大兴水利枢纽工程重力坝基础处理设计

袁素梅　李浩瑾　吕彦东

(1.中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津　300222；2.天津市武清区水务局，天津　301700)



大兴水利枢纽工程重力坝基础处理设计

袁素梅1李浩瑾1吕彦东2

(1.中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津300222；2.天津市武清区水务局，天津301700)

【摘要】大兴水利枢纽工程采用常态混凝土重力坝。坝址区工程地质条件较为复杂，两岸岩溶发育、河床部位泥质夹层等地质问题将对坝基稳定产生影响。结合大坝的体形设计，本文对坝基处理的设计原则、处理措施以及坝基处理后所达到的要求和效果，进行了系统的阐述。

【关键词】大兴水利枢纽；混凝土重力坝；基础处理；设计

大兴水库位于贵州省铜仁市松桃苗族自治县大兴镇内的长江流域沅水系锦江河左岸二级支流大梁河中游，坝址距松桃县城72km。主要工程任务为城乡生活用水、工业和灌溉供水及发电。水库总库容4672万m3，电站装机容量0.5万kW。

工程采用混凝土重力坝、岸边式厂房布置方案。大坝为3级建筑物，设计最大坝高52m，坝顶长98m，其中溢流坝段长40m。由于大坝采用全断面混凝土筑坝，因此要求坝基岩体具有足够的强度、抗渗性和耐久性，使基岩在承受坝体传来的作用力和其他荷载时，能够保证坝基有足够的稳定性，对大坝基础处理设计也有相应的要求。

1坝址地形、地质条件

1.1基本情况

坝址区位于已废弃的河界营水电站库区峡谷内，推荐方案为混凝土重力坝位于原河界营电站拦河坝上游约230m。河流总体流向为SE118°，河谷为U形，河床宽50～60m，两岸坡度一般大于60°，多形成陡壁，岸坡高50～60m。河床覆盖有淤泥及砂砾石，厚度一般4～6m。

坝基地层为清虚洞组下段(—C1q1-1)：薄—中厚层状灰岩，弱风化状，灰色，裂隙不发育，微透水性，岩溶不发育，其中高程458.46～459.76m夹薄层状灰黄色泥质条带状灰岩(呈透镜体不连续分布)，属较坚硬岩。两坝肩地层为清虚洞组下段薄—中厚层状(泥质)条带灰岩、条带(豹皮)灰岩及薄层灰岩或泥灰岩，属较坚硬—坚硬岩。

坝址区属单斜构造，岩层产状为NE20°～40°/SE∠5°～20°，岩层倾向下游。河谷两岸边坡溶蚀裂隙发育。两岸岩体强风化带下限垂直深度0～21.8m，厚度1.1～2.5m，岩体弱风化带下限垂直深度4.7～25.7m，厚度4.1～15.6m，河床表部为弱风化岩体，下限垂直深度6.0～8.3m，厚度2.0～2.3m。

1.2主要工程地质问题

1.2.1坝基及绕坝渗漏

河床钻孔未揭露溶洞，沿河床不存在岩溶管道，坝基部位不存在集中渗漏，河床部位岩体透水率均小于5Lu。

坝址左、右岸上游依次发育有多个低于水库正常蓄水位的溶洞，左岸外侧洼地发育有多处漏斗及落水洞，右岸地表发育有通过坝线延长线的溶蚀洼地，洼地中发育有漏斗，沿洼地发育有岩溶管道，其高程低于水库正常蓄水位。地下水位低缓，水力坡降0.08%～27.5%。坝址左、右岸存在较复杂的岩溶管道，存在集中渗漏问题。

由于坝址两岸地下水位低于库水位，以及坝址区岩体渗透性的不均一性，蓄水后可能存在绕坝和坝基渗漏问题。因此，坝基需采取处理措施，以降低基底扬压力和减少坝基渗漏。

1.2.2泥质夹层

根据地质勘查，坝基未发现连通性好、影响深层抗滑稳定的破裂结构面，坝基产生深层滑动的可能性不大。但是，坝基持力层—C1q1-1至河床面存在一层较薄(1～1.5m)泥质条带状灰岩夹层—C1q1-2，此夹层层面倾向下游且倾角较缓，与持力层之间层面无充填，层面抗剪强度较低(f′=0.5，c′=100kPa)，对坝基的深层抗滑稳定存在一定影响，须采取工程措施对泥质条带状夹层进行处理，使坝基的深层抗滑稳定满足要求。

