基于混凝土重力坝施工地质风险控制研究

余侃柱，闫洋洋

(1.甘肃省水利水电勘测设计研究院有限责任公司，甘肃 兰州 730000；2.中国葛洲坝集团第一工程有限公司，湖北 宜昌 443002)

0 引言

水库大坝工程具有投资大、效益显著、施工工期长、环境因素复杂、技术难度高、隐蔽性、复杂性、差异性、工程使用寿命长、工程质量终身制、施工和运行必须安全等突出特点，水库大坝竣工后坝基被覆盖或淹没水下，除险加固或补强改造处理难度较大，因此，大坝安全稳定性至关重要。盛金保[1]研究我国水库溃坝成因，洪水漫顶占51.04%，工程质量缺陷占37.24%，管理不当占4.92%，其他原因占6.80%。马永锋[2]研究大约有40%的大坝失事是由坝基基础引起，主要由坝基地质缺陷或处理不当引起。傅忠友[3]研究导致重力坝溃决的主要影响因素为洪水漫顶、坝基缺陷和战争。杨彦龙[4]等认为混凝土大坝溃决主要发生在建设期或运行初期，有近50%溃坝事故是由基础或坝肩破坏所致。张秀丽[5]对国内外大坝失事典型案例原因进行了分析。

GB/T 50927—2013《大中型水电工程建设风险管理规范》[6]要求大中型水电工程建设风险管理应坚持“安全第一、以人为本、科学决策、预防为主”的原则，坚持“人民至上，生命至上”。大坝安全管控就是要防患于未然，防微杜渐。地质体对大坝地质风险的机理主要为抗滑稳定性、边坡稳定性、地基承载力、变形、渗漏问题，很多大坝建成后再除险加固、补强、水下修复、返修坝基隐患则极其困难，因此在大坝施工时，坝基的处理尤为重要。对地质条件准确认识和地质隐患风险源辨识、评价，必须采取有效的风险防范对策，防范和避免风险的发生，确保无地质隐患，安全正常。在施工中进行地质设代和地质预报，增强地质风险辨别，出现异常变化，应及时采取针对性加固处理措施。混凝土重力坝大坝施工地质风险研究文献较少，基于龙象寺水库大坝施工地质风险防控的成功措施研究，对类似混凝土重力坝施工地质风险控制有重要参考价值。

1 工程地质概况

龙象寺水库位于重庆市梁平区普里河河谷，是一座以城区供水为主兼有农业灌溉、农村供水等综合利用功能的水利工程[7]，主要由枢纽工程、城区供水工程和灌区输水工程3部分组成。枢纽坝型为埋石混凝土重力坝，正常蓄水位376.90m，最大坝底宽77m，坝顶高程380m，坝顶宽度10m，最低建基面高程319.5m，最大坝高60.5m，坝顶长度183.0m，根据坝基工程地质条件、坝体布置、坝体受力状况、坝体断面尺寸、温度应力、施工强度等因素，大坝从左向右依次划为重力坝段Ⅰ(长22m)、重力坝段Ⅱ(长18m)、门库坝段(长20m)、溢流坝段(长45m)、取水坝段(长20m)、重力坝段Ⅲ(长20m)、重力坝段Ⅳ(长20m)、重力坝段Ⅴ(长18m)，共10个坝段，9道横缝，水库总库容3263万m3，年供水量3560万m3，工程等别为Ⅲ等，规模为中型。大坝建基面为侏罗系上沙溪庙组(J2s)泥质粉砂岩、粉砂质泥岩互层、长石砂岩，泥质粉砂岩、粉砂质泥岩互层，呈薄-中厚层状结构，泥质胶结为主，微风化带，单轴饱和抗压强度8～13MPa，变形模量2～4GPa，属软岩。长石砂岩，厚-巨厚块状结构，微风化带，单轴饱和抗压强度30～49MPa，变形模量8～14GPa，属中硬岩。岩体呈单斜层状-块状结构，岩层产状NE50°～60°SE∠52°～55°，左坝肩开挖岩质边坡高度78.5m，属高边坡，顺向坡，右坝肩开挖岩质边坡高度90.0m，属高边坡，逆向坡，河床下开挖岩质边坡高度10.5m，属低边坡。按GB 50487—2008(2022年版)《水利水电工程地质勘察规范》[8]坝基工程地质分类，重力坝段Ⅰ、重力坝段Ⅱ为CⅣ，门库坝段为BⅣ1、溢流坝段为CⅢ，取水坝段、重力坝段Ⅲ为CⅣ，重力坝段Ⅳ、重力坝段Ⅴ为CⅢ。据GB18306—2015《中国地震动参数区划图》，工程50年超越概率10%时，地震动峰值加速度值0.05g，地震动反应谱特征周期0.35s，地震基本烈度Ⅵ度，大坝抗震设防烈度6度，区域构造稳定性为稳定性好。工程区属亚热带湿润季风气候，多年平均降水量1252.7mm，多年平均蒸发量981.5mm，施工导流5年一遇洪水流量498m3/s，20年一遇洪水流量852m3/s，100年一遇洪水流量1270m3/s。地下水基岩裂隙水，局部有承压性，水化学类型为HCO3-SO4-Ca型，对普通混凝土无硫酸盐型腐蚀，对钢筋混凝土结构中的钢筋无腐蚀性，对钢结构弱腐蚀。

