丰满新建重力坝基础F67断层处理技术方案拟定研究

蒲金山，任玉珊，赵颖华，仉新日

(1.长春工程学院； 2.吉林省水工程安全与灾害防治工程实验室；

3.中水东北勘测设计研究有限责任公司，长春 130012)



丰满新建重力坝基础F67断层处理技术方案拟定研究

蒲金山1，任玉珊2，赵颖华3，仉新日1

(1.长春工程学院； 2.吉林省水工程安全与灾害防治工程实验室；

3.中水东北勘测设计研究有限责任公司，长春 130012)

摘要：丰满水电站大坝全面治理工程中，新建重力坝坝址区右岸存在威胁坝体稳定和运行安全的F(67)断层，调查分析了部分已建工程处理基础断层所采用的技术措施，结合丰满新建大坝的工程及地质特点，对F(67)拟定了3种处理技术方案，经过计算分析和比较，最终确定采用断层部位开挖置换混凝土的方案处理F(67)断层。

关键词：丰满；重力坝；断层；技术方案

1工程概况

丰满水电站是位于吉林省第二松花江干流上的一座大型水利发电工程。由于工程特殊的历史原因，导致大坝存在可靠水平低、抵御风险能力差等问题。鉴于其在流域和地区经济社会发展中的重要地位与巨大作用，必须对大坝进行全面治理。

丰满水电站大坝全面治理工程是为恢复电站原任务和功能，在原丰满大坝下游120 m处新建一座大坝，坝型为碾压混凝土重力坝，最大坝高94.5 m，坝顶全长1 068 m。

1.1丰满新建坝址区地质概况

新坝址区地处第二松花江中游丰满峡谷口，谷口两岸地形不对称，左岸地形偏陡，河谷右岸地形则较平缓，坡度范围在5°～20°，谷底高程范围184～190 m，岸坡山顶高程范围500～700 m。

坝址区主要为二叠系下统一拉溪组变质砾岩和第四系地层，侵入岩为华力西晚期花岗岩。变质砾岩具有明显可见的变余层理[1]，岩质较坚硬。坝基岩体多属较完整—完整岩体，局部为完整性差—较破碎岩体。岩体中等风化带厚度一般15～30 m，断层部位可达40 m。

断层以压扭及张扭性为主，呈棋盘格状，断层带内岩石破碎，一些断层面见重迭的两次擦痕，断距不大，具有明显的继承性。坝基岩体属微透水—弱透水岩体，局部为中等透水岩体。两岸地下水位埋藏深度一般15～35 m，左岸坝头最深可达43 m，右岸坝头最深可达40 m。

1.2F67断层地质特性

坝址区断裂构造较发育，F67断层为坝址区发育规模最大、性状最差的一条断层破碎带，宽达40～55 m。在右岸阶地部位顺江通过坝址区，与坝轴线近于正交。该断层破碎带由F67-1、F67-2、F67-3、F67-4和F67-5等多条断层组成，总体走向N15°～50°W，倾向SW/NE，倾角60°～85°。由于F67断层多期活动，致使该破碎带断层条数较多，间距较近，加之风化作用的影响，各断层宽度不一，性状亦有差异；但破碎带宽度总体上自上而下逐渐变小，破碎程度随深度的增加而逐渐减弱。F67断层主要地质参数建议值见表1。

2已建工程断层处理分析

通过调查分析研究大黑汀、安砂等已建工程对基础断层的处理[2-4]，掌握了重力坝工程建设中不同地质条件下，处理基础断层常用的技术措施的总结结果见表2。

从表中的统计结果可以看出已建工程在处理断层和软弱夹层等不良地基现象时采用的工程措施主要有：通过明挖置换混凝土增加接触面面积来提高坝基的抗剪能力[5]；坝基通过增加抗滑桩、混凝土齿墙或深挖置换混凝土等以增加尾岩抗力；根据工程经验，在确定断层的处理方案时，要结合具体的地质情况以及工程特点，选择施工简单、适应性强的实施方案。

表1　F67断层主要地质参数建议值

表2　已建工程基础处理分析汇总

3F67断层处理设计

3.1拟定处理方案

从以上F67断层的地质特性可以看出其具有岩体破碎、岩质软弱、强度低、易变等特点，必将给断层坝段坝体造成渗漏、滑移破坏等不利影响。因此，必须对F67断层进行处理。

根据对部分已建工程的基础断层处理进行调查研究、分析，决定对坝址区F67拟定以下3种技术处理方案：

方案一：尾部加混凝土方案，即坝基F67断层不开挖，在坝后回填混凝土；

方案二：断层部位开挖回填混凝土方案；

方案三：基础开挖回填混凝土齿槽方案，即在坝基上下游开挖混凝土齿槽。

3.2工程处理技术方案设计计算

#29～#32断层坝段抗滑稳定计算所采用的综合抗剪断指标#29、#30和#31坝段建基于F67断层的挤压破碎带上，建基面抗剪断参数均值采用挤压破碎带参数。 #32坝段建基于F67断层的挤压破碎带和强烈挤压破碎带上，因此，建基面抗剪断参数均值采用挤压破碎带和强烈挤压破碎带抗剪断参数的加权平均值。

根据SL319-2005《混凝土重力坝设计规范》和SL203-97《水工建筑物抗震设计规范》，抗滑稳定计算时，静力工况抗剪断参数采用标准值，地震工况拟静力法抗剪断参数采用均值。断层坝段各处理方案坝基抗滑稳定计算时采用的抗剪断参数见表3。

