采用地下混凝土框格梁处理大坝软弱基础的新型策略

马 敬，蒋 兵

(1.新疆兵团勘测设计院(集团)有限责任公司，新疆 乌鲁木齐 830002；2.新疆水利水电勘测设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830000)

云南省团结水库位于耿马傣族佤族自治县耿马镇南木老河上，是一座以灌溉为主兼水产养殖的控制性水利工程。水库由拦档大坝及泄放水建筑物组成。区域内主要出露古生界变质岩地层和二叠系、三叠系、侏罗系、第三系沉积岩地层及第四系(Q)地层。坝址区基岩为上第三系陆相沉积为主的细碎屑沉积岩，岩性为黏土岩、粉砂质黏土岩，局部夹有成岩较差的砾岩、砂岩、粉细砂层透镜体及煤线，灰色、浅灰色，极薄层-薄层状构造，产状30°～35°NW∠1°～5°。室内岩块多组试验及天然状态下岩块抗压强度试验可知，坝基6.4～73m深度范围内岩块天然状态无侧限单轴抗压强度最大值为4.8MPa，最小值为0.88MPa，平均值2.1MPa，小值平均值1.2MPa，属极软岩，岩体强度低，饱和状态强度更低，可采用机械及人工直接掘进，为典型的软岩-硬土过渡型地层。在如此软弱泥岩上建坝，在几种常见的基础处理方案，如大开挖、砾石桩等均不能满足正常运用工况应力应变要求的前提下，采用地下混凝土框格梁策略科学合理地解决了软弱坝基问题。

1 工程地质条件

表1 抗滑稳定计算中大坝组成材料物理力学参数表

表2 上第三系黏土岩、粉砂质黏土岩综合物理力学性指标地质建议值

工程区50年超越概率10%的地震动峰值加速度为0.30g， 对应的地震基本烈度为Ⅷ度，地震动反应谱特征周期为0.45s，属强震区，综合以上因素确定工程区属区域构造稳定性较差地段。

2 大坝结构设计参数及相关物理力学指标

大坝采用黏土心墙堆石坝，坝顶长度915m，最大坝高54.5m，坝顶宽度为8m，最大坝底宽203m。坝体断面以黏土心墙防渗体为中心，心墙防渗体上、下游两侧由内向外分别为：上游反滤层、上游过渡层、上游灰岩堆石料、上游砂砾石垫层料、下游反滤层、下游过渡层、下游灰岩堆石料，上游坝坡坡比为1∶2.0；下游坝坡坡比为1∶1.8。抗滑稳定计算中大坝组成材料物理力学参数见表1。

3 几种坝基处理方案静力稳定分析

3.1 振冲碎石桩置换方案

采用振冲桩方案置换坝基，振冲桩的置换率分别为20%、30%、40%和50%。各置换率下的地基复合强度参数见表3。振冲桩的深度分别拟定10、15、20、25m四种。前后坡脚压重顶部长度取20、30、40、50m。

表3 振冲桩加固时坝基复合强度参数

经三维静力抗滑稳定分析，随着碎石桩置换率的增大，地基抗剪强度提高，大坝抗滑安全系数增大。随着碎石桩加固深度的增大，大坝最危险滑动面深度增大，大坝抗滑安全系数提高，但当碎石桩的加固深度为15m时，尽管置换率达到50%，抗滑稳定安全系数仍不能满足规范要求；当加固深度增大到25m时，碎石桩置换率达到40%后，正常工况的大坝下游侧安全系数满足规范要求，上游 坝坡及地震期坝坡稳定系数小于规范要求。当置换率提高到50%后，各工况的大坝上下游侧安全系数均满足要求。对于控制工况(地震期)，上游下游最小安全系数分别为1.04、1.05，均小于规范要求。

