黄河龙口水利枢纽基础处理设计

2011-04-14田玉梅聂学军胡彬彬

水利水电工程设计 2011年2期

田玉梅聂学军胡彬彬

1 坝址工程地质条件及大坝基础处理设计综述

坝址地层主要由奥陶系中统马家沟组厚层、中厚层灰岩和豹皮灰岩构成,地层分布稳定,岩体致密坚硬,强度、完整性较好,地层产状平缓、构造简单。两岸与河床均未发现大范围的不利于边坡稳定的结构面组合,天然边坡陡立而稳定。亦没有较大断层和新构造断裂。坝基内发育有多条泥化夹层及钙质充填与泥质混合类状夹层,坝基岩体强度、变形性能和稳定性、岩体的地下水渗透等均明显受泥化夹层软弱结构面控制,因此,对软弱结构面采取专门的处理和保护成为基础处理的关键,同时尚应做好坝基固结、防渗等常规基础处理设计。

2 坝基开挖和保护

河床基岩较平坦,属宽U形河谷。坝址地层基本呈单斜构造。岩体弱风化与卸荷深度相近,两岸陡壁中下部弱风化及卸荷带最大深度为9.4m,平均深度左岸4.6m,右岸5.4m,局部存在强风化带。河床部位弱风化及卸荷带深度为1.75～7.4m,平均深度为3.5m。基坑及边坡应将强风化带、弱风化带及卸荷带挖除,坝基挖除O2m2-22 层岩体,将坝基坐落在弱风化带下部新鲜岩体上,主要以AⅢ类岩体为坝基持力层。

结合坝体结构布置,右侧河床(表孔、底孔)坝段开挖深度为9m,建基面高程为851m。为加强坝基的抗滑稳定性,坝踵处设置齿槽切断泥化夹层NJ304,开挖深度为15～18m,底宽12m,齿槽建基面高程为844m。电站坝段坝踵处开挖深度为11m,建基面高程为849m。在电站机组中心线处设齿槽切断泥化夹层NJ303,开挖深度29m,底宽16.6m,建基面高程为831m。根据构造要求,上游进水口开挖深度11.0m,建基面高程为849.0m,下游尾水出口开挖深度25.0m,建基面高程为835.0m。

岸坡水平向开挖深度考虑挖除卸荷带及弱风化岩体,使基础坐落在弱风化带下部新鲜岩体上。根据坝基及坝肩岩层产状平缓、岩石完整、天然边坡陡立、稳定性好的特点,坝基范围内的开挖边坡定为 1∶0.15,1∶0.2,1∶0.25,1∶0.3, 破碎带为 1∶0.55,坝顶以上永久开挖边坡为1∶0.2。左岸水平开挖深度3.5～8m,右岸为8.5～16m。两岸开挖边坡逐级上升,并设置宽2m的开挖平台,其高程左岸为856m和875m;右岸为859和873 m。

本工程坝址区内地层含有多条泥化夹层,对坝基抗滑稳定明显不利。为确保坝体稳定,对浅表层的泥化夹层宜尽量挖除。河床坝基开挖应预留一定厚度的保护层,并尽快覆盖混凝土,以避免岩体卸荷反弹,并恶化软弱夹层性状。开挖出露的泥化软弱夹层、破碎带等缺陷部位应采用水泥砂浆及时封闭,防止该部位岩体进一步恶化。

3 坝基防渗帷幕设计

3.1 坝基及两岸渗透特性

由于坝址两岸地下水位低于库水位,坝址区岩体渗透性的不均一性。水库蓄水后将存在绕坝和坝基渗漏问题。坝址无大断层和较大溶洞存在,产生集中渗漏的可能性不大,坝址渗漏形式是散流型、岩溶裂隙式。坝基大部分岩体渗透性较弱,右坝肩岩体渗透性较强。左坝肩和河床部位无压漏水岩体段占3.5%,中等透水岩体段(q=10～100 Lu)占13.9%,弱透水岩体段(q=1～10 Lu)占65.2%,微透水岩体段(q＜1 Lu)占17.4%,多属弱透水岩体右坝肩无压漏水岩体段占11.8%,中等透水岩体段(q=10～100 Lu)占78.4%,弱透水岩体段(q=1～10 Lu)占9.8%,大部分属中等透水岩体;因此,右岸较强透水区的渗漏是坝基防渗设计的重点。坝基岩体渗透性随深度的增加有逐渐减小的趋势。

