迷云山塘工程拱坝不良地质条件基础处理的技术探讨

许凌锥

(福州市水利水电开发公司，福建 福州 350001)

0 引言

拱坝是固接于基岩的空间壳体结构，在平面上呈凸向上游的拱形，其承受的荷载一部分通过拱的作用压向两岸，另一部分通过竖直梁的作用传到坝底基岩。由于坝体的稳定主要依靠两岸拱端的反力作用，不像重力坝那样依靠自重来维持稳定，因此拱坝对坝址的地形地质条件要求较高，对基础处理的要求也较严格。为了减小不良地质现象对拱坝结构安全的影响，本文以迷云山塘工程为例，综合采取灌浆、置换、基础拱桥等基础处理措施，其中重点论述基础拱桥的设计方案，确保坝体在断层破碎带、节理裂隙等不良地质条件下安全运行，同时满足节约投资、经济合理的要求。

1 工程基本资料

1.1 工程概况

迷云山塘坝址位于马尾上德村上游约1.8 km的峡谷处，本工程主要是以调蓄洪水为主，山塘总库容9.40万 m3，死库容0.69万 m3，防洪库容8.71万 m3，坝基高程162.0 m，坝顶高程192.4 m，最大坝高30.4 m，防浪墙顶高程193.36 m，溢洪堰顶高程191.10 m，放水管高程175.17 m。根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》规定，本工程为V等工程，主要建筑物为5级，次要建筑物为5级，防洪标准按20 a一遇设计，100 a一遇校核。由于坝址以下平原防涝区内有重要企事业数十家，还有机场高速、福州科技园区马尾园等重要工程设施，为保障下游的安全，由马尾区农发局组织召开的福州市马尾区迷云山塘工程初步设计审查会议上决定，建筑物级别及防洪标准提高一级，为V等工程，主要建筑物为4级，次要建筑物为5级，防洪标准按30 a一遇设计，200 a一遇校核。

1.2 工程地质

迷云山塘坝址位于上德村上游约1.8 km的峡谷处，河谷成较对称的“V”字型。左岸坡度约37°，右岸坡度约30°。左岸高程约195 m处有条带状弱风化基岩出露，其余长有杂树，河床靠右侧有大片弱风化花岗岩基岩裸露，地质构造主要表现为断层及节理裂隙。

根据工程地质勘察报告，坝址位置存在影响拱坝结构安全的地质现象：河床顺河F1断层破碎带及右岸顺河F2断层破碎带。河床顺河F1断层破碎带，宽约13.3 m，断层中有孤石和夹层泥等；右岸顺河F2断层破碎带，总宽度(含中间破碎岩石)约12 m，破碎带中含粘性土。大坝坝基开挖时两岸边坡存在崩塌掉块，工程完工后存在坝基顺河向断层渗漏、绕坝渗漏等工程地质问题。

由于拱坝对坝址的地形地质条件要求较高，对基础处理的要求也较严格，因此设计过程中依据基础处理：运行安全、技术先进、经济合理的基本原则，对拱坝基础进行科学合理的处理后方能进行上部坝体的施工。

1.3 坝体结构

迷云山塘坝型为浆砌石双曲拱坝，坝体不设灌浆、排水廊道。坝体防渗主要靠自身砌筑质量来保证，坝体采用C15细石砼砌块石，上、下游面采用厚0.6 m的M10水泥砂浆砌条石并深勾缝，坝体基础采用C15素砼垫层。

1.4 坝体应力计算成果

采用浙江大学编制的拱坝分析与优化软件系统《ADAO》进行应力计算(多拱梁分载法)，拱坝周边的最大主拉应力值为1.0 MPa，发生在拱端上游面，拱坝其它部位的最大主拉应力值为0.48 Mpa，胶结材料标号为C15，允许拉应力值为1.5 MPa；拱坝最大压应力为2.25 Mpa，出现在拱端下游面，砌体种类为块石，允许压应力值为6.9 MPa。以上坝体应力都控制在规范允许范围内，满足大坝安全要求。