表3　断层坝段坝基抗剪断参数选取及说明

3.3尾部加混凝土方案

坝后回填混凝土底高程与该坝段建基面高程相同，为184.00 m，回填混凝土顶高程与坝后场地回填高程接近，为206.00 m。采用承载能力极限状态设计表达式进行建基面稳定验算。经计算可知控制工况为设计洪水位工况，#29～#31坝段坝后回填混凝土宽度为48.00 m，#32坝段坝后回填混凝土宽度为63.00 m，可满足抗滑稳定要求。计算简图如图1所示，计算结果见表4。

3.4开挖回填混凝土方案

对断层进行开挖回填混凝土，利用开挖边坡的抗剪能力和尾岩的抗力，满足大坝基础与岩石接触面的抗滑稳定。深度从10.00 m算起， 然后回填相

图1　方案一：断层坝段建基面抗滑稳定计算简图/kN

同厚度的混凝土。不满足要求时，向上、下游延伸回填混凝土的长度；满足要求时，减小开挖回填深度。下游考虑回填土的土重。

计算简图如图2所示，经正常蓄水位、设计洪水位、校核洪水位、地震4种工况计算，控制工况同样为设计共水位工况，#29～#32坝段坝基均需深挖6.00 m。此时，#29～#31坝段安全裕度为1.054，#32坝段安全裕度为1.014，可满足要求。

图2　方案三：开挖回填混凝土方案计算简图

3.5基础上下游开挖回填混凝土齿槽方案

在#29～#32坝段坝基面上布置两个深度相同的混凝土齿槽，位置分别在坝踵和坝趾处，混凝土齿槽宽度及深度经计算确定。

3.5.1混凝土齿槽宽度确定

核算大坝建基面混凝土与基岩的抗滑稳定，确定建基面满足抗滑稳定所需要的混凝土的面积，确定混凝土齿槽的宽度。

经计算，大坝建基面混凝土与基岩接触面之间抗滑稳定满足规范要求所需要的混凝土齿槽最小宽度为：#29～#31为27.00 m；#32为32.00 m。

3.5.2混凝土齿槽深度确定

按DL5108—1999《混凝土重力坝设计规范》附录F所示的双斜面深层抗滑稳定计算公式，计算混凝土桩底的深层抗滑稳定，确定满足稳定要求的混凝土桩深度计算简图如图3所示。

通过计算，#29、#30和#31坝段至少需要5.40 m深，#32坝段至少需要6.50 m，深层抗滑稳定安全裕度才能满足规范要求。

图3　基础上下游齿槽方案计算简图

3.6比较确定断层处理措施

方案一坝后回填混凝土方案，施工方法简单、方便，其基础开挖可以与常规坝段同时进行，混凝土浇筑可与坝体混凝土施工同时进行，不会影响整体工期，但坝后回填混凝土体积较大，施工中的温控难度也相应较大。方案二开挖回填混凝土方案，基础开挖与常规坝段的开挖同时进行，只是挖深加大些，对工期影响较小，而且是已建工程中采用率最高的技术方案。方案三基础开挖回填混凝土齿槽方案，其齿槽混凝土与基岩接触面较小，容易造成应力集中，其开挖施工较方案二难度大，容易影响施工进度，并且该方案的建基面稳定安全裕度分别为1.01、1.02，也是3个方案中最小的，并没有完全达到规范的要求。综上所述，推荐方案二，即F67断层坝段坝基处理采用开挖回填混凝土方案。

4结语

经过对部分已建工程处理基础断层时所选工程措施的调查研究分析，对丰满新建大坝坝址的F67断层破碎带拟定的尾部加混凝土方案、开挖回填混凝土方案、基础开挖回填混凝土齿槽方案3个技术方案进行计算比较，最终确定采用基础混凝土置换的技术方案。

如图4所示，基础混凝土置换范围在宽度方向上为#29～#32坝段范围，坝基范围内向上游延伸2.00 m，向下游延伸5.00 m，采用C9020三级配混凝土置换，基础置换深度6.00 m。

图4　开挖回填混凝土方案示意图

参考文献

[1] 马志强，刘锋，赵颖华，等.丰满水电站大坝全面治理工程可研报告(工程布置及建筑物)，205B-EH7-6[R].长春：中水东北勘测设计研究有限责任公司，2010.

[2] 陈云龙. 大黑汀水库防止坝基滑动的抗剪键槽[J]. 水利水电技术,1985(8):

[3] 蔡为武. 桓仁大坝坝基夹层处理的经验教训[J]. 贵州水力发电,1999(3)：32-37.

[4] 刘楠，孙方超.大兴川水电站工程可行性研究设计[R].长春：吉林省水利水电勘测设计研究院,2009.

[5] 罗先启. 重力坝基础纵向断层及其处理的力学分析[J]. 三峡大学学报：自然科学版,1993(1):72-84.

The Fault Processing Technique Plan on Fengman Newly Built Gravity Dam Foundation F67

PU Jin-shan, etc.

(ChangchunInstituteofTechnology,Changchun130012,China)

Abstract：F(67) fault is located at the right bank of the newly built gravity dam area during Fengman hydropower station dam comprehensive treatment project.In this article, the investigations to some projects in construction have been performed to check if the technique treatment measures has been adopted during the treatment to foundation faults. Three technique measures are determined for F(67) fault with the engineering and geological characteristics of Fengman newly built dams. After calculation, analysis and comparison, the excavation displacement of concrete in the fault is finally selected to process the F(67) fault.

Key words：Fengman; gravity dam; fault; technical proposal

文献标志码：A

文章编号：1009-8984(2016)01-0064-04

中图分类号：TV856

通讯作者：任玉珊

作者简介：蒲金山(1989-)，男(汉)，山东淄博，硕士

收稿日期：2016-01-15

doi:10.3969/j.issn.1009-8984.2016.01.015

主要研究水工结构工程。