综合加固处理技术在锦屏高拱坝左岸坝基中的应用

李正兵，张立展

(1.成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，成都 610059;2.中国水利水电第七工程局成都水电建设工程有限公司，成都 611130)

1 研究背景

随着水利水电建设事业的迅速发展，大型水库和水电站枢纽大坝越来越多地采用了混凝土高拱坝坝型［1］，与其它坝型相比，拱坝对地形地质条件提出了更高的要求。据统计，70%的重大拱坝事故与坝基稳定性有关［2］。在影响坝基稳定的诸多因素中，断层软弱破碎带是最为常见的因素之一。

近年来国内外针对大坝基础处理开展了很多研究工作［3］。大坝基础处理技术随着坝体设计技术的不断进步也取得了相应的进展，主要体现在以下几个方面:坝基稳定性评价由定性逐步向定量过渡;灌浆新材料的研发与应用［4－6］，解决了基础加固及防渗等诸多工程难题;断层破碎带的处理技术日趋成熟，广泛应用了新方法与新手段;对处于不同部位、产生不同影响的同一类地质缺陷，开展个性化加固处理。例如，针对某水电站坝址区域性断裂的主体组成部分碎裂岩带，采用了挖槽回填混凝土塞、固结灌浆、帷幕灌浆等措施后，满足了建坝的要求［7］;利用最小势能原理推导得出了传力洞截面尺寸的计算公式，并成功应用到了葫芦口拱坝传力洞的设计当中［8］;白岩河水利工程大坝坝基加固工程中，对不同埋深的破碎带采用了不同的处理措施:如，埋深不大处增大开挖深度至强风化岩体以下，埋深较大处则采用固结灌浆和帷幕灌浆［9］。总体来说，目前对坝体基础的处理措施可以归纳为开挖处理、基础排水、灌浆处理、扩大回填、断层置换、岸坡防护等［10］。

锦屏一级水电站是雅砻江大河湾上锦屏“双子星”电站之一，位于四川省凉山彝族自治州盐源县和木里县境内。大坝高305 m，库容77.6亿m3，装机容量为3 600 MW，是世界上已建成的最高的双曲拱坝。大坝左岸坝基地质条件复杂，尤其以f5断层为代表，不仅规模巨大，而且岩体性状极差，处理技术要求非常高。为了保证大坝能够长期安全地运营，必须对f5断层的处理措施进行科学有效的设计，以解决其对于锦屏高拱坝渗流稳定、抗滑稳定、变形稳定的影响。

2 坝基地质条件

锦屏一级水电站枢纽区所在峡谷呈典型的深切“V”形，最大高差达到了1 700 m［11］。大坝左岸坝基主要分布大理岩中的至层，以及砂板岩中的至层。左岸岩层总体产状N0°～30°E/NW∠25°～45°，岩层走向较稳定，与河流基本平行，倾向山里，在中高高程山里局部倾角达50°～70°，属典型逆向坡。

f5 断层产状为N35°～45°E/SE∠70°～80°。在地表和平洞中，断层面整体上为较平整的板状，局部位置为舒缓的波状，个别地段近乎直立。总体上断层面产状比较稳定，断面形态也比较规整。不同部位和不同岩性中的断层破碎带性状都有所不同:位于上部高程的砂板岩中的破碎带一般宽4～8 m，主要组成物质为散体结构的岩屑、泥质物质和角砾;位于中低高程的大理岩中的破碎带则普遍宽1～3 m，主要组成物质为断层角砾岩和碎裂岩，胶结较为紧密，沿断面在局部区段可见2～3 cm的断层泥［12］。分布在1 680～1 800 m高程之间的断层破碎带，均处于大理岩中，一般宽3～5 m，局部可达10～15 m，主要由角砾岩、碎裂岩组成，含少量片状岩、糜棱岩以及不连续断层泥，局部位置有5～10 cm的张开距离，几乎没有充填，岩体分级为Ⅴ级。f5断层的地质纵剖面如图1所示。由上述可见，f5断层及其影响带宽度大，物理力学参数低，并在建基面上出露，直接对拱坝的变形、稳定和渗透条件产生不利影响。

图1 f 5断层地质剖面示意图Fig.1 Geological profile of fault f 5

3 断层及影响带处理关键技术

3.1 置换处理

(1)混凝土大垫座置换:f5断层在拱端1 800～1 730 m高程间及附近出露，该段大理岩受断层及其影响带影响，岩体裂隙大多较为松弛，完整性也较差，岩级大部分为Ⅲ2和Ⅳ2。为消除该软弱岩体区对大坝造成的不利影响，采取明挖回填混凝土，与上部高程的混凝土垫座相结合进行处理。该高程段内垫座具体尺寸见表1。

表1 各高程垫座尺寸Table 1 Sizes of cushion blocks at different elevations m

(2)平洞及斜井置换:在断层及其影响带内，布置2条置换平洞和4条置换(防渗)斜井，平洞一般为9 m×10 m(宽×高);斜井按15 m×B(长×宽)布置，其中2条井B≥7 m，另外2条井B≥8 m。因置换平洞部位大部分为Ⅴ类围岩，稳定性极差，每排炮爆后均要及时喷混凝土对岩面进行封闭。

