南界田水电站坝基处理措施及效果评价

罗金云

(福建安澜水利水电勘察设计院有限公司，福建 龙岩 364000)

1 电站概况

南界田水电站地处云南省保山市昌宁县，是大勐统河干流水电梯级开发的第五级水电站，距离昌宁县距离约70km。电站采用坝后式开发，拦河坝位于大勐统河与永康河交汇处上游约220m，控制集水面积1676km2，多年平均流量27.4m3/s，以单一发电为开发任务，电站装机容量8000kW，属小⑴型水电工程。电站枢纽主要建筑物包括拦河坝、坝式进水口、压力引水道、发电厂房和开关站等。其中，拦河坝为C15细石混凝土砌毛石重力坝，坝长105.8m，最大坝高26.0m，从左至右布置依次为挡水坝段(长27.0m)、溢流坝段(长27.5m)、冲沙闸坝段(长6.5m)、引水坝段(长20.9m)、挡水坝段(长23.9m)；发电厂房布置在拦河坝右岸后侧，开关站布置在厂房右后侧山坡上。南界田水电站工程等别为Ⅳ等，拦河坝采用50a一遇洪水设计，500a一遇洪水校核；发电厂房采用50a一遇洪水设计，100a一遇洪水校核；主要建筑物按4级建筑物设计，次要建筑物按5级建筑物设计。电站于2009年开工建设，2011年建成投产，2019年获得水利部颁发的“2018年度绿色小水电站”荣誉。

2 坝基地质条件

南界田水电站坝址河段河道顺直，水流湍急，河谷呈“U”形，岸坡较陡，坡度在35°-45°之间。两岸岸坡植被较好，左岸大部分为第四系覆盖层，河床边缘少量基岩出露；河床以冲洪积松散层为主；右岸亦为第四系覆盖层，未发现出露的基岩。根据地质钻探成果，坝基地层岩性由老至新为下第三系始新统珠山群Ezs(钙质胶结砾岩，中-厚层状，分布于河床及两岸)、第四系全新统残坡积层Q4edl(由砂、砾石及砂砾质黏土组成，主要分布于两岸山坡，左岸厚度0.5m-6.5m，右岸厚度0.5m-5.5m)和第四系全新统冲洪积层Q4pal(由砂砾石、卵石、漂石及粉砂质黏土组成，主要分布于河床，厚度0.5-14.0m)。坝基岩体完整性较好，构造节理裂隙较发育，节理裂隙多闭合-微张。坝基岩体风化相对较深，左右岸第四系覆盖层以下有约0.5m厚的全风化层，左岸坡面至强风化下限埋深约5.5-7.5m、右岸坡面至强风化下限埋深约5.5-8.5m，河床冲洪积层下伏基岩呈弱风化。坝基主要岩土力学参数详见表1。

工程区域处于青藏滇缅巨型“歹”字型构造体系与川滇经向构造体系的复合部位，属构造强化地带，主干断裂继承活动性较为强烈，尤其以经向构造体系在挽近期的应力场最为强烈，其西部与腾冲—泸水、龙陵强震带相毗邻，东部受耿马—澜沧江地震带波及。根据《云南省区域地壳稳定性评价图》，工程区域南部永康河断裂为强烈活动断裂。根据《中国地震动参数区划图》，工程区域地震动峰值加速度为0.20g，动反应谱特征周期为0.45s，地震基本烈度为Ⅷ度。

3 坝基处理措施及技术要求

根据地质钻探成果，坝基河床冲洪积层下伏弱风化基岩，其承载力可以满足大坝建设要求，但是其埋深较深，最深处可达14.0m，若将坝基开挖至弱风化基岩，开挖难度及工程量较大，工程投资将大幅增加。根据地质实验成果，坝基河床砂砾石层允许承载力为450 -550 kPa，基本能够满足坝基承载力≥340 kPa的设计要求。从工程技术可行、经济合理等方面考虑，设计将坝基置于砂砾石层上，同时提出采取固结灌浆等处理措施提高砂砾石坝基承载力。

针对南界田水电站坝基置于冲洪积砂砾石地层和处于地震频发地区的特殊地质条件，为解决坝基渗透稳定、坝体抗滑稳定等问题，同时提高坝基承载力，设计提出采用固结灌浆、高压旋喷灌浆、帷幕灌浆和冲孔灌注桩等坝基处理措施，各处理措施部位及技术要求如下：

