石虎塘航电枢纽工程泄水闸段地基固结灌浆设计

2020-10-31杨秀荣熊晖

水利水电工程设计 2020年1期

杨秀荣熊晖

1 工程概况

石虎塘航电枢纽是一座以航运为主，兼顾发电等综合利用的Ⅱ等大（2）型航电枢纽工程。工程正常蓄水位56.50 m，相应库容1.668 亿m3，电站装机容量120 MW，航道及船闸等级为Ⅱ级。枢纽主要水工建筑物按3 级设计，次要建筑物按4 级设计。

枢纽建筑物坝顶总长1 639.65 m，从左到右依次为左岸土坝、船闸、泄水闸、厂房、右岸连接坝段和右岸土坝，鱼道和导排渠从右岸土坝穿过，二线船闸布置在左船闸的左侧。其中泄水闸为开敞式，布置于河床中部，起止桩号为0+043.4—0+575.4 m，共23 孔，单闸孔净宽20 m，闸底板建基高程41.00 m，采用宽顶堰型，堰顶高程46.70 m，工作闸门为露顶弧型钢闸门，泄水闸前缘总长532 m。

2 闸基固结灌浆的必要性及目的

2.1 泄水闸段地质条件

泄水闸处河床高程44.00～47.10 m，表部为全新统冲积的砂及砂卵砾石层，松散-稍密状，厚度一般3.9～9.6 m，左侧河床略厚，右侧较薄。下伏基岩主要为白垩系上统赣州群周田组第四岩组紫红色厚层状泥质粉砂岩、粉砂质泥岩夹薄层泥页岩及第三岩组紫红色厚层状泥质粉砂岩夹粉砂质泥岩、灰绿色中薄层粉细砂岩等，两者中均发育有泥化夹层。基岩上部为全强风化层，厚度1.0～2.9 m，弱风化基岩顶板埋深4.7～15.3 m，相应高程37.37～42.32 m。清基后坝基岩体主要为CⅣ类，透水性中等-弱，其主要工程地质如下：

（1）闸段河床砂卵砾石层渗透系数K=1×10-1～1.8×10-4cm/s，属中-强透水层，松散-密实状。全强风化岩体因强度较低，透水率较大，亦应清除。

（2）弱-微风化的泥质粉砂岩、粉砂质泥岩主要为CⅣ类岩体，其声波纵波波速2 000～4 000 m/s，抗压强度 5～15 MPa，完整性系数Kv=0.25～0.46，开挖至40.0 m 高程上下后的基岩主要为弱风化岩体，可作为建基面。局部闸基分布有薄层泥岩等软弱岩层，或局部强风化岩体，可能产生较大变形量，需挖除至弱风化岩面。

（3）闸基岩体透水率一般小于10 Lu，若以q≤5 Lu 作为相对隔水层，则闸段相对隔水层顶板埋深6.2～29.3 m，相应高程40.86～18.61 m。有两处基岩透水率较大，一处为ZKZ4孔，透水岩体厚21.6 m，宽50～80 m，岩芯破碎。另一处为ZKZ6 孔，透水岩体厚约10 m，宽约50 m，裂隙发育，且多微张或张开。

（4）闸址断层多为压扭性断层，开挖中如发现断层，采用开挖置换混凝土塞的处理措施，开挖深度为断层宽度的1.5 倍，规模较大者，再进行深部灌浆处理。

（5）抗滑稳定问题：坝基基岩中存在软弱化泥化夹层，坝基岩体主要为（K2z4）岩组地层，未发现较大断层通过。对影响抗滑稳定的夹层，采用齿槽切断，混凝土置换措施，以提高坝基岩体的抗滑稳定性。

2.2 固结灌浆的必要性

根据泄水闸段地勘成果及处理建议，为了提高泄水闸地基的完整性和增强浅部防渗效果，对整个闸室段（全长532 m）地基进行固结灌浆处理，灌浆孔距3.0 m，排距1.5 m，呈梅花形布置，孔深5.0 m。对于分布在局部的断层破碎带及软弱夹层带，灌浆孔距加密至2.5 m，孔深加深至8.0 m。

