周 華，王占軍，2，杜 威， 陳東斌

(1. 長江勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司， 湖北 武漢 430010;2. 武漢大學(xué) 水資源與水電工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖北 武漢 430072)

我國水利水電工程建設(shè)中，混凝土重力壩是廣泛采用的重要壩型之一，其結(jié)構(gòu)簡單，施工方便，能較好地適應(yīng)地形與巖石情況的變化以及復(fù)雜和不均勻的地基。然而由于水能資源不斷開發(fā)利用，具有較好壩址條件修建混凝土重力壩的工程越來越少，一些重力壩需修建在巖體質(zhì)量較差的巖基上[1- 3]，比如軟巖。軟巖是具有特殊工程性質(zhì)的一種巖石，以廣泛分布的黏土巖或黏土質(zhì)膠結(jié)砂巖等為代表，其飽和單軸抗壓強(qiáng)度一般小于30MPa[4]。該類巖石巖性較軟弱，巖體變形模量低，抗壓強(qiáng)度及地基承載力低，易軟化、膨脹、崩解，其工程特性受風(fēng)化、水等環(huán)境條件影響大。

混凝土重力壩主要依靠自重在壩基面產(chǎn)生的摩擦力以及壩體與地基間的凝聚力來抵抗水荷載以維持穩(wěn)定，其壩基巖體巖性對大壩的變形和穩(wěn)定影響顯著，其能否滿足工程荷載的要求，關(guān)鍵在于其變形模量和強(qiáng)度參數(shù)能否保證建筑物穩(wěn)定和變形要求[5- 7]。在軟巖地基上修筑混凝土重力壩，可能出現(xiàn)壩體不均勻變形過大，沿軟弱夾層滑動，導(dǎo)致壩體失穩(wěn)和壩體破壞。如黑龍灘水庫(壩高53m，壩基為砂巖與粉砂質(zhì)泥巖)壩基巖體滑動導(dǎo)致壩體廊道開裂、漏水[8]；紀(jì)村重力壩(壩高22.5m，壩基為黏土質(zhì)粉砂巖(內(nèi)富含蒙脫石))壩基巖體裂隙、破碎情況嚴(yán)重，運(yùn)行不久即出現(xiàn)壩基巖層泥化、軟化現(xiàn)象，致使7號壩段壩基摩擦系數(shù)由0.4降至0.31，威脅大壩抗滑穩(wěn)定性[9]；廣西大化重力壩(壩高74.5m，壩基巖體為互層狀的泥巖和灰?guī)r)監(jiān)測資料顯示溢流壩段水平位移夏秋季節(jié)呈現(xiàn)趨向下游的異常現(xiàn)象，有限元計(jì)算和監(jiān)測資料對比分析表明下游水位變幅大及壩基軟弱是主要原因[10]。

目前軟巖壩基修筑高混凝土重力壩的工程實(shí)踐較少[11]，其筑混凝土重力壩適宜性研究相應(yīng)缺乏。本文基于軟巖壩基巖體試驗(yàn)成果及工程實(shí)例資料，對多組軟巖物理力學(xué)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，比較不同巖性的巖體物理力學(xué)參數(shù)差異，系統(tǒng)總結(jié)軟巖巖體的強(qiáng)度特性、抗剪斷特性、變形特性、承載力等巖體力學(xué)特性，分析軟巖壩基可能出現(xiàn)的工程地質(zhì)問題，提出軟巖壩基上修筑混凝土重力壩應(yīng)重視的問題，供其他類似工程借鑒。

1 軟巖壩基混凝土重力壩的發(fā)展

已建的軟巖壩基混凝土重力壩多數(shù)只是局部壩基“軟弱”，即局部存在軟弱夾層和軟弱結(jié)構(gòu)面。

本文研究的軟巖壩基是指工程地基巖體整體“軟弱”，即壩基巖體大部分或全部為軟巖。

筆者收集了國內(nèi)19座典型的軟巖壩基混凝土重力壩(閘壩)工程[6- 7，11- 16]，見表1。由表1可知，鹽鍋峽是國內(nèi)最早(1961年)在軟巖壩基上修筑的混凝土重力壩，其壩基巖體為白堊系紅層砂頁巖；2000年以前建成的軟巖壩基混凝土重力壩較少(有5座)，大部分工程(有14座)建成于2000年以后，并將繼續(xù)增多；從分布區(qū)域看，主要位于西北地區(qū)的黃河干流上游，西南地區(qū)的四川、廣西、云南等以及漢江流域湖北地區(qū)等；混凝土重力壩因?qū)位筝^高，在軟巖地質(zhì)條件下修筑的混凝土重力壩壩高普遍較低，最高為57.2m的鹽鍋峽電站工程，國內(nèi)尚沒有100m級高壩工程的實(shí)例；四川盆地紅層軟巖地區(qū)修建的水電站工程全部為閘壩，混凝土壩段壩高基本在30m以下[8]。

