五莲县龙潭沟水库坝基处理技术应用分析

穆国栋，卞立攀，冯新权

（1.水发集团有限公司，山东 济南 250000；2.山东省科学院，山东 济南 250014）

龙潭沟水库工程位于山东省日照市五莲县潮白河上游，坝址位于五莲县户部乡上沟村西。水库大坝为碾压式混凝土重力坝，是山东省第一座碾压混凝土重力坝，最大坝高69.206 m，坝顶轴线长264.0 m，其中溢流坝段长30.0 m，其余为非溢流坝段。坝顶宽6.0 m，上游137.0 m 高程以上为直坡，137.0 m 以下坡比为1∶0.2，下游坡比为1∶0.8。水库主要指标：校核洪水位（P=0.1%）170.51 m，设计洪水位（P=2%）168.40 m，正常蓄水位161.85 m，死水位137.00 m，总库容1 078 万m3。

断层一直是混凝土重力坝的安全难题，特别是在龙潭沟水库大坝基槽开挖后，出现了特大地质断层，宽度近20 m，经过初步计算，传统混凝土塞做法在设计洪水期抗滑安全系数小于规范允许值，并且在将底边改为斜面后，仍无法满足工程稳定安全。因此，需要对断层加固处理进行研究，在多方查阅有关资料基础上，对断层灌浆和混凝土塞进行结构上创新。

1 地质概况

根据施工图地质资料，坝址区地层岩性主要为第四系松散堆积层和基岩。第四系松散堆积层分布在河谷段，岩性为冲积堆积的卵石、漂石层。坝基基岩主要分布两种岩性，一种为晚元古代荣成超单元威海单元片麻状正长花岗岩；一种为中生代燕山晚期崂山超单元八水河单元二长花岗岩。在两种岩体中还穿插闪斜煌斑岩脉。

坝址处断层共有F1～F4 四个较大断层，其中F4 断层最大，为特大断层，也是对坝体稳定影响最大的断层，本文主要针对此断层的加固进行研究。

F4 断层沿谷底右岸延伸，其中心位于勘探桩号0+175，与坝轴线近于直交，走向NE50°，倾向NW，倾角85°。断裂长10 km，深度超过2 km，带内岩石挤压强烈，节理发育，风化破碎严重。断层2 侧为中等风化正长花岗岩、二长花岗岩的岩石RQD 一般为27.8～52.2；饱和单轴抗压强度试验值32.6～122.0 MPa，平均值为91.75 MPa，属坚硬岩，岩体分类为Ⅲ类。

2 传统工程措施

对断层的处理，传统工程措施主要是固结灌浆、帷幕灌浆、拉结锚杆和混凝土塞加盖等。

2.1 规范规定

根据《重力坝设计规范》规定：

1）宜在坝基上游和下游一定的范围内进行固结灌浆；断层破碎带及其两侧影响带或其他地质缺陷应加强固结灌浆。固结灌浆孔的孔距、排距可采用3～4 m，固结灌浆深度应根据坝高和开挖以后的地质条件确定，可采用5～8 m；局部地区及坝基应力较大的高坝基础，必要时可适当加深，帷幕上游区宜根据帷幕深度采用8～15 m。悬挂式帷幕深度通常在0.3～0.7 倍水头范围内选择，坝高100 m 以下的可采用一排。对地质条件较差、岩体裂隙特别发育或可能发生渗透变形的地段或研究认为有必要加强防渗帷幕时，可适当增加帷幕排数，帷幕孔距可为1.5～3 m，排距宜比孔距略小。

2）混凝土塞。断层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，混凝土塞的深度可采用1.0～1.5 倍断层破碎带的宽度或根据计算确定。贯穿坝基上、下游的纵向断层破碎带的处理，宜向上、下游坝基外适当延伸。规模较大的断层破碎带或断层交汇带，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影响时，必须进行专门的处理设计。由于龙潭沟断层内岩性为夹泥靡稜岩，固结灌浆和帷幕灌浆完全按照规范建议，很难达到加固效果，而混凝土塞深度按照规范至少要20 m 深，这显然不可接受，因此，需要在借鉴国内外断层加固工程经验的基础上，进行专门研究。

2.2 断层加固工程实例

从有关资料查得，断层的加固工程措施，需要根据不同的坝型和不同的断层特性，根据国内外的有关资料，高度较大的混凝土坝坝基断层处理，基本都是将断层开挖至一定深度和宽度，挖除软弱破碎岩石、然后回填混凝土，使其能满足基础稳定的要求。对断层采用混凝土塞的处理方案，在国内外都有成功的案例，如美国的沙斯塔坝、印度的巴克拉坝，以及我国的新安江和月江口等工程。

青铜峡工程根据具体条件，在研究了固结灌浆法、混凝土拱梁法、大型受拉桩等加固方案，最后也是采用了混凝土塞的办法，其灌浆也进行了加密处理。

3 断层加固工程措施

除了保持底边向上游倾斜外，采取了以下断层加固工程创新措施。

1）由于断层上游窄下游宽的平面形状，不利于抗滑稳定，因此，结合两侧岩石影响带情况，加宽上游开口，尺寸加大到33 m，形成上游宽下游窄的平面形状。这种形状相当于形成一个楔形体，嵌入两边完整性好、强度较高的岩石内，在上游水平压力的作用下有利于混凝土塞的稳定。

