高地震區(qū)深厚覆蓋層高閘壩設(shè)計(jì)探索

摘 要：在高地震地區(qū)深厚覆蓋層基礎(chǔ)上修建高閘壩，主要涉及基礎(chǔ)條件、基礎(chǔ)處理等技術(shù)問(wèn)題。本文結(jié)合小天都水電站首部樞紐施工過(guò)程中遇到的主要問(wèn)題，從閘壩應(yīng)力計(jì)算分析、基礎(chǔ)處理、基礎(chǔ)不均勻沉降控制等方面進(jìn)行了研究，為覆蓋層上建高閘壩提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：高閘壩 不均勻沉降 基礎(chǔ) 小天都水電站

中圖分類號(hào)：TU2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1674-098X（2012）09（b）-0039-02

1 引言

近年隨著水電開(kāi)發(fā)的不斷推進(jìn)，地處高地震地區(qū)水電工程也相繼建成投產(chǎn)，特別是在山區(qū)河流上河床比降較陡，需要修建高閘壩獲得一定的調(diào)節(jié)庫(kù)容。對(duì)處在高地震地區(qū)深厚覆蓋層上的高閘壩設(shè)計(jì)存在一定的技術(shù)難度。在設(shè)計(jì)過(guò)程經(jīng)常遇到基地應(yīng)力計(jì)算分析、基礎(chǔ)不均勻沉降控制、基礎(chǔ)處理等方面的幾個(gè)問(wèn)題。

2 設(shè)計(jì)過(guò)程中主要碰到的技術(shù)問(wèn)題

2.1 高閘壩基底應(yīng)力計(jì)算分析

在高閘壩體型和高閘壩基底應(yīng)力計(jì)算中，經(jīng)常遇到基地大小應(yīng)力不均勻系數(shù)偏大，特別是在強(qiáng)地震工況下，甚至?xí)霈F(xiàn)超規(guī)范的情況。地震工況經(jīng)常成為控制性工況。因此在設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)充分考慮閘室長(zhǎng)度以及擋水壩的體型設(shè)計(jì)，使體型勻稱，在各種工況下基底應(yīng)力均能較好的分布，減小基底大小應(yīng)力比值。

2.2 基礎(chǔ)處理

深厚覆蓋層上建高閘壩，基地應(yīng)力一般較大，對(duì)基礎(chǔ)承載力要求較高，一般均需要進(jìn)行基礎(chǔ)處理提高承載力。因此在壩址選擇時(shí)應(yīng)充分考慮基礎(chǔ)地層的可塑性，即進(jìn)行基礎(chǔ)處理是否能夠大幅提高其物理力學(xué)指標(biāo)，以達(dá)到預(yù)期的效果。在基礎(chǔ)處理設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)結(jié)合不同閘（壩）段的基底應(yīng)力分布特點(diǎn)和基礎(chǔ)條件，有針對(duì)性的進(jìn)行處理。

2.3 基礎(chǔ)不均勻沉降控制

由于覆蓋層組成較為復(fù)雜，基礎(chǔ)本身存在不均勻性，再加之閘壩結(jié)構(gòu)的特殊性，閘與壩相鄰部位，基礎(chǔ)應(yīng)力分布不同，經(jīng)常會(huì)產(chǎn)生基礎(chǔ)不均勻變形，一旦變形太大，將影響閘壩的止水結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響建筑物的正常運(yùn)行。因此在高閘壩設(shè)計(jì)時(shí)一定要充分考慮基礎(chǔ)不均勻變形問(wèn)題。在加強(qiáng)基礎(chǔ)處理，提高基礎(chǔ)承載力的同時(shí)，應(yīng)采取措施減小相鄰壩段的基礎(chǔ)不均勻性。

3 小天都電站閘壩設(shè)計(jì)

