薛曉鵬，王維維，鄭柯君

（咸陽市水利水電規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，陜西 咸陽712000）

水利樞紐工程中，混凝土重力壩作為一個(gè)懸臂結(jié)構(gòu)承受水的巨大推力，靠各截面的抗剪強(qiáng)度維持穩(wěn)定。壩基一般選在巖體巖性均一、巖質(zhì)堅(jiān)硬的弱風(fēng)化巖上，用現(xiàn)代理論設(shè)計(jì)和施工工藝澆筑的混凝土重力壩，只要壩基巖體比較完整，沒有明顯缺陷，發(fā)生整體失穩(wěn)的可能性是非常小的［1］。然而隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，壩址的選擇不僅僅局限在基巖條件好的地址上，基巖條件復(fù)雜、具有軟弱夾層的筑壩項(xiàng)目逐漸增多［2］。過去，對(duì)壩基重要性問題認(rèn)識(shí)不足，因而對(duì)地質(zhì)勘測(cè)和工程處理方面工作做得不夠，造成重大損失，美國圣弗蘭西斯壩和法國布澤壩的失事均是由軟弱壩基引起的［1］。壩基防滲工程同等重要，其成敗決定著工程是否能發(fā)揮預(yù)期效益［3］。一方面取決于防滲工程設(shè)計(jì)是否合理，另一方面取決于施工質(zhì)量［4-6］。按照設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定［7］，防滲工程的設(shè)計(jì)應(yīng)該滿足下面相關(guān)要求：控制壩基面滲透壓力和滲流量；控制壩基軟弱夾層、斷裂破碎帶、巖體裂隙充填物以及抗水能力差的巖層不出現(xiàn)管涌；控制滲漏對(duì)兩岸邊坡穩(wěn)定以及壩基的不利影響；保證足夠的耐久性和可靠的連續(xù)性。

本文以柏嶺寺水庫工程為例，介紹了通過采用調(diào)整壩體邊坡、改變局部尺寸以及壩基灌漿處理的方式使軟弱地基筑壩工程滿足安全需要。以期為類似工程設(shè)計(jì)方案的選定提供參考價(jià)值。

1 工程概況

柏嶺寺水庫工程位于咸陽市旬邑縣境內(nèi)涇河一級(jí)支流三水河中游，主要任務(wù)是城鄉(xiāng)生活和工業(yè)供水。水庫正常蓄水位1 066.3m，死水位1 057.0 m，設(shè)計(jì)洪水位1 066.3m，校核洪水位1 066.4m；水庫總庫容990萬m3，其中興利調(diào)節(jié)庫容600萬m3。多年平均供水量1 465萬m3，供水保證率達(dá)到97.9%（按月計(jì)算）。水庫樞紐主要由大壩及泄洪排沙設(shè)施和放水建筑物組成，采用在左岸河床段設(shè)主壩、右岸一級(jí)階地設(shè)副壩以及主壩段壩身設(shè)表孔、底孔泄洪和管道放水的總體布置方案。主壩為碾壓混凝土重力壩，壩頂全長(zhǎng)152m，其中中部溢流壩段長(zhǎng)77m，左、右兩端非溢流壩段分別長(zhǎng)50m和25m，壩頂寬6m，最大壩高38.5m，壩頂高程1 068m。溢流壩段堰頂高程1 059m。副壩為土壩，壩頂長(zhǎng)108m，壩頂寬6m，壩頂高程1 068m，下游坡比1∶2，上游為階地回填整理形成平臺(tái)，水庫正常蓄水位以上坡比1∶2，以下坡比1∶3.5，沿壩軸線設(shè)混凝土防滲墻。

