关门山水库坝基不良地质情况处理方案

李文波

(贵州省水利水电勘测设计研究院，贵州 贵阳 550002)

1 工程概况

关门山水库位于六盘水市钟山区大湾镇，坝址位于大河左岸支流关门山小河的中游河段，距大湾镇约3 km，有乡村公路通往坝址区左岸，交通较为便利。坝址以上集雨面积37.5 km2，总库容908万m3，兴利库容784万m3。工程任务为乡镇供水及工业用水，受水区主要为六盘水市钟山区大湾镇的乡镇、周边村寨人畜饮水及大湾镇工业园区。工程等别为Ⅳ等，工程规模属小(1)型。

坝址河谷呈基本对称宽“V”型，两岸坡地形坡度在高程1910 m以下为35°～40°，1910 m以上左岸为10°～15°，右岸为20°～25°。左岸坡地形较顺直，右岸上下游发育有冲沟，坝址河段河床平直。正常蓄水位高程1902 m，对应谷宽为190 m，宽、高比为2.8∶1。坝址岩层产状为N55°W/SW∠15°～30°。坝基(肩)岩体均为玄武岩夹凝灰岩，强风化岩体裂隙较发育、岩体破碎完整性差，不宜作为坝基。本工程建基面的选择主要考虑坝基岩体的承载力，坝基岩体为中硬岩，最终确定弱风化层岩体下部作为基础持力层。

水库大坝枢纽布置方案为：碾压混凝土重力坝+坝身溢流表孔泄洪+坝身取水口+坝身放空兼冲沙底孔。拦河大坝最大坝高80.6 m，建基面高程为1824.0 m，坝顶高程为1904.6 m。大坝主体建筑材料为C15三级配碾压混凝土，大坝基础面为1.0 m厚C20二级配常态垫层混凝土[1]。坝体上游侧分别为C20二级配变态混凝土及C20二级配碾压混凝土；其中变态混凝土厚0.5 m，碾压混凝土在1865.0 m高程以上厚2.0 m，该高程以下厚3.0 m。坝体下游侧面为0.5 m厚C20三级配变态面层混凝土护面。

2 施工图阶段揭露坝基不良地质情况

2016年12月，在大坝岸坡段基础开挖过程中，设计发现大坝右坝肩在桩号坝横右0+054～0+069 m、高程1844～1864 m部位，基岩至上而下由玄武岩变为凝灰岩夹角砾岩，岩石强度由硬质岩变为软质岩，岩性有较大变化；在左岸坡脚存在一条软弱夹层，夹层岩性为凝灰岩。该地质情况在前期资料成果中未有提及，也未有相应的设计处理措施。鉴于本工程大坝为重力坝，且为高坝，其对基础承载能力要求较高[2]。由于贵州省水利水电勘测设计研究院仅承担了本工程的施工图阶段设计工作，设计人员对此情况非常重视，立即以书面报告形式向业主单位报告，对不良地质情况的初步成因分析、处理意见、处理方法给出了建议。

3 不良地质情况处理程序

根据水利部文件“关于印发《水利工程设计变更管理暂行办法》的通知”中的规定，本工程变更内容属于“工程的重大技术问题的处理措施发生变化；对工程的质量、安全、工期、投资产生重大影响的设计变更；主要水工建筑物基础处理方案的变化”；根据文件要求，该变更内容属于重大设计变更，需编制相应的重大设计变更报告。为解决此重大技术问题，业主单位多次组织当地水行政主管部门及政府质量监督部门、初步设计报告审批单位、原初步设计报告设计单位、监理单位、施工单位等参建各方召开技术讨论会。经业主单位与原设计单位商议，为便于工程施工顺利进行，业主单位另外委托由贵州省水利水电勘测设计研究院完成该重大设计变更报告。待变更报告得到审查批复文件后再根据批复的意见及方案继续推进施工。

3.1 右岸不良地质情况处理方案

经现场技术方案讨论，右坝肩F1断层经开挖后已部分揭露，其走向、倾角、充填物、影响范围等已基本清楚，但其发展深度不能确定。要查明断层的深度只能通过钻孔的方式进行，设计在提出断层处理方案时主要考虑以下因素：(1)断层倾角较陡为88°，地质钻孔深度大，打钻施工难度大。(2)完成钻孔时间过长，影响项目施工进度。(3)断层影响深度低于大坝建基面高程过多(初步判断大于30 m)，大坝建基面高程不可能因为断层原因而大幅度降低。同时，根据《混凝土重力坝设计规范》，对于倾角较陡的断层破碎带的处理方法为“断层破碎带规模不大，但其组成物质以软弱的构造岩为主，且对基础的强度和压缩变形有一定影响时，可用混凝土塞加固，塞深可采用1～1.5倍断层破碎带的宽度或根据计算确定；断层破碎带的规模较大，或为断层交汇带，影响范围较广，且其组成物质主要是软弱构造岩，并对基础的强度和压缩变形有较大的影响时，必须进行专门的处理设计”。综合以上情况，设计提出处理意见为：断层及断层外侧强风化岩石需挖除，挖除深度以断层外侧基岩承载力能满足坝基承载力要求为限[3-4]。经挖除揭露，1852～1863 m处断层影响带宽约20 m；1852 m以下断层影响带宽为5 m；断层带充填物分为2个带，一为褐紫色、褐黑色断层泥，胶结差，为极软岩；二为灰、灰绿色断层角砾岩夹断层砂，含黄色矿物晶体，为较软岩。1852 m以下断层外侧岩石仍为强风化岩，不能满足承载力要求，需清除。至建基面高程1824 m时，断层两侧岩体为微风化岩，其承载力满足建基面要求。

