岩溶地区混凝土重力坝设计及基础处理

于野 唐昕 齐颖 遇梦

本文以大兴水利枢纽工程为例，介绍了通过坝基设齿槽、坝基灌浆和坝肩长帷幕灌浆的处理方式使工程满足安全需要，以期为岩溶发育地区工程防渗积累必要的经验。

1 工程地质条件

大兴水利枢纽工程坝址区地层主要由清虚洞组灰岩及第四系组成，坝基地层为清虚洞组下段条带状灰岩、薄层-中厚层灰岩夹少量泥质灰岩，属坚硬岩。河床表部为弱风化岩体，厚度2.0～2.3 m。在右岸及河床部位，距离建基面6～8 m地层中发育有一层连续性较好的泥质条带状灰岩夹层，该夹层与灰岩间层面无充填，抗剪强度较低，对坝基深层抗滑稳定存在一定影响。

坝基无大断层和较大溶洞存在，产生集中渗漏的可能性不大，坝基渗漏为裂隙式渗漏。两岸岸坡溶洞较发育，溶洞口规模不大，可能存在管道式集中渗漏。根据钻孔压水试验成果，坝基岩体渗透性总体属弱透水（q=1～10 Lu），坝基岩体渗透性随深度的增加有逐渐减小的趋势。

2 坝体结构布置

本枢纽大坝全长98.0 m，从左到右共分6个坝段，分别为：左岸挡水坝段长28 m，分2个坝段；溢流坝段长40 m，分2个坝段；右岸挡水坝段长30 m，分2个坝段。泄水建筑物为河床溢流坝段及下游消力池，共设3个表孔，设闸门控制泄流，溢流堰顶高程507.0 m。

坝体断面按实体混凝土重力坝设计，按单宽验算坝体稳定和应力。坝体断面基本三角形的选定以建基面抗滑稳定及坝体应力满足规范要求为准则，拟定不同的上下游坝坡，通过断面优化，选出最佳断面，再结合坝体结构及水力学条件等要求进行局部修正，适当修改使各个坝段坝体在外观上协调一致。最终设计断面如下：基本三角形顶点位于518.0 m高程，下游面在505.14 m高程以上铅直，以下坡比1∶0.7；上游面490.0 m高程以上铅直，以下坡比1∶0.1。坝顶宽9 m，坝顶高程517.0 m，最低建基面高程465.0 m，最大坝高52.0 m，大坝上游490.0 m以上竖直，以下坡比1∶0.1；下游坡比1∶0.7，最大断面宽度41 m。

3 基础处理方案

坝基弱风化岩体裂隙较发育，岩体完整性较差，需要进行处理。对于坝基揭露的分布的溶洞、破碎带需进行专门处理。为提高基岩的整体性和强度，改善坝基应力不均匀性及降低地基的透水性，对大坝基础进行以下处理。

3.1 坝基开挖

坝基风化带岩体力学强度较低，裂隙张开并有泥质充填。对于中高坝，河床坝段将弱风化岩体大部分挖除，使坝基基本坐落在弱风化-微新岩体上；两岸地层风化较深，新鲜基岩坡度较陡，为满足坝体纵向稳定，将两岸坝肩建基面挖至弱风化的下部，使大坝落在一个左右岸大致对称而又新鲜的基岩上，以保证坝基岩体有足够的刚度和承压强度。

3.2 固结灌浆

为提高坝基岩体承载力，加强基岩整体性、各向均一性及尾岩抗力，改善基岩的抗渗性能，本工程对大坝基础及消力池上游底板进行固结灌浆处理。固结灌浆孔间、排距为3.0 m，梅花形布置，孔深5 m。实际固结灌浆布孔与孔深时，对基础岩体软弱的部位采取局部加密孔距、加大孔深进行处理。