2 大坝施工地质风险评估

据GB/T 50927—2013《大中型水电工程建设风险管理规范》，采用综合矩阵法，龙象寺水库大坝施工地质风险评估见表1。按风险接受准则不可接受[9]Ⅳ级风险有5项，对大坝运行和施工危害程度为很严重-灾难性，风险控制原则为风险预警与应急处置，或有关方案修正或调整，或风险规避。有条件可接受Ⅲ级风险有5项，对大坝运行和施工危害程度为严重-很严重，风险控制原则为实施风险防范与监测，制定风险防范处理措施。有条件可忽略Ⅱ级风险有1项，对大坝运行和施工危害程度为较大，风险控制原则为加强日常审核检查。通过这些风险控制原则达到风险处置或消除风险源，根除地质风险隐患，保障大坝施工和运行的安全。

表1 龙象寺水库大坝施工地质风险评估

3 大坝施工地质风险辨识与防控措施

3.1 建基面承载力检测验收

大坝按施工图开挖至建基面高程，进行坝基开挖轮廓尺寸、高程测量，检验是否满足施工图要求，地质编录评价，对每个坝段每种代表性典型岩性定性研判和检测，至少布置1—2个钻孔，钻孔孔深从建基面高程向下不小于5m，一般钻孔深度5～10m，钻孔岩芯地质编录，钻孔电视，钻孔岩体声波测试，岩芯声波测试，岩芯室内试验项目有块体天然密度、饱和密度、颗粒密度、孔隙率、自然吸水率、饱和吸水率、含水率、天然抗压强度、干燥抗压强度、饱和抗压强度，软化系数，评价岩体完整性，建基面岩体允许承载力，必要时进行现场抗剪、抗剪断(砼/岩体)、变形模量试验复核，由定性经验判定改为定量判定，通过岩性检测指标来判别每个坝段是否满足各坝段设计垂直应力、变形指标等。若天然地基检测指标大于各坝段垂直应力设计值等，充分利用天然地基作为坝基，无需采取工程措施。若坝基岩体允许承载力、变形模量、抗剪强度不满足设计值等，提醒设计采取补强措施，适当增加开挖深度、增加锚筋、固结灌浆、增加钢筋结构等措施，防控建基面持力层下存在地质缺陷、软弱夹层、泥化夹层，必须彻底消除坝基持力层地质隐患，保证无地质缺陷，强度和变形满足施工图技术要求。

坝基验收评价，由常规业主、勘察、设计、施工、监理、质监站联合验收小组改为专家组评审验收制，组建由参建单位以外第三方，资深经验的水工、结构、地质专业组成至少5—7人专家组，对每个坝段坝基建基面进行评审验收，出具专家组验收意见，通过专家组验收的坝段方可隐蔽浇筑砼。专家组没有通过或提出验收修改意见，按专家组意见及设计单位意见进行坝基处理，再次进行专家组验收通过后才能浇筑砼隐蔽。这种坝基验收评价的方法和流程在规范里没有明确的规定，是根据工程实践经验总结，对预防控制坝基不良地基缺陷起到关键性作用，值得借鉴和推广。

3.2 建基面变形

坝基持力层为泥质粉砂岩软岩与长石砂岩中硬岩互层，软硬相间，非均质，为提高坝基的均匀性，增强岩体完整性，提高坝基岩体变形模量，抗压、抗剪强度，减少变形和不均匀沉降，增加基础刚度和坝基抗裂能力，提高坝基持力层承载力。针对坝基岩性分布特性，合理坝段分缝，将应力较大坝段置于同一类岩性上，坝基泥质粉砂岩建基面配置钢筋，在大坝坝基范围内全面进行固结灌浆，孔、排距均为3m，梅花形布置，采用普通硅酸盐水泥强度42.5，二序施工，灌浆压力一般为0.3～0.7MPa。长石砂岩固结灌浆深度深入基岩5m，泥质粉砂岩固结灌浆深度深入基岩8m。大坝安装三向应变计、三点式基岩变位计8台，三向测缝计7套，监测坝基压缩变形和坝体与岩体裂缝开度，从自动监测数据分析，监测数据变幅符合规范要求，变形处于稳定状态。

