软基岩层上的混凝土重力坝设计及基础处理
2015-12-21薛晓鹏王维维郑柯君
薛晓鹏,王维维,郑柯君
(咸阳市水利水电规划勘测设计研究院,陕西 咸阳712000)
水利枢纽工程中,混凝土重力坝作为一个悬臂结构承受水的巨大推力,靠各截面的抗剪强度维持稳定。坝基一般选在岩体岩性均一、岩质坚硬的弱风化岩上,用现代理论设计和施工工艺浇筑的混凝土重力坝,只要坝基岩体比较完整,没有明显缺陷,发生整体失稳的可能性是非常小的[1]。然而随着经济发展的需要,坝址的选择不仅仅局限在基岩条件好的地址上,基岩条件复杂、具有软弱夹层的筑坝项目逐渐增多[2]。过去,对坝基重要性问题认识不足,因而对地质勘测和工程处理方面工作做得不够,造成重大损失,美国圣弗兰西斯坝和法国布泽坝的失事均是由软弱坝基引起的[1]。坝基防渗工程同等重要,其成败决定着工程是否能发挥预期效益[3]。一方面取决于防渗工程设计是否合理,另一方面取决于施工质量[4-6]。按照设计规范规定[7],防渗工程的设计应该满足下面相关要求:控制坝基面渗透压力和渗流量;控制坝基软弱夹层、断裂破碎带、岩体裂隙充填物以及抗水能力差的岩层不出现管涌;控制渗漏对两岸边坡稳定以及坝基的不利影响;保证足够的耐久性和可靠的连续性。
本文以柏岭寺水库工程为例,介绍了通过采用调整坝体边坡、改变局部尺寸以及坝基灌浆处理的方式使软弱地基筑坝工程满足安全需要。以期为类似工程设计方案的选定提供参考价值。
1 工程概况
柏岭寺水库工程位于咸阳市旬邑县境内泾河一级支流三水河中游,主要任务是城乡生活和工业供水。水库正常蓄水位1 066.3m,死水位1 057.0 m,设计洪水位1 066.3m,校核洪水位1 066.4m;水库总库容990万m3,其中兴利调节库容600万m3。多年平均供水量1 465万m3,供水保证率达到97.9%(按月计算)。水库枢纽主要由大坝及泄洪排沙设施和放水建筑物组成,采用在左岸河床段设主坝、右岸一级阶地设副坝以及主坝段坝身设表孔、底孔泄洪和管道放水的总体布置方案。主坝为碾压混凝土重力坝,坝顶全长152m,其中中部溢流坝段长77m,左、右两端非溢流坝段分别长50m和25m,坝顶宽6m,最大坝高38.5m,坝顶高程1 068m。溢流坝段堰顶高程1 059m。副坝为土坝,坝顶长108m,坝顶宽6m,坝顶高程1 068m,下游坡比1∶2,上游为阶地回填整理形成平台,水库正常蓄水位以上坡比1∶2,以下坡比1∶3.5,沿坝轴线设混凝土防渗墙。
2 工程地质条件
柏岭寺水库主体工程开工建设中,大坝基坑采用爆破施工,揭露大坝坝基地层为砾岩(K12)(硬岩),基坑持力层岩性为基本水平稍向西(右岸)倾斜的砾岩夹砂砾岩,同时根据现场风钻孔确定该层厚度从1.8m到0.6m不等,其下卧层为深厚砂岩(K12)(软岩),现场情况与原初步设计地质资料提供的坝基持力层为8m厚水平砾岩(硬岩)相比在出露高程与厚度方面均发生变化。根据地质补充勘察,坝基红砂岩透水率等物理力学指标与初步设计阶段变化较大。其砾岩物理力学指标:f′=0.8,c′=0.7,变形模量Eδ0=6.0GPa;砂岩物理力学指标:f′=0.5,c′=0.3,变形模量Eδ0=1.0GPa。
由于大坝持力层变为第④层红砂岩,砂岩岩体承载力较砾岩有所降低,且由于施工开挖后岩体卸荷作用下对坝基岩体向上抬动,岩体中存在透水夹层,根据施工地质补勘压水试验[8]成果,在勘探深度内,岩体透水率4.7Lu~91.57Lu,平均为22.72 Lu,属中等透水性。
3 挡水建筑物设计
初步设计与变更设计坝型均为碾压混凝土重力坝为主坝,土坝为副坝。水库规模没有发生变化,故水库调节分析计算和调洪演算所确定的水库正常蓄水位为1 066.3m,设计洪水位为1 066.3m,校核洪水位为1 066.4m不变,坝顶高程亦为1 068.0 m。挡水大坝主坝为混凝土重力坝,副坝为土坝体,坝顶总长260m,其中溢流坝段高28.5m,长77m,非溢流段最大坝高38.5m,坝顶长度183m。
3.1 初步设计
