水利樞紐大壩基礎處理設計研究

王聰輝

摘 要：水利樞紐工程中存在大量水工建筑物，其中大壩為水利樞紐當中的主體工程。大壩基礎處理工作是否到位對整個水利樞紐的安全運行產生重要影響，同時還可能影響到大壩作用的正常發揮。因此，在實際工作中必須充分重視大壩基礎處理設計問題。文章以工程實例作為分析基礎，重點探討了水利樞紐大壩基礎處理設計工作，包括基巖加固處理設計，基礎排水設計，基礎地質問題處理設計及基礎回填處理設計。

關鍵詞：水利樞紐；基礎設計；處理；大壩

1 工程概況

某水利樞紐工程主要被應用于防洪，大壩為混凝土結構，壩高最大為82m，壩底寬度最大為140.5m，壩軸線長度為350m，大壩全長743.1m。大壩基礎周圍存在基巖淺槽及6條東西向發育的斷層，其中有兩條斷層可對水利樞紐工程的部分建筑物產生影響。由于該工程的壩高達到了80m以上，在處理大壩基礎時應確保最大應力能夠達到3.5～7.5Mpa。在設計大壩基礎處理工作時應重點考慮滲流、承載力與穩定性問題。

2 水利樞紐大壩基礎處理設計分析

2.1 基巖加固處理設計

本工程大壩基礎主要由灰巖組成，灰巖具有爆破抵抗能力弱、易腐蝕及產生裂縫的特點，一旦基巖遭到破壞，將會對大壩基礎的穩定性造成影響，對此本工程根據實際情況進行了基巖加固處理設計，加固處理方法為固結灌漿處理工藝，以增強基巖防滲性能。（1）加固處理設計原則。由于大壩基礎受到一定的水平推力與壓應力，所以在設計應對固結灌漿的施工部位進行合理安排[2]。針對本工程大壩基礎下游側具有過大側應力的特點，在下游側適當擴大了固結灌漿處理范圍，增加范圍在20～30m之間，并在考察大壩基礎實際應力的基礎上設計加固處理深度。（2）基巖加固處理范圍如下：對于存在地質缺陷的位置，固結灌漿處理范圍為30～35m，重力墩為15～23m，河床壩段為8～15m。此外，大壩基礎防滲帷幕的灌漿孔深度為20～30m。帷幕防滲設計要求為，水墊塘、近岸山體及壩肩的透水率應≤3Lu，河床壩基則≤1Lu。（3）在利用固結灌漿工藝處理大壩基巖時，嚴格控制混凝土的配合比，將混凝土蓋重控制在2.5～5.5m之間，固結灌漿施工中優先考慮將普通或大壩硅酸鹽水泥作為施工材料，并將灌漿壓力設計為0.3MPa。

2.2 基礎排水設計

在對水利樞紐工程的實際情況進行考察并綜合比較了幾種基礎排水方案后，將本工程的基礎排水形式設計為封閉式帷幕抽水排水，以便能夠使大壩基礎的揚壓力得以降低，并同時提高大壩基礎的穩定性與安全性。（1）在對工程地下的滲流場進行計算分析后發現，如對大壩基礎進行封閉式抽排處理，則水墊塘壩段、泄洪壩段的揚壓力可以降低至0.4及0.25以下。對于近岸地段、山體及兩岸壩肩，則采用常規形式的帷幕進行排水，兩岸壩肩揚壓力設計為0.35，近岸地段設計為0.25[3]。（2）在本工程的大壩基礎中還設計了排水孔，排水孔包括輔助性排水孔、封閉性排水孔及主排水孔，封閉性排水孔與主排水孔的位置被安排在主帷幕后方、水墊塘U型區域，輔助性排水孔則設置于封閉抽排范圍當中。排水孔設計參數為，直徑控制在90～120mm之間，間距為5m，封閉性排水孔與主排水孔均為傾斜形式，傾斜角度保持在80°左右。輔助性排水孔應保持垂直向上狀態。由于主排水孔需要發揮降低主帷幕揚壓力的作用，所以在本工程中將主排水孔的孔深控制在主帷幕實際孔深的2/3左右。在調整主排水孔的深度之后，綜合考察了基礎揚壓力情況，并將輔助性排水孔孔深設計為10m，封閉性排水孔孔深設計為15m。采用以上設計方案之前先進行了滲透流變等相關試驗，在試驗中發現滲透比被控制在2.5～6.5之間。圖1為大壩基礎排水設計圖。