3.1 工程概況

小天都水電站為低閘引水式電站，中型Ⅲ等工程，永久性主要建筑物級(jí)別為3級(jí)。首部樞紐攔河閘壩正常蓄水位2157.00m，壩頂高程2158.50m，通過(guò)右岸長(zhǎng)6.03km的“一坡到底”高壓引水隧洞、氣墊式調(diào)壓室及長(zhǎng)約489m的埋藏式壓力管道引水至日地建地下廠房發(fā)電，電站裝機(jī)容量240mW。軟基上建混凝土閘壩最大壩高39.00m、建混凝土重力壩最大壩高37.70m，為當(dāng)時(shí)亞洲覆蓋該層上建成的最高混凝土閘（壩）。沿閘軸線方從左至右分為10個(gè)壩塊，其中1#、2#、3#壩塊為左岸擋水壩，4#、5#壩塊為泄洪閘，6#壩塊為沖砂閘，7#壩塊為排污閘，8#、9#、10#壩塊右岸擋水壩。

工程區(qū)位于鮮水河地震帶、安寧河地震帶及龍門山地震帶的交匯部位，電站閘址區(qū)地震基本烈度為Ⅸ度。閘址區(qū)河床覆蓋層深厚，勘探揭示的河床覆蓋層最大厚度96m。由下至上依次冰水堆積層、湖相堆積層粉土質(zhì)砂或粉土層、冰水堆積層漂、沖積堆積層漂卵石夾砂層、崩坡積塊碎石土層、崩積孤塊碎石層。

左岸擋水壩1#壩塊基礎(chǔ)置于花崗巖巖體上，2#、3#壩塊基礎(chǔ)，除上游部分置于沖積層漂卵石夾砂和崩坡積層塊碎石土的混合堆積體上，2#壩塊左側(cè)少部分置于基巖上外，其余均置于沖積層漂卵石夾砂層上；泄洪閘、沖砂閘、排污閘基礎(chǔ)全部置于沖積層漂卵石夾砂層上；右岸擋水壩除8#壩塊基礎(chǔ)置于沖積層漂卵石夾砂層上外，9#、10#壩塊建基于基巖。在漂卵石夾砂層中分布有厚度不等的砂層透鏡體，因埋深較淺且處于高地震烈度區(qū)，可能會(huì)產(chǎn)生液化。

3.2 閘（壩）基應(yīng)力計(jì)算分析

根據(jù)閘址區(qū)地質(zhì)條件、覆蓋層物理力學(xué)指標(biāo)參數(shù)對(duì)閘壩體型斷面進(jìn)行了初擬，對(duì)建筑物不同水位運(yùn)行工況下閘壩的抗滑穩(wěn)定及基礎(chǔ)應(yīng)力進(jìn)行了計(jì)算，對(duì)應(yīng)力分布不合理的壩體斷面進(jìn)行調(diào)整，反復(fù)試算后，確定閘壩體型。確定閘壩斷面體型后，分別對(duì)沖沙閘、泄洪閘及左、右岸主要擋水壩段的抗滑穩(wěn)定和閘壩基底的應(yīng)力情況進(jìn)行了計(jì)算分析。固結(jié)灌漿施工后的檢測(cè)成果表明：固灌后的地基建基面允許承載力均可達(dá)到約0.7MPa。主要控制工況計(jì)算結(jié)果如（表1）。

3.3 基礎(chǔ)處理

閘壩基礎(chǔ)處理主要包括防滲墻、固結(jié)灌漿、帷幕灌漿、砂層透鏡體處理、局部工程措施處理等幾個(gè)方面，在此主要對(duì)固結(jié)灌漿、砂層透鏡體處理進(jìn)行探討。

3.3.1 閘壩基礎(chǔ)加固處理

根據(jù)閘、壩的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，在正常蓄水組合地震工況下，基底出現(xiàn)最大應(yīng)力值。