3.3 坝基防渗和排水

3.3.1 帷幕灌浆

由于坝址两岸地下水位低于库水位，且坝址区岩体渗透性不均一，蓄水后将存在绕坝和坝基渗漏问题。坝基无较大溶洞和大断层存在，产生集中渗漏的可能性不大，坝基渗漏为裂隙式渗漏。两岸岸坡溶洞较发育，溶洞口规模不大，可能存在管道式集中渗漏。根据坝址区地下水运动规律及岩体的渗透特性，坝基防渗采取帷幕灌浆与排水相结合的工程措施，其主要目的为控制承压水的影响、降低坝基扬压力、减少并控制绕坝和坝基渗漏量、防止泥质夹层部位发生渗透破坏。坝基及两岸防渗帷幕设计形成封闭系统，其深度按岩体透水性和岩溶发育情况综合确定。

坝址区岩溶发育程度随深度增加而减弱，河床部位岩溶发育程度较弱，岩溶渗漏问题相对简单，因此，坝基帷幕深度以透水率控制，河床段帷幕深约20 m。两岸岩体随着深度的增加，地下水径流强度、循环交替和溶蚀、侵蚀能力逐渐减弱，两岸岩溶发育强度也相应减弱。坝肩岩体∈1q1-1为薄-中厚层状灰岩，裂隙不发育，微透水性，岩溶不发育，可作为坝基防渗相对隔水层，帷幕底进入本单元地层5～10 m为宜，两岸帷幕灌浆深度为21～52 m，局部范围内适当加深。

为使帷幕、排水保持连续性，控制绕坝渗流的问题，帷幕两头由坝肩向两岸延伸至地下水与正常蓄水位相交处，左、右岸防渗帷幕长分别为609 m和541.5 m，延伸长度可满足水库防渗要求。考虑岩溶地区岩体渗透性的不均一，坝基及两岸局部岩溶较发育部位采用双排帷幕灌浆孔，其余为单排孔，右岸帷幕线覆盖层部位采用固结灌浆+双排帷幕灌浆相结合方式，以保障幕体形成，确保灌浆质量。

3.3.2 坝基排水

在坝基帷幕线下游设置1道排水孔幕，与帷幕线构成一个相对完整的坝基防渗排水系统，以排除透过帷幕的渗水及基岩裂隙中的潜水，降低扬压力，保证坝体的稳定。坝基岩体透水性随深度增加而透水性减弱，两岸透水率小于5 Lu岩体一般在坝基下15～20 m，可作为坝基防渗相对隔水层，坝基排水孔需深入该层。

排水孔向下游倾斜5°，孔深10 m，孔距2.5 m，孔径200 mm。

3.4 溶洞处理

库区溶洞发育，调查发现溶洞60个，主要发育于河谷岸坡及洼地周边，多沿裂隙或顺层发育。洞口形态呈扁长形、近椭圆形或不规则形，洞径一般1～5 m，大者10～20 m，洞身长短不一。坝址处河谷两岸岸坡溶洞较发育，溶洞口规模不大，左岸溶洞均发育在坝线上游，右岸少数溶洞位于坝线上游，大部分发育高程高于水库正常蓄水位。溶洞处理措施如下。

（1）库区内的溶洞，根据溶洞进出口高程、汇流面积及蓄水后可能形成的渗漏通道，采用以下处理方式：①基本无汇流面积、溶洞内基本为干洞的，采用进口及出口清理、扩挖，并回填混凝土塞处理。②溶洞进口高程低于正常蓄水位，且地表有出流通道的，进、出口清理，扩挖，并回填混凝土塞处理。③溶洞进口高程高于正常蓄水位或低于正常蓄水位，但没有出流通道的，不进行处理。

