某水利枢纽坝基处理设计研究

昌已登

(新疆库尔干水利枢纽工程建设管理中心，新疆 克孜勒苏柯尔克孜自治州 845550)

1 概 述

地基是影响工程安全的一个重要因素，地基承载力不足将会造成上部建筑物发生沉降变形[1-2]。针对拦河建筑物，地基裂缝将会影响到拦河建筑物的拦水效果，亦可降低结构渗流稳定情况[3-4]。结合阿尔塔什水利枢纽工程，对坝基处理设计方案进行研究。

某水利枢纽水库总库容22.49×108m3，正常蓄水位1 820 m，最大坝高164.8 m，为大(Ⅰ)型Ⅰ等工程。

2 坝基处理方案

2.1 坝壳基础处理

坝壳基础处理应做到改善地基表面的平整度，确保堆石与岸坡接触面变形均匀，减小陡边坡对坝体变形的不利影响，从而减小陡岸坝体堆石变形梯度。岸坡段清除表层松散体；左岸堆石体地基在趾板内坡至坝轴线范围内的岸坡开挖坡度为1∶0.5；右岸岸坡较陡，开挖成不陡于1∶0.3的稳定坡度，趾板内坡及坝轴线上游侧坝基出露的高陡壁均要求采用低强度等级混凝土进行修补整形，使处理后的坡度不陡于1∶0.3～1∶0.5；从现有勘察试验资料分析，河床段覆盖层结构总体上较均一，基本上为单一型结构，砂卵砾石层>5 mm的颗粒含量约75.2%，砂含量约22.6%，呈密实状态，其上部的干密度平均值为2.24 g/cm3，地震波纵波速度可达2 400～3 000 m/s，表明覆盖层密实度高，其承载力可满足大坝要求。根据室内现有大型压缩试验成果，卵砾石层在室内100～400 kPa压力下的压缩系数为0.01，压缩模量为121.1 MPa。根据现场试验成果，河床砂砾石层只清除表层的松散覆盖层，清基深度初定为2 m。坝体填筑前，进行基础面碾压，尽量减少基础变形。同时，提高坝体碾压指标，即坝壳砂砾料要求相对紧密度大于0.85，爆破料孔隙率要求小于19%。预留沉降超高，即坝高的1%(1.60 m)。采取以上措施，可有效减少坝体变形。

2.2 趾板地基处理

根据地质勘探分析，左岸基岩强风化层厚2～3 m，弱风化层厚16～22 m。右岸趾板基岩强风化层厚2～3 m，弱风化层厚15 m，弱风化层可满足面板趾板基础。左右岸岸坡坝段趾板基础置于弱风化层岩石基础上。趾板岩石开挖临时边坡为1∶0.3，永久边坡强风化层为1∶0.5、弱风化层为1∶0.35，覆盖层开挖边坡为1∶1.5。河床段为冲积砂卵砾石深厚覆盖层，相对密度平均值为0.85，覆盖层密实度高，紧密的砂砾石的压缩模量较碾压堆石料高5～10倍。根据室内现有大型压缩试验成果，在400 kPa(相当于坝基的最大荷载)压力下的变形量仅为2～3 cm左右，变形量不大，故仅清除河床覆盖层表面砂砾石2 m后作为趾板基础。河床趾板底面开挖高程定为1 661～1 663.00 m，为减小基础变形，对河床趾板、连接板的建基面进行强夯处理。

2.3 右岸岸坡变模区设置

右岸岸坡趾板桩号0+760～0+875段岸坡有第四系全新统崩坡积物，岸坡基础开挖时对该段进行了清除，清除后趾板下游边坡较陡。计算表明，在地震作用下，在面板靠近右岸岸坡区域少许面板单元最大拉应力达3.6 MPa(图1)。为了改善边坡、调整面板受力条件，对开挖后坡度陡于1∶0.5的陡坡，填筑时在距陡坡面20 m范围内，采用垫层料、水泥和水拌制成碾压干贫混凝土进行处理。要求干贫混凝土干密度达到2.25 t/m左右，抗压强度相当于28天C5-C7的低标号混凝土。

