旁海航电枢纽断层带坝基处理措施

2020-11-27任启江印术宇

水运工程 2020年11期

凌威，任启江，王能，印术宇

(湖南省交通规划勘察设计院有限公司，湖南长沙410200)

1 工程概况

旁海航电枢纽位于贵州黔东南凯里市境内，为清水江干流革东以上河段12 级梯级规划开发方案中的第8 座梯级，是1 座以航运为主、兼顾发电及旅游等综合利用的航电枢纽工程，工程等别为3 等，主要建筑物从左至右依次为左岸副坝、船闸、水闸、电站主厂房、电站安装场及右岸副坝(安装平台)。枢纽平面布置见图1，水闸布置于河床的主河道，沿坝轴线方向长度94 m，共分为4 个结构段，采用孔中分缝。坝顶高程568.5 m，水闸由5 孔净宽为14 m 泄水孔组成，最大工作水头23 m，最大坝高40.5 m。

图1 枢纽平面布置(单位: m)

2 地质条件

枢纽坝基岩体工程地质类别可划分为3 类:1)左岸及左侧河床岩性以奥陶系大湾组(O1d)砂质灰岩、泥质灰岩为主，局部夹页岩，该类岩体较完整，岩体的强度较高。 2)河床中部为F1断层破碎带及影响带，以碎裂岩、糜棱岩、断层泥为主，岩体破碎、力学强度低、声波值低；断层带内充填密实，透水性弱。断层影响带2 ～10 m，局部影响带较宽，断层延伸长度约3 km。 3)右岸及右侧河床岩性为志留系翁项群(S2-3wn)绿泥石板岩夹页岩，该类岩体较完整，局部完整性差，岩体的强度较低。枢纽地质情况见图2。

根据地质平、立面图及一期围堰基坑揭示情况， F1断层破碎带及影响带宽度约45 m，于坝址处沿水流方向延伸，泄水闸4#、 5#、 6#闸墩结构段均处于断层带内；断层带厚度大于40 m，钻孔未揭穿。

图2 泄水闸范围地质

F1断层跨结构方向范围大、厚度深、物理力学指标较低，虽透水性差，但在长期的库区水位下，渗流可能带走断层中的细小颗粒，产生渗透破坏。 F1断层及坝基岩石物理力学参数见表1。

表1 岩石物理力学推荐

3 地基处理措施

为保证建筑物的安全及正常使用，本工程中F1断层破碎及影响带必须通过处理，以提高基础的强度和整体性，减小基础沉降。对岩基中的断层破碎带处理措施一般以开挖为主，并回填混凝土；当开挖量过大时，可采用桩基、梁等跨越的方式进行处理[1]。从工程造价、施工导流、工期进度、处理效果等综合考虑，本工程若采取将F1断层大规模开挖后换填混凝土，或在坝基下设置桩基承台形成跨越断层的处理方式都是不合适的。

通过对水闸结构初步验算，稳定性欠缺主要表现在坝体的抗滑安全系数偏小，而地基承载力和沉降的问题并不突出，可通过有效的灌浆提高断层破碎带的整体性和力学强度，结合调整坝体体型、优化结构分缝等方式尽量使结构基底应力更小、更均匀来加以改善。对于坝基抗滑稳定性问题，一方面，参考筱溪水电站和锦屏二级水电站坝基的处理方式[2-4]，提出在固结灌浆孔位再增加坝基抗剪锚筋桩以提高结构的滑阻力；另一方面，在坝轴线位置设置两排帷幕灌浆孔，并设置排水通道，形成坝基防渗体系，从而有效减小扬压力作用，为防止帷幕灌浆失效，坝体内设置灌浆廊道以及时进行补浆和维修。

3.1 固结灌浆

灌浆处理设计方案: 在F1断层破碎及影响带内全范围布置固结灌浆孔，采用梅花形布置，孔距2 ～3 m，孔径120 mm，孔深12 m，灌浆在有3 m厚盖重混凝土下进行，浇筑混凝土前，在灌浆孔位预埋内径为120 mm 钢管作为钻孔和灌浆通道。

断层带内糜棱岩、断层泥等充填密实、裂隙较小、物质胶结性差且呈散体结构，常规灌浆方式较难使水泥浆填充，出现常说的“不吃浆” 现象；断层带原岩体为层状结构，岩体中存在易于劈裂的结构面，水泥浆液在压力作用下侵入劈裂岩体，必须控制灌浆压力和注入率，防止混凝土盖重发生突变性抬动。通过现场灌浆试验证明，当采用“自下而上纯压式分段灌浆” “孔口封闭灌浆法” 时，断层带内难以进浆，增加灌浆压力会使盖重发生显著抬动，低压灌注则无法进浆，常规灌浆方式不适用。

针对上述方法出现的问题，提出了高压脉冲灌浆。灌浆工作原理: 先采用钻机一次性钻至灌浆孔底部，灌浆时在各孔段内自下而上提升灌注，各孔段分段不宜过长；灌浆过程中，以预先安装的浅层抬动观测装置所示的抬动值和浆液注入量作为条件，控制最大劈裂压力，利用三缸往复式高压注浆泵产生的瞬间冲挤高压将浆液挤入，从而达到进浆效果[5-7]。高压脉冲灌浆工作原理及分段施工过程见图3。