2 工程地質(zhì)條件

柏嶺寺水庫主體工程開工建設(shè)中，大壩基坑采用爆破施工，揭露大壩壩基地層為礫巖（K12）（硬巖），基坑持力層巖性為基本水平稍向西（右岸）傾斜的礫巖夾砂礫巖，同時(shí)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)鉆孔確定該層厚度從1.8m到0.6m不等，其下臥層為深厚砂巖（K12）（軟巖），現(xiàn)場(chǎng)情況與原初步設(shè)計(jì)地質(zhì)資料提供的壩基持力層為8m厚水平礫巖（硬巖）相比在出露高程與厚度方面均發(fā)生變化。根據(jù)地質(zhì)補(bǔ)充勘察，壩基紅砂巖透水率等物理力學(xué)指標(biāo)與初步設(shè)計(jì)階段變化較大。其礫巖物理力學(xué)指標(biāo)：f′=0.8，c′=0.7，變形模量Eδ0=6.0GPa；砂巖物理力學(xué)指標(biāo)：f′=0.5，c′=0.3，變形模量Eδ0=1.0GPa。

由于大壩持力層變?yōu)榈冖軐蛹t砂巖，砂巖巖體承載力較礫巖有所降低，且由于施工開挖后巖體卸荷作用下對(duì)壩基巖體向上抬動(dòng)，巖體中存在透水夾層，根據(jù)施工地質(zhì)補(bǔ)勘壓水試驗(yàn)［8］成果，在勘探深度內(nèi)，巖體透水率4.7Lu～91.57Lu，平均為22.72 Lu，屬中等透水性。

3 擋水建筑物設(shè)計(jì)

初步設(shè)計(jì)與變更設(shè)計(jì)壩型均為碾壓混凝土重力壩為主壩，土壩為副壩。水庫規(guī)模沒有發(fā)生變化，故水庫調(diào)節(jié)分析計(jì)算和調(diào)洪演算所確定的水庫正常蓄水位為1 066.3m，設(shè)計(jì)洪水位為1 066.3m，校核洪水位為1 066.4m不變，壩頂高程亦為1 068.0 m。擋水大壩主壩為混凝土重力壩，副壩為土壩體，壩頂總長(zhǎng)260m，其中溢流壩段高28.5m，長(zhǎng)77m，非溢流段最大壩高38.5m，壩頂長(zhǎng)度183m。

3.1 初步設(shè)計(jì)

原混凝土擋水壩體設(shè)計(jì)，壩頂寬6m，大壩非溢流面上游1 045m高程以上坡鉛直，1 045m高程以下坡比1∶0.1，下游坡比為1∶0.75。溢流面采用WES實(shí)用堰型，堰上游面在高程1 045m以上鉛直，1 045m以下坡比為1∶0.1，堰頂上游面堰頭為三圓弧曲線，下游為冪曲線，冪曲線與下游反弧段采用1∶0.75的坡相連，反弧半徑12m，挑射角28°，反弧底高程1 045.6m，末端鼻坎高程1 047.0m，設(shè)計(jì)圖如圖1所示。

大壩基坑開挖過程中，對(duì)揭露出的大壩壩基重新進(jìn)行補(bǔ)勘，壩基巖層物理力學(xué)參數(shù)見表1。

根據(jù)新的壩基巖體力學(xué)參數(shù)復(fù)核原初設(shè)混凝土非溢流壩段、底孔混凝土壩段壩體及溢流壩段壩體穩(wěn)定及壩基應(yīng)力。根據(jù)《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》［9］（SL319-2005），重力壩壩基面壩踵、壩趾的垂直應(yīng)力應(yīng)符合下列要求：在各種荷載組合下（地震荷載除外），壩踵垂直應(yīng)力不應(yīng)出現(xiàn)拉應(yīng)力，壩趾垂直應(yīng)力應(yīng)小于壩基容許壓應(yīng)力。經(jīng)復(fù)核，擋水壩體抗滑穩(wěn)定及壩基應(yīng)力計(jì)算結(jié)果分別見表2、表3。

由表2和表3可知，各種計(jì)算工況下，各種壩段壩體均不滿足抗滑穩(wěn)定要求，需重新進(jìn)行壩體體型設(shè)計(jì)。

3.2 變更設(shè)計(jì)

壩基持力層第④層紅砂巖，遇水易軟化，物理力學(xué)指標(biāo)會(huì)大幅減少。根據(jù)上述巖石力學(xué)參數(shù)復(fù)核，大壩在保證原體型尺寸不變情況下，壩體結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定。為保證壩體穩(wěn)定，大壩體型進(jìn)行必要的變更。