3.3 抗滑稳定性

3.3.1坝体与岩体接触面抗滑稳定性

因前期多数试验是在基坑或平硐内进行，施工图复核试验真实反映坝体运行工况的试验，在开挖建基面进行混凝土与坝基建基面泥质粉砂岩、粉砂质泥岩互层岩体、混凝土与长石砂岩岩体，抗剪、抗剪断试验、变形试验，用复核试验成果修正前期地质参数，复核坝基抗滑稳定性，分基本组合(正常蓄水位、设计洪水位)、特殊组合(校核洪水位)3种工况，建模采用美国MSC.PATRAN软件，非线性有限元ABAQUS软件，门库坝段正常蓄水位运行工况坝基深层抗滑稳定安全系数K=4.4，取水坝段正常蓄水位运行工况坝基深层抗滑稳定安全系数K=4.0，均满足规范要求。坝体浅层、深层抗滑稳定均满足SL386—2007《水利水电工程边坡设计规范》[10]要求，坝基截面垂直应力，3种工况下应力均为正，不存在拉应力，上游坝踵及下游坝址的压应力均小于混凝土和坝基岩体允许承载力，坝基应力和变形满足规范要求。若复核不满足规范要求，必须采取工程补强措施，提高抗剪强度，增强坝体抗滑稳定性。

3.3.2坝肩边坡抗滑稳定性

左坝肩为顺向坡，右坝肩为逆向坡，发育的主要裂隙组、岩层产状、开挖边坡组合经赤平投影图定性分析，各坝段抗剪断安全系数采用刚体极限平衡法，在基本组合(正常蓄水位、设计洪水位)、特殊组合(校核洪水位、施工期)4种工况下均满足SL 386—2007要求，左、右坝肩边坡不会发生浅层和深层滑动。若不满足SL 386—2007规范要求，采取补强措施增设锚杆、锚索。但在施工开挖过程中，需严防顺层边坡岩层倾角与开挖坡脚关系，当岩层倾角接近或小于开挖坡脚时，容易切坡，在卸荷作用下形成坍塌或顺层滑坡，逆向坡发生崩塌或倒坡。施工防控措施，分台阶自上而下开挖，分级设置马道，长石砂岩(弱-微风化)开挖边坡率1∶0.75，泥质粉砂岩、粉砂质泥岩互层(弱-微风化)开挖边坡率1∶0.75～1∶1.0，及时喷护0.1m厚C20混凝土，局部增加随机锚杆锚喷，防止风化和浸水浸泡，进行每级马道边坡变形监测和监控。

3.4 坝基渗漏

大坝坝基为长石砂岩、泥质粉砂岩互层，分布有裂隙，非均质，各向异性，钻孔压水试验透水率及钻孔声波、钻孔彩色电视测试分析，据SL 55—2005《中小型水利水电工程地质勘察规范》[11]，坝基建基面以下岩体透水率为5～10Lu，为弱透水-中等透水，为减小坝基岩体渗流量和降低渗透压力、扬压力，施工图防渗帷幕灌浆按SL319—2018《混凝土重力坝设计规范》[12]，中坝防渗帷幕灌浆下限按大坝渗透剖面透水率q<5Lu以下5m控制，按SL/T 62—2020《水工建筑物水泥灌浆施工技术规范》[13]，在大坝廊道帷幕灌浆时先进行先导孔压水试验，先导孔钻孔深度为透水率q<5Lu以下5m，地质编录先导孔岩芯，整理压水试验成果，与施工图对比分析，确定帷幕灌浆下限深度为透水率q<5Lu以下5m，确定施工大坝廊道帷幕灌浆钻孔深度及检查孔深度，灌浆水灰比，有无基岩裂隙水、岩溶水，水头的压水、涌水量，修正施工图帷幕灌浆深度，为合理帷幕灌浆提供方案。先导孔灌浆压力一般不大于1MPa。坝基廊道内帷幕灌浆深度及范围按先导孔压水试验综合分析研判确定，采用普通硅酸盐水泥强度42.5，大坝灌浆最大深度53m，在地下水流速较大、涌水量大、透水率大的地层中采用水泥+水玻璃双液浆液，必要时加入速凝剂和缓凝剂来提高水泥注浆的效果，扩大帷幕灌浆的范围。当地下水质具有硫酸盐型强腐蚀性，采取抗硫酸盐硅酸盐水泥。廊道内帷幕灌浆单排布置，孔距2m，三序施工，灌浆压力一般为0.6～1.5MPa。大坝内设置上、下游两道廊道和横向廊道帷幕灌浆体系。坝体上游侧基础止水用紫铜片，沿陡坡基岩止水槽埋入止水铜片，下游侧设“652”型橡胶止水带。两岸陡坡段坝体与边坡基础接触面设岸坡接触灌浆，采用预埋管灌浆，形成连续完整封闭的防渗漏体系。