图3 自下而上分段高压脉冲灌浆工作原理

单个固结灌浆孔按1 ～3 m∕段共分为6 段，其中接触段长1 m；浆液水灰比为0.8∶1。灌浆时按照“浓浆挤密、分段灌入、逐段控制灌浆压力”的原则并以段长1 ～2 m 自下至上纯压脉冲灌注。根据先期试验，在控制抬动量(≤0.05 mm)和单位注入量(50 kg∕m)时，断层带岩体的浆力劈裂压力p＜1.6 MPa；施工时，采取强制性灌浆方式，控制抬动量为0.2 mm，确定每一段最大灌浆压力，接触段灌浆压力为0.5 ～1.2 MPa，基岩段灌浆压力为2～3.5 MPa。

灌浆过程中，当抬动量不大于0.05 mm 时，逐渐提高灌浆压力，并控制注入率；抬动量不大于0.1 mm 时，灌浆升压过程中控制注入率不大于5 L∕min，如果抬动量稳定，可逐级升压，否则停止升压。结束标准: 灌浆压力2.0 MPa 时，灌入量达到100 L∕m 可结束灌浆；灌浆压力3.5 MPa时，灌入量达到60 L∕m 可结束灌浆。

3.2 锚筋桩

锚筋桩是通过在地基内钻孔浇筑形成桩体并锚固于建筑物内部，使建筑物基础与地基连接形成更为牢固的整体，桩体具有水平承载能力，提高了建筑物的整体抗滑性。通过初步制定锚筋桩的布置方案，反算建筑物的整体稳定性结果[8-9]。

锚筋桩桩位布置与固结灌浆孔孔位一致，锚筋桩钻孔待固结灌浆完成后，于原孔位预埋钢管处再次钻进；为便于锚筋和注浆管的安放及满足锚筋水泥浆保护层厚度，钻孔孔径为120 mm。清孔后于孔内插入3 根点焊成束、直径为32 mm 的HRB400 钢筋。锚筋桩设计流程见图4。

初步确定锚筋桩单根桩长15 m，其中入岩锚固段10.5 m，盖重混凝土段3 m，上端锚固于主体结构中，锚固长度1.5 m，钢筋定位完成后，全钻孔断面采用水泥砂浆灌注封孔。以中间闸孔结构段为例，共189 根锚筋桩。

图4 锚筋桩设计流程

锚筋桩的抗剪能力由锚筋抗拔力的水平分力、附加剪面摩擦力及桩周岩体抗力等综合效应组成，抗滑作用时产生的滑阻力可根据瑞士联邦理工学院试验提出的经验公式[10]计算抗滑力，其表达式为:

式中:T0(kN)为锚筋桩产生的抗滑力；Pt(kN)为单根锚筋桩的最大拉力； σc(MPa)为岩石的单轴抗压强度， 10 MPa≤σc≤70 MPa；i和φ 分别为裂隙或潜在滑裂面的剪胀角和摩擦角(°)； α 为锚杆的倾角(0°≤α≤30°)。

4 处理效果分析

4.1 灌浆试验

灌浆钻孔孔距、排距均为2 m，并按分序加密的原则进行。固结灌浆试验施工结束14 d 后，采用单孔法和跨孔法进行声波测试，测试结果见表2。采用固结灌浆后，跨孔声波检测3 条剖面A-B、A-C、 B-C 波速，平均提高12.8%、 9%、 11%，单孔声波检测A、 B、 C 波速，平均提高12.4%、 7.7%、9.2%，断层带整体波速提高10%以上；岩石完整性指数平均提高20%以上，表明该灌浆处理方式有效提高了泄水闸断层带基础的整体性，灌浆效果良好。

表2 声波测试成果

4.2 锚筋桩抗滑能力计算

结构优化设计时，将坝基开挖成向上游倾斜的平面，可适当提高建筑物抗滑安全性，水闸闸室底板与地基处理断面见图5，坝底混凝土与坝基接触面和水平面相交的倾角为θ，建筑物沿闸室基底面的抗滑稳定安全系数Kc可按式(2)计算。

图5 水闸闸室基础处理断面(单位: m)

式中:T0为锚筋桩产生的抗滑力；N为锚筋桩根数；f′为闸室基底面与岩石地基之间的抗剪断摩擦系数；c′为闸室基底与岩石地基之间的抗剪断黏结力； ∑G为作用在闸室上全部铅直荷载(不包括扬压力)； ∑H为作用在闸室上全部水平荷载；U为扬压力；A为闸室基底面积。

以水闸中间闸孔结构段在正常挡水和检修两种工况为例，对建筑物的抗滑稳定性进行验算，将固结灌浆处理后F1断层带力学指标和完整性的提升作为安全储备，f′、c′仍按表1 中参数取值。即: σc=50 MPa，i=10°， φ=30°，Pt=868 kN，θ=3°，f′=0.49，c′=0.08 MPa，A=765 m2，N=189 根。表3 为地基处理前后及锚筋桩不同倾角下抗滑稳定计算成果，由此可见，锚筋桩能够提供较大抗滑力，使坝基抗剪强度增加，锚筋垂直布置时，结构抗滑安全系数提高约60%；若使锚筋桩顶部略向下游倾斜，与竖直平面呈一定夹角(15°≤α ≤30°)，抗滑安全系数更进一步提高64%～72%，安全性提升幅度不明显，因此，为减小施工难度及锚筋桩工程量，锚筋桩垂直布置亦能满足设计需求。