3.1 固结灌浆

对坝基进行全面积水泥固结灌浆。灌浆孔距2.5m、排距2.5m、孔深5.0m，呈梅花形布置，孔向尽可能与岩石节理方向正交，使用风钻钻孔，一次钻至设计孔深，孔径≥42mm，终孔孔径≥36mm。灌浆技术要求如下：①先用高压水将孔内冲洗干净，在完整基岩地段采用单孔冲洗，在破碎地段进行群孔冲洗，冲洗至出水澄清为止，冲洗压力为灌浆压力的80%；表面不漏水即可进行灌浆；若表面漏水，则需先浇混凝土垫层，然后通过导出管进行灌浆；灌浆方法采用一次填塞式，在岩石破碎地段采用孔口循环式灌浆。②岩石裂隙不均匀部分，采用单孔灌浆；对于岩石透水率相近的孔眼，当灌浆泵的生产率大于各孔吸浆量的总和时，可采用二孔或三孔串联灌浆。③灌浆压力以不发生地面抬动为原则，孔口先以较小压力灌浆，浆液初凝后加大灌浆压力循环灌浆。④浆液浓度开始时采用5∶1，然后逐步加浓至0.5∶1，破碎带开始时可采用4∶1，之后视情况进行调整。

3.2 高压旋喷灌浆

在桩号坝0+030.1m-坝0+077.8m坝段上游侧布设单排高压旋喷灌浆防渗墙，采用三管法分两序施工，主要技术要求如下：①防渗墙深入弱风化层≥2.0m，墙体渗透系数≥5.0×10-5cm/s、抗压强度≥5MPa。②旋喷桩直径≥1.2m，灌浆孔孔距0.8m，钻孔偏斜率≤1%、孔径大于喷射管外径20mm以上、孔深超过设计墙底深度0.3m。③灌浆液采用P.O32.5普通硅酸盐水泥浆，浆液水灰比为1.5∶1-0.6∶1，并在水泥浆液中加入掺合料、速凝剂和减水剂等外加剂。④施工控制参数：水压力35MPa-40MPa、气压力0.6-0.8MPa、浆压力0.2-1.0MPa、回浆密度≥1.2g/cm3、提升速度(8-15)cm/min、转速[(0.8-1.0)v]r/min。⑤高喷灌浆过程中采取措施保证孔内浆液上返畅通，避免造成地层劈裂或地面抬动；高喷灌浆结束后利用回浆或水泥浆及时回灌，直至孔口浆面不下降为止。

3.3 帷幕灌浆

在坝基上游侧布设单排帷幕灌浆，孔距2.5m。左右岸挡水坝段起灌高程为坝底高程，孔深13m且达到岩层透水率q≤5Lu以下3m-5m；河床坝段即高喷防渗墙处的帷幕灌浆起灌高程为防渗墙顶部高程，孔底高程低于高喷墙底3m以上。施工主要技术要求如下：当固结灌浆完成后，或坝体砌至一定厚度后，分批进行帷幕钻孔及灌浆。钻孔采用旋回钻机自上而下一次钻进，孔径91mm，终孔孔径56mm，孔位分序逐步加密。钻孔完成后，用高压水对钻孔进行强烈冲洗后进行压水试验，求其单位吸水率。冲洗最大允许压力为灌浆压力的80%。灌浆采用分段循环灌浆法，并通过试验确定灌浆压力。当四周已完成固结灌浆,且已砌筑2-3m高砌体(已达4d龄期)，不破坏岩体的原则下，孔口压力可采用0.3MPa-0.5MPa，孔底压力可采用0.5-0.7MPa。灌浆浆液浓度开始时采用5∶1，逐步加浓至0.5∶1，破碎带开始时采用4∶1，以后视情况进行调整。灌浆结束28d后，根据压水试验及在灌浆过程中发现渗漏量大，耗灰量大或串浆，冒浆以及认为质量不好的地段布置检查孔。漏水率>5Lu时进行补孔灌浆，直至满足要求为止。检查孔的孔深较临近孔深3米左右，压水试验完成后需灌浆填塞。

