建于深厚覆蓋層上的陰坪水電站閘壩設(shè)計(jì)及基礎(chǔ)處理

王菊梅

(中國水電顧問集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院，四川成都 610072)

1 概述

陰坪水電站位于四川省平武縣涪江上游支流火溪河上，為火溪河梯級(jí)“一庫四級(jí)”開發(fā)方案中的最下游一級(jí)，系低閘引水式開發(fā)的單一發(fā)電工程。電站總裝機(jī)容量100 MW，安裝2臺(tái)單機(jī)容量50 MW 的發(fā)電機(jī)組。主要建筑物由首部樞紐、引水系統(tǒng)和廠區(qū)樞紐組成。首部樞紐建筑物從左至右由左岸擋水壩、泄洪閘、沖沙閘、電站取水口及右岸擋水壩組成，閘壩最大高度為35 m。工程等別為Ⅲ等，永久性主要建筑物按3級(jí)設(shè)計(jì)。

首部樞紐河段為不對稱的“U”型河谷，兩岸基巖出露，巖性為灰白色二云母石英片巖;河床覆蓋層厚度為28.1～106.77 m，主要由砂卵礫石、砂及壤土組成，按成分和粒度的差異自上而下可分為8層(表1)。

表1 閘基覆蓋層分層表

閘壩基礎(chǔ)存在的主要地質(zhì)問題:一是天然地基⑥層、⑤層承載力較低;二是在地震作用下⑥層、⑤層存在液化的可能性。根據(jù)閘壩基礎(chǔ)地質(zhì)條件，經(jīng)綜合分析比較，設(shè)計(jì)對閘壩基礎(chǔ)提出了采用振沖碎石樁復(fù)合地基加固處理方案，加固深度最深達(dá)26 m，不但滿足了抗液化的條件，同時(shí)滿足了閘壩建筑物承載力、抗剪強(qiáng)度和抗變形能力的要求，亦滿足了滲透穩(wěn)定條件。

2 閘、壩設(shè)計(jì)

2.1 首部樞紐布置及主要建筑物設(shè)計(jì)

首部樞紐采用“正向泄洪沖沙、側(cè)向取水”的布置型式，樞紐建筑物從左至右由左岸7個(gè)擋水壩段、2孔泄洪閘、1孔沖沙閘、2孔電站取水口及1個(gè)右岸擋水壩段組成。左、右岸擋水壩段均采用混凝土重力壩壩型，壩頂寬8 m，左岸擋水壩段長119.5 m，最大壩高29.5 m;右岸擋水壩段長22 m，最大壩高33.5 m。

為保證泄洪、沖沙順暢，將泄洪閘和沖沙閘盡量布置在主河道上。根據(jù)閘址的地形地質(zhì)條件、樞紐建筑物泄洪能力和沖沙要求并綜合考慮水庫排沙需要，確定在主河床布置2孔泄洪閘、1孔沖沙閘，壩段總長50 m，閘寬29.95 m，壩頂寬12 m，最大閘高35 m。為了減小閘門擋水高度，泄洪閘、沖沙閘均設(shè)置胸墻，胸墻前為平板檢修閘門，胸墻后為弧形工作閘門，泄洪閘孔口尺寸為6 m×10 m(寬×高)，沖沙閘孔口尺寸為3 m×10 m(寬×高)。為減輕閘室的磨損，在泄洪閘、沖沙閘工作閘門后的底板表層及閘墩底部1.2 m 高度范圍均采用C40HF 抗沖耐磨混凝土保護(hù)。閘室上游設(shè)25 m 長鋼筋混凝土鋪蓋，下游設(shè)50 m 長斜坡式護(hù)坦和35 m 長鋼筋混凝土海漫。

閘壩基礎(chǔ)均為覆蓋層，河床部位基礎(chǔ)防滲采用1 m 厚懸掛式防滲墻，深入②層相對不透水層;兩岸壩肩為卸荷帶，透水性較強(qiáng)，采用帷幕灌漿處理。