2坝基处理

大坝基础处理设计可分为四个部分：坝基开挖、坝基防渗、坝基排水和软弱夹层处理。

2.1坝基开挖

对于中高坝，要求基础开挖至弱风化上限，以保证坝基岩体有足够的承压强度和刚度。坝基风化带岩体力学强度较低，裂隙张开并有泥质充填。坝址河床部位拟将弱风化岩体大部分挖除，使坝基基本坐落在微风化—新鲜岩体上；两岸地层风化较深，新鲜基岩坡度较陡，为保证坝体纵向稳定，拟将两岸坝肩建基面挖至弱风化的下部，使大坝建在一个左右岸大致对称而又新鲜的基岩上。

坝基开挖预留0.5m的保护层，开挖至建基面后尽快覆盖混凝土或喷混凝土，以减少岩体卸荷反弹，防止局部岩体的进一步风化。

根据坝基、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，参照地质建议值，坝基范围内的开挖边坡定为1∶0.3，坝顶以上永久开挖边坡为1∶0.3~1∶0.5。左岸水平开挖深度4.5~7.5m，右岸为6.5~8.5m。两岸开挖边坡逐级上升，并设置开挖平台，平台宽2.0m。

2.2坝基防渗处理

2.2.1帷幕灌浆

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，坝基渗漏为裂隙式渗漏。两岸岸坡溶洞较发育，溶洞口规模不大，可能存在管道式集中渗漏。坝基岩体渗透性随深度的增加有逐渐减小的趋势。

根据坝址区地下水的运动规律及岩体的渗透特性，坝基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、防止泥质夹层部位发生渗透破坏。坝基及坝肩防渗帷幕设计形成封闭系统，其深度可按岩体透水性和岩溶发育情况综合确定。

坝址区岩溶发育程度随深度增加而减弱，河床钻孔中未见有明显的溶蚀现象，岩溶发育程度较弱，岩溶渗漏问题相对简单，因此坝基防渗以透水率控制，河床部位岩体透水率均小于5Lu，帷幕深度约20m。

两岸岩体呈弱透水性，随着深度的增加，地下水径流强度、循环交替和溶蚀、侵蚀能力逐渐减弱，两岸岩溶发育强度也相应减弱。坝肩岩体主要为清虚洞组，其中第一地质单元—C1q1-1为薄—中厚层状灰岩，裂隙不发育，微透水性，岩溶不发育，该层可作为坝基防渗相对隔水层。根据两坝肩岩溶发育、存在岩溶连通管道等问题，以—C1q1-1作为相对隔水层，帷幕底以进入本单元地层5～10m为宜，两岸帷幕灌浆深度为21～52m，满足防渗帷幕的设计深度要求。

为使帷幕、排水保持连续性，控制绕坝渗流问题，帷幕两头由坝肩向两岸延伸至地下水与正常蓄水位相交处，左、右岸防渗帷幕长分别为540m和418m，延伸长度超过一倍坝高，与地基条件相近的其他工程类比，可以满足要求。

河床坝段帷幕灌浆孔布置在坝基灌浆及主排水廊道内，岸坡坝段帷幕灌浆分两层在坝顶和468.0m灌浆平洞内进行，上下层帷幕在468.00m高程平洞内用扇形帷幕相连接。坝基设两排帷幕孔，主帷幕孔垂直布置，上游副帷幕孔倾向上游5°，主、副帷幕排距0.7m，孔距均为2.0m。河床段主帷幕孔深12m，副帷幕孔深8m。岸坡段主帷幕深入—C1q1-1层下25~15m，副帷幕深度取主帷幕深度的2/3。

两岸帷幕灌浆孔布置在坝肩517.00m高程灌浆平洞内，平洞长度约同帷幕线长度，平洞断面为3.0m×3.0m(宽×高)城门洞形。左、右岸均设一排帷幕孔，帷幕孔垂直布置，孔距2.0m。左岸帷幕深度为21～52m，右岸帷幕深度为36～40m。右岸靠近坝肩约150m长范围内帷幕线处于分水岭地带，岩体厚度单薄，岩溶发育强度不一，此段的防渗漏是坝肩防渗设计的重点，设双排帷幕孔，主帷幕孔垂直布置，副帷幕倾向上游5°，主帷幕深36m。