3.4 冲孔灌注桩

在桩号坝0+030.1m-坝0+077.8m坝段基础布设冲孔灌注桩，桩径1.0m，间距3.0m，排距3.0m，梅花型布置，桩内灌注C20混凝土。施工主要技术要求如下：采用YKC-30型冲击钻钻孔，桩身穿过砂砾石层，并深入钙质胶结砾岩2.0m以上。建基面以下砂砾石层厚度不足2.0m处采用人工开挖，并用C20埋石混凝土回填处理。灌注桩孔口设置钢护筒，护筒内径>钻头直径200mm，上部开2个溢浆孔。护筒埋设深度≥1.5m，中心线与桩中心线偏差≤50mm，并保持孔内泥浆面高于地下水位1.5m以上。护筒与孔壁之间用黏土分层夯实，埋设护筒时，先在桩位处挖出比护筒外径大80cm的圆坑，填筑50cm厚的黏土，分层夯实，然后将护筒吊入，对称回填最佳含水量黏性土。泥浆应具有良好的物理性能、流动性能和化学稳定性能，主要控制指标为：黏土黏粒含量>50%、塑性指数>20、比重1.2-1.3g/cm3、黏度18-25s、含砂率<5%、失水量<3ml/30min、pH值7-9。泥浆在集中制浆系统中配制，并通过管路送至各桩孔口。钻孔每钻进4-5m深度验孔一次，在更换钻头前或容易缩孔处均做验孔。钻孔进入基岩后，每钻进100-300mm清孔取样一次，以备终孔验收。清孔过程中，不断置换泥浆，直至浇注水下混凝土。灌注混凝土前，孔底500mm以内泥浆相对密度<1.25，含砂率≥8%，黏度≥于28s，孔底沉渣厚度≤50mm。清孔后立即放入钢筋笼和导管，并固定在孔口的钢护筒上。钢筋笼下完并检查无误后立即灌注混凝土，间隔时间不超过4h。墙体材料采用C20混凝土，抗渗等级不低于W4，入孔坍落度为18-20cm，扩散度为34-38cm，坍落度保持15cm以上的时间≥1h，初凝时间≥6h，终凝时间≤24h，混凝土的密度≥2100kg/m3。灌注桩混凝土浇注后桩顶标高超出设计标高500mm以上，并对超高部分予以保护，基坑开挖完毕后，对超高部分予以凿除，并对桩头进行修整。灌注桩纵向主筋配10φ14，沿桩身周边均匀布置；箍筋采用螺旋式箍筋，配φ8@200mm。钢筋的混凝土保护层厚度为50mm。

坝基处理措施平面布置图详见图1，坝基处理措施剖面图详见图2。

图1 坝基处理措施平面布置图

图2 坝基处理措施剖面图

4 坝基处理效果评价

坝基处理效果主要通过对比处理前后坝体抗滑稳定安全系数是否满足规范要求和实际运行效果进行评价。

坝体抗滑稳定按下式计算：

(1)

式中：K为按抗剪强度计算的抗滑稳定安全系数；f为坝体混凝土与坝基接触面的抗剪摩擦系数；∑W为作用于计算截面以上坝体全部荷载(含扬压力)对滑裂面的法向分值，kN；∑P为作用于计算截面以上坝体全部荷载(含扬压力)对滑裂面的切向分值，kN。

按照上述计算方法，荷载组合考虑基本组合和特殊组合，计算坝基处理前后坝体抗滑稳定安全系数，成果详见表2。从表中可以看出，坝基处理前基本组合挡水坝段抗滑稳定安全系数为0.88、溢流坝段抗滑稳定安全系数为0.61，特殊组合挡水坝段抗滑稳定安全系数为0.75、溢流坝段抗滑稳定安全系数为0.52，均不能满足规范要求；坝基处理后基本组合挡水坝段抗滑稳定安全系数为1.22、溢流坝段抗滑稳定安全系数为1.14，特殊组合挡水坝段抗滑稳定安全系数为1.05、溢流坝段抗滑稳定安全系数为1.04，均能够满足规范要求。由此说明，设计提出的坝基处理措施能够有效地解决坝体抗滑稳定问题。

表2 坝基处理前后坝体抗滑稳定安全系数成果表

南界田水电站拦河坝坝顶设置有水平位移和垂直位移观测设施。其中，水平位移观测布设1条视准线，含9个测点、2个工作基点和2个校核基点；垂直位移观测布设9个测点、2个水准工作基点和2个水准校核基点。南界田水电站于2011年建成投产，运行至今已经经历了多场洪水，大坝未曾发生险情，目前暂未发现坝基渗漏问题。经查阅相关资料，南界田水电站建成投产以来，保山市共发生3级以上地震16次，其中2015年10月30日在昌宁县发生的5.1级地震震级为最大。根据长期观测数据显示，大坝位移在规范允许的安全范围内。由此说明，设计提出的坝基处理措施已经达到了预期效果。

5 结 语

南界田水电站地处地震频发地区，坝基为冲洪积砂砾石地层，地质条件相对较差。采用固结灌浆、高压旋喷灌浆、帷幕灌浆和冲孔灌注桩等坝基处理措施后，坝基渗透稳定、坝体抗滑稳定等问题得以解决，同时坝基承载力也得到提高。电站于2011年建成投产，至今已经安全平稳运行多年，运行期间经历了多场洪水和地震，安全监测数据显示大坝位移在规范允许的安全范围内，目前暂未发现坝基渗漏问题，表明坝基处理效果良好，2019年获得水利部颁发的“2018年度绿色小水电站”荣誉。