(3)高压水对穿冲洗置换:采用岩土锚固钻机顺断层从1 730 m钻至1 670 m高程，在1 730 m高程开展对穿孔高压冲洗，打通串通通道，在高压风和水的联合切割、扰动、破坏下，使得细小颗粒和液化后的泥浆顺着通道进入1 670 m置换洞内，不仅加强了置换效果，而且增大了回填空腔尺寸。最后，从下而上回填自密实混凝土。对穿冲洗孔位剖面示意图如图2所示。

图2 对穿冲洗孔位剖面(以桩号K 0+54至K 0+59段为例)Fig.2 Profile of two-ended washing holes(K0+54 to K0+59)

3.2 高压灌浆

(1)高压水泥固结与帷幕防渗灌浆:采用孔口封闭自上而下分段灌浆法灌浆，浆液采用2∶1普通硅酸盐水泥浆，也可采用湿磨细水泥或稳定浆液。灌浆压力段及段长划分见表2。在最大灌浆压力下，注入率＜1 L/min，继续灌注60 min即可结束灌浆。全孔高压冲洗灌浆完成后，采用全孔灌浆封孔法进行封孔，用0.5∶1浓浆进行纯压式灌浆，封孔灌浆压力采用最大灌浆压力，封孔持续时间＞1 h。

表2 固结与帷幕灌浆压力及段长控制Table 2 Pressure in each segment of consolidation and curtain grouting

(2)水泥－化学复合灌浆:水泥灌浆完成后，在3排水泥灌浆孔中间布置2排水泥－化学复合灌浆补强孔，间距1.0 m，孔向与该部位水泥灌浆孔孔向一致。孔深以穿过f5断层进入相对较好的岩体内2 m为原则。f5断层水泥－化学复合灌浆布置见图3。

图3 f 5断层水泥－化学复合灌浆布置示意图Fig.3 Layout of cement-chemical grouting for fault f5

3.3 预应力锚固体系

锚索采用压力分散型全防腐预应力锚索结构。预应力筋采用低松弛且高强度的无粘结钢绞线，直径为15.24 mm，强度为1 860 MPa。在施工之前，对其材质以及力学性能进行了检测试验，钢绞线破断力可达271.8 kN。锚索具体布置如下:使用2 000 kN的预应力锚索矩形长短交错布置，锚索深60～80 m，间排距为4.0 m ×4.0 m。

4 处理后监测成果分析

4.1 变形及位移监测

在左岸高程1 730 m基础处理平洞的置换洞煌斑岩脉和f5断层附近布置了2个监测断面。第4阶段蓄水前后洞室各监测断面位移计孔口位移值分布见图4。由图中可以看出，第4阶段蓄水前后，围岩位移变化量在－0.04～0.07 mm之间，位移变化量很小。在左岸高程1 730 m f5断层置换洞布置了五向应变计，第4阶段蓄水前后应变值变化量在－16.75～4.70με 之间，应变变化较小，目前测值基本平稳。

图4 孔口位移分布柱状图Fig.4 Histogram of displacement distribution of the orifice

4.2 渗压监测

坝基帷幕后渗压计折减系数为α1=0.00～0.37，排水孔后 α2=0.01～ 0.09，符合坝基扬压力分布的一般规律，且全部小于设计折减系数控制值，即帷幕后 α1≤0.40，排水孔后 α2≤0.20。在第4 阶段蓄水中，帷幕后的折减系数总体变化不大，且大多数小于设计控制值，帷幕整体效果较好。典型渗压计PDZ—2的渗透水压力蓄水过程曲线如图5所示。

图5 渗透水压力－时间关系曲线Fig.5 Curves of hydraulic seepage pressure vs.time

4.3 渗流量监测

坝基渗流量监测主要包括排水孔排水(含坝基测压管排水)监测、两岸坝肩灌浆洞和排水洞汇水监测等。目前渗流量采用量水堰监测各层廊道内渗流量，蓄水至1 880 m后，f5断层及其影响带部位渗流监测如表3所示。从表中可以看出，相应部位的渗流量均较小，满足设计要求，说明渗控工程施工工艺得当，质量可靠。

表3 左岸f 5部位量水堰监测成果统计Table 3 Monitored results of measuring weir around fault f5

5 结论

(1)经过4个阶段的蓄水运行检验，大坝左岸坝基及抗力体岩体变形及渗控等各项指标正常，说明针对锦屏高拱坝左岸坝基f5断层及影响带，采用混凝土垫座、平洞及斜井置换、抗力体高压固结与防渗灌浆、水泥－化学复合灌浆及高压水对穿冲洗回填混凝土和预应力锚固等多种综合加固处理措施得当，施工工艺和方法科学可行，检查指标满足了拱坝设计和规范的要求。

(2)锦屏高拱坝左岸坝基f5断层的加固工程实践证明，综合加固处理技术能够缩短工期、降低工程量，进而节约成本。且与单一的加固措施相比，能够最大限度地同时满足拱坝对渗流稳定、抗滑稳定和变形稳定的要求，值得在类似的工程中推广应用。

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