3.5 坝肩绕坝渗漏

左、右坝肩山体浑厚连续封闭，无垭口低于正常蓄水位的渗漏通道，不会发生邻谷渗漏。为防控坝肩沿岩体裂隙绕坝渗漏，左、右坝肩按正常蓄水位向左、右岸水平延伸与透水率小于5Lu下限(或泥质粉砂岩、粉砂质泥岩相对隔水层)相交并翘起的尖灭点间水平长度作为坝肩帷幕灌浆长度，左坝肩在地表进行帷幕灌浆长度104m，深度17.5～32.5m。右坝肩山体连续抬高，在坝顶设置灌浆平硐，断面尺寸2.5m×3m(宽×高)，帷幕灌浆长度42m，深度49～72.5m。坝肩与坝基灌浆形成连续封闭的防渗体系，防止坝基和坝肩绕坝渗漏。为掌握绕坝渗流情况，左、右岸设置9个渗流观测孔，进行渗压计自动化监测。

3.6 坝基地下水

坝基开挖建基面有基岩裂隙水渗出，开挖过程采取集水井自动抽排，防控基坑被淹、浸泡和边坡坍塌，建基面封闭后，通过帷幕灌浆，封闭地下水向坝体径流。为防止地下水、坝体渗水，降低渗透压力、浮托力和扬压力的抬升，在坝体灌浆廊道防渗帷幕后设Φ125mm主、副排水孔，孔距3m，深度为帷幕灌浆深度的0.6倍，且不小于10m，主副排水孔与排水管、排水沟相接汇集至集水井，通过深井泵及排水管抽排至下游河床。大坝设振弦式渗压计28台，扬压计14台，自动监测坝基渗透压水、扬压力，实时分析研判运行过程中地下水渗流、渗透压力、扬压力的变化规律，为防控渗流变化提供决策依据。坝体渗透压力通过自动渗压计监测，各种变形处于稳定状态。坝基渗流量通过排水沟后，用5台高精度振弦式量水堰计自动监测。

3.7 坝基断层带、软弱夹层

大坝坝基开挖建基面内无较大断层和裂隙密集带，重力坝段Ⅲ分布有1层层间软弱夹层，厚度0.1～0.7m，平均厚度0.4m，分布在泥质粉砂岩、粉砂质泥岩层中，软弱夹层岩体完整程度较破碎，岩块间有岩屑和少量泥质物充填，倾向岸坡里，经分析研判，对软弱夹层进行刻槽处理，深度和宽度为1.5倍夹层厚度，两侧开挖坡度为1∶0.75，采用C20(W6，F50)混凝土塞回填处理，其上浇筑混凝土。若宽度较大时，刻槽处理后，用C20钢筋混凝土塞回填处理，其上布设钢筋结构。

3.8 大坝建基面施工开挖边坡稳定性

大坝坝基河床分二期导流，需经过二个汛期，坝基开挖分二期进行，一期开挖常年河水位以上两岸坝肩及右岸，二期进行河床以下坝基及左岸开挖。坝肩边坡级别为3级，危害程度为严重，按SL47—2020《水工建筑物岩石地基开挖施工技术规范》[14]，自上而下分层分级开挖，覆盖层边坡开挖采用反铲挖掘机削坡，岩石开挖，自上而下梯段爆破，距建基面1.5m处采用光面爆破。根据坝基岩石饱和抗压强度和岩层产状、顺向坡、逆向坡、斜向坡，裂隙发育程度、风化带特征，光面爆破孔间距0.8m，孔深3.5m，不耦合装药，非电毫秒雷管组成梯段微差起爆网络，不同部位适当调整优化爆破参数，为减少爆破对建基面岩体完整性的扰动破坏和边坡的稳定性，岩石开挖距建基面1.5～0.2m采用液压破碎锤、凿岩机破碎。为防止建基面泥质粉砂岩风化和软岩，预留不小于0.2m厚的保护层，喷护0.1m厚C20素混凝土封闭保护层，裂隙密集带有安全隐患采用随机锚杆挂网喷护，保护层和喷护C20混凝土的清除随大坝混凝土浇筑进度，及时清除至新鲜建基面，避免长时间暴露风化和雨水浸泡，清基完成后及时浇筑混凝土隐蔽。