擋水壩段基礎(chǔ)應(yīng)力最大為0.64MPa，平均基底應(yīng)力最大為0.48MPa，在地基允許承載力0.45～0.54MPa范圍內(nèi)；泄洪閘和沖沙閘基礎(chǔ)應(yīng)力最大為0.59MPa和0.75MPa，平均基底應(yīng)力最大分別為0.46MPa和0.52MPa，在地基允許承載力0.45～0.54MPa范圍內(nèi)。鑒于本工程閘址區(qū)屬IX度地震區(qū)，閘、壩最大高度達(dá)39.0m和37.7m，為減少基礎(chǔ)的不均勻沉降，保證閘壩的安全，采用固結(jié)灌漿對(duì)閘、壩基礎(chǔ)的覆蓋層進(jìn)行加固處理，固結(jié)灌漿的深度為10～15m，間、排距為1.5～2.5m。固結(jié)灌漿實(shí)施后通過(guò)檢查孔的N120超重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)（16個(gè)檢查孔，共計(jì)181組）測(cè)得灌后承載力基本不小于0.7MPa。經(jīng)過(guò)基礎(chǔ)處理后，最大基底應(yīng)力基本在灌后承載力范圍之內(nèi)。

3.3.2 基礎(chǔ)砂層透鏡體處理

樞紐布置上充分考慮砂層透鏡體的埋藏深度，利用原地形盡量少開(kāi)挖，增加砂層頂部的壓重等措施，減小處理范圍，對(duì)必須處理的砂層透鏡體，采用置換灌漿進(jìn)行處理，工序采用先固灌后置換灌漿，根據(jù)固灌造孔返砂及固灌情況確定置換灌漿位置。通過(guò)用高壓風(fēng)水沖切砂層透鏡體，使孔間產(chǎn)生串通，再通過(guò)主、副孔的切換，將砂沖洗出孔外，之后灌入水泥漿液，形成在一定范圍內(nèi)有較好連續(xù)性的水泥結(jié)石，消除了砂層透鏡體地震液化的可能性。置換灌漿處理后通過(guò)N120超重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)（15個(gè)檢查孔，共計(jì)145組）測(cè)得灌后承載力基本不小于0.7MPa。通過(guò)上述處理后，對(duì)壩基進(jìn)行了加固，解決了砂層透鏡體地震液化問(wèn)題。

3.4 基礎(chǔ)不均勻沉降控制

3.4.1 三維靜動(dòng)力分析

可研階段對(duì)攔河閘壩結(jié)構(gòu)及地基進(jìn)行三維有限元靜力分析和動(dòng)力響應(yīng)分析，計(jì)算閘壩結(jié)構(gòu)及地基在竣工期、運(yùn)行期和地震作用下的變形和應(yīng)力分布狀況。分析表明，地基沉陷值大部分在竣工期已經(jīng)完成，運(yùn)行期由水荷載引起的地基鉛直變位略向上回彈，運(yùn)行期泄洪閘基底最大沉陷值為14.8cm，較竣工期的最大沉陷值增加了0.5cm。在地震工況下，地基沉陷相對(duì)竣工期變化不大。其中，橫河向地震工況下閘基最大沉陷值為11.8cm，順河向地震工況下閘基最大沉陷值為14.0cm。

竣工期地基不均勻沉陷對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)力的影響不可忽視，在閘室底板底部及胸墻與閘墩交接處均產(chǎn)生了較大的拉應(yīng)力。因此，設(shè)計(jì)及施工中應(yīng)采取必要的措施，盡量控制并減小閘壩地基的不均勻沉陷，以改善結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀況。

3.4.2 工程措施

為減小壩基沉降，特別是不均勻沉降，主要考慮提高基礎(chǔ)承載力，通過(guò)減小總體沉降量，進(jìn)而減小不均勻沉降。根據(jù)基礎(chǔ)開(kāi)挖揭示的地質(zhì)條件，適時(shí)對(duì)固結(jié)灌漿參數(shù)進(jìn)行調(diào)整加強(qiáng)，以達(dá)到與周邊基礎(chǔ)承載能力的協(xié)調(diào)一致。同時(shí)對(duì)岸邊壩段、取水口、閘壩與鋪蓋相接處、閘壩與護(hù)坦相接處，相應(yīng)進(jìn)行加固處理，對(duì)取水口、閘軸線上游5m范圍、擋水壩壩踵上游3～5m范圍基礎(chǔ)進(jìn)行固結(jié)灌漿處理，以減小閘壩與其相鄰建筑物之間的沉降差。

