豐滿新建重力壩基礎F67斷層處理技術方案擬定研究

蒲金山，任玉珊，趙穎華，仉新日

(1.長春工程學院； 2.吉林省水工程安全與災害防治工程實驗室；

3.中水東北勘測設計研究有限責任公司，長春 130012)

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豐滿新建重力壩基礎F67斷層處理技術方案擬定研究

蒲金山1，任玉珊2，趙穎華3，仉新日1

(1.長春工程學院； 2.吉林省水工程安全與災害防治工程實驗室；

3.中水東北勘測設計研究有限責任公司，長春 130012)

摘要：豐滿水電站大壩全面治理工程中，新建重力壩壩址區右岸存在威脅壩體穩定和運行安全的F(67)斷層，調查分析了部分已建工程處理基礎斷層所采用的技術措施，結合豐滿新建大壩的工程及地質特點，對F(67)擬定了3種處理技術方案，經過計算分析和比較，最終確定采用斷層部位開挖置換混凝土的方案處理F(67)斷層。

關鍵詞：豐滿；重力壩；斷層；技術方案

1工程概況

豐滿水電站是位于吉林省第二松花江干流上的一座大型水利發電工程。由于工程特殊的歷史原因，導致大壩存在可靠水平低、抵御風險能力差等問題。鑒于其在流域和地區經濟社會發展中的重要地位與巨大作用，必須對大壩進行全面治理。

豐滿水電站大壩全面治理工程是為恢復電站原任務和功能，在原豐滿大壩下游120 m處新建一座大壩，壩型為碾壓混凝土重力壩，最大壩高94.5 m，壩頂全長1 068 m。

1.1豐滿新建壩址區地質概況

新壩址區地處第二松花江中游豐滿峽谷口，谷口兩岸地形不對稱，左岸地形偏陡，河谷右岸地形則較平緩，坡度范圍在5°～20°，谷底高程范圍184～190 m，岸坡山頂高程范圍500～700 m。

壩址區主要為二疊系下統一拉溪組變質礫巖和第四系地層，侵入巖為華力西晚期花崗巖。變質礫巖具有明顯可見的變余層理[1]，巖質較堅硬。壩基巖體多屬較完整—完整巖體，局部為完整性差—較破碎巖體。巖體中等風化帶厚度一般15～30 m，斷層部位可達40 m。

斷層以壓扭及張扭性為主，呈棋盤格狀，斷層帶內巖石破碎，一些斷層面見重迭的兩次擦痕，斷距不大，具有明顯的繼承性。壩基巖體屬微透水—弱透水巖體，局部為中等透水巖體。兩岸地下水位埋藏深度一般15～35 m，左岸壩頭最深可達43 m，右岸壩頭最深可達40 m。

1.2F67斷層地質特性

壩址區斷裂構造較發育，F67斷層為壩址區發育規模最大、性狀最差的一條斷層破碎帶，寬達40～55 m。在右岸階地部位順江通過壩址區，與壩軸線近于正交。該斷層破碎帶由F67-1、F67-2、F67-3、F67-4和F67-5等多條斷層組成，總體走向N15°～50°W，傾向SW/NE，傾角60°～85°。由于F67斷層多期活動，致使該破碎帶斷層條數較多，間距較近，加之風化作用的影響，各斷層寬度不一，性狀亦有差異；但破碎帶寬度總體上自上而下逐漸變小，破碎程度隨深度的增加而逐漸減弱。F67斷層主要地質參數建議值見表1。

2已建工程斷層處理分析

通過調查分析研究大黑汀、安砂等已建工程對基礎斷層的處理[2-4]，掌握了重力壩工程建設中不同地質條件下，處理基礎斷層常用的技術措施的總結結果見表2。

從表中的統計結果可以看出已建工程在處理斷層和軟弱夾層等不良地基現象時采用的工程措施主要有：通過明挖置換混凝土增加接觸面面積來提高壩基的抗剪能力[5]；壩基通過增加抗滑樁、混凝土齒墻或深挖置換混凝土等以增加尾巖抗力；根據工程經驗，在確定斷層的處理方案時，要結合具體的地質情況以及工程特點，選擇施工簡單、適應性強的實施方案。

