋，厚度為3.0m，上下游側(cè)設(shè)防沖齒槽。閘室下游設(shè)斜坡式護(hù)坦，護(hù)坦總長(zhǎng)50.0m，縱坡i=0.02。為減輕磨損，鋪蓋和護(hù)坦表面均采用厚30cm的C40HF抗沖磨混凝土。護(hù)坦后設(shè)鋼筋混凝土海漫，長(zhǎng)35.0m，厚1.0m，下游防沖齒槽深4.0m。

根據(jù)地質(zhì)資料，閘壩基礎(chǔ)均為覆蓋層，河床部位基礎(chǔ)防滲采用1.0m厚懸掛式防滲墻，深入具有相對(duì)不透水的②層，墻底高程1 178.00m。兩岸壩肩為卸荷帶，透水性強(qiáng)，地下水位低于正常蓄水位且比較平緩，滲漏比較嚴(yán)重，對(duì)卸荷巖體進(jìn)行帷幕灌漿處理。左岸灌漿平洞深入山體，穿過左壩肩的古河道水平長(zhǎng)度15.0m；右岸灌漿平洞深入山體水平長(zhǎng)度20.0m，帷幕底高程低于地下水位1.0m左右。

4 閘、壩穩(wěn)定及基底應(yīng)力計(jì)算

根據(jù)(SL 265-2001)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定進(jìn)行各組合工況下閘、壩的穩(wěn)定及基底應(yīng)力計(jì)算。泄洪、沖沙閘閘室段作為整體按不對(duì)稱結(jié)構(gòu)進(jìn)行閘室穩(wěn)定及基底應(yīng)力計(jì)算；各擋水壩段分別進(jìn)行穩(wěn)定及基底應(yīng)力計(jì)算。計(jì)算主要成果見表5。

從表5可見：

(1) 泄洪沖砂閘及擋水壩各壩段沿建基面的穩(wěn)定安全系數(shù)滿足(SL 265-2001)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》要求，但安全富裕度不大。

(2) 根據(jù)規(guī)范規(guī)定：中等堅(jiān)實(shí)土基上閘室基底應(yīng)力不均勻系數(shù)(最大值與最小值之比)應(yīng)滿足規(guī)范規(guī)定的允許值(基本組合為2.00，特殊組合為2.50，地震區(qū)可適當(dāng)增大)；平均基底應(yīng)力不大于地基允許承載力；最大基底應(yīng)力不大于地基允許承載力的1.2倍。由于地基結(jié)構(gòu)層次復(fù)雜，存在軟弱下臥層，需驗(yàn)算經(jīng)振沖處理后下臥各層的承載力。

表5 閘、壩沿建基面抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)及基底應(yīng)力計(jì)算成果

注： 7號(hào)擋水壩段為基巖岸坡接頭壩段。

5 閘壩基礎(chǔ)處理設(shè)計(jì)

根據(jù)首部樞紐布置圖，各建筑物建基面除閘壩段齒槽局部直接位于⑥層上外，其余各建基面均在⑦層上，第⑦層的天然地基承載力為0.4～0.5MPa，但第⑦層平均厚度僅5.2m，建基面以下厚度不足5m，第⑦層以下的第⑥、第⑤層分別為深灰色粉砂質(zhì)壤土和砂層，屬軟弱下臥層，天然承載力很低，根據(jù)閘壩穩(wěn)定及基底應(yīng)力計(jì)算成果，閘壩地基不滿足建筑物承載要求(見表5)，且地質(zhì)判斷第⑤、⑥層為液化土層，需對(duì)其進(jìn)行基礎(chǔ)處理，以提高地基的允許承載力及抗液化能力。經(jīng)綜合比較采用振沖碎石樁對(duì)閘壩地基進(jìn)行加固處理。

基礎(chǔ)振沖碎石樁的設(shè)計(jì)根據(jù)(DL/T5214-2005)《水電水利工程振沖法地基處理技術(shù)規(guī)范》，并結(jié)合本工程地基層次復(fù)雜，軟弱下臥層天然承載力、抗變形能力及抗剪強(qiáng)度較低且可能液化，而基礎(chǔ)長(zhǎng)期處于水下，擋水高度又較大，最大閘壩高度達(dá)35.0m的特點(diǎn)，確定振沖碎石樁的范圍，包括泄洪沖砂閘段、取水口閘、各擋水壩段、鋪蓋、護(hù)坦邊墻的地基，并考慮一定的護(hù)樁范圍。振沖碎石樁按等邊三角形布置，設(shè)計(jì)樁徑為1.0m，泄洪、沖砂閘及上游護(hù)樁范圍、取水口、右岸擋水壩段及左岸1～3號(hào)擋水壩基礎(chǔ)樁間距為1.5m，左岸4～5號(hào)擋水壩、鋪蓋上游側(cè)、擋水壩段及泄洪沖砂閘段下游護(hù)樁，護(hù)坦邊墻基礎(chǔ)樁間距為2.0m， 6號(hào)擋水壩基礎(chǔ)不作處理。通過軟弱下臥層的承載力驗(yàn)算，閘室基礎(chǔ)以下樁長(zhǎng)為23.0m，擋水壩段局部最大深度為26.0m。