2 基础处理设计方案

2.1 基础开挖

2.2 固结灌浆

拱坝坝基由于岩体节理裂隙发育，影响岩体完整性。同时，开挖爆破可能造成表面岩石震裂，为增强基岩的整体性，提高基岩的弹性模量，增强坝基承载能力，对坝基进行全面积的固结灌浆，灌浆孔的孔距、排距均为3 m，孔深为5 m，呈梅花形布置。

2.3 帷幕灌浆

帷幕深度应达到基础相对隔水层以下3～5 m (单位吸水率W≤5 lu)。坝基帷幕深度，河床部分及溢流段15 m，左、右两岸坝段10 m。为防止两岸绕坝渗漏，帷幕灌浆沿两岸各延伸15.0 m左右，帷幕灌浆孔设一排，孔距2.5 m。

2.4 混凝土塞置换

右岸顺河F2断层破碎带，总宽度(含中间破碎岩石)约12 m，破碎带中含粘性土。设计挖除顺河向断层破碎带后采用混凝土塞进行置换，根据规范要求混凝土塞的高度h约为破碎带宽度b的1.0～1.5倍，由于该处破碎带宽度大，即使按1.0倍的宽度开挖，基坑深度将近12 m，开挖工作量及难度都非常大。

根据地形地质条件，考虑混凝土置换结合上部设置钢筋混凝土板传力的方案，钢筋混凝土板两头搭在完整基岩上以改善拱坝力传递到坝肩的条件。混凝土塞采用C20埋石砼结构，底高程为159.5 m，高5.2 m，底宽10.0 m，并在其影响带加密固结灌浆孔，孔距、排距均加密为2.0 m，混凝土塞上部设置C25钢筋混凝土板传力，板厚2.5 m(图1)。

图1 混凝土塞置换设计图

图2 基础拱桥设计图

2.5 基础拱桥

河床顺河F1断层破碎带，宽约13.3 m，断层中有孤石和夹层泥等，出于大坝安全考虑，该处断层要进行重点处理。若采取常规置换法，即断层挖除后采用混凝土塞进行置换，根据规范要求：混凝土塞的高度h约为断层宽度b的1.0～1.5倍，由于该处断层宽度大，即使按1.0倍的宽度开挖，基坑深度将近18.0 m，开挖工作量及难度都非常大。

根据工程地质勘察报告，断层左右两侧的基岩都较为新鲜，根据地形地质条件，设计采用基础拱桥跨过断层，基础拱桥两端落在新鲜基岩上，基础拱桥顶高程为162.0 m，采用C30素砼结构，厚2.8 m，净宽22 m，两端拱脚嵌入岩石1.4 m，拱脚宽5.6 m，并在断层及其影响带加密固结灌浆孔，孔距、排距均加密为2.0 m，坝基开挖后超挖部分采用C15素砼回填。基础拱桥达到设计强度后方可进行拱坝的砌筑(图2)。

3 基础拱桥设计方案的可行性

本节主要通过基础拱桥与混凝土塞方案投资、施工难度比较，基础拱桥结构设计，基础拱桥稳定计算，三个方面来验证基础拱桥方案的可行性。

3.1 方案比选

河床顺河F1断层破碎带，宽约13.3 m，断层中有孤石和夹层泥等，若采取混凝土塞置换的方案，即使按1.0倍的宽度开挖，河床现状高程约166.0 m，拱坝设计底高程162.0 m，混凝土塞底高程需至少开挖至148.7 m，基坑深度将近18.0 m，开挖工程量为3 565 m3，回填C20埋石混凝土为2 438 m3。

若采用基础拱桥方案，河床现状高程为166.0 m，拱坝设计底高程162.0 m，基础拱桥设计底高程约为158.0 m，拱脚要嵌入岩石，局部高程会略低于底高程，基础拱桥需要开挖的最低高程约为155.0 m，基坑深度仅为混凝土塞方案的一半左右，开挖工程量为1 930 m3，基础拱桥C30素混凝土为931 m3，C15素砼回填为391 m3。方案比选见表1。