表1　F67斷層主要地質參數建議值

表2　已建工程基礎處理分析匯總

3F67斷層處理設計

3.1擬定處理方案

從以上F67斷層的地質特性可以看出其具有巖體破碎、巖質軟弱、強度低、易變等特點，必將給斷層壩段壩體造成滲漏、滑移破壞等不利影響。因此，必須對F67斷層進行處理。

根據對部分已建工程的基礎斷層處理進行調查研究、分析，決定對壩址區F67擬定以下3種技術處理方案：

方案一：尾部加混凝土方案，即壩基F67斷層不開挖，在壩后回填混凝土；

方案二：斷層部位開挖回填混凝土方案；

方案三：基礎開挖回填混凝土齒槽方案，即在壩基上下游開挖混凝土齒槽。

3.2工程處理技術方案設計計算

#29～#32斷層壩段抗滑穩定計算所采用的綜合抗剪斷指標#29、#30和#31壩段建基于F67斷層的擠壓破碎帶上，建基面抗剪斷參數均值采用擠壓破碎帶參數。 #32壩段建基于F67斷層的擠壓破碎帶和強烈擠壓破碎帶上，因此，建基面抗剪斷參數均值采用擠壓破碎帶和強烈擠壓破碎帶抗剪斷參數的加權平均值。

根據SL319-2005《混凝土重力壩設計規范》和SL203-97《水工建筑物抗震設計規范》，抗滑穩定計算時，靜力工況抗剪斷參數采用標準值，地震工況擬靜力法抗剪斷參數采用均值。斷層壩段各處理方案壩基抗滑穩定計算時采用的抗剪斷參數見表3。

表3　斷層壩段壩基抗剪斷參數選取及說明

3.3尾部加混凝土方案

壩后回填混凝土底高程與該壩段建基面高程相同，為184.00 m，回填混凝土頂高程與壩后場地回填高程接近，為206.00 m。采用承載能力極限狀態設計表達式進行建基面穩定驗算。經計算可知控制工況為設計洪水位工況，#29～#31壩段壩后回填混凝土寬度為48.00 m，#32壩段壩后回填混凝土寬度為63.00 m，可滿足抗滑穩定要求。計算簡圖如圖1所示，計算結果見表4。

3.4開挖回填混凝土方案

對斷層進行開挖回填混凝土，利用開挖邊坡的抗剪能力和尾巖的抗力，滿足大壩基礎與巖石接觸面的抗滑穩定。深度從10.00 m算起， 然后回填相

圖1　方案一：斷層壩段建基面抗滑穩定計算簡圖/kN

同厚度的混凝土。不滿足要求時，向上、下游延伸回填混凝土的長度；滿足要求時，減小開挖回填深度。下游考慮回填土的土重。

計算簡圖如圖2所示，經正常蓄水位、設計洪水位、校核洪水位、地震4種工況計算，控制工況同樣為設計共水位工況，#29～#32壩段壩基均需深挖6.00 m。此時，#29～#31壩段安全裕度為1.054，#32壩段安全裕度為1.014，可滿足要求。

圖2　方案三：開挖回填混凝土方案計算簡圖

3.5基礎上下游開挖回填混凝土齒槽方案

在#29～#32壩段壩基面上布置兩個深度相同的混凝土齒槽，位置分別在壩踵和壩趾處，混凝土齒槽寬度及深度經計算確定。

3.5.1混凝土齒槽寬度確定

核算大壩建基面混凝土與基巖的抗滑穩定，確定建基面滿足抗滑穩定所需要的混凝土的面積，確定混凝土齒槽的寬度。

經計算，大壩建基面混凝土與基巖接觸面之間抗滑穩定滿足規范要求所需要的混凝土齒槽最小寬度為：#29～#31為27.00 m；#32為32.00 m。

3.5.2混凝土齒槽深度確定

按DL5108—1999《混凝土重力壩設計規范》附錄F所示的雙斜面深層抗滑穩定計算公式，計算混凝土樁底的深層抗滑穩定，確定滿足穩定要求的混凝土樁深度計算簡圖如圖3所示。