3.2 坝基大开挖置换方案

坝基采用大开挖后灰岩料置换黏土岩措施，初拟心墙上游侧30m长范围内黏土岩置换深度为13.0m，其余坝体轮廓线范围内置换深度为5.0m，坝基采用灰岩堆石料置换黏土岩。坝体上下游设反压平台，上游反压平台顶宽50m，下游反压平台顶宽80m，反压平台压实。初拟基础开挖置换方案大坝标准横断面图如图1所示。

图1 初拟基础开挖置换方案大坝标准横断面图

因开挖会破坏黏土岩的完整性，且运行期开挖面一定深度范围的黏土岩呈饱合状，经三维静力抗滑稳定分析，地震期上下游坝坡抗滑稳定安全系数1.03和1.05均不满足规范要求。由此，开挖方案将心墙下游侧30m范围内开挖置换深度增至10m，经三维静力抗滑稳定分析，地震期大坝下游侧抗滑稳定满足要求，但上游侧抗滑稳定安全系数1.06，仍不满足规范要求。

为增大大坝上游侧抗滑稳定性，对置换加固深度和下游侧压重范围进行了敏感性分析。将上下游局部加固深度增大到13m后，因受饱和泥岩的影响，正常工况及地震工部上下游坝坡稳定安全系数由1.05提高至1.065，提高不大，且仍略低于规范要求。可见大开挖置换方案处理黏土岩蠕变坝基效果不理想，继续加深开挖深度也会带来一系列开挖高边坡及基坑排水等不利问题。

3.3 地下混凝土框格梁加固方案

经以上常规的振冲碎石桩置换方案及大开挖置换方案，均存在破坏现状泥岩结构且引导水头向下使深岩泥岩饱和的问题，且经两种方案均三维静力分析，也验证了上述方案的不可行。但通过以上置换方案的验证也为此类坝基处理提供了新思路，即部份置换表层5～8m风化泥岩，同时又不因为置换坝基引入水头向下侵入深岩泥岩，起到真正意义上加固坝基的作用。一种地下混凝土框格梁处理坝基方案应运而生。即对坝基轮廓范围内表层1～2m松散覆盖层清废后至风化泥岩，在风化泥岩内布置地下混凝土框格梁，经几种布置方案分析，最终推荐布置方案为：心墙上、下游地下混凝土框格梁间距为30m(顺水流向)×30m(垂直水流向)，混凝土梁平均入岩深度为8m，垂直水流向的混凝土框格梁每60m间隔断开，框格梁宽度均为1m。坝基混凝土框格梁平面布置图如图2所示。

经三维变形及应力特性研究地下混凝土框格梁坝基处理方案应力应变分析结果为：最不利地震工况，坝基框格梁受上部坝体重力作用，框格梁最大压应力处于底部，为4.42MPa。受不均匀变形影响，框格梁下部有拉应力，且靠近轴线的顺河向与轴向框格梁连接部位的拉应力大于下游最大拉应力，上游最大拉应力为2.25MPa，下游侧最大拉应力为2.75MPa。该拉应力均可通过对混凝土梁内进行配筋解决。满蓄期顺河向框格墙高度方向及厚度方向剪应力三维应力分面如图3—4所示。

图2 坝基混凝土框格梁平面布置图

图3 满蓄期顺河向框格墙高度方向剪应力(单位：Pa)

图4 满蓄期顺河向框格墙厚度方向剪应力(单位：Pa)

4 坝基框格梁方案坝坡抗滑稳定分析

大坝抗滑稳定分析，进行三维静力有限元计算时，土体采用了邓肯张-EB模型模拟，计算参数来自三轴试验成果。另外，地基采用线弹性模型模拟，泊松比υ=0.31(取自现场试验)，弹性模量E=13MPa(根据土体压缩模量Es进行换算，E=Es(1-2υ2/(1-υ))。考虑到自重作用主要产生竖向变形，因此静力计算时，采用两侧水平约束，竖向自由的边界。混凝土框格墙加固区域采用体积等效的原则换算，强度参数复合地基强度中C值较未加固地基土的增加量计算为：2.09MPa×(130+130)=139.3kPa，计算中取为130kPa，计算时复核地基的摩擦角取值与未加固的地基土相同。当采用置换深度分别为5、8m时，通过大坝三维静力分析结果，见表4—5，可知采用地下混凝土框格梁加固坝基方案，框格梁的深度仍是层间滑动的控制工况。