2.2 閘、壩穩(wěn)定計(jì)算

設(shè)計(jì)依據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，對閘壩在各組合工況下的地基整體穩(wěn)定應(yīng)力、地基沉降和地基滲流穩(wěn)定性進(jìn)行了計(jì)算分析。其結(jié)果表明:泄洪沖沙閘及擋水壩各壩段沿建基面的穩(wěn)定安全系數(shù)滿足《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 265-2001)要求，但安全富裕度不大;由于地基結(jié)構(gòu)層次復(fù)雜，其軟弱下臥層不滿足承載力要求且存在液化的可能，應(yīng)采取相應(yīng)的基礎(chǔ)處理措施，提高下臥各層的承載力和抗液化能力。

3 閘壩基礎(chǔ)處理設(shè)計(jì)

首部樞紐建筑物布置時(shí)，設(shè)計(jì)考慮到第⑦層的天然地基承載力為0.4～0.5 MPa，故將各建筑物建基面均放在⑦層上。但因⑦層厚度較薄，建基面以下厚度不足5 m，部分閘壩段齒槽已位于⑥層上，且第⑦層以下的第⑥層、第⑤層分別為粉砂質(zhì)壤土和砂層，屬軟弱下臥層，天然地基承載力很低。根據(jù)閘壩穩(wěn)定及基底應(yīng)力計(jì)算成果，閘壩地基不滿足建筑物承載要求，且地質(zhì)判別第⑤層、第⑥層為液化土層。為了提高基礎(chǔ)下臥層的承載力、抗變形能力及抗剪強(qiáng)度，防止基礎(chǔ)第⑤層、第⑥層液化，經(jīng)綜合比較分析，最終決定采用振沖碎石樁對閘壩地基進(jìn)行加固處理。

3.1 振沖處理設(shè)計(jì)原則

處理的目的是提高下臥層地基承載力，防止第⑤層、第⑥層液化，滿足閘壩基礎(chǔ)各種穩(wěn)定條件。故設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》和《水電水利工程振沖法地基處理技術(shù)規(guī)范》(DL/T5214-2005)，結(jié)合陰坪水電站地基結(jié)構(gòu)復(fù)雜，基礎(chǔ)長期處于水下，擋水高度大，最大閘壩高35 m 的特點(diǎn)，合理確定振沖碎石樁的范圍、樁徑、樁距和樁深等參數(shù)。

3.2 振沖碎石樁復(fù)合地基的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

根據(jù)陰坪水電站首部樞紐地質(zhì)條件和計(jì)算分析成果確定的振沖處理范圍包括擋水壩段、電站取水口閘、泄洪沖沙閘、鋪蓋及護(hù)坦邊墻的地基，并考慮了一定的護(hù)樁范圍。設(shè)計(jì)要點(diǎn)主要是提高地基承載力，防止沙層液化，驗(yàn)算地基滲流穩(wěn)定性，確定振沖碎石復(fù)合地基各項(xiàng)參數(shù)等。

3.2.1 復(fù)合地基承載力驗(yàn)算

(1)下臥軟弱層承載力較低，振沖處理后，要求作用在頂面處的附加應(yīng)力及自重應(yīng)力之和不超過此層修正后的承載能力，即:

式中 pz、pcz、faz為軟弱下臥層頂面處的附加應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)值、自重應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)值、經(jīng)深度修正后地基承載力特征值(kPa)。

(2)修正后的地基承載力特征值計(jì)算公式:

式中 faz、fak為修正后地基承載力特征值、地基承載力特征值(kPa);γ、γm為基礎(chǔ)以下土的重度、基礎(chǔ)以上土的加權(quán)平均重度(地下水位以下取浮重度)，kN/m3;b、d 為基礎(chǔ)底面寬度(當(dāng)基礎(chǔ)底寬小于3 m 時(shí)按3 m 考慮，大于6 m 時(shí)按6 m 考慮)、埋置深度(m);ηb、ηd為基礎(chǔ)寬度和埋深的地基承載力修正系數(shù)。