（2）与帷幕线相交的溶洞，采用灌注细石混凝土或砂浆处理。对岩溶渗漏通道，采取落水洞扩挖，采用混凝土塞处理，并对溶洞进行封堵。

（3）施工期根据遇到的溶洞具体情况，采取具体的处理措施。

4 坝体稳定及应力

4.1 抗滑稳定综合措施

根据地质勘查，在右岸及河床部位，距离建基面6～8 m地层中发育有一层连续性较好的泥质条带状灰岩夹层，该夹层层面倾角倾向下游且倾角较缓，与持力层之间层面无充填，层面抗剪强度较低 （f=0.30～0.40，f′=0.5，c′=100 kPa），是河床坝基中的潜在滑动面，坝基深层抗滑稳定存在风险，需对该夹层进行处理。对软弱夹层的处理措施，按夹层产状、埋深、性状及其对坝体的影响程度，结合工程规模进行研究，按照施工条件和工程进度，综合分析确定。其作用主要为：提高软弱夹层抗剪强度指标、增加尾岩抗力。由于坝基泥化夹层连续性好，埋藏较深，挖除工程量较大。为确保大坝安全，本工程采取如下工程措施来解决大坝深层抗滑稳定问题。

4.1.1 坝踵设置齿槽

在坝踵部位设置齿槽。齿槽的深度主要保证沿泥化夹层的深层抗滑稳定，将泥化夹层挖断，确定齿槽深入泥质条带状灰岩夹层以下1 m。齿槽的宽度考虑坝体基底摩擦系数、方便施工、保证不被滑动剪断等要求。经比较，齿槽尺寸为深8 m，底宽9 m，上游坡比1∶0.2，下游坡比1∶0.5，利用齿槽的抗剪断作用提高泥质灰岩夹层以上地基的抗滑稳定性，并利用齿槽阻断坝体沿夹泥层滑动路线。

4.1.2 增加尾岩抗力

因本工程坝基存在泥质灰岩夹层，并以缓倾角倾向下游，坝趾下游尾岩抗力有利于坝体稳定，在一定长度内保护尾岩免遭破坏十分必要，为此溢流坝采用底流消能。为保证抗力体厚度，采用综合消能坎式消力池，池底高程为464.5 m，消力池长60.0 m，消力池水重有利于增大尾岩抗力。

4.1.3 坝基上游帷幕及抽排系统

坝基上游侧设防渗帷幕并向左、右岸坝肩内延伸来控制绕坝渗流。帷幕下游设1道排水孔幕，排水孔深10 m，确保坝基扬压力符合设计要求。抗滑稳定计算时考虑抽排作用，河床坝段扬压力折减系数为0.25，岸坡坝段为0.35。

4.1.4 加强坝的整体稳定性

为提高大坝的整体稳定性，将坝段间横缝、纵缝面均进行灌浆处理，从而使各坝段整体作用加强。

4.2 抗滑稳定及应力计算

采取上述措施后，复核溢流坝段稳定、坝基应力及深层抗滑稳定，计算结果见表1。由计算结果可知，在各种荷载组合下溢流坝段建基面抗滑稳定均满足规范要求。在以上各种荷载组合下坝基应力均小于灰岩允许的应力，坝基应力计算结果满足规范要求。

表1 河床溢流坝段坝体稳定、坝基应力及深层抗滑稳定计算表

根据以上分析可知，加齿槽后坝体断面满足抗滑稳定和深层抗滑稳定要求，坝踵未出现拉应力，且坝趾垂直应力小于坝基容许压应力。

5 结语

本文针对大兴水利枢纽工程坝基软弱夹层和两岸岩溶等地质缺陷，结合重力坝结构设计、坝基开挖、基础防渗及大坝稳定稳定等要求，综合确定了大兴水利枢纽工程混凝土重力坝的结构设计和基础处理方案，以期为岩溶发育地区类似工程设计提供参考。

（1）岩溶地区水利工程地质情况的复杂性、不确定性和坝基下覆泥质夹层等地质缺陷，设计时需充分考虑。通过大坝局部结构设计，增加坝踵齿槽，阻断坝体沿夹泥层滑动路线；通过全坝基固结灌浆，可增强坝基及下游尾岩的完整性和稳定性，满足了各种工况下坝体抗滑稳定均大于规范允许值的要求。

（2）由于坝址两岸岩溶发育的不确定性，坝基需加强防渗措施，采取坝基双排帷幕灌浆+左右坝肩延长帷幕处理后，可满足防渗要求，坝基防渗可靠。