2.3 基礎地質問題處理設計

在大壩基礎的施工階段所采用的開挖方式不同，則基礎處理設計過程中需要解決的地質問題也存在一定的差異，如裂隙及斷層等，本工程需要處理的主要問題為軟弱夾層與斷層。（1）斷層處理設計。根據工程實際情況調整基面，確保基面銳角的角度>50°，在設計處理深度時依據以下公式h=0.0067bH+1.5，在上述公式中，H為地質缺陷部位的壩高，單位為m，b為斷層寬度，單位為m，h為混凝土填塞的深度，單位為m。如基面銳角<50°，則根據實際情況控制完整巖體的最小厚度值，如兩岸壩基的斷層性狀較差，則厚度值應控制在1.5～2.5m之間，如性狀較好，則厚度為1.0～1.5m。此外，對于大壩的重力墩，如斷層性狀較差，則厚度最小為2.5～3.5m，如性狀較好，則最小厚度應為1.0～2.5m。如傾角斷層貫穿壩基下游與上游，則在壩基中設計防滲豎井，使豎井深度到達巖溶高程，以便有效封堵巖溶通道。此外，在處理斷層時要注意將處理范圍延伸至斷層周圍2～3m。（2）軟弱夾層處理設計。在處理大壩基礎中的軟弱夾層時，可采用掏挖處理形式，掏挖深度為夾層寬度的1～1.5倍，開挖后重點處理斷層與軟弱夾層交叉部位、夾層密集部位。如采用明挖形式，則全部挖除埋藏較淺的軟弱夾層，以保證大壩的安全穩定性。如采用洞挖形式，則將平洞沿軟弱夾層傾角交叉布置，將部分夾層挖出后采用接觸灌漿工藝或固結灌漿工藝進行處理。

2.4 基礎回填處理設計

在開挖壩基時通常會留下鉆孔及勘探平洞等，為了提高大壩的穩定性，則必須將混凝土回填到鉆孔及勘探平洞當中，本工程所采用的回填處理設計方法如下：（1）回填設計應綜合考慮大壩防滲情況及應力分布情況，并確保設計方案與壩基安全要求、基礎排水要求相符。如勘探平洞貫穿整條帷幕線，且勘探平洞在帷幕軸線下10m、上20m的范圍內時，則清理平洞后進行回填封堵處理即可。在設計鉆孔回填處理方案時，必須考慮大壩拱座應力情況，并采用有限元方法對混凝土的回填深度進行分析計算。（2）在進行回填處理時采用以下設計方案：首先徹底清理出平洞或鉆孔中存在的雜質與廢棄物，如存在松動巖塊，也必須完全清除后才能開始回填施工。第二，了解平洞與鉆孔情況后，在回填部位放置灌漿管路，以便于順利進行回填灌漿施工。（3）采用灌漿回填與封堵回填相互配合的施工工藝處理平洞、鉆孔中的管狀、脈狀及狹縫狀裂縫；同時將止水片設置于貫穿主帷幕的巖溶通道、鉆孔及勘探平洞當中。此外，如鉆孔及勘探平洞的規模較大且埋藏深，則采用泵送回填工藝將混凝土填塞到孔洞當中，以便有效增強大壩基礎的強度。

3 結束語

綜上所述，大壩基礎處理是一項較為復雜的任務，在設計大壩基礎處理方案的過程中應綜合考慮多種因素，如防滲要求、基礎強度要求等，并同時結合水利樞紐大壩的具體功能，以便使基礎處理設計方案變得科學化與合理化。此外，在大壩基礎處理的設計工作中應不斷積累經驗，找出大壩基礎處理工作中存在的不足之處，以便能夠有效完善大壩基礎設計工作，從而促進水利工程的發展。

參考文獻

[1]呂洪旭，陳科文，鄧建輝，等.瀑布溝大壩防滲墻應力分布特性及機理探討[J].人民長江，2011，42（10）：39-43.

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[3]傅汝強.以豐巖水庫工程為例淺析大壩構造和基礎設計的相關問題[J].廣東科技，2012，21（24）：152-153.