(3)對于矩形基礎(chǔ)，附加應(yīng)力pz的計(jì)算公式:

式中 p0為基底平均應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)值，kPa;b、l 為矩形基礎(chǔ)底邊的寬度、長度(m);Z 為基礎(chǔ)底面下土層的厚度;θ為地基壓力擴(kuò)散角，(°)。

當(dāng)Z ＜0.25 b 時(shí)，不考慮壓力擴(kuò)散角作用，取θ=0。

(4)振沖樁復(fù)合地基承載力計(jì)算公式:

式中 fspk、fsk、fpk為復(fù)合地基的承載力標(biāo)準(zhǔn)值、樁間土承載力標(biāo)準(zhǔn)值、樁體單位截面積承載力特征值(kPa);m 為面積置換率;d、de為樁的直徑、等效影響圓的直徑(等邊三角形布置de=1.05 s，s為樁的間距，m)。

地基承載力驗(yàn)算成果見表2。

從表2中的計(jì)算分析成果可見:當(dāng)采用樁間距1.5 m 時(shí)，經(jīng)振沖樁處理后，復(fù)合地基承載力可滿足要求。第④層(閘基以下23 m)承載力滿足要求，不需處理，故振沖樁應(yīng)深入閘基以下23 m，局部最深達(dá)26 m。

3.2.2 現(xiàn)場試驗(yàn)和檢驗(yàn)

表2 閘、壩地基軟弱下臥層承載能力驗(yàn)算成果表

對現(xiàn)場進(jìn)行了復(fù)合地基試驗(yàn)及檢測，以驗(yàn)證及調(diào)整設(shè)計(jì)指標(biāo)的合理性，并作為施工控制及檢測方法的依據(jù)。試驗(yàn)振沖碎石樁按等邊三角形布置，樁徑為1 m，樁距按1.5 m 和2 m 布置，分別對第⑥層、第⑤層進(jìn)行了標(biāo)貫、重力觸探和剪切波試驗(yàn)和檢驗(yàn)，其成果見表3。

表3 閘址區(qū)⑥、⑤層振沖復(fù)合地基物理力學(xué)參數(shù)建議值表

試驗(yàn)成果表明:采用振沖碎石樁進(jìn)行地基處理后，形成的復(fù)合地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值、壓縮模量及抗剪指標(biāo)均有所提高。剪切波初判間距1.5 m 和2 m 振沖區(qū)第⑥層、第⑤層均不液化，標(biāo)貫試驗(yàn)復(fù)判第⑥層可能液化、第⑤層不液化。因碎石樁有排水減壓作用，判別第⑥層液化可能性較小。

3.2.3 復(fù)合地基的主要參數(shù)

根據(jù)計(jì)算分析和現(xiàn)場試驗(yàn)檢測成果，確定復(fù)合地基的主要參數(shù)為:振沖碎石樁按等邊三角形布置，樁徑為1 m。泄洪、沖沙閘、取水口、右岸擋水壩段、左岸#1～#3擋水壩和上游護(hù)樁范圍基礎(chǔ)樁間距為1.5 m;左岸4#～5#擋水壩、鋪蓋上游側(cè)、擋水壩段及泄洪沖沙閘段下游護(hù)樁，護(hù)坦邊墻基礎(chǔ)樁間距為2 m;6#擋水壩基礎(chǔ)不作處理;如樁深完全穿透第⑤層，局部深度將超過30 m。綜合考慮施工進(jìn)度和施工難易，結(jié)合軟弱下臥層的復(fù)核結(jié)果對樁長進(jìn)行了優(yōu)化，確定閘室基礎(chǔ)以下樁長為23 m，擋水壩段局部最大深度為26 m。

