桑郎水库拱坝坝肩抗滑岩体遭破坏后的处理方案探析

2016-10-21陈佐豪

陕西水利 2016年5期

关键词：拱坝安全系数高程

陈佐豪

（贵州省水利水电勘测设计研究院贵州贵阳550002）

桑郎水库拱坝坝肩抗滑岩体遭破坏后的处理方案探析

陈佐豪

（贵州省水利水电勘测设计研究院贵州贵阳550002）

本文以桑郎水库工程为例，通过各种处理方案对比分析，提出在拱坝施工过程中，坝肩抗滑稳定安全系数不足情况下的处理方案设计思路。

拱坝；坝肩抗滑稳定；处理方案分析

1　概况

桑郎水库工程位于贵州省黔西南布依族苗族自治州望谟县桑郎镇，是集发电、灌溉、供水为一体的综合利用工程，灌溉面积1.9万亩，电站装机容量12.6MW，水厂供水水源2万t/d。坝址位于桑郎镇上游4km的“V”型狭谷河段，控制集水面积650km2，多年平均流量10.7m3/s，水库正常蓄水位505m，最高校核洪水位505.36m，总库容1480万m3。坝型为碾压砼拱坝。水库为中型，工程等别为Ⅲ等，枢纽大坝等主要建筑物为3级，次要建筑物为4级。

挡水大坝为砼双曲拱坝，坝顶高程507.0m，坝底高程417.0m，最大坝高90m，坝顶宽5m，坝底宽16.5m，坝顶弧长119.984m，坝顶中心角90.216°。其厚高比为0.183，属薄拱坝。［1］

大坝坝肩开挖过程中，受爆破开挖及地质条件影响，拱坝左坝肩下游抗滑岩体遭超挖破坏，507m～462m高程之间左岸下游抗滑岩体总计超挖6100m3，主要集中在477m高程以上。经平面法及空间法复核［2］［3］，左坝肩492m高程以上抗滑稳定安全系数为1.7～2.6，均不满足规范要求。

2　处理方案分析

根据坝肩稳定复核计算结果，虽然拱坝左右坝肩下游抗力岩体（特别是左坝肩下游侧477m高程以上部位）遭超挖破坏，但除左坝肩492m高程以上坝肩抗滑稳定不满足要求外其余部位抗滑稳定安全系数均能满足规范要求。

从现状地形地质条件、施工可行性及大坝开挖施工现场实际情况，左坝肩超挖处理存在以下方案（或方案组合）的可能性：

方案（一）：调整坝型，变为重力式拱坝或拱式重力坝，减小两坝肩滑动推力；

方案（二）：调整拱坝体型、加大拱端嵌深，增加下游抗滑岩体的作用；

方案（三）：不调整拱坝体型，不改变拱端力系，通过对被破坏的坝肩抗滑岩体进行地形补缺，使左坝肩获得足够的抗滑岩体以满足抗滑稳定需要。

方案（四）：在左岸增设重力墩或传力墩，将拱端推力作用在重力墩或传力墩上，再传递给山体。

针对以上可能存在的方案进行定性分析：

方案（一）需改变坝型，即推翻原初设成果及其审批文件，从审批程序及设计周期角度，其余三个方案均有优势。从投资及施工工期角度，重力式拱坝对拱端推力及基底应力改善明显，意即对拱肩及拱基更有利，但对于较薄拱坝而言，需要加大拱坝混凝土量以放大坝的重力效应。桑郎水库大坝原初设阶段设计厚高比0.194，坝顶宽度5.0m，坝底宽度17.5m，坝高90m，属薄拱坝；施工图阶段设计厚高比0.183，坝顶宽度5.0m，坝底宽度16.5m，坝高90m。若改变为重力式拱坝（厚拱坝），厚高比≥0.35，即便保持原坝顶宽度5m不变，坝体混凝土量至少增加至15.6万m3，原施工图阶段坝体混凝土量总计为9.2万m3（不含溢洪道、底孔部位），即重力式拱坝方案增加坝体混凝土量至少为6.4万m3，按综合单价250元/m3计算，单坝体混凝土量增加投资就达1600万。投资极不经济，且由于厚高比增加，坝肩及基坑开挖量增大、坝体混凝土量增加导致施工进度变慢、施工工期加长。综合以上各方面分析结果，方案（一）不具备可行性及经济性。

方案（二）由于不需要改变大坝型式，在审批程序上优于方案（一）。从技术角度，由于施工图阶段大坝结构设计采用不完全对称双曲拱坝，坝顶左半拱中心角44.541°，右半拱中心角45.675°，左半拱中心角小于右半拱中心角1.134°，且根据现状坝址地形地貌及工程地质条件，左岸山体无限制拱座继续向山体侧加大嵌深的不利因素（仅上坝交通洞出口与左坝肩交会位置发生改变，但完全可通过局部加大洞径进行调整）。因此，从大坝体型及技术方案角度，由于超挖带来左坝肩下游抗滑岩体不足的问题，完全可以由方案（二）通过增加拱座嵌深的方式解决。该方案不利因素在于加大嵌深必须对拱肩槽进行二次开挖，而且必须从山顶重新开口进行下挖，施工影响面较广、施工难度较大。同时还面临控制爆破达不到预期效果从而损伤下游抗滑岩体的风险。投资上，由于嵌深开挖及增加的坝体工程量均不大（初步测算加大5m的拱端嵌深即可获得足够的下游抗滑岩体，使坝肩抗滑稳定安全系数满足规范要求），投资明显由于方案（一），且该方案具有适应性强、对拱坝体型只进行小规模调整等优点。因此，须对方案（二）进行详细的设计，最后通过与其它方案进行投资比较确定最优方案。