3.2 坝基及两岸防渗帷幕设计

根据坝址区地下水的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。其主要目的是控制承压水的影响,降低坝基扬压力,控制并减少绕坝和坝基渗漏量,防止泥化夹层部位发生渗透破坏。

坝基防渗设上游帷幕、下游帷幕及两岸岸坡坝段横向连接帷幕以形成封闭系统,其深度按满足透水率小于3 Lu设计。依据坝基连通试验成果,O2m岩层顺层面方向具有微—中等透水性,故岩层透水率主要反映了水平渗透特性,而垂直层面方向总体上相对隔水,可视为相对隔水层。且两层承压水O2m、O2m之间基本不连通,因此确定:上游帷幕设2排,前排向上游倾斜5°,深入泥化夹层NJ301下1m;后排帷幕孔垂直,深入O2m岩层下3 m;前后排帷幕孔距均为2.5m。下游帷幕为单排,向下游倾斜10°,深入O2m岩层下1m,孔距2.5m。上游帷幕向左岸延伸57m,向右岸延伸58m。

施工中根据右岸一、二级消力池的基础面和坝踵齿槽部位,对基坑内的涌水量进行了观测。其中坝踵齿槽涌水量约为110m3/h,二级消力池齿槽的涌水量约30m3/h,合计在140m3/h。随着坝踵齿槽的进一步开挖,基坑涌水量逐渐增加,接近建基面高程后基坑总涌水量约200m3/h。在左岸849.0m基坑观察到,上游岩壁渗水多沿着NJ305顶面渗出,渗水多呈滴水或线流状,局部见股状渗流。岩体渗透性应属弱—中等透水性。实际观测结果坝下游侧的渗漏量小于前期勘察的结果。

现场开挖完成后,在30多m的水头条件下,基坑渗水有限。在坝体稳定复核时,未考虑下游帷幕作用,也能满足规范要求,原设计考虑围封措施,仅作为一种安全储备。通过分析论证,暂缓下游帷幕及上下游连接帷幕的施工,待水库蓄水后根据观测情况确定是否取消下游防渗帷幕。

4 坝基排水设计

4.1 坝基承压水特性

O2m岩层具有弱—中等透水性,含水层以溶隙、裂隙含水为主。与黄河水位之间存在密切联系,其承压水头接近河水位。含水层上部的相对隔水顶板(O2m层)分布受产状控制,向下游倾斜,在六Ⅱ坝线以上缺失。大坝建基面坐落于O2m岩层上,顶部O2m岩层挖除,该层承压水作用在坝基上,需释放该层承压水以减小坝基扬压力,排水孔需深入至O2m岩层中下部。除做好坝基防渗排水外,还应加强电站尾水渠、侧墙的排水。

4.2 坝基排水系统的布置及设计

坝基排水的目的是排除透过帷幕的渗水及基岩裂隙中的潜水,在坝基各排水廊道内设置排水孔幕,与灌浆帷幕构成一个完整的坝基防渗排水系统,以降低扬压力,保证坝体的稳定。坝基下共设3道排水幕。

依据坝址区位于区域地下水榆树湾排泄区,基岩裂隙中的潜水较为丰富的特点。而坝址下又存在多条泥化夹层,排水孔穿过的泥化夹层需要保护。故排水孔不宜过深,否则会释放过多的地下水,增加集水井容积和抽排水的压力,增加泥化夹层保护的投资。故第1、第3道排水幕均深入O2m岩层中泥化夹层NJ302下,比主帷幕浅1/4左右。第2道排水幕的作用是排坝基下裂隙中的潜水,深入固结灌浆下2m。

底、表孔一级消力池在底板分缝处的半圆管内设排水孔,排水孔深6m,间距5m。形成纵横排水网络。排水孔内的渗水,通过一级消力坎内的廊道汇流到表孔下游的集水井内。

坝基排水孔均穿过泥化夹层,左坝肩下部多达10层,坝基一般2～5层。泥化夹层间距17 m不等。为防止泥化夹层产生渗透管涌破坏,在排水孔穿过泥化夹层部位采用组装式反滤体,对排水孔进行保护。各泥化夹层部位将视其层间距离及含泥情况确定反滤体长度。