2 軟巖巖體強(qiáng)度特性

壩基軟巖主要是砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖和泥巖等，砂巖與泥質(zhì)粉砂巖屬于較軟巖，其飽和抗壓強(qiáng)度30MPa≥Rb>15MPa，粉砂質(zhì)泥巖與泥巖屬于軟巖(15MPa≥Rb>5MPa)。如我國西北、西南、華中及華南地區(qū)廣泛分布紅層軟巖巖體，其巖性多為砂巖及泥質(zhì)巖[8]。本文收集了典型區(qū)域壩基軟巖的物理力學(xué)試驗(yàn)成果資料[1，12- 24]，見表2—3。由表2可知，軟巖天然密度為2.1～2.4g/cm3；不同巖性的軟巖抗壓強(qiáng)度相差較大，砂巖類軟巖強(qiáng)度高于泥巖類，但均較低；與天然抗壓強(qiáng)度相比，軟巖飽和抗壓強(qiáng)度降低明顯，這與軟巖遇水易軟化、崩解特性密切相關(guān)，砂巖類軟巖軟化系數(shù)大于泥巖類。

3 軟巖巖體變形特性

由表3可知，軟巖巖體變形模量值較低；不同巖性的軟巖變形模量相差較大，泥質(zhì)巖類較砂巖類巖體小，這與砂巖類巖體(屬于較軟巖)和 泥質(zhì)類巖(屬軟巖)兩者的堅(jiān)硬程度不同是相適應(yīng)的[8]；巖性相同的巖體，巖體產(chǎn)狀及風(fēng)化程度不同，變形模量值也存在明顯差異。巖體變形模量不均一性會造成壩基不均勻變形，在實(shí)際工程中需采取防范措施。如沙坡頭壩基泥、頁巖與砂巖變形模量差異較大，為避免產(chǎn)生較大不均勻變形，在2#機(jī)組以左壩段橫縫底部設(shè)置厚混凝土托板，3#～5#泄洪閘炭質(zhì)頁巖壩基置換1.5m厚混凝土[26]。

表1 軟巖壩基筑混凝土重力壩(閘壩)工程實(shí)例

表2 典型工程壩基軟巖抗壓強(qiáng)度成果

表3 典型工程壩基軟巖剪切及變形模量現(xiàn)場試驗(yàn)成果

(續(xù)表)

4 軟巖壩基承載力

軟巖壩基的承載力允許值通常以現(xiàn)場載荷試驗(yàn)為基礎(chǔ)，參考行業(yè)規(guī)范規(guī)定，經(jīng)綜合分析確定[25]，如沙坡頭軟巖壩基承載力以極限荷載平均值取2.5倍安全系數(shù)確定[25]；柴志陽等[16]在對比分析多種規(guī)范基礎(chǔ)上，確定采用GB 50007—2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》的修正方法計(jì)算西霞院軟巖壩基承載力。根據(jù)軟巖地區(qū)工程經(jīng)驗(yàn)，該類方法往往對軟巖壩基承載力估計(jì)不足[19，26- 27]，鑒此，部分學(xué)者嘗試其它方法獲取軟巖壩基承載力，如針對環(huán)境極度敏感的廣西第三系泥巖采用動力觸探試驗(yàn)獲取壩基承載力[19]，利用Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則建立砂礫軟巖極限承載力分析方法[27]。由表3可知，軟巖壩基承載力總體較低，受巖性及巖體構(gòu)造發(fā)育情況影響。對于不同巖性組合的壩段，建議分別確定壩基承載力。對承載力不滿足要求的軟巖壩基，需采取增大壩基承載面積、局部深挖、置換混凝土和減少壩體荷載等工程措施，如西霞院混凝土壩段采用局部素混凝土樁進(jìn)行加固處理[16]；沙坡頭通過在實(shí)體混凝土內(nèi)設(shè)置減載空腔改善壩基巖體受力[25]。

5 軟巖壩基巖體剪切破壞特征

軟巖巖體現(xiàn)場抗剪試驗(yàn)表明其剪切破壞一般為塑性破壞，巖體抗剪強(qiáng)度取屈服值作為標(biāo)準(zhǔn)值[24]。由表3可知，砂巖類軟巖抗剪斷強(qiáng)度f'多在0.7～1.0，c'多在0.6～0.85MPa；泥質(zhì)類軟巖抗剪斷強(qiáng)度f'多在0.3～0.5，c'多在0.1～0.5MPa；不同巖性的軟巖抗剪斷強(qiáng)度相差較大，砂巖類明顯大于泥質(zhì)巖類；對于軟巖，因其“軟”特性，巖體本體的抗剪斷強(qiáng)度和混凝土與巖體結(jié)合面的抗剪斷強(qiáng)度，均由巖體的巖性及風(fēng)化程度決定[8]。一般來說軟巖巖體本體強(qiáng)度大于巖石與混凝土結(jié)合面的抗剪斷強(qiáng)度值[24]。