原混凝土挡水坝体设计,坝顶宽6m,大坝非溢流面上游1 045m高程以上坡铅直,1 045m高程以下坡比1∶0.1,下游坡比为1∶0.75。溢流面采用WES实用堰型,堰上游面在高程1 045m以上铅直,1 045m以下坡比为1∶0.1,堰顶上游面堰头为三圆弧曲线,下游为幂曲线,幂曲线与下游反弧段采用1∶0.75的坡相连,反弧半径12m,挑射角28°,反弧底高程1 045.6m,末端鼻坎高程1 047.0m,设计图如图1所示。
大坝基坑开挖过程中,对揭露出的大坝坝基重新进行补勘,坝基岩层物理力学参数见表1。
根据新的坝基岩体力学参数复核原初设混凝土非溢流坝段、底孔混凝土坝段坝体及溢流坝段坝体稳定及坝基应力。根据《混凝土重力坝设计规范》[9](SL319-2005),重力坝坝基面坝踵、坝趾的垂直应力应符合下列要求:在各种荷载组合下(地震荷载除外),坝踵垂直应力不应出现拉应力,坝趾垂直应力应小于坝基容许压应力。经复核,挡水坝体抗滑稳定及坝基应力计算结果分别见表2、表3。
由表2和表3可知,各种计算工况下,各种坝段坝体均不满足抗滑稳定要求,需重新进行坝体体型设计。
3.2 变更设计
坝基持力层第④层红砂岩,遇水易软化,物理力学指标会大幅减少。根据上述岩石力学参数复核,大坝在保证原体型尺寸不变情况下,坝体结构不稳定。为保证坝体稳定,大坝体型进行必要的变更。
变更后混凝土挡水坝坝体设计,坝顶宽9m,坝底最大宽度36m。大坝非溢流面上游1 045m高程以上坡铅直,1 045m高程以下坡比1∶0.3,下游坡坡比为1∶0.95。溢流面采用WES实用堰型,堰上游面在高程1 045m以上铅直,1 045m以下坡比为1∶0.3,堰顶上游面堰头为三圆弧曲线,下游为幂曲线,幂曲线与下游反弧段采用1∶0.75的坡相连,反弧半径12m,挑射角28°,反弧底高程1 045.6m,末端鼻坎高程1 047.0m。本次设计坝基与岩基接触面倾向上游5°,以增加坝体抗滑稳定,如图2所示。
图1 原挡水坝坝体设计图(高程单位:m)
表1 坝址区岩体物理力学参数表
表2 混凝土非溢流坝段坝体稳定、坝基应力计算表
表3 溢流坝段坝体稳定、坝基应力计算表
变更后复核混凝土挡水坝体抗滑稳定及坝基应力计算结果如表4和表5所示。
从表4和表5中可得:在基本组合情况下,即正常蓄水位及设计洪水位这两种工况下,无论是混凝土非溢流坝段坝体、还是底孔混凝土坝段或者溢流坝段坝体抗滑稳定安全系数均大于3,满足规范要求;在特殊组合情况下,即完建未挡水及校核洪水位这两种工况下,抗滑稳定安全系数均大于2.5,亦满足规范要求[10];在以上各种计算工况下,坝基应力均小于砂岩允许的应力。
根据以上分析可知,变更设计的坝体断面满足抗滑稳定要求,坝踵没有出现拉应力,且坝趾垂直应力应小于坝基容许压应力。
4 坝基处理方案
4.1 原坝基处理方案
原初步设计混凝土坝溢流段和左岸非溢流段的坝基处理,先挖除上部0~6.4m的淤积壤土及第四系壤土夹卵石层,高程1 029.5m~1 031.5m,坝基坐落于砾岩层,水平分布为硬岩完整性好,不需要特殊处理,仅在坝踵处设有两排固结灌浆孔,深入基岩8.0m、排距3.0m,梅花型布置,起到加固应力集中区及帷幕作用,灌浆压力应通过现场试验确定,灌浆后的岩体透水性不大于5Lu。
图2 变更后挡水坝体设计图(高程单位:m)
表4 非溢流坝段坝体稳定、坝基应力计算表
表5 溢流坝段坝体稳定、坝基应力计算表
根据地质补充勘测报告,坝基钻孔压水实验,虽没有发现大的断裂,强透水带,但坝基岩体透水性为中等透水性,坝基底高程平均为1 030.0m,根据补充勘测报告,结合钻孔柱状图,计算坝基渗漏量。通过计算,坝基日渗漏总量分别为53 378.50m3,年总渗漏量为1 948.32万m3,根据原初步设计可知,年允许渗漏量为48万m3~78万m3,其中高程至1 006.64m时,年渗漏量占总渗漏量99.9%,故坝基主要解决该层以上渗漏问题,坝基渗漏问题即可解决,本次变更采取帷幕灌浆处理,处理深度约24.06m。结合地质补勘报告,河床坝段建议帷幕灌浆深度25m~30m。