2.2.1 改善建基岩体的完整性和均一性，降低不均匀沉降的风险

闸基河床高程43.60～47.10 m，左岸为宽400～800 m 的高漫滩，滩面高程53.11～56.35 m，右岸为宽300～500 m的一级阶地，阶面高程52.00～56.00 m。

闸基岩体主要为K2z5、K2z4的泥质粉砂岩、粉砂质泥岩，其弱风化基岩顶板高程37.37～42.32 m，弱风化粉砂质泥岩单轴饱和抗压强度Rb=6.6～10.4 MPa，弱风化泥质粉砂单轴饱和抗压强度Rb=8.5～15.3 MPa，均属于软岩。设计对闸室稳定（浅层及深层）及基底应力分别进行了计算，计算结果见表1、2。

表1 闸室稳定（浅层抗滑、抗浮）及基底压应力计算成果表

表2 泄水闸深层抗滑稳定计算成果表

由表1和表2可以看出，闸基底最大应力276 kPa（特殊组合检修工况），最不利抗滑稳定工况安全系数1.76（深层抗滑检修情况），计算结果尚能满足设计规范[1]要求并略有余度。

从强度、波速成果分析，坝基岩体天然状态下均一性较差，存在不均匀性沉降问题，且施工开挖时对局部岩体整体性也产生一定的影响和破坏，因此，实施固结灌浆是必要的。

2.2.2 提高闸基础浅部防渗效果

石虎塘航电枢纽主要建筑物等级为3 级且为低坝，依据规范要求，采用q≤5 Lu 作为相对隔水层，则闸坝段相对隔水层顶板埋深6.2～29.3 m，相应高程40.86～18.61 m。据现有钻孔提示，闸坝区内有两处基岩透水率较大，一处为ZKZ4孔，透水岩体厚21.6 m，宽50～80 m；岩芯破碎另一处为ZKZ6孔，透水岩体厚约10 m，宽约50 m，裂隙发育。为减少坝基渗流量和坝基面的渗透压力，坝基上游测设防渗帷幕1 道，帷幕深度按q≤5 Lu 线控制，孔距为2.0 m。

本工程挡水高度仅10 m 左右，为了节省工程投资，加快施工进度，缩短工期，不影响闸底板混凝土的浇筑，坝基础没有设帷幕灌浆廊道，结合泄水闸底板上游侧齿墙基础开挖形成一工作面，在上游0-000.5 处设一单排防渗帷幕。

因闸底板内没有设帷幕灌浆廊道，工程蓄水后，一旦闸基防渗帷幕出现问题，有水时不具备检修条件。通过对闸基范围内进行固结灌浆，可以降低岩体透水率，增强防渗帷幕的安全储备，对工程安全运行具有一定的意义。

经初步概算，闸基范围内的固结灌浆投资约100 万元，约占工程总投资22 亿元的比例相对较小，结合已建工程经验，石虎塘航电枢纽工程对泄水闸基础范围内进行固结灌浆是非常必要的。

2.3 固结试验灌浆布置

工程闸基开挖后，首先在工程区内选择具有代表性地段进行固结试验灌浆，通过试验验证固结灌浆设计参数。

2.3.1 固结试验灌浆区的选择和试验孔的布置

经对泄水闸段的地质条件分析，结合建筑物的布置，拟选两个试验区即ZKZ6 孔（A 区）及ZKZ4 孔（B 区）附近，地质钻孔孔位如图1 所示，控制在泄水闸闸室段区域内，灌浆试验完毕后即可作为基础处理的一部分。此两试验场地分别代表软化-泥化夹层（A 区）及基岩透水率较大试验区（B 区），两区分别测试试验前和试验后的岩体各物理力学指标。通过对闸基固结灌浆，A 区重点检验试验后岩体完整性的改善和提高，B 区重点检验透水率的降低，对灌浆前后闸基岩体力学指标进行详细测试和准确记录，对比试验前后各指标的提高和改善：水泥固结后的岩心单轴抗压强度、岩心RQD、岩体抗剪强度指标、岩体声波纵波速度vp、岩体完整性系数、岩体透水率等。

A 区及B 区均选择常规固结灌浆方法，各区内布置灌浆孔及检查孔共9 个（AG1-AG9）、（BG1-BG9），孔位布置如图1 所示，灌浆试验工艺及技术要求遵循规程要求进行。