桑郎水庫拱壩壩肩抗滑巖體遭破壞后的處理方案探析

陳佐豪

（貴州省水利水電勘測設計研究院貴州貴陽550002）

桑郎水庫拱壩壩肩抗滑巖體遭破壞后的處理方案探析

陳佐豪

（貴州省水利水電勘測設計研究院貴州貴陽550002）

本文以桑郎水庫工程為例，通過各種處理方案對比分析，提出在拱壩施工過程中，壩肩抗滑穩定安全系數不足情況下的處理方案設計思路。

拱壩；壩肩抗滑穩定；處理方案分析

1　概況

桑郎水庫工程位于貴州省黔西南布依族苗族自治州望謨縣桑郎鎮，是集發電、灌溉、供水為一體的綜合利用工程，灌溉面積1.9萬畝，電站裝機容量12.6MW，水廠供水水源2萬t/d。壩址位于桑郎鎮上游4km的“V”型狹谷河段，控制集水面積650km2，多年平均流量10.7m3/s，水庫正常蓄水位505m，最高校核洪水位505.36m，總庫容1480萬m3。壩型為碾壓砼拱壩。水庫為中型，工程等別為Ⅲ等，樞紐大壩等主要建筑物為3級，次要建筑物為4級。

擋水大壩為砼雙曲拱壩，壩頂高程507.0m，壩底高程417.0m，最大壩高90m，壩頂寬5m，壩底寬16.5m，壩頂弧長119.984m，壩頂中心角90.216°。其厚高比為0.183，屬薄拱壩。［1］

大壩壩肩開挖過程中，受爆破開挖及地質條件影響，拱壩左壩肩下游抗滑巖體遭超挖破壞，507m～462m高程之間左岸下游抗滑巖體總計超挖6100m3，主要集中在477m高程以上。經平面法及空間法復核［2］［3］，左壩肩492m高程以上抗滑穩定安全系數為1.7～2.6，均不滿足規范要求。

2　處理方案分析

根據壩肩穩定復核計算結果，雖然拱壩左右壩肩下游抗力巖體（特別是左壩肩下游側477m高程以上部位）遭超挖破壞，但除左壩肩492m高程以上壩肩抗滑穩定不滿足要求外其余部位抗滑穩定安全系數均能滿足規范要求。

從現狀地形地質條件、施工可行性及大壩開挖施工現場實際情況，左壩肩超挖處理存在以下方案（或方案組合）的可能性：

方案（一）：調整壩型，變為重力式拱壩或拱式重力壩，減小兩壩肩滑動推力；

方案（二）：調整拱壩體型、加大拱端嵌深，增加下游抗滑巖體的作用；

方案（三）：不調整拱壩體型，不改變拱端力系，通過對被破壞的壩肩抗滑巖體進行地形補缺，使左壩肩獲得足夠的抗滑巖體以滿足抗滑穩定需要。

方案（四）：在左岸增設重力墩或傳力墩，將拱端推力作用在重力墩或傳力墩上，再傳遞給山體。

針對以上可能存在的方案進行定性分析：

方案（一）需改變壩型，即推翻原初設成果及其審批文件，從審批程序及設計周期角度，其余三個方案均有優勢。從投資及施工工期角度，重力式拱壩對拱端推力及基底應力改善明顯，意即對拱肩及拱基更有利，但對于較薄拱壩而言，需要加大拱壩混凝土量以放大壩的重力效應。桑郎水庫大壩原初設階段設計厚高比0.194，壩頂寬度5.0m，壩底寬度17.5m，壩高90m，屬薄拱壩；施工圖階段設計厚高比0.183，壩頂寬度5.0m，壩底寬度16.5m，壩高90m。若改變為重力式拱壩（厚拱壩），厚高比≥0.35，即便保持原壩頂寬度5m不變，壩體混凝土量至少增加至15.6萬m3，原施工圖階段壩體混凝土量總計為9.2萬m3（不含溢洪道、底孔部位），即重力式拱壩方案增加壩體混凝土量至少為6.4萬m3，按綜合單價250元/m3計算，單壩體混凝土量增加投資就達1600萬。投資極不經濟，且由于厚高比增加，壩肩及基坑開挖量增大、壩體混凝土量增加導致施工進度變慢、施工工期加長。綜合以上各方面分析結果，方案（一）不具備可行性及經濟性。

方案（二）由于不需要改變大壩型式，在審批程序上優于方案（一）。從技術角度，由于施工圖階段大壩結構設計采用不完全對稱雙曲拱壩，壩頂左半拱中心角44.541°，右半拱中心角45.675°，左半拱中心角小于右半拱中心角1.134°，且根據現狀壩址地形地貌及工程地質條件，左岸山體無限制拱座繼續向山體側加大嵌深的不利因素（僅上壩交通洞出口與左壩肩交會位置發生改變，但完全可通過局部加大洞徑進行調整）。因此，從大壩體型及技術方案角度，由于超挖帶來左壩肩下游抗滑巖體不足的問題，完全可以由方案（二）通過增加拱座嵌深的方式解決。該方案不利因素在于加大嵌深必須對拱肩槽進行二次開挖，而且必須從山頂重新開口進行下挖，施工影響面較廣、施工難度較大。同時還面臨控制爆破達不到預期效果從而損傷下游抗滑巖體的風險。投資上，由于嵌深開挖及增加的壩體工程量均不大（初步測算加大5m的拱端嵌深即可獲得足夠的下游抗滑巖體，使壩肩抗滑穩定安全系數滿足規范要求），投資明顯由于方案（一），且該方案具有適應性強、對拱壩體型只進行小規模調整等優點。因此，須對方案（二）進行詳細的設計，最后通過與其它方案進行投資比較確定最優方案。