结合开挖揭露地质条件分析，设计最终确定右岸坡脚基础断层带处理措施为：断层带清除深度应按施工设备最大深度进行控制，同时深度至少应低于建基面高程5 m；清除范围为从坝趾位置开始至坝轴线下游20 m；断层带挖槽采用C20三级常态混凝土回填；并在1824 m高程铺设钢筋网，钢筋网在基岩面上的搭接长度为1.5 m；并加强对断层部位基础的固结灌浆及帷幕灌浆。处理方案示意图见图1。

3.2 左岸不良地质情况处理方案

经现场分析，大坝左岸坡脚发现的软弱夹层存在影响大坝深层抗滑稳定问题，需对其补充地质勘探工作，以查明其分布情况。据此，设计在左岸坡布置了9个地质钻孔，并做孔内摄像、单孔声波检测、跨孔声波检测等工作。经查明，左岸主要软弱夹层为坝基1824～1827 m出露的一条夹层J1，夹层厚度为40～70 cm，由可塑状暗绿、青灰色黏泥组成，夹层面呈波状，略显层理，夹层倾向下游偏右岸，倾角为20°～25°，在坝轴线下游23 m处伸入坝体下部。凝灰岩软弱夹层参数取值为f′=0.3，c′=30 kPa，承载力为600 kPa。坝基弱风化岩体参数取值为f′=0.75，c′=700 kPa，承载力为2500 kPa。

设计根据软弱夹层的岩石物理力学参数值对大坝深层抗滑稳定进行复核计算，大坝抗滑稳定安全系数不满足规范要求，需对该夹层采取工程处理措施。经分析，适宜本工程的处理措施如下：

(1)对夹层进行挖除处理。该方法的好处是处理彻底，不遗留问题。

(2)在大坝下游侧打抗滑桩。该方法的好处是，计算理论简单，便于施工。

(3)对夹层进行抗滑洞塞处理。该方法的好处是避免大挖大填。

结合现场实际情况，抗滑桩方案不适用于本工程，因为本工程夹层位于大坝左岸坡，而左岸坡较顺直，若采用抗滑桩方案，则需抗滑桩深度过大，施工难度大，投资过大。本工程也不适宜抗滑洞塞方案，主要是因为河床段基础已验收，坝体混凝土已开始浇筑，现场不具备爆破洞挖条件。因此，本工程采用了对夹层进行挖除的处理方案。同时，为了避免出现大挖大填现象发生，设计对左岸岸坡夹层埋深大于20 m部位，河床段下游侧埋深大于5 m部位不再进行挖除。经复核，处理后坝基抗滑稳定及深层抗滑稳定均满足规范要求。

图1 右岸基础断层处理方案示意图

4 处理效果

目前，大坝右岸F1断层已按设计方案挖除，揭露情况与设计判断情况基本吻合，已施工完毕，大坝混凝土填筑施工顺利推进。大坝左岸坡软弱夹层已按设计方案挖除，揭露地质条件及夹层分布与地质钻孔情况一致。项目施工顺利推进，未出现质量及安全隐患事故，参建各方均对设计方案给予了高度的认可和好评。

5 结 语

通过对本项目不良地质情况的方案处理，总结出以下经验，以供类似项目设计人员参考：

(1)前期地质勘探资料是项目设计方案的基础，若该基础资料出了问题，设计方案看起来再美好，也是残缺的。同时可能出现不可挽救的情况发生，如建坝条件不成立、坝型方案不可行等，则后果将是很严重的。

(2)施工图阶段对前期阶段的关键资料、重要数据进行复核是十分必要的。设计人员不能照搬照套前期阶段的数据成果。如本工程中，设计人员要求对左岸软弱夹层重新进行补充地质勘探工作，以查明夹层的分布，从而对处理方案的选择提供支撑依据。试想，若软弱夹层未经处理而直接修建了大坝，待水库蓄水后出现渗漏、不均匀沉降、滑动变形等情况后再提处理方案，其处理难度及处理费用将会成倍的加大；同时，若出现重大安全事故，其后果更是无法挽救。

(3)当项目出现重大设计方案变更时，参建各方应按文件《水利工程设计变更管理暂行办法》的要求程序执行，切不可先斩后奏，避免承担相应的责任。

(4)当项目出现重大设计方案变更时，应尽量在维持原整体方案的基础上进行变更处理，尽量不要采取全盘推倒重来的思路。如本工程在出现不良地质问题时，参建各方需要首先解决的问题是新的地质条件情况是否还能建重力坝，而并不是思考其他坝型方案是否更优的问题。应尽量在维持原重力坝方案不变的前提下采取合理的处理措施，同时注重处理措施的安全性、适用性及经济性。