2）混凝土塞两侧伸到断层影响带以外，上游超出坝体2.0 m，下游超出坝体3.0 m；上游侧加设前趾，深5.0 m，宽5.0 m，下游侧加设后踵，深3.0 m，宽5.0 m，并向两侧各伸入中等风化岩石中3.0 m。在混凝土塞中部两侧各设平隼一个，伸入两侧岩石中3.0 m，深4.5 m。混凝土浇筑时，先施工上下游各30 m，再以微膨胀混凝土施工中部混凝土，并对施工冷缝处理。

3）断层范围内，帷幕灌浆突破规范要求的一排，改为三排，排距加密到0.6 m，深度加深到50 m。

4）断层内固结灌浆深度为30 m 和20 m，间距为1.5 m；大坝轴线以前灌浆间距为1.5 m，大坝轴线以后灌浆间距为3.0 m；在混凝土塞两侧与中等风化岩石接触面进行接触灌浆，间距1.5 m，深4.5 m。

5）在坝后断层范围内进行固结灌浆，以加强混凝土塞后土体稳定性，从而加强混凝土塞的稳定性，灌浆范围自坝边向下游10 m，深度为15.0 m，间距1.5 m，梅花形布置，技术要求同坝底固结灌浆。

方案如图1、图2 所示：

图1 混凝土塞平面图

图2 混凝土塞剖面图

4 计算分析

4.1 混凝土塞抗滑稳定计算

断层带宽度为15.0～17.0 m，混凝土塞宽度为33.0～29.0 m，计算模型宽度为33.0 m，计算宽度内坝底面面积2 159 m2，其中断层面积1 450 m2，占67.2%，中等风化岩石面积709 m2，占32.8%。

计算工况为设计洪水期。

竖向力及水平推力计算见表1。

表1 竖向力及水平推力计算表

考虑底面倾角1.75°因素，进行受力分解后：总竖向力为1 702 768 kN；总水平力为9 629 939 kN。

阻滑力计算见表2。

表2 阻滑力计算表

因此，混凝土塞抗滑稳定安全系数

混凝土塞满足规范规定的抗滑要求。

4.2 单隼抗剪强度复核

由于混凝土塞稳定必须满足其结构的强度要求，因此，需要符合混凝土隼的抗剪强度。

单隼所受剪力：Q=16 086.6 kN

单隼抗剪能力：V=a·ft·b·h0=17 151.8 kN>Q

因此，单隼结构满足抗剪要求。

从计算结果可以看出，混凝土塞满足规范规定的抗滑稳定要求。

5 结构应力分析

传统混凝土塞计算主要为弹性深梁计算模型，论文《从青铜峡水电站的原型观测成果谈坝基断层混凝土塞的设计问题》中提到：青铜峡以及丹江口、云峰等工程断层处理多年来的原型观测成果对于混凝土塞的实际作用和传力情况，以及温度、应力提供了系统的资料。

从已有的一些研究成果可以看出：一般按基础深梁的理论设计混凝土塞，由于只考虑了坝体传来的垂直正应力和充填带的弹性抗力等，而忽略了断层两侧坚硬岩壁的抗力和坝体刚度的作用，以及混凝土塞的几何尺寸、湿度膨胀和温度应力等因素的影响，使得计算假定与实际情况出入较大。因此，混凝土塞实际上不是起着梁的作用，按固端深梁的计算方法设计是不合理的，应当研究改进。

本文研究中，考虑到本工程混凝土塞为空间结构，厚度不超过断层宽度的0.5 倍，传统方法无法考虑平面楔形体的应力影响，因此，采用了空间有限元模型进行计算，结合靡稜岩的力学特性，约束支座采用竖向弹性支撑，侧向无约束的单向支座模型。计算深度取混凝土塞厚度的2倍，经计算，混凝土塞对周围岩体压力满足岩石的抗压强度，内部压应力和拉应力均满足规范要求，结合施工期温度应力的要求，混凝土塞设置上下两层钢筋22@300，以保证混凝土塞的结构安全。

6 结论及效果

6.1 结 论

断层内岩性一般较差，基本是严重的风化破碎，而且其位置往往在坝体中间位置，对断层的处理是大坝是否稳定的关键。

1）应加强断层内固结灌浆和帷幕灌浆，可在规范的基础上增加排数或终孔间距。

2）混凝土塞除了传统的做成底斜面办法外，可以在侧面和底面岩石内做一道或数道混凝土隼，以增强混凝土塞的抗滑性能。

3）在混凝土塞后的断层一定范围内做固结灌浆，以增强其后土体对塞体的稳定抗滑力。

4）可以通过静压爆破的办法，将混凝土塞平面形状调整为上游宽下游窄的形状，利用楔形体作用达到混凝土塞稳定目的。

5）采用空间有限元进行结构计算，根据岩性特点，合理确定约束形式，配置一定量的钢筋，保证结构安全。

6.2 混凝土塞改进效果

从2013 年大坝蓄水运行以来，大坝在各水位工况下稳定运行，从近10 年观测数据分析，滑动变形量很小，断层内坝基排水管基本在管口以下，说明断层处理是成功的，对类似工程问题的处理有很好的借鉴意义。