方案（三）是类似问题的常见处理办法，具备原理简单、设计便捷、施工简单易操作、对施工区其它部位影响小、投资省等优点，在石阡花山水利工程、息烽县鱼简河水利工程［4］坝肩下游抗滑岩体处理等工程上已有实际应用。但该方案缺点是有较强的局限性，一般只用于抗滑岩体损失不大且具备地形补缺的地形、地质条件，特别是需要具备地形补缺的建基面且要满足抗力体边坡自身稳定的前提条件。具体到本工程实际情况：

①本工程左坝肩下游抗滑岩体现状地形在485.0m～487.5m高程之间为一缓坡平台，宽度2.5m～3.5m，可作为补缺回填砼基础，满足建基面的条件；

②根据坝肩岩体质量评价及边坡稳定性分析：“左坝肩由于受施工期震动等影响，岩体破碎，清方体积较大，现边坡477高程以上岩体已大部清除，岩体大部进入弱风化带中、下部，节理裂隙不连续，闭合较好，且层面软弱夹层层面起伏较大，软弱夹层以碎屑夹泥为主，为原生夹层，泥化现象不明显，现状边坡基本稳定。”因此，满足抗力体边坡自身稳定的前提条件；

③根据坝肩稳定复核成果［5］，现状地形地质条件下，仅左坝肩492m高程以上坝肩抗滑稳定安全系数不满足规范要求，且与规范要求的安全系数相差不大。导致这一现象的原因是施工图阶段设计拱端嵌深较大，安全系数有一定的富余度，也就是说，仅需在超挖部位回填少量补缺砼即可满足坝肩抗滑稳定安全的需要，这给方案（三）在本工程的实际选用提供了强有力的支撑；

④该方案主要工程措施简单，对坝址施工区其它工作面干扰小，同时无需扰动坝基、坝肩及现状山体边坡，潜在的威胁和风险小，对整个枢纽工程的施工进度及工期不会造成大的不利影响，由于采用的是局部、小范围的治理措施，初步测算地形补缺回填砼量约1000m3，投资上明显优于方案（一）。

综合以上分析，方案（三）技术可行，但需要与方案（二）进行投资经济性比较。

方案（四）也是一种常见的处理办法，应用于坝肩上部基岩地质条件较差、上部地形较开阔、坝址两侧山体向下游开口呈喇叭形、实际地形地质条件下拱坝抗滑稳定安全系数过小等情况，其本质综合了改善拱端推力及增加抗滑岩体的原理，具备两者的优势。但本工程由于坝址河谷为深切“U”型横向峡谷，重力墩基础设置须与拱坝同一建基面或左坝肩下游侧二次开挖形成重力墩基础，加之重力墩尺寸较地形补缺回填砼体大，在投资上必然超过方案（三）。本次处理方案设计不进行考虑。

综上所述，针对本工程的实际情况，选择方案（二）和方案（三）进行设计（即加大拱端嵌深方案与地形补缺方案，或两者组合），最终通过投资比较选取推荐方案。

3　推荐方案选择及设计

经过上表的分析，推荐方案二，即采取地形补缺的方案。具体方案设计为：

根据开挖现状地形条件，左坝肩下游侧485.0m～487.5m高程之间为一缓坡平台可作为补缺回填砼基础，边坡设计采用锚筋+混凝土贴坡挡墙来补齐缺失的下游抗滑岩体。

回填砼外边界沿平台485.0m高程外边线，上游边界为拱坝下游坝肩轮廓线，下游边界至山体基岩凸出位置，建基面平台高程485.0m，采用1:10倒坡倾向山体侧，平台底部及靠山侧基础均布置φ32锚杆，间排距1.5m，锚杆根长4.5m，入岩4.0m，外露0.5m浇筑在回填砼内。砼与建基面及坡面在接触处除采用布设锚杆抗滑外，还采取固结灌浆以提高抗滑岩体整体性。

为增强补缺回填砼体与山体的整体性，并充分利用固结灌浆孔，拟在固结灌浆完成后，再插入φ32锚杆，根长9.0m（长锚杆），伸入基岩8.0m（固结灌浆孔入岩长度），回填砼体内留1.0m，然后再对固结灌浆孔封孔。

为保证地形补缺回填砼与山体紧密结合，形成整体稳定的坝肩抗滑岩体，在回填混凝土浇筑完毕并达到设计强度后，装设100T预应力锚索，锚索总长20m，预应力锚索走向沿岩层走向并与岩层层面呈60°交角。