鉴于前述下游帷幕及上下游连接帷幕暂缓施工,考虑到后期若进行帷幕施工将会对附近的排水孔造成淤堵,从而增加费用,故暂缓1#～11#坝段下游灌浆排水廊道排水孔及左、右岸上下游连接廊道(3#、4#坝段横向灌浆排水廊道和1#坝段交通廊道及19#坝段横向灌浆排水廊道)内排水孔的施工,待水库蓄水后根据现场坝基渗流量、扬压力等观测数据,再一并考虑是否实施1#～11#坝段下游灌浆排水廊道及左、右岸上下游连接廊道内排水孔的施工。

5 坝基固结灌浆设计

为加强岩体的整体性和各向均一性,本工程对大坝基础及一级消力池基础进行全面的固结灌浆处理。固结灌浆布孔与孔深结合建筑物基础荷载、基础岩体条件、地基软弱结构面性能及埋深等综合指标考虑。对基础岩体软弱或基础荷载较大的部位采取局部加密孔距,加大孔深进行处理。

原设计对坝基全面固结灌浆,孔深5～7 m,孔、排距均为3 m。

根据左岸坝基开挖情况和地质波速等测试成果表明:在探测深度(小于1.5m)范围内地震纵波速度为1710～5400m/s,平均波速3230m/s,岩体的泊松比均值为0.33,岩体的完整系数均值为0.31。根据以上监测结果对1#～10#坝段和发电厂房基础固结灌浆进行分区分类处理,现分述如下。

(1)A块固结灌浆:在上游齿槽斜坡中部布置一排孔,1#、2#坝段孔深12.0m,3#～10#坝段孔深10m,基础底面孔深均为5.0m。孔、排距为3m。

(2)B块固结灌浆:中间部位,孔深为3.0m,1#、2#坝段孔、排距为3.0m,3#～10#坝段孔、排距为4.0m。3#坝段的下游侧为高开挖边坡,尾部岩石较破碎,3#坝段桩号下0+047.40—下0+061.80范围内的孔入岩深度为9.0m。4#坝段桩号下0+058.80孔的入岩深度为12m。

(3)C块固结灌浆:该部位岩石表面完整性好,抗压强度较高,5#～8#坝段只在岩石比较破碎的部位设置固结灌浆孔,孔深5.0m,4#坝段孔深为3.0m,斜坡部位由垂直岩面改为竖直向下钻孔,入岩深为12.0m。9#、10#坝段入岩深5.0m。

(4)电站尾水渠固结灌浆孔入岩深度5.0m,孔、排距3.0m。

厂房尾水渠基础固结灌浆前岩体声波速度平均值5690m/s,灌浆后岩体声波速度平均值6070m/s,提高率平均值为10.5%。达到了补强的目的。

厂房尾水渠基础固结灌浆前岩体平均透水率为158.17 Lu,灌浆后岩体平均透水率为0.70 Lu,固结灌浆对提高岩体完整性效果显著。

6 尾岩加固设计

坝基存在 NJ303、NJ304、NJ304-1、NJ304-2等多条泥化夹层,因其物理力学指标较低,坝后尾岩(抗力体)对坝体深层抗滑稳定起较大作用。平面非线性有限元计算结果表明,坝后尾岩表面有隆起现象,局部有拉应力区,滑裂通道上有拉裂破坏单元。计算建议底孔坝段一个坝段坝体下游尾岩20m范围之内,施加20000kN的垂直压力。结合枢纽布置和目前先进施工技术,尾岩加固采用预应力锚索。预应力锚索设计采用每根2000kN级,为无粘结锚索:锚索采用有专门防腐层的无粘结预应力钢绞线。锚固段全长范围内钢铰线防腐层全部去除,锚固段钢绞线通过浆体与孔壁结合成整体,而张拉段钢绞线与浆体可以产生滑动。

预应力锚索钻孔直径150mm,布置在表孔和底孔的一级消力池内,预应力锚索底部锚固段长7 m,中间张拉段长18m,,基岩面以上即锚索顶部为锚头,锚头(锚墩)深入消力池底板内1m。锚墩的上、下层钢筋网伸入消力池底板内,与消力池底板连接为整体。表孔坝段设4排锚索,排距6.5m,为避开消力池底板的伸缩缝,锚索为梅花形布置,共布置22根,锚索深入NJ303下10m,单根锚索长26m。底孔坝段设4排锚索,锚索排距6.5m,梅花形布置,共布置67根,锚索深入NJ303下10m,单根锚索长26m。