表1 方案比选表

以上比较可知，基础拱桥方案工程量远小于混凝土塞置换方案，且基坑深度也仅为混凝土塞置换方案的一半，因此，基础拱桥方案从投资、施工难度方面，都有着明显的优越性。

图3 贵州窄巷口水电站双拱坝

3.2 基础拱桥结构设计

河床顺河F1断层破碎带左右两侧的基岩都较为新鲜，距离约13.32 m，设计采用基础拱桥跨过断层破碎带，基础拱桥两端落在左右岸新鲜基岩上。查阅水工设计手册，参考类似工程经验(贵州窄巷口水电站双拱坝，图3)，基础拱桥厚度初拟为3.0 m，圆心角α宜为70°～90°，矢跨比f/l宜为0.2～0.25。根据以上参数结合实际地形初拟基础拱桥模型(图4)。

图4 基础拱桥模型

初拟基础拱桥参数：采用C25素砼结构，顶高程162.0 m，厚度3.0 m，中心角α=87.1°，f=3.6 m，l=18.0 m，矢跨比f/l=0.2。

3.3 基础拱桥稳定计算

根据拱坝应力计算成果，设计作用在基础拱桥上的均布荷载取2.25 MPa，基础拱桥简化成等截面无铰圆拱进行计算。基础拱桥承受的荷载：(1)上部拱坝的压应力q；(2)拱背充填材料压力W1；(3)基础拱桥自重W。计算简图见图5。

图5 基础拱桥稳定计算简图

除上图所示者外，其它符号为：

Qc、Nc、Mc分别为顶拱C截面的剪力、轴向力及弯矩;W1为拱背充填材料自重；h为等截面拱的截面高度；γ为拱体材料容重；γ1为拱背充填材料容重。

等截面无铰圆拱设计参数见表2。

由计算结果可知：A截面应力为11.8 MPa，查阅岩石力学参数工程地质手册，新鲜完整的岩石抗压强度经验值为70.0 MPa，岩石抗压强度大于截面应力，拱座基础抗压强度满足要求；C截面应力为8.7 MPa，查阅规范C25素砼基础拱桥抗压强度设计值为11.9 MPa，基础拱桥抗压强度大于截面应力，基础拱桥抗压强度满足要求。设计方案基本可行。

3.4 断面优化设计

为保障工程稳定安全运行，同时达到节约投资的目的，设计对断面进一步优化。

(1)基础拱桥拱脚基岩作为影响本工程的安全重点部位，应尽可能对其减压，设计采用增大拱脚与基岩的接触面，即通过扩大拱脚尺寸的方式较小基岩承受的压力，并将拱脚设计成马蹄状嵌入基岩，拱脚宽5.6 m，嵌入岩石深1.4 m。

(2)基础拱桥厚度直接影响到投资及施工难度，为减小基础拱桥的浇筑量，较小开挖深度，降低基础拱桥的施工难度，设计采用减小基础拱桥厚度，同时提高混凝土标号的方式进行断面优化设计，基础拱桥采用C30素砼结构，厚2.8 m。

表2 设计参数表

优化后的基础拱桥断面见图6。

图6 断面优化设计

由计算结果可知：A截面应力为5.9 MPa， C截面应力为9.3 MPa，均满足规范要求，设计方案可行。

4 结语

水库大坝作为重要的水利基础设施，在发挥巨大的防洪、兴利作用的同时，我们也要看到大坝失事给国家和人民生命财产造成的重大损失的隐患。由于拱坝的多数事故都起因于坝基破坏，因此，拱坝坝基处理至关重要，科学合理的基础处理措施，可以保证坝基所需的刚度及承载能力，改善大坝和基础的应力和变位状态，可以保证大坝在整个施工期和运行期的可靠性、耐久性和经济性，让水利工程在造福人类的同时，将不利影响降至最小。