重力坝局部软岩带基础设计思考

赵琳 秦永涛 牛智勇

重力坝因其牢靠的安全度，在大型水利枢纽工程中受到广泛青睐。作为刚性坝，重力坝相对于拱坝对地形地质条件的适应性更强，但地形地质条件依然是决定重力坝是否成立的关键因素之一，尤其对于高坝，重力坝的地基需要具有足够的强度、整体性和均匀性、抗渗性及耐久性[1]。目前国内适宜建设高坝大库工程的场址越来越少，可选坝址的重力坝其天然地基条件往往也存在不同程度的缺陷，如节理裂隙、断层带、软弱夹层甚至软岩条带，这些地质问题如处理不当将不同程度的对大坝安全造成影响，因此软弱地质缺陷在很多工程上都成为各方面比选均有优势的重力坝方案唯一的软肋。

结合广西长塘水库工程，本文在分析针对本工程碾压混凝土重力坝基础贯穿性软岩条带采用何种工程处理措施的基础上，扩展思路，研究处理类似基础局部软岩带的可行性措施，为类似工程提供解决问题的思路。

1 工程概况

工程为Ⅱ等大（2）型水库工程，拦河坝采用碾压混凝土重力坝，最大坝高77.5 m，坝长300 m，共16个坝段，拦河坝正常挡水水头差72 m。工程地处西南山区，河谷大致呈V形，拦河坝整体布置紧凑，河床坝段主要布置泄水建筑物，左岸布置坝后厂房和过鱼设施。溢流坝段为8#～10#，坝段长22.5～23 m，共68.5 m；引水坝段为6#，坝段长18.5 m。

根据地质勘探成果，坝基范围为寒武系清溪组下段（∈q1）岩石地层，岩性主要为轻微变质的碎屑岩，包括砂岩夹泥岩、硅质岩，以及泥岩、页岩、砂岩和炭质硅质岩互层，坝基持力层主要为硬岩，局部夹软岩。随着地勘工作深入，探明软岩条带∈q1-7在建基面出露宽度约为15 m，条带走向与顺河向约呈45°角斜交，横穿河床部位坝基面，软岩条带在建基面的分布情况如图1所示，岩层剖面倾向如图2所示。

图1 软岩条带在建基面分布情况

图2 岩层剖面倾向

2 设计计算及工程处理措施

2.1 工程方案拟定

地质勘探工作的不断深入使得设计人员对于软岩条带的认识更加清晰，根据地质勘探成果结论，该软岩条带内部为软硬岩互层，软岩占比相对较高，因此该条带界定为软弱地质缺陷，而非纯软岩地基，条带各项地质综合参数相对高于纯软岩地基，为建坝可行性的提高奠定了基础。

本工程初始方案坝体布置主要依据坝段功能的实现与协调，初始方案各坝段分布与基础软弱条带的位置关系如图3。对初始方案典型坝段抗滑稳定及应力进行计算的结论为：5#坝段坝踵完建工况坝基应力高于其基础软岩允许承载力上限值；7#坝段防洪高水位工况抗滑稳定安全系数3.0，刚刚满足规范要求，没有安全余度。

图3 初始方案软岩条带在建基面分布情况

在初始方案的布置与计算基础上，结合基础软岩条带分布，对各坝段进行综合协调的分布调整，形成新的坝体布置方案（选定方案各坝段与基础软弱条带的位置关系如图1所示），使软岩条带主要穿过基础较宽的5#～9#坝段，以引水坝段和溢流坝段为主。通过坝段分布调整，可以使各坝段与基础软岩条带的位置关系发生变化，各坝段坝基应力得到有效平衡，保证基底应力满足基础承载力要求，同时避免软硬相间基础上产生较大的不均匀沉降。

拟定合适的布置与体形方案后，以刚体极限平衡法对坝基有软岩穿越上、中、下部位的典型坝段进行坝基抗滑稳定及应力计算复核，均可满足规范要求，仅5#坝段（正常挡水坝段，基础宽度相对较小），其抗滑稳定安全余度相对较低，完建工况坝踵应力达到了允许承载力的上限，较原始方案已解决“不满足”的问题。针对此部位采取局部置换混凝土的处理措施，将坝体荷载传递分散，改善局部应力，并加强固结灌浆，提高基础自身整体性和承载能力。

鉴于软质岩体与硬质岩体变形模量差异的客观存在，利用有限元计算方法分析坝基应力可以发现其对应力分布还是存在一定的影响，因此结合有限元计算情况，对其它坝段基础软岩条带均采取浅层混凝土置换，以改善基础弹模差异对坝基应力分布的影响，提高坝体安全可靠度。