帷幕灌浆可采用小孔径钻孔，并推荐用孔口封闭法施灌。防渗帷幕全长1055m，总孔深3.56万m，以上大坝渗漏设防可将河床和岸坡的库内渗水堵截，起到立面防渗的作用。

2.2.2固结灌浆

为提高坝基岩体承载力，加强岩体的整体性和各向均一性，改善基岩的抗渗性能，该工程对大坝基础进行全面固结灌浆处理。固结灌浆孔间、排距一般为3m，梅花形布置，孔深5m。实际固结灌浆布孔与孔深可结合基础岩体条件、地基软弱结构面性能及埋深等综合指标考虑。对基础岩体软弱的部位采取局部加密孔距、加大孔深进行处理。

2.2.3接触灌浆

由于边坡坝段建基面高程沿开挖边坡变化形成高差较大的陡斜面边坡，为防止坝体混凝土侧向收缩出现张开缝隙或渗漏，对岸坡基底面进行接触灌浆以加强坝体与基岩的结合。

灌浆作业需在坝体浇筑到一定高度、坝体充分收缩后进行。

2.3坝基排水

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，与帷幕灌浆构成一个相对完整的坝基(坝肩)防渗排水系统，以降低扬压力，保证坝体(坝肩)的稳定。坝址区两岸地形高差较大，势能较高，地下水难以汇聚形成集中性的管道水流，以分散排泄为主，地下水活动相对微弱。河床坝基—C1q1-1层层厚大于130m，微弱透水，溶岩不发育，该层可作为坝基防渗相对隔水层；岸坡坝基—C1q1-2层层厚20~30m，微—弱透水性，裂隙较发育，故坝基排水孔需深入该层。

坝基设一道排水幕。河床坝段排水孔布置在帷幕灌浆及主排水廊道下游侧，排水孔向下游倾斜5°，孔深10m，孔距2.5m，孔径200mm。岸坡坝段排水孔分两层布置在坝顶和468.00m高程平洞下游侧，上下两层排水孔在468.00m高程平洞内用扇形排水孔相衔接。排水孔倾向下游5°，底高程由447.00m渐变至455.00m。

2.4泥质夹层处理

河床处坝基下存在一层缓倾角泥质灰岩夹层，使坝基的深层抗滑稳定问题变得十分复杂。为提高坝体抗滑稳定性，考虑采用坝踵底部设齿槽的工程措施，以提高建基面强度指标。

齿槽的深度主要考虑泥质夹层的深度，将泥质灰岩夹层挖断，齿槽深入泥质灰岩夹层下1m。齿槽的宽度主要应满足坝体自身抗滑稳定及深层抗滑稳定的要求，同时节约投资，方便施工。经比较，齿槽底宽10m时可以满足坝体抗滑稳定要求，设齿槽后溢流坝段深层抗滑稳定计算结果见下表。

溢流坝段设齿槽后深层抗滑稳定计算结果表

由计算结果可知，在各种荷载组合下溢流坝段深层抗滑稳定安全系数均大于规范值，满足规范要求。

3结语

根据大兴水利枢纽工程坝址区地形、地质条件，结合重力坝设计中防渗、排水及稳定等要求，综合确定了大兴水利枢纽工程混凝土重力坝的基础处理方式。

a.由于坝址两岸岩溶发育的不确定性，坝基需加强防渗措施，采取坝基双排帷幕灌浆+两坝肩延长帷幕处理后，满足防渗要求，坝基防渗可靠。

b.河床坝基面下方泥质夹层影响大坝深层抗滑稳定，需加以处理。分析表明，坝踵设置齿槽后，大坝深层抗滑稳定满足设计要求。

参考文献

[1]刘涛，梁捷，张文喜.浅谈软弱地基处理方式的选择[J].水利建设与管理，2013(1).

Design of gravity dam foundation treatment in Daxing Water-control Project

YUAN Sumei1, LI Haojin1, LÜ Yandong2

(1.ZhongshuiBeifangSurveyandDesignResearchCo.,Ltd.,Tianjin300222,China;

2.TianjinWuqingDistrictWaterAuthority,Tianjin301700,China)

Abstract:Normal concrete gravity dam is adopted in Daxing Water-control Project. Engineering geological conditions in dam site are more complicated. Karst development on both banks, river bed mud intercalation and other geological problems will affect dam foundation stability. Shape design of the dam is combined. Dam foundation treatment design principles, treatment measures as well as requirements and effects that should be reached after dam foundation treatment are systematically described in the paper.

Key words:Daxing Water-control Project; concrete gravity dam; foundation treatment; design

中图分类号：TV642.3

文献标识码：A

文章编号：1673-8241(2015)11-0057-04