通過計算，#29、#30和#31壩段至少需要5.40 m深，#32壩段至少需要6.50 m，深層抗滑穩定安全裕度才能滿足規范要求。

圖3　基礎上下游齒槽方案計算簡圖

3.6比較確定斷層處理措施

方案一壩后回填混凝土方案，施工方法簡單、方便，其基礎開挖可以與常規壩段同時進行，混凝土澆筑可與壩體混凝土施工同時進行，不會影響整體工期，但壩后回填混凝土體積較大，施工中的溫控難度也相應較大。方案二開挖回填混凝土方案，基礎開挖與常規壩段的開挖同時進行，只是挖深加大些，對工期影響較小，而且是已建工程中采用率最高的技術方案。方案三基礎開挖回填混凝土齒槽方案，其齒槽混凝土與基巖接觸面較小，容易造成應力集中，其開挖施工較方案二難度大，容易影響施工進度，并且該方案的建基面穩定安全裕度分別為1.01、1.02，也是3個方案中最小的，并沒有完全達到規范的要求。綜上所述，推薦方案二，即F67斷層壩段壩基處理采用開挖回填混凝土方案。

4結語

經過對部分已建工程處理基礎斷層時所選工程措施的調查研究分析，對豐滿新建大壩壩址的F67斷層破碎帶擬定的尾部加混凝土方案、開挖回填混凝土方案、基礎開挖回填混凝土齒槽方案3個技術方案進行計算比較，最終確定采用基礎混凝土置換的技術方案。

如圖4所示，基礎混凝土置換范圍在寬度方向上為#29～#32壩段范圍，壩基范圍內向上游延伸2.00 m，向下游延伸5.00 m，采用C9020三級配混凝土置換，基礎置換深度6.00 m。

圖4　開挖回填混凝土方案示意圖

參考文獻

[1] 馬志強，劉鋒，趙穎華，等.豐滿水電站大壩全面治理工程可研報告(工程布置及建筑物)，205B-EH7-6[R].長春：中水東北勘測設計研究有限責任公司，2010.

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[3] 蔡為武. 桓仁大壩壩基夾層處理的經驗教訓[J]. 貴州水力發電,1999(3)：32-37.

[4] 劉楠，孫方超.大興川水電站工程可行性研究設計[R].長春：吉林省水利水電勘測設計研究院,2009.

[5] 羅先啟. 重力壩基礎縱向斷層及其處理的力學分析[J]. 三峽大學學報：自然科學版,1993(1):72-84.

The Fault Processing Technique Plan on Fengman Newly Built Gravity Dam Foundation F67

PU Jin-shan, etc.

(ChangchunInstituteofTechnology,Changchun130012,China)

Abstract：F(67) fault is located at the right bank of the newly built gravity dam area during Fengman hydropower station dam comprehensive treatment project.In this article, the investigations to some projects in construction have been performed to check if the technique treatment measures has been adopted during the treatment to foundation faults. Three technique measures are determined for F(67) fault with the engineering and geological characteristics of Fengman newly built dams. After calculation, analysis and comparison, the excavation displacement of concrete in the fault is finally selected to process the F(67) fault.

Key words：Fengman; gravity dam; fault; technical proposal

文獻標志碼：A

文章編號：1009-8984(2016)01-0064-04

中圖分類號：TV856

通訊作者：任玉珊

作者簡介：蒲金山(1989-)，男(漢)，山東淄博，碩士

收稿日期：2016-01-15

doi:10.3969/j.issn.1009-8984.2016.01.015

主要研究水工結構工程。