图1 面板坝轴向最大拉应力等值线(静动叠加)(单位：MPa)

2.4 基础灌浆

2.4.1 固结灌浆

1) 左右岸岩石基础固结灌浆。基础坐在基岩上的趾板设置固结灌浆，孔、排距3 m。根据基岩情况，固结灌浆深度为8 m。

2) 河床段砂砾石基础固结灌浆。采用防渗墙上游20 m至河床趾板下游20 m及河床段趾板和连接板范围内进行固结灌浆加固处理，灌浆深度为10 m，孔、排距3 m，灌浆压力控制0.1～0.3 MPa，灌后检查按满足5 Lu控制。

2.4.2 帷幕灌浆

帷幕深度宜深入相对不透水层5 m，也可根据地质条件按坝高的1/3～1/2选定。本枢纽为大(Ⅰ)型Ⅰ等工程，大坝为1级建筑物，3 Lu线埋深较深(未勘探到)。坝基帷幕防渗深度按坝基透水率小于5 Lu和1/2坝高控制，左岸趾板下帷幕深度为38～74 m，右岸趾板下帷幕深度为44～82 m，双排，帷幕孔的孔、排距2 m。两坝肩灌浆在坝顶高程处设置灌浆廊道，左坝肩廊道长30 m，帷幕深度20～38 m；右坝肩廊道长38 m，帷幕深度20～44 m，设置单排帷幕。混凝土防渗墙段，墙下设1排帷幕灌浆，孔距2 m，帷幕灌浆最大深度为墙下69 m。

2.5 断层处理及辉绿岩脉处理

根据地质报告，左岸在高程1 830 m处有F3断层出露，产状78～85°SE∠52～64°，与坡面走向近于平行，与趾板开挖剖面交角68°左右。该断层上盘岩体较破碎，断层属张性断层，宽0.3～0.5 m，有卸荷迹象，可能产生绕坝渗漏，对趾板稳定影响不大，应加强断层带的处理，以防渗透破坏。左岸高程1 830 m处的F3由于有卸荷迹象，应清除卸荷带，加强锚固和灌浆处理。高程1 772 m处有F16断层出露，产状为78°SE∠63°，规模较小，加强灌浆处理即可。右岸高程1 710和1 830 m处分别分布有F7和F9断层，对边坡稳定影响不大，断层破碎带宽1～5 m，主要以角砾岩、胶结的糜棱岩为主。右岸出露的F10断层，规模不大，破碎带宽0.3～0.5 m，断层与岸坡近于平行，倾向岸里，对断层带采用开挖后回填砼塞及加强灌浆处理。混凝土塞深度按照断层破碎带宽度2倍设置混凝土塞，即混凝土塞深度1 m，边坡为1∶0.5，长度沿断层方向设置10 m，在10 m范围内加强灌浆。在趾板基础出露的辉绿岩脉其风化破碎呈碎块状，不能满足趾板基础要求，须开挖回填砼及进行灌浆处理。