基礎(chǔ)振沖碎石樁處理范圍見圖1。

6 復(fù)合地基承載力驗(yàn)算

軟弱層地基承載力較低，需驗(yàn)算其強(qiáng)度，要求作用在頂面處的附加應(yīng)力及自重應(yīng)力之和不超過此層修正后的承載力，即

pz+pcz≤faz

式中pz——軟弱下臥層頂面處的附加應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)

值，kPa；

pcz——軟弱下臥層頂面處的自重應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)值，kPa；

faz——軟弱下臥層頂面處的經(jīng)深度修正后地基承載力特征值，kPa。

緊急切斷閥與普通開關(guān)閥的主要功能區(qū)別在于緊急切斷閥在發(fā)生事故時(shí)仍能執(zhí)行動(dòng)作且響應(yīng)快速，因此在選型時(shí)對(duì)于緊急切斷閥的配置要求更高。筆者在設(shè)計(jì)過程中除了依據(jù)SH/T 3005—2016《石油化工自動(dòng)化儀表選型設(shè)計(jì)規(guī)范》[5]，還重點(diǎn)參考了《液化烴球罐緊急切斷閥選型設(shè)計(jì)規(guī)定》(中國石化建[2011]518號(hào)文)，該規(guī)定對(duì)于緊急切斷閥的技術(shù)性能、閥門材質(zhì)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)選型、檢驗(yàn)與測(cè)試等都做了比較詳細(xì)的規(guī)定。

修正后地基承載力特征值計(jì)算公式：

faz=fak+ηbγ(b-3)+ηdγm(d-1.5)

圖1 基礎(chǔ)振沖碎石樁平面布置

式中faz——修正后地基承載力特征值，kPa；

fak——地基承載力特征值，kPa；

γ——基礎(chǔ)以下土的重度，地下水位以下取浮重度，kN/m3；

b——基礎(chǔ)底面寬度，m；當(dāng)基礎(chǔ)底寬小于3m時(shí)按3m考慮，大于6m時(shí)按6m考慮；

γm——基礎(chǔ)以上土的加權(quán)平均重度，地下水位以下取浮重度，kN/m3；

d——基礎(chǔ)埋置深度，m；

ηb，ηd——基礎(chǔ)寬度和埋深的地基承載力修正系數(shù)。

對(duì)于矩形基礎(chǔ)，附加應(yīng)力pz采用下式計(jì)算：

式中p0——基底平均應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)值，kPa；

b——矩形基礎(chǔ)底邊寬度，m；

l——矩形基礎(chǔ)底邊長(zhǎng)度，m；

θ——地基壓力擴(kuò)散角，(°)；

對(duì)于Z<0.25b，不考慮壓力擴(kuò)散角作用，取θ=0。

地基承載力驗(yàn)算成果見表6。

表6 閘、壩地基軟弱下臥層承載能力驗(yàn)算成果

從表6可見：對(duì)比振沖試驗(yàn)初步成果，當(dāng)采用樁間距1.5m時(shí)，經(jīng)振沖樁處理后復(fù)合地基承載力可滿足要求，閘基以下23.0m(第④層內(nèi))承載力滿足要求，不需處理，振沖樁應(yīng)深入閘基以下23.0m。以此確定其它各壩段的振沖樁間距及深度。

7 振沖樁復(fù)合地基承載力計(jì)算公式

振沖樁復(fù)合地基承載力計(jì)算如下式：

式中fspk——復(fù)合地基的承載力標(biāo)準(zhǔn)值，kPa；

fsk——樁間土承載力標(biāo)準(zhǔn)值，kPa；

m——面積置換率；

fpk——樁體單位截面積承載力特征值，kPa；

d——樁的直徑，m；

de——等效影響圓的直徑，對(duì)于等邊三角形布置de=1.05s，s為樁的間距，m。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)振沖碎石樁試驗(yàn)成果：采用振沖碎石樁進(jìn)行地基處理后，形成的復(fù)合地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值、壓縮模量及抗剪指標(biāo)均有所提高。剪切波初判間距1.5m和2.0m振沖區(qū)⑥、⑤層均不液化，標(biāo)貫試驗(yàn)復(fù)判⑥層可能液化、⑤層不液化。碎石樁排水減壓作用，液化可能性較小。振沖處理后復(fù)合地基參數(shù)見表7。