變更后混凝土擋水壩壩體設(shè)計(jì)，壩頂寬9m，壩底最大寬度36m。大壩非溢流面上游1 045m高程以上坡鉛直，1 045m高程以下坡比1∶0.3，下游坡坡比為1∶0.95。溢流面采用WES實(shí)用堰型，堰上游面在高程1 045m以上鉛直，1 045m以下坡比為1∶0.3，堰頂上游面堰頭為三圓弧曲線，下游為冪曲線，冪曲線與下游反弧段采用1∶0.75的坡相連，反弧半徑12m，挑射角28°，反弧底高程1 045.6m，末端鼻坎高程1 047.0m。本次設(shè)計(jì)壩基與巖基接觸面傾向上游5°，以增加壩體抗滑穩(wěn)定，如圖2所示。

圖1 原擋水壩壩體設(shè)計(jì)圖（高程單位：m）

表1 壩址區(qū)巖體物理力學(xué)參數(shù)表

表2 混凝土非溢流壩段壩體穩(wěn)定、壩基應(yīng)力計(jì)算表

表3 溢流壩段壩體穩(wěn)定、壩基應(yīng)力計(jì)算表

變更后復(fù)核混凝土擋水壩體抗滑穩(wěn)定及壩基應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如表4和表5所示。

從表4和表5中可得：在基本組合情況下，即正常蓄水位及設(shè)計(jì)洪水位這兩種工況下，無論是混凝土非溢流壩段壩體、還是底孔混凝土壩段或者溢流壩段壩體抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均大于3，滿足規(guī)范要求；在特殊組合情況下，即完建未擋水及校核洪水位這兩種工況下，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均大于2.5，亦滿足規(guī)范要求［10］；在以上各種計(jì)算工況下，壩基應(yīng)力均小于砂巖允許的應(yīng)力。

根據(jù)以上分析可知，變更設(shè)計(jì)的壩體斷面滿足抗滑穩(wěn)定要求，壩踵沒有出現(xiàn)拉應(yīng)力，且壩趾垂直應(yīng)力應(yīng)小于壩基容許壓應(yīng)力。

4 壩基處理方案

4.1 原壩基處理方案

原初步設(shè)計(jì)混凝土壩溢流段和左岸非溢流段的壩基處理，先挖除上部0～6.4m的淤積壤土及第四系壤土夾卵石層，高程1 029.5m～1 031.5m，壩基坐落于礫巖層，水平分布為硬巖完整性好，不需要特殊處理，僅在壩踵處設(shè)有兩排固結(jié)灌漿孔，深入基巖8.0m、排距3.0m，梅花型布置，起到加固應(yīng)力集中區(qū)及帷幕作用，灌漿壓力應(yīng)通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定，灌漿后的巖體透水性不大于5Lu。

圖2 變更后擋水壩體設(shè)計(jì)圖（高程單位：m）

表4 非溢流壩段壩體穩(wěn)定、壩基應(yīng)力計(jì)算表

表5 溢流壩段壩體穩(wěn)定、壩基應(yīng)力計(jì)算表

根據(jù)地質(zhì)補(bǔ)充勘測(cè)報(bào)告，壩基鉆孔壓水實(shí)驗(yàn)，雖沒有發(fā)現(xiàn)大的斷裂，強(qiáng)透水帶，但壩基巖體透水性為中等透水性，壩基底高程平均為1 030.0m，根據(jù)補(bǔ)充勘測(cè)報(bào)告，結(jié)合鉆孔柱狀圖，計(jì)算壩基滲漏量。通過計(jì)算，壩基日滲漏總量分別為53 378.50m3，年總滲漏量為1 948.32萬m3，根據(jù)原初步設(shè)計(jì)可知，年允許滲漏量為48萬m3～78萬m3，其中高程至1 006.64m時(shí)，年滲漏量占總滲漏量99.9%，故壩基主要解決該層以上滲漏問題，壩基滲漏問題即可解決，本次變更采取帷幕灌漿處理，處理深度約24.06m。結(jié)合地質(zhì)補(bǔ)勘報(bào)告，河床壩段建議帷幕灌漿深度25m～30m。