左坝肩开挖边坡高度78.5m，岩质边坡开挖边坡比1∶0.63～1∶0.7，设7级马道，马道宽度2.5～3.4m，岩质边坡高度8～13.5m，组成岩性为泥质粉砂岩、长石砂岩，顺向坡。右坝肩开挖边坡高度90m，岩质边坡开挖边坡比1∶0.5～1∶0.75，设9级马道，马道宽度2.0～13.5m，岩质边坡高度6.0～12.0m，组成岩性为泥质粉砂岩夹长石砂岩条带，逆向坡。开挖过程严格控制边坡比，密切关注左岸顺向坡开挖边坡比与岩层倾角关系，当开挖边坡比大于岩层倾角时，边坡容易产生切坡脚，可能发生顺层面崩塌、滑坡，尤其泥质粉砂岩与长石砂岩分界面，裂隙面充填泥质物，必须监测与地质预报相结合，预防边坡坍塌。当开挖边坡比小于等于岩层倾角时，边坡基本处于稳定状态，但仍需边坡监测，预防边坡坍塌和变形。右岸边坡为逆向坡，有利于边坡稳定，但也有沿裂隙切割卸荷，危石和松动岩体清除后形成倒坡，发生倒坡坠石、坍塌或超挖，尤其泥质粉砂岩与长石砂岩分界面。预防边坡坍塌，运用极射赤平投影方法，快速分析开挖边坡比与岩层产状、主要裂隙结构面组合关系，快速定性判定边坡稳定性，防控潜在隐患。

变形监测是反映边坡稳定状况的定量手段，大坝开挖过程除每日安全巡视检查外，还布设12个表面变形监测点，边坡开挖后第2d开始监测初始观测值，以后观测与初设值比较，监测水平位移，垂直沉降变形；开挖15d内每天监测边坡监测点的垂直位移、水平位移1次；开挖16～30d，每2天观测1次；开挖31～60d，每1周观测1次；开挖60d至浇筑混凝土前，每15d观测1次，雨季和汛期加密监测频次，自动监测和人工监测相结合，根据监测成果，整理为时间-水平变形位移曲线、时间-垂直变形曲线和数据表，分析预警阈值，当变形量累计超过50mm，变形速度加速有明显拐点，综合分析研判，采取补强措施，增加随机锚杆+挂网喷护，或锚索支护。大坝左、右坝肩设6套8点式多点位移计，自动监测坝肩边坡深部变形。

3.9 消能防冲及泄流雾化

大坝最大泄流量1447m3/s，为防止冲刷导致大坝深层滑动或河床两岸边坡坍塌，危及大坝安全和下游河床两岸岸坡稳定性。溢流坝后接底流消能，经水工模型试验验证，消力池总长82.5m，池深5m，宽40m，现浇C25钢筋混凝土，消力坎后海漫抛填钢筋笼块石，长25m，与河床平顺衔接。消力池边墙采用衡重式C25钢筋混凝土挡墙，墙高20～22m，顶宽1.0m，防止泄流雾化影响岸坡岩体的稳定性。

消力池持力层为长石砂岩、泥质粉砂岩、粉砂质泥岩，为增强防冲刷能力，在建基面垂直向下设Φ25mm锚筋，梅花形布置，孔距和排距2.5m，深入基岩内5.5～3m，深入混凝土2.5～2m。为减少底板扬压力，底板设Φ76mm垂直方向排水孔，间距4m×4m，梅花形布置，通过水平Φ108mm排水管排至下游河床，形成纵横交错排水体系，降低渗透压水和扬压力。消力池底板及侧墙迎水面表层现浇C40钢筋混凝土，厚0.5m，阻止消力池底板冲刷。

4 结语

本文深入研究总结了龙象寺水库大坝施工地质风险管控采用的方法和措施，消除了大坝地质缺陷和地质风险隐患，确保大坝各种地质风险得到严格控制。混凝土重力坝大坝地质风险源和隐患辨别步骤基本相同，针对不同混凝土重力坝施工地质风险源的辨识，采取管控措施可能有所区别，但基本方法和原理相近，随着BIM、数字孪生、智慧水利技术的广泛运用，采用智能数字技术为大坝地质隐患排查、识别，构建更加高效快速安全防御体系，提升大坝安全运行和高质量发展快捷高效精细精准防范风险方法，为工程建设和运行提供安全可靠保障系统。