大规模断层破碎带上的重力坝基础处理措施

2022-01-10刘爱环唐洪亮

河南水利与南水北调 2021年11期

刘爱环，唐洪亮

（1.贵州省水利水电勘测设计研究院有限公司，贵州贵阳 550002；2.江口县水务局，贵州江口 554400）

1 工程概况

1.1 军屯水库简介

军屯水库枢纽位于长江流域沅江水系锦江的4级支流孟家溪上，坝址距江口县城22km，距怒溪镇10km。水库正常蓄水位438.20m，死水位423.70m（国家高程基准系统），总库容150万m3。军屯水库工程的任务是为江口县怒溪镇提供农业灌溉和居民生活用水。

军屯水库水源枢纽工程由堆石混凝土重力坝、溢流表孔、取水兼放空管等建筑物组成。重力坝最大坝高36.20m，坝顶高程441.20m，坝顶长177.30m，坝顶宽6.00m；大坝上游高程〈426.20m坝坡为1:0.20，以上为铅直；大坝下游高程〈434.70m坝坡为1:0.80 台阶状布置，以上坝坡为铅直；坝底最大宽度为33.40m。溢流表孔布置于河床坝段，共2孔，单孔宽7.50m，溢流坝段总长18m，堰顶上方布置交通桥连接左、右岸非溢流坝段。溢流表孔采用坝面台阶及消力池联合消能。取水兼放空管布置于大坝右岸坝段，由取水口、取水钢管、坝后闸阀室组成。

工程区地震动反应谱特征周期为0.35 s，地震动峰值加速度为0.05g，相应地震基本烈度为Ⅵ度，此工程主要建筑物级别为4级，故不考虑建筑物抗震设计。

1.2 工程地质简介

坝区出露地层为寒武系下统金顶山组、杷榔组（∈1p）及第四系覆盖层。①金顶山组（∈1j）：灰黑色含炭质页岩，岩质较为软弱，在空气中易风化崩解，为河床及左坝肩岩体，厚度〉100m，主要分布在河床及左岸。②杷榔组（∈1p）：层纹—条纹状粉砂质黏土岩，主要由黏土矿物、陆源碎屑等矿物组分构成，位于河床及右坝肩，F1断层下盘，挤压破碎严重，厚度〉80m。③第四系覆盖层（Q）：残坡积（Qel+dl）砂质黏土，位于两岸坡，厚度0～2m。冲积（Qal）砂砾石，位于河床，厚度1～4m。

在坝址区右岸发育一较大的断裂构造——逆断层F1（怒溪逆断层），怒溪逆断层通过库首右岸，走向北东，从太平场至孟家屯，长约10km，断层产状N16°～56°E/NW∠40°～84°，断层面近地表表现为陡倾，向深部发育倾角逐渐变小，断层影响带宽〉100m。

2 断层未揭露前地质评价及工程处理措施

根据工程地质测绘、勘探及物探等资料综合分析，逆断层向库区右岸及下坝址左岸沟谷延伸，断层破碎带一般宽3～6m，主要为断层泥，少量糜棱岩、片状岩（片理化不甚明显）、碎块岩，多呈条带状或透镜状，连续或断续分布于断层面附近。上盘影响带宽约20～80m，从地表向下逐渐变窄，且局部不明显表现出影响带特征。下盘影响带宽30～160m，从地表向下逐渐变窄，岩体节理裂隙极发育，局部可见压碎岩，碎块岩，岩石有被挤压拖拉挠曲现象，近地表派生小断裂较发育，影响带特征表现明显。受构造影响，岩层产状在断层带内变化较大，远离断层带变化相对较小，上下盘分别为80°～90°∠13°～27°、97°～105°∠12°～23°。

由于断层破碎带规模不大，且组成物质为断层泥为主，对基础的强度和压缩变形有一定影响，根据《混凝土重力坝设计规范》（SL319），挖除后用混凝土塞回填加固，工程处理措施如下：①混凝土塞回填加固。在坝基开挖至405m高程后，将断层破碎带进行清理，清理深度为4m，清理后用C15混凝土塞填充加固。混凝土塞深4m，底宽4m（断层宽度），见图1所示。混凝土塞向坝体外的上、下游各延伸8m，混凝土塞总长52m。②坝基固结灌浆。与坝体接触的断层范围及坝体向上、下游方向延伸5m的范围内，坝基固结灌浆孔距、排距加密，孔深加长：孔距和排距为1.50m，孔深为8m。③防渗帷幕灌浆。在断层两侧5m范围（直线距离22m）防渗灌浆孔距加密为1.00m。

图1 右岸断层破碎带混凝土塞断面示意图

3 断层揭露后地质评价

施工开挖揭露断层性状与初设基本一致，位置由原右坝肩变至河床（见图2），建基面断层泥夹糜棱岩碎石破碎带宽9～13m，两侧为糜棱岩夹断层泥破碎带，断层带总宽度为23～35m。因断层位置及规模发生了较大变化，同时断层带岩体参数变小（见表1），对坝基影响较大（见图3）。经对断层带进行钻孔补充勘察，在20m深度（〉385m高程）范围内，断层带岩体性状相差不大，物理力学参数没有较大提高，对断层带深挖置换意义不大。