2.2 坝体稳定、应力以及不均匀沉降计算分析

设计计算参数的选择，考虑软岩条带仅分布于坝基局部，参数综合考虑软质岩参数和周围硬质岩参数的加权平均，以更真实的反映基础条件。

坝体稳定及坝基应力计算主要采用SL 319—2018《混凝土重力坝设计规范》中的刚体极限平衡法的抗剪断公式[3]，沉降产生的应力影响主要通过有限元计算方法复核分析。

以9#溢流坝段（软岩带位于坝趾部位）作为典型坝段说明其计算结果，坝体稳定及坝基应力计算结果见表1。

表1 抗滑稳定及应力计算结果

对于9#坝段的抗滑稳定计算及坝基应力计算均能满足规范要求，但从表中也可看出，防洪高水位工况2的抗滑稳定安全余度不高，如果该位置布置基础较窄的坝段使得软岩带占基础比例较高，则抗滑稳定安全度将无法保证，如初始方案的7#坝段；完建工况坝踵应力超过了软岩基础承载力上限，如果该坝段分布于软岩恰好穿越坝踵位置的部位，则应力状态也不满足要求。设计采用的坝体布置方案使得各坝段均达到了稳定和应力的协调统一，避免了上述问题的发生，合理调整坝体布置方案对于应对软岩带带来的影响是有效的。

9#坝段有限元复核计算也不存在明显的不均匀沉降问题，具体计算成果如图4、5。

图4 9#坝段竖向位移等值线图

图5 9#坝段竖向应力等值线图

9#坝段坝踵位置竖直位移为-3.5 mm，坝趾位置竖直位移为-5.5 mm，坝基与软岩接触部位的竖直位移为-5.3～-8.0 mm，不存在明显的不均匀沉降问题。坝基竖直应力范围-0.4～-1.2 MPa，局部应力集中可达到2.5 MPa，未超过混凝土允许压应力值，且坝基面未出现拉应力；建基面基础岩体竖直应力范围-0.24～-1.1 MPa，硬岩区域局部应力集中可达-2.8 MPa，软岩区域局部应力集中可达-1.5 MPa，软岩超承载能力的应力集中区域2～4 m范围，采用混凝土置换后可改善应力分布状态。可见，类似于9#坝段的基础软岩分布情况，对坝体和建基面不造成制约性影响，采取一般性基础处理措施可保证满足建基要求。

3 设计思考

（1）应对坝基地质缺陷，设计通常先从改善基础自身条件入手，即采用基础处理措施。一般对于小规模裂隙、局部破碎，采用刻槽回填混凝土塞；对较大规模破碎带或软岩带，则需要较大规模挖除软弱构造，回填混凝土置换；对于可灌性良好的基础，通常会采取加强固结灌浆，可有效提高基础整体性和承载能力。通常的基础处理措施对于改善地质条件是行之有效的，但对于规模较大的地质缺陷，混凝土置换的代价也会很高，有时单纯的基础处理也无法完全解除地质缺陷对建设重力坝带来的制约性影响。这时需要考虑通过除基础处理以外的其它工程措施，来避免大规模的置换工程。

（2）针对思考（1）的问题，从长塘水库重力坝应对基础软岩带的方案可以总结，解决地质缺陷带来的问题，不一定仅仅从地质条件自身入手，可以扩展思路，将坝线布置或坝段布置与基础条件协调考虑，以减轻基础处理的代偿作用。考虑通过局部调整坝线或坝段分布来尽量减少甚至避免地质缺陷在坝基基础的占比，从而避免发生大规模置换工程。从坝体自身考虑应对局部软岩基础问题，还可考虑增加坝基整体性来降低坝基软岩带给坝体的不利影响，如坝基底部一定高度范围内的并缝、配置钢筋、埋设钢轨等，或局部设计坝基梁格结构增加坝体基础部位刚度，来改善软硬岩变模差异对坝体产生的应力集中影响。针对解决抗滑稳定问题，则可以考虑坝基设置深齿墙结构，一定程度的利用硬岩或尾岩抗力。

（3）对于局部存在软岩的重力坝基础，不论采用何种方案解决问题，进行设计计算复核的关键都是正确认识并采用合适的地质参数[2]。坝基地质条件的正确认识与地质参数的合理选取是重力坝设计的基础依据，在一定程度上决定了重力坝建设的可行性。

（4）由于地质条件具有隐蔽性和难预见性，前期地质勘探难以完全查清所有地质问题[1]，因此在全过程设计周期内，需要随着地勘工作的深入来调整优化设计方案，更要在施工期根据实际开挖揭露情况，对原设计进行复核、修正和完善。

4 结语

本文结合长塘水库重力坝基础局部软岩带问题，概括分析了本工程应对该地质缺陷的方案措施，通过对方案的分析，引发对处理相关重力坝基础地质软弱带问题的设计思考，总结了笔者的相关设计思路，为类似工程设计提供参考。