2.6 河床深厚覆盖层防渗处理

根据地质勘探及试验并参考已建工程，本工程河床深覆盖层段将趾板基础建在覆盖层上。对覆盖层的处理进行以下几方面的研究：

2.6.1 单墙防渗墙方案

单墙防渗墙+墙后下游进行不同深度、不同灌浆范围的充填灌浆，减少变形，提高承载力，起到防渗墙到坝基的逐渐过渡，减少连接板变形梯度。

2.6.2 双墙防渗墙方案

对双防渗墙处理方案防渗墙施工期、运行期位移(上下游方向)变形和应力状态的研究。

1) 双墙+墙间不同深度固结灌浆。

2) 双墙防渗墙+墙后下游进行不同深度、不同灌浆范围的充填灌浆。

2.6.3 防渗墙与趾板连接型式的研究

1) 覆盖层连接板布置型式的研究。

2) 研究不同连接板数量(2块、3块)对连接板沉降缝变形的影响。

3) 研究单块连接板长度(2 m、2.5 m、3 m)对连接板沉降缝变形的影响。

4) 研究防渗墙下游进行不同深度、不同灌浆范围的充填灌浆对连接板沉降缝变形的影响。

2.6.4 二维有限元分析计算结果

由二维有限元分析计算结果可知，各比选设计方案应力变形分布规律均未出现大的异常，符合高面板堆石坝应力变形一般分布规律。

1) 坝体位移。竣工期和满蓄期最大沉降分别为0.75和0.95 m，占坝高比重分别为0.46%和0.6%；各对比方案竣工期水平位移基本呈对称分布，向上游和下游变形均在0.1 m左右；蓄水后，坝体变形均朝向下游，最大水平位移位于面板中部，最大变形约为0.3 m。由此可见，上述影响因素对坝体整体变形影响较小，各比选设计方案均具备良好的抵抗变形能力。

2) 坝体应力。满蓄期，库水位上升后，由于水压力作用，各对比方案中坝体最大主应力和最小主应力均有一定程度增大，但幅度不大，分布规律与基准方案较为一致，坝体内部应力分布均匀。各对比方案中，坝体最大压应力均在4.0 MPa左右，靠近面板的垫层区域与防渗墙附近区域出现少许受拉破坏单元，拉应力约为1.5 MPa。坝体内部应力水平分布相对均匀，各对比方案差异不大，最大应力水平数值均在0.4左右。

3) 面板应力与变形。各计算方案竣工期和满蓄期面板挠度幅值及其发生位置较为一致，蓄水期，在上游水压力作用下，面板挠度达到最大，最大挠度为43.7 cm。另外，趾板下部固结灌浆深度和趾板宽度对面板顺坡向应力存在一定影响，但影响程度有限，最大顺坡向压应力为9.5～10.5 MPa，位于面板中下部，面板全断面受压，且满足抗压要求。

4) 防渗墙应力变形。各比较计算方案竣工期和满蓄期防渗墙应力和变形幅值及其分布趋势较为一致，竣工期最大变形约为10 cm(指向上游)，发生在墙体顶部；最大竖向压应力约为10 MPa左右，位于墙体底部。满蓄期最大变形指向下游，墙体顶部最大水平位移量约为30 cm，最大竖向压应力为20～29 MPa。单墙设计时墙体底部压应力较大，墙体最大压应力为29 MPa，略微超过所选混凝土抗压强度。双墙设计中，当双墙之间进行100 m固结灌浆时，墙体底部压应力最小，为19.8 MPa，满足防渗墙所选混凝土抗压强度要求。

5) 连接缝和周边缝变形。连接缝变形各对比方案与基准方案较为一致，蓄水后，防渗墙墙顶与连接板之间的连接缝剪切变形量达到最大。在各计算方案中，最大沉陷量为3.4 cm，均在变形允许范围内。另外，各计算方案周边缝沉陷量和拉伸量均较小，沉陷量小于3.0 cm，拉伸量小于1.0 cm。随着趾板下灌浆深度的增加，连接缝和周边缝沉陷量小幅增加。总之，各影响因素对满蓄期周边缝和连接缝沉陷和拉伸变形影响较小。

6) 趾板应力。各计算对比方案与基准方案应力幅值较为一致，满蓄期趾板应力达到最大，水平向应力为1.1～1.3 MPa，竖向应力为2.7～3.0 MPa，均满足所选混凝土(C30)抗拉压强度要求。

3 结 论

水利枢纽工程坝基覆盖层厚度大、断层发育，地基条件差。从坝壳、趾板地基处理等方面对坝基加固方案进行分析。通过对比分析，不同方案加固覆盖层后，坝体位移、面板变形、连接缝变形量等因素均可满足规范要求；各部位应力均可满足混凝土抗拉强度要求。