3.2.4 三維滲透穩(wěn)定計(jì)算

在地基采用振沖碎石樁加固處理后，可以提高地基承載力和抗變形的能力，但地基的滲透性能也有所改變，滲透系數(shù)較原來增大。為了解閘壩基礎(chǔ)滲透穩(wěn)定情況，設(shè)計(jì)采用有限元三維滲流穩(wěn)定計(jì)算程序?qū)﹂l壩基礎(chǔ)滲透穩(wěn)定進(jìn)行了復(fù)核。計(jì)算中考慮了閘壩基礎(chǔ)振沖處理與不處理兩種方案，差別主要是計(jì)算采用的滲透系數(shù)不同。

經(jīng)對計(jì)算成果進(jìn)行對比分析后得知，閘壩基礎(chǔ)經(jīng)過振沖處理后，雖然地基滲透系數(shù)變大，但由于在河床部位防滲墻已深入到相對不透水層(第②層)，與岸坡深入基巖的防滲帷幕相接，基礎(chǔ)滲透穩(wěn)定要求能夠滿足。

3.2.5 震后復(fù)核情況

2008年“5.12地震”時(shí)，工程正處于施工期，首部樞紐的振沖處理、護(hù)坦邊墻和部分擋水建筑物的底部已經(jīng)施工。震前，地震設(shè)防烈度為7度，地震基巖峰值加速度為0.1 g;地震后根據(jù)GB18306-2001《中國地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》國家標(biāo)準(zhǔn)第1號(hào)修改單，陰坪水電站的地震烈度為8度，基巖峰值加速度為0.2 g。對閘壩穩(wěn)定和應(yīng)力進(jìn)行復(fù)核計(jì)算，在不影響泄洪、沖沙等樞紐布置格局，且不改變已經(jīng)施工建筑物結(jié)構(gòu)和振沖處理后的地基承載力的情況下，對原結(jié)構(gòu)體型僅進(jìn)行了局部調(diào)整，即將閘室段寬度調(diào)整為30.95 m，長度調(diào)整為51 m，護(hù)坦長度縮短1 m，為49 m。調(diào)整后的閘壩穩(wěn)定應(yīng)力及下臥層承載力滿足要求。

4 基礎(chǔ)處理結(jié)論

(1)陰坪水電站首部樞紐閘壩基礎(chǔ)處理的重點(diǎn)是提高基礎(chǔ)的承載力和抗變形能力。振沖計(jì)算分析和試驗(yàn)成果表明:基礎(chǔ)經(jīng)過振沖碎石樁加固處理后，可以提高地基承載力和抗變形能力，基本解決了第⑤層、第⑥層的液化問題。

(2)閘壩基礎(chǔ)經(jīng)過振沖處理后，因樁體的滲透系數(shù)大，使復(fù)合地基的滲透系數(shù)變大，但防滲墻已經(jīng)深入到第②層相對不透水層，經(jīng)對閘(壩)基礎(chǔ)進(jìn)行三維滲透計(jì)算分析后得知，其滲透穩(wěn)定滿足要求。

(3)基礎(chǔ)處理是本工程安全運(yùn)行的關(guān)鍵，但在實(shí)際施工過程中，有些因素會(huì)制約振沖樁(或復(fù)合地基)的質(zhì)量，如:①采用級(jí)配良好的碎石，能更好的提高樁體及復(fù)合地基的抗剪強(qiáng)度;②地層中存在的漂木、孤石等對振沖樁的施工有很大影響;③施工方法、施工工序、填料質(zhì)量和數(shù)量、留振時(shí)間、塌孔等。應(yīng)特別重視加強(qiáng)振沖樁的施工質(zhì)量檢查。

“5.12”汶川特大地震后，在對主震區(qū)多個(gè)水電工程的分析證明:對于地震區(qū)的水工建筑物設(shè)計(jì)，應(yīng)遵循“確保安全、留有余度”的原則，確保擋水建筑物在設(shè)計(jì)地震工況下不潰壩、能修復(fù)，以便最大限度地減輕地震災(zāi)害的影響。