由于兩岸部分擋水壩段基礎(chǔ)為基巖，因此對(duì)基覆分界線附近的基礎(chǔ)均進(jìn)行了單獨(dú)處理。根據(jù)基巖出露情況，左岸1#壩段基礎(chǔ)為花崗巖，2#壩段基礎(chǔ)部分為漂卵石夾砂層，3#壩段基礎(chǔ)為漂卵石夾砂層，基礎(chǔ)不均勻沉降問(wèn)題突出，針對(duì)具體的地質(zhì)條件，沿2#、3#壩段分縫樁號(hào)，建基面高程有基巖出露的部位進(jìn)行預(yù)裂爆破，預(yù)裂深度3～4m，并對(duì)2#壩段基礎(chǔ)出露的基巖進(jìn)行松動(dòng)爆破，使基礎(chǔ)剛度趨于均勻，減小了不均勻沉降變形。

根據(jù)8#、9#壩段基礎(chǔ)的基、覆分界線出露位置，對(duì)8#、9#壩段分縫位置進(jìn)行調(diào)整，使8#壩段基礎(chǔ)大部分置于漂卵石夾砂層上，9#壩段基礎(chǔ)置于花崗巖上。壩段之間的沉降縫采用異型縫，8#壩段壩趾橫河方向加寬3m，9#壩段壩趾橫河方向相應(yīng)縮窄，處理后不但減小了基礎(chǔ)不均勻沉降，而且增加了8#壩段基礎(chǔ)面積，減小了8#壩段基礎(chǔ)應(yīng)力。此外對(duì)調(diào)整分縫后8#壩段基礎(chǔ)范圍內(nèi)仍出露的部分基巖進(jìn)行挖除，挖除深度為建基面以下3m，采用級(jí)配良好的砂卵礫進(jìn)行回填。同時(shí)對(duì)9#壩下游小范圍分布的的覆蓋層基礎(chǔ)進(jìn)行固結(jié)灌漿，灌漿深度從建基面至基巖頂板。

電站自2005年蓄水發(fā)電開(kāi)始，安全監(jiān)測(cè)成果表明左岸擋水壩段沉降量小于右岸擋水壩段，左岸擋水壩最大沉降量為22.59mm，出現(xiàn)在左岸3#擋水壩段，右岸擋水壩段最大沉降量為29.68mm，出現(xiàn)在7#壩段。河床壩段沉降量比較均勻，沉降量最大為29.68mm。壩段之間最大沉降量差為15.11mm，出現(xiàn)于左岸1#與2#擋水壩段之間，由于兩個(gè)壩段基礎(chǔ)分別為基巖和覆蓋層，基礎(chǔ)沉降量差較大，但差值在允許范圍之內(nèi)。

4 結(jié)語(yǔ)

覆蓋層上建高閘壩的關(guān)鍵在于基礎(chǔ)條件，在具有較強(qiáng)可塑性的基礎(chǔ)上，通過(guò)基礎(chǔ)處理，在一定程度上可以解決基礎(chǔ)承載力、基礎(chǔ)沉降等方面的缺陷。因此在高地震地區(qū)深厚覆蓋層上修建高閘壩是可行的。

參考文獻(xiàn)

[1]梁炯鋆.錨固與注漿技術(shù)手冊(cè)[M].中國(guó)電力出版社，1999.

[2]毛昶熙.閘壩工程水力學(xué)與設(shè)計(jì)管理[M].水利電力出版社，1995.