表1 断层带及影响带基础岩体物理力学参数表

图2 F1断层开挖揭露位置与推测位置对比图

图3 坝基范围内断层实际分布图

4 断层处理方案拟定与比较

根据实际开挖揭露的断层破碎带的分布及物理力学性状，断层破碎带规模较大，对基础的强度和压缩变形影响较大，容易使坝基产生不均匀沉降，如果破碎带不处理，蓄水后会发生泥化，甚至产生机械或化学管涌，危及大坝安全。

经复核，如果继续沿用原处理方案，则坐落在断层破碎带段基础上的大坝最小滑动安全系数正常蓄水位和设计洪水位工况下的最小安全系数为1.68 〈［3.00 ］，校核洪水位工况下的最小安全系数为1.65 〈［2.50 ］，坝体基底最大应力不满足坝基承载力要求。为保证大坝安全及水库正常运行，右岸河床坝段基础型式需进一步研究，以下拟定2个处理方案进行比较。

方案1：扩大基础方案（见图4）。该方案是指坝横0+035.150 ～坝横0+088.150 坝段415.20m以下高程进行整体浇筑，形成扩大基础，使坝体整体抗滑稳定。基底405.00 ～405.20m高程采用二级配C25混凝土进行封闭，405.20 ～415.20m高程范围设置为10m厚的C15自密实堆石混凝土扩大基础。

图4 扩大基础方案大坝断面设计图

方案2：桩基式抗滑刚体方案（见图5、图6）。该方案是指坝横0+035.150 ～坝横0+088.150 坝段底部增设5根C30混凝土桩基式抗滑刚体。抗滑刚体采用椭圆形断面，单根长12.50m，深入基岩8m。抗滑刚体截面采用椭圆形，d=2500mm，L=1300mm。

图5 抗滑刚体方案平面布置图

图6 抗滑刚体大样图

经计算，扩大基础方案坝段正常蓄水位和设计洪水位工况下的最小滑动安全系数为3.40 〉［3.00 ］，校核洪水位工况下的最小滑动安全系数为3.50 〉［2.50 ］，坝体基底最大应力满足坝基承载力要求。桩基式抗滑刚体方案正常蓄水位和设计洪水位工况下的最小滑动安全系数为3.50 〉［3.00 ］，校核洪水位工况下的最小滑动安全系数为3.50 〉［2.50 ］，桩侧最大应力在侧承载能力范围内，满足规范要求。两个方案均能满足大坝稳定和承载力要求。

由表2可知，桩基式抗滑刚体方案施工工期较长、难度大、临时费用较高，工程投资较扩大基础方案增加71万元，经比较最终采用扩大基础方案。

表2 方案比较表

5 断层处理实施情况

5.1 大坝结构调整

右岸坝段（坝横0+000.000 ～0+坝横088.150 ）总长88.15m，原设计为3个坝段，单坝段长为28～30m，由于右岸实际揭露地质条件较差，为适应不良的地质条件，提高坝体的整体稳定性能，将右岸坝段调整为2个坝段，具体设计为:坝横0+000.000 ～坝横0+048.150 坝段总长48.15m，为1个坝段，基础高程为408.00 ～441.20m；坝横0+048.150 ～坝横0+088.150 坝段总长40m，为1个坝段，基础高程为408m。坝横0+000.000 ～坝横0+035.150 坝段基础高程为415.00 ～441.20m，浇筑3m厚三级配C15混凝土垫层，因担心断层切割会对右岸高边坡(临时边坡总高度为100m)造成不利影响，该垫层作为边坡的临时支护先行实施。右岸坝段调整如图7所示。

图7 基础为断层的坝段上游立视图

5.2 坝基固结灌浆

右岸大坝坝横0+000.000 ～0+088.150 坝段基础的固结灌浆分为3个区：帷幕线上游区、帷幕线下游区和断层泥区。1区（帷幕线上游区）：深入基岩8m，间排距3m，梅花型布置；2区（帷幕线下游区）：深入基岩5m，间排距3m，梅花型布置；3区（断层泥区）：深入基岩8m，间排距1.50m，梅花型布置。固结灌浆孔孔径为80mm，孔中心设2根25钢筋束，灌注P·O42.5普通硅酸盐水泥，如图8所示。

图8 固结灌浆孔横断面设计图

5.3 防渗帷幕灌浆

帷幕灌浆的原则不变，因断层位置和宽度改变，灌浆量发生变化。防渗帷幕沿坝轴线布置，左、右岸接地下水位，进入地下相对稳定水位〉5m，防渗帷幕底界伸入至弱风化下限以下10～20m。

防渗帷幕除右岸坝肩边坡2m长度（坝横0-27.345 ～坝横0-25.345 ）为双排布置（排距1m）外，其余部位（坝横0-25.345 ～坝横0+200.300）均按单排布置。断层带左右5m内（坝横0+058.150 ～坝横0+082.150 ）孔距1.00m，其余（坝横0-27.345 ～坝横0+058.150 、坝横0+082.150 ～坝横0+200.300 ）孔距2m。