右岸一級(jí)階地初步設(shè)計(jì)對(duì)強(qiáng)透水層采取截滲墻處，本次維持不變，但截滲墻底高程為1 047.40m～1 046.40m，參照地質(zhì)補(bǔ)勘測(cè)報(bào)告，截滲墻底巖石透水性較大，結(jié)合鉆孔柱狀圖，計(jì)算一級(jí)階地滲漏量。通過計(jì)算，壩基日滲漏總量分別為22 396.41 m3，年總滲漏量為817.47萬m3，根據(jù)原初步設(shè)計(jì)可知，年允許滲漏量為48萬m3～78萬m3，其中高程至1 021.64m時(shí)，年滲漏量占總滲漏量95.6%，故右岸一級(jí)階地主要解決該高程以上滲漏問題，滲漏問題即可解決，變更采取帷幕灌漿處理，處理深度約24.75m。結(jié)合地質(zhì)補(bǔ)勘報(bào)告，右岸一級(jí)階地壩段建議帷幕灌漿深度25m～30m。

左岸壩肩根據(jù)地質(zhì)補(bǔ)勘測(cè)報(bào)告，結(jié)合鉆孔柱狀圖，計(jì)算左壩肩滲漏量。通過計(jì)算，左壩肩也需進(jìn)行防滲處理，具體結(jié)合地質(zhì)補(bǔ)勘報(bào)告，處理深度約20 m。

總之，通過以上分析，根據(jù)地質(zhì)補(bǔ)勘報(bào)告，結(jié)合滲漏量計(jì)算，無論是壩基還是壩肩（包括右岸土壩段）均需做防滲處理，設(shè)計(jì)采取防滲帷幕解決滲漏問題。

4.2 變更后壩基處理方案

根據(jù)地質(zhì)補(bǔ)勘報(bào)告，壩基巖體以弱風(fēng)化砂巖為主，極軟巖，巖體承載力不高，軟弱巖帶模量低，且砂巖遇水后軟化特征明顯，存在變形問題，為增強(qiáng)壩基巖體的完整性和穩(wěn)定性，需進(jìn)行處理；對(duì)于左壩肩，基礎(chǔ)雖以砂巖為主，但壩體斷面變化很快，壩體斷面小，壩體基礎(chǔ)巖體承載力等滿足要求，故可不進(jìn)行處理；對(duì)于右壩肩，基礎(chǔ)以礫巖為主，各種力學(xué)性能等均能滿足要求，亦可不進(jìn)行處理。綜上所述，對(duì)壩基巖體全部進(jìn)行固結(jié)灌漿，固結(jié)灌漿深度10m～12 m，本次變更設(shè)計(jì)固結(jié)灌漿深度為8m，范圍為整個(gè)壩基。

根據(jù)以上壩基存在的問題，對(duì)壩基及壩肩（包括土壩段）防滲處理方案為：壩基、壩肩巖體（包括土壩段）進(jìn)行帷幕灌漿。壩基具體為：先挖除上部0～6.4m的淤積壤土及第四系壤土夾卵石層，高程1 029.58m～1 031.58m，然后在壩踵處澆筑3.0 m厚C15混凝土、壩趾處澆筑2.0m厚C15混凝土、其余厚1.0m；在灌漿廊道內(nèi)對(duì)下部砂巖進(jìn)行灌漿處理，孔距2.0m，單排布置，灌漿深度根據(jù)滲漏量計(jì)算分析及地質(zhì)補(bǔ)勘建議，深度為25m～27m，灌漿壓力應(yīng)通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定，灌漿后的巖體透水性應(yīng)不大于5.0Lu。兩壩肩巖體（包括土壩段）待大壩澆筑好，蓄水之前進(jìn)行灌漿即可，孔距2.0m，灌漿深度根據(jù)滲漏量計(jì)算分析及地質(zhì)補(bǔ)勘建議，深度為25m～27m，兩壩肩設(shè)計(jì)有灌漿平洞。同時(shí)在帷幕后設(shè)1道排水幕，平均孔深16.0m，孔距2.0 m，傾向下游，頂角10°；壩體斷面較大，為降低壩體基礎(chǔ)面浮托力，在下游排水廊道內(nèi)布置有1排排水幕，平均孔深10.0m，孔距4.0m，傾向上游，頂角10°。