右岸一级阶地初步设计对强透水层采取截渗墙处,本次维持不变,但截渗墙底高程为1 047.40m~1 046.40m,参照地质补勘测报告,截渗墙底岩石透水性较大,结合钻孔柱状图,计算一级阶地渗漏量。通过计算,坝基日渗漏总量分别为22 396.41 m3,年总渗漏量为817.47万m3,根据原初步设计可知,年允许渗漏量为48万m3~78万m3,其中高程至1 021.64m时,年渗漏量占总渗漏量95.6%,故右岸一级阶地主要解决该高程以上渗漏问题,渗漏问题即可解决,变更采取帷幕灌浆处理,处理深度约24.75m。结合地质补勘报告,右岸一级阶地坝段建议帷幕灌浆深度25m~30m。
左岸坝肩根据地质补勘测报告,结合钻孔柱状图,计算左坝肩渗漏量。通过计算,左坝肩也需进行防渗处理,具体结合地质补勘报告,处理深度约20 m。
总之,通过以上分析,根据地质补勘报告,结合渗漏量计算,无论是坝基还是坝肩(包括右岸土坝段)均需做防渗处理,设计采取防渗帷幕解决渗漏问题。
4.2 变更后坝基处理方案
根据地质补勘报告,坝基岩体以弱风化砂岩为主,极软岩,岩体承载力不高,软弱岩带模量低,且砂岩遇水后软化特征明显,存在变形问题,为增强坝基岩体的完整性和稳定性,需进行处理;对于左坝肩,基础虽以砂岩为主,但坝体断面变化很快,坝体断面小,坝体基础岩体承载力等满足要求,故可不进行处理;对于右坝肩,基础以砾岩为主,各种力学性能等均能满足要求,亦可不进行处理。综上所述,对坝基岩体全部进行固结灌浆,固结灌浆深度10m~12 m,本次变更设计固结灌浆深度为8m,范围为整个坝基。
根据以上坝基存在的问题,对坝基及坝肩(包括土坝段)防渗处理方案为:坝基、坝肩岩体(包括土坝段)进行帷幕灌浆。坝基具体为:先挖除上部0~6.4m的淤积壤土及第四系壤土夹卵石层,高程1 029.58m~1 031.58m,然后在坝踵处浇筑3.0 m厚C15混凝土、坝趾处浇筑2.0m厚C15混凝土、其余厚1.0m;在灌浆廊道内对下部砂岩进行灌浆处理,孔距2.0m,单排布置,灌浆深度根据渗漏量计算分析及地质补勘建议,深度为25m~27m,灌浆压力应通过现场试验确定,灌浆后的岩体透水性应不大于5.0Lu。两坝肩岩体(包括土坝段)待大坝浇筑好,蓄水之前进行灌浆即可,孔距2.0m,灌浆深度根据渗漏量计算分析及地质补勘建议,深度为25m~27m,两坝肩设计有灌浆平洞。同时在帷幕后设1道排水幕,平均孔深16.0m,孔距2.0 m,倾向下游,顶角10°;坝体断面较大,为降低坝体基础面浮托力,在下游排水廊道内布置有1排排水幕,平均孔深10.0m,孔距4.0m,倾向上游,顶角10°。
根据坝基岩石特点,为增强坝基岩体的完整性和稳定性,对坝基河床段岩体全部进行固结灌浆(在有盖重情况下进行),范围为坝纵0+036.19~0+132.99段,固结灌浆孔间、排距3.0m,梅花形布置,共9排,灌浆孔深入基岩8m;对两坝肩,考虑到两岸边坡坡度偏陡(其中右岸1∶0.3,左岸1∶0.7及1∶0.9),且坡面高差较大,为了填充混凝土坝及岸坡之间缝隙,增加锚着力和加强接触面间的密实性,对两岸坡进行接触灌浆,范围为坝纵:0+000~0+036.19及0+132.99~0+142.84段,接触灌浆孔间、排距3.0m,梅花形布置,每孔灌浆控制面积约6m2。
5 结 语
本文针对柏岭寺水库工程混凝土重力坝软弱基岩问题,在坝体边坡,局部尺寸以及坝基等方面做出相应的变更,解决了工程基础存在的问题,并得出以下结论,以期为类似水利工程设计提供参考。
(1)水利工程地质情况的复杂性和重要性,设计时应充分考虑。
(2)通过大坝设计尺寸的调整,增加了坝体体积与建基面,满足了各种工况下坝基应力均小于砂岩允许应力的要求。
(3)基础防渗处理应充分考虑基岩在卸载后的回弹及两岸对其的顶冲作用。采用坝基、坝肩全部帷幕灌浆的方法可以解决渗漏问题,采用坝基、坝肩全部进行固结灌浆也可以增强坝基、坝肩岩体的完整性和稳定性。
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