表4 框格墙加固地基时岸坡段大坝断面抗滑稳定安全系数(框格梁从黏土岩顶面以下5m)

表5 框格墙加固地基时岸坡段大坝断面抗滑稳定安全系数(混凝土框梁从黏土岩顶面以下8m)

通过上述分析计算结果可知，当混凝土框格梁伸入风化层下部，深度为8m时，各工况抗滑安全系数见表5，均大于规范允许值，大坝坝坡抗滑稳定满足规范要求。

5 大坝应力变形综合分析

在采用地下混凝土框格梁坝基处理方案基础上对大坝进行三维有限元静力分析及动力分析。

5.1 三维有限元静力分析

(1)坝壳应力应变

水平位移：竣工期，大坝水平位移最大值分别为6.20cm(上游)和6.65cm(下游)。满蓄期，在水荷载作用下，坝体向上游侧的变形减小，最大值为2.35cm；向下游侧变形的增大，最大值为11.28cm。

竖向位移：大坝竖向沉降最大值为58.23cm。

坝体应力：竣工期，大坝大小主应力分布规律是从心墙以及底部区域附近向上下游方向逐渐减小。大小主应力最大值分别为1.03、0.44MPa。满蓄期，由于浮托力的作用，上游坝体和坝基大小主应力均有所减小，大主应力和小主应力最大值分别降低至1.05、0.43MPa。

(2)心墙应力应变

竣工期，心墙顺河向位移较小；心墙竖向沉降最大值为59.24cm，位于河谷中央1/2心墙高度附近，心墙沿坝轴向位移最大值为3.23cm。

满蓄期，由于水压力的作用，心墙顺河向最大变形增大，顺河向最大位移为10.25cm，位于墙顶；心墙沿坝轴向位移最大值为3.08cm。

竣工期，心墙最大压应力为0.52MPa，位于心墙底部区域；满蓄期，心墙最大压应力为0.50MPa，没有出现拉应力。

大坝典型断面的沉降、水平位移、位移应力最大值见表6。

表6 三维有限元大坝静力计算峰值表(应力以压为正)

5.2 三维有限元动力分析

动力有限元分析地震作用主要产生水平剪切变形，地基两侧竖向约束，水平向自由。

(1)大坝地震加速度反应

地震反应分析的结果表明，大坝顺河向最大加速度为5.2m/s2，放大倍数为1.73。大坝竖向最大加速度为4.8m/s2，放大倍数为2.4。坝轴向最大加速度为4.7m/s2，放大倍数为1.57。最大值均出现在坝顶，基岩对加速度的放大效应不明显。计算结果符合大坝有限元动力反应的一般规律。

(2)大坝永久变形

大坝顺河向最大永久变形位移为25cm(向下游)，发生在大坝坝顶上游侧；竖向最大沉降为50cm。

6 结论

经三维有限元静动力分析，坝基采用地下混凝土框格梁方案时，大坝应力应变各项指标均满足规范要求。可见，对于类似渗透系数小，隔水性较好，但遇水软化蠕变、抗剪强度差的黏土岩坝基，振冲转换及开挖置换方案均会引起临水面下移，从而导致饱和带向下扩散，在提高坝基抗剪强度有限的情况下，而通过一味加深置换深度来影响坝体稳定安全系数，对经济和施工安全均不利。地下混凝土框格梁置换方案，不仅可利用抓斗等现代化机械化施工，保证施工效率，确保施工安全，而且使坝基整体性好，对大坝结构稳定性发挥着至关重要的作用。该方案在全国坝基处理中属首例，已在云南耿马团结水库成功应用，可供同类工程参考。