根據(jù)壩基巖石特點(diǎn)，為增強(qiáng)壩基巖體的完整性和穩(wěn)定性，對(duì)壩基河床段巖體全部進(jìn)行固結(jié)灌漿（在有蓋重情況下進(jìn)行），范圍為壩縱0+036.19～0+132.99段，固結(jié)灌漿孔間、排距3.0m，梅花形布置，共9排，灌漿孔深入基巖8m；對(duì)兩壩肩，考慮到兩岸邊坡坡度偏陡（其中右岸1∶0.3，左岸1∶0.7及1∶0.9），且坡面高差較大，為了填充混凝土壩及岸坡之間縫隙，增加錨著力和加強(qiáng)接觸面間的密實(shí)性，對(duì)兩岸坡進(jìn)行接觸灌漿，范圍為壩縱：0+000～0+036.19及0+132.99～0+142.84段，接觸灌漿孔間、排距3.0m，梅花形布置，每孔灌漿控制面積約6m2。

5 結(jié) 語

本文針對(duì)柏嶺寺水庫工程混凝土重力壩軟弱基巖問題，在壩體邊坡，局部尺寸以及壩基等方面做出相應(yīng)的變更，解決了工程基礎(chǔ)存在的問題，并得出以下結(jié)論，以期為類似水利工程設(shè)計(jì)提供參考。

（1）水利工程地質(zhì)情況的復(fù)雜性和重要性，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮。

（2）通過大壩設(shè)計(jì)尺寸的調(diào)整，增加了壩體體積與建基面，滿足了各種工況下壩基應(yīng)力均小于砂巖允許應(yīng)力的要求。

（3）基礎(chǔ)防滲處理應(yīng)充分考慮基巖在卸載后的回彈及兩岸對(duì)其的頂沖作用。采用壩基、壩肩全部帷幕灌漿的方法可以解決滲漏問題，采用壩基、壩肩全部進(jìn)行固結(jié)灌漿也可以增強(qiáng)壩基、壩肩巖體的完整性和穩(wěn)定性。

［1］郭建業(yè).混凝土重力壩抗滑穩(wěn)定及應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)研究［D］.大連：大連理工大學(xué)，2007.

［2］張鏡劍.具有軟弱夾層基巖上混凝土重力壩抗滑穩(wěn)定的剛體平衡法［J］.華北水利水電學(xué)院學(xué)報(bào)，2011，（1）：29-37.

［3］謝興華，王國慶.深厚覆蓋層壩基防滲墻深度研究［J］.巖土力學(xué)，2009，30（9）：2708-2712.

［4］黨發(fā)寧，熊 璐，王振華，等.西藏某水電站工程首部樞紐平衡防滲優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.水利與建筑工程學(xué)報(bào)，2014，12（6）：1-8.

［5］杜延齡，許國安.巖基灌漿帷幕合理滲透性和深度的初步研究［J］.水利水電技術(shù)，1980，（6）：52-56.

［6］楊秀竹，陳福全，雷金山，等.懸掛式帷幕防滲作用的有限元模擬［J］.巖土力學(xué)，2005，26（1）：105-107.

［7］中華人民共和國水利部.SL62-94.水工建筑物水泥灌漿施工技術(shù)規(guī)范［S］.北京：中國水利水電出版社，1994.

［8］中華人民共和國水利部.SL31-2003.水利水電工程鉆孔壓水試驗(yàn)規(guī)程［S］.北京：中國水利水電出版社，2003.

［9］中華人民共和國水利部.SL319-2005.混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京：中國水利水電出版社，2005.

［10］中華人民共和國水利部.SL253-2000.溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京：中國水利水電出版社，2000.