總結(jié)已收集的工程壩基巖體資料發(fā)現(xiàn)，軟巖壩基巖體的剪切破壞面特征與巖石的強(qiáng)度、完整程度及巖性組合密切相關(guān)，主要有3種類型[8，28- 29]：①一部分剪切面為沿混凝土與巖石的接觸面，另一部分位于壩基巖體中，這種破壞面類型的巖體主要是較軟巖(巖體單軸抗壓強(qiáng)度15～30MPa)，多為較完整的層狀砂巖和泥質(zhì)粉砂巖；②剪切破壞面全部位于壩基巖體中，這種類型巖體的單軸抗壓強(qiáng)度一般為小于15MPa的軟巖，其巖性多為粉砂質(zhì)泥巖與泥巖；③由砂巖及泥巖互層結(jié)構(gòu)組成的壩基巖體，若順層分布的軟弱夾層發(fā)育，且與層面近于垂直的構(gòu)造裂隙的結(jié)構(gòu)面組合，易產(chǎn)生沿軟弱夾層的深層滑動。

6 軟巖壩基處理與加固

軟巖巖體強(qiáng)度低、易風(fēng)化崩解，軟巖壩基需采取加固處理措施，常采用壩基開挖保護(hù)、固結(jié)灌漿和帷幕灌漿進(jìn)行加固和防滲?，F(xiàn)場試驗(yàn)及室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果均表明，軟巖壩基巖體抗風(fēng)化能力較弱，風(fēng)化會降低軟巖巖體抗剪斷強(qiáng)度等物理力學(xué)特性[8]，因此壩基施工開挖時(shí)應(yīng)預(yù)留保護(hù)層。如色拉龍一級水電站重力壩壩基開挖時(shí)先預(yù)留1～2m保護(hù)層，再采用人工清基，24h內(nèi)噴混凝土或澆筑混凝土[30]。相反，牙扎和文祖口水庫白堊系礫巖壩基開挖后放置時(shí)間較長，且未能及時(shí)保護(hù)和澆筑灌漿蓋板，造成表層巖石風(fēng)化和裂隙發(fā)育，壩基灌漿效果亦不理想[31]。多個(gè)工程實(shí)踐表明對軟巖壩基開挖時(shí)應(yīng)適當(dāng)預(yù)留保護(hù)層和及時(shí)澆筑混凝土覆蓋保護(hù)。

軟巖壩基宜進(jìn)行固結(jié)灌漿，不僅提高淺層基巖完整性，還增強(qiáng)壩基淺表層基巖抗?jié)B性，并為帷幕灌漿造蓋，減少基巖抬動可能性[31]。軟巖壩基不同于硬巖，巖體抗劈裂能力差，不宜過度采用較高的灌漿壓力，否則壩基灌漿容易出現(xiàn)劈裂和抬動，建議灌漿壓力0.5～1.5MPa，但具體需通過灌漿試驗(yàn)確定，同時(shí)可通過改變常規(guī)灌漿方式，如增加淺表層固結(jié)灌漿和增加帷幕排數(shù)以保證帷幕的防滲效果[32]。硬巖壩基帷幕質(zhì)量檢查壓水試驗(yàn)壓力取值原則已不適用于軟巖壩基，應(yīng)根據(jù)壩基巖性和試驗(yàn)結(jié)果合理確定壓力，防止壓水試驗(yàn)壓力過大破壞帷幕。

7 結(jié)論

(1)不同巖性的軟巖抗剪斷指標(biāo)相差較大，巖體抗風(fēng)化能力較弱，壩基開挖時(shí)應(yīng)預(yù)留保護(hù)層。

(2)軟巖巖體變形模量較低，不同巖性的變形模量相差較大；巖性相同的巖體，巖體產(chǎn)狀及風(fēng)化程度不同，變形模量也存在明顯差異。

(3)軟巖壩基承載力總體較低；對于不同巖性組合的壩段，建議分別確定壩基承載力。對承載力不滿足要求的軟巖壩基，需采取增大壩基承載面積、局部深挖、置換混凝土和減少壩體荷載等工程措施。

(4)軟巖壩基混凝土重力壩滑動破壞主要為淺層滑動和深層滑動；對于存在軟弱夾層的軟巖壩基，易產(chǎn)生沿軟弱夾層的深層滑動。

(5)由于軟巖巖體質(zhì)地軟弱，抗剪強(qiáng)度較低，壩基允許承載力及變形模量均較小，巖體中可能還有軟弱夾層等軟弱結(jié)構(gòu)面存在，這些結(jié)構(gòu)特征使壩基存在不均勻沉降和抗滑穩(wěn)定問題。

(6)軟巖壩基灌漿不同于硬巖壩基，灌漿壓力不宜較高，并通過改變灌漿方式增強(qiáng)壩基帷幕防滲效果。