表7 閘址區(qū)⑥、⑤層振沖后復(fù)合地基物理力學(xué)參數(shù)建議值

8 首部樞紐三維滲透穩(wěn)定計(jì)算

地基采用振沖碎石樁加固處理后，地基承載力和抗變形能力提高，但地基的滲透性能也有所改變，為了解閘壩基礎(chǔ)滲透穩(wěn)定情況，采用三維有限元滲流程序?qū)﹂l壩基礎(chǔ)防滲進(jìn)行計(jì)算。在河床部位防滲墻穿過透水較強(qiáng)的第③層，深入相對(duì)不透水層第②層至1 178.00m高程，與岸坡深入基巖的防滲帷幕相接，在閘壩基礎(chǔ)經(jīng)過振沖處理后，第⑥、第⑤層地基滲透系數(shù)變大，經(jīng)三維滲流計(jì)算分析，閘壩基礎(chǔ)滲透穩(wěn)定。

9 震后復(fù)核

2008年5月12日，四川省汶川縣發(fā)生8級(jí)特大地震。此次地震影響到陰坪電站處的地震烈度為Ⅷ度。地震發(fā)生時(shí)陰坪電站首部樞紐的振沖處理已經(jīng)完成，有部分建筑物(護(hù)坦邊墻等)已經(jīng)施工完成，有部分擋水建筑物的底部已施工。經(jīng)震后檢查發(fā)現(xiàn)，地基及已經(jīng)施工的建筑物沒有明顯的變化和位移，也沒有發(fā)現(xiàn)地基有液化現(xiàn)象。

根據(jù)GB18306-2001《中國地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》國家標(biāo)準(zhǔn)第1號(hào)修改單，5.12地震后陰坪的地震基巖峰值加速度為0.2g。設(shè)計(jì)按新規(guī)定基巖峰值加速度采用0.2g對(duì)閘壩穩(wěn)定進(jìn)行了復(fù)核計(jì)算，并根據(jù)需要在不影響泄洪、沖砂等樞紐布置格局，且不改變已經(jīng)施工建筑物結(jié)構(gòu)的情況下進(jìn)行了結(jié)構(gòu)體型的局部調(diào)整。

10 結(jié) 語

(1)陰坪電站首部樞紐閘壩基礎(chǔ)處理的重點(diǎn)是提高基礎(chǔ)的承載力和抗變形的能力，振沖試驗(yàn)成果表明首部樞紐閘壩基礎(chǔ)按設(shè)計(jì)方案經(jīng)過振沖碎石樁加固處理后，可以提高地基承載力和抗變形的能力，且基本解決第⑤、⑥層的液化問題。

(2)經(jīng)過復(fù)核驗(yàn)算，首部樞紐閘壩基礎(chǔ)各部位振沖碎石樁的設(shè)計(jì)是滿足有關(guān)規(guī)范要求的。對(duì)于地基承載力，在設(shè)計(jì)中已經(jīng)考慮了進(jìn)行寬度和深度修正，計(jì)算成果基本滿足現(xiàn)行規(guī)范要求，但高閘壩段安全富裕度仍不大。綜合投資、施工技術(shù)和難度、工期等因素看，該工程閘壩基礎(chǔ)處理設(shè)計(jì)方案是合理的、經(jīng)濟(jì)的。

(3)閘壩基礎(chǔ)經(jīng)過振沖處理后，樁體的滲透系數(shù)大，復(fù)合地基的滲透系數(shù)變大，經(jīng)過對(duì)閘(壩)基礎(chǔ)三維滲透計(jì)算分析，其滲透穩(wěn)定滿足要求。

(4)由于陰坪電站首部樞紐基礎(chǔ)覆蓋層深厚，結(jié)構(gòu)層次復(fù)雜，厚度不均，存在軟弱下臥層，主要以砂、粉砂質(zhì)壤土為主，承載力、壓縮模量及抗剪強(qiáng)度低，且有液化的可能，而閘壩擋水高度大，最大閘壩高度達(dá)35.0m，對(duì)地基的要求高，基礎(chǔ)處理是本工程安全運(yùn)行的關(guān)鍵。

特別鳴謝：本文得到胡永勝、張逢銀兩位教授的親切指導(dǎo)，在此感謝！