方案（三）是類似問題的常見處理辦法，具備原理簡單、設計便捷、施工簡單易操作、對施工區其它部位影響小、投資省等優點，在石阡花山水利工程、息烽縣魚簡河水利工程［4］壩肩下游抗滑巖體處理等工程上已有實際應用。但該方案缺點是有較強的局限性，一般只用于抗滑巖體損失不大且具備地形補缺的地形、地質條件，特別是需要具備地形補缺的建基面且要滿足抗力體邊坡自身穩定的前提條件。具體到本工程實際情況：

①本工程左壩肩下游抗滑巖體現狀地形在485.0m～487.5m高程之間為一緩坡平臺，寬度2.5m～3.5m，可作為補缺回填砼基礎，滿足建基面的條件；

②根據壩肩巖體質量評價及邊坡穩定性分析：“左壩肩由于受施工期震動等影響，巖體破碎，清方體積較大，現邊坡477高程以上巖體已大部清除，巖體大部進入弱風化帶中、下部，節理裂隙不連續，閉合較好，且層面軟弱夾層層面起伏較大，軟弱夾層以碎屑夾泥為主，為原生夾層，泥化現象不明顯，現狀邊坡基本穩定?！币虼耍瑵M足抗力體邊坡自身穩定的前提條件；

③根據壩肩穩定復核成果［5］，現狀地形地質條件下，僅左壩肩492m高程以上壩肩抗滑穩定安全系數不滿足規范要求，且與規范要求的安全系數相差不大。導致這一現象的原因是施工圖階段設計拱端嵌深較大，安全系數有一定的富余度，也就是說，僅需在超挖部位回填少量補缺砼即可滿足壩肩抗滑穩定安全的需要，這給方案（三）在本工程的實際選用提供了強有力的支撐；

④該方案主要工程措施簡單，對壩址施工區其它工作面干擾小，同時無需擾動壩基、壩肩及現狀山體邊坡，潛在的威脅和風險小，對整個樞紐工程的施工進度及工期不會造成大的不利影響，由于采用的是局部、小范圍的治理措施，初步測算地形補缺回填砼量約1000m3，投資上明顯優于方案（一）。

綜合以上分析，方案（三）技術可行，但需要與方案（二）進行投資經濟性比較。

方案（四）也是一種常見的處理辦法，應用于壩肩上部基巖地質條件較差、上部地形較開闊、壩址兩側山體向下游開口呈喇叭形、實際地形地質條件下拱壩抗滑穩定安全系數過小等情況，其本質綜合了改善拱端推力及增加抗滑巖體的原理，具備兩者的優勢。但本工程由于壩址河谷為深切“U”型橫向峽谷，重力墩基礎設置須與拱壩同一建基面或左壩肩下游側二次開挖形成重力墩基礎，加之重力墩尺寸較地形補缺回填砼體大，在投資上必然超過方案（三）。本次處理方案設計不進行考慮。

綜上所述，針對本工程的實際情況，選擇方案（二）和方案（三）進行設計（即加大拱端嵌深方案與地形補缺方案，或兩者組合），最終通過投資比較選取推薦方案。

3　推薦方案選擇及設計

經過上表的分析，推薦方案二，即采取地形補缺的方案。具體方案設計為：

根據開挖現狀地形條件，左壩肩下游側485.0m～487.5m高程之間為一緩坡平臺可作為補缺回填砼基礎，邊坡設計采用錨筋+混凝土貼坡擋墻來補齊缺失的下游抗滑巖體。

回填砼外邊界沿平臺485.0m高程外邊線，上游邊界為拱壩下游壩肩輪廓線，下游邊界至山體基巖凸出位置，建基面平臺高程485.0m，采用1:10倒坡傾向山體側，平臺底部及靠山側基礎均布置φ32錨桿，間排距1.5m，錨桿根長4.5m，入巖4.0m，外露0.5m澆筑在回填砼內。砼與建基面及坡面在接觸處除采用布設錨桿抗滑外，還采取固結灌漿以提高抗滑巖體整體性。

為增強補缺回填砼體與山體的整體性，并充分利用固結灌漿孔，擬在固結灌漿完成后，再插入φ32錨桿，根長9.0m（長錨桿），伸入基巖8.0m（固結灌漿孔入巖長度），回填砼體內留1.0m，然后再對固結灌漿孔封孔。

為保證地形補缺回填砼與山體緊密結合，形成整體穩定的壩肩抗滑巖體，在回填混凝土澆筑完畢并達到設計強度后，裝設100T預應力錨索，錨索總長20m，預應力錨索走向沿巖層走向并與巖層層面呈60°交角。

表1　壩肩抗滑體處理方案綜合比較分析

4　結論及建議

（1）由于地質條件或施工組織等原因，導致拱壩在實際施工過程中，出現兩壩肩下游抗滑巖體不足的情況。具體處理設計時須根據現場實際條件進行充分論證分析比較后，因地制宜的選擇技術可行、經濟合理的最優方案。

（2）由于方案設計最終表現為現場施工，因此在方案比選設計時，應充分考慮施工安全、質量、工期、投資等因素，不能一味以設計便捷度及土建投資來進行單一比較。陜西水利

［1］貴州省黔西南州水利電力勘測設計院.貴州省望謨縣桑郎水庫初步設計報告［R］.貴陽:貴州省水利水電勘測設計研究院，2005.

［2］王毓泰，周維垣，毛健全，等.拱壩壩肩巖體穩定分析［M］.貴陽：貴州人民出版社，1982.

［3］朱伯芳，高季章，陳祖煜，等.拱壩設計與研究［M］.北京：中國水利水電出版社，2002.

［4］張宜虎，尹紅梅，王亮清，等.魚簡河拱壩壩肩巖體穩定性分析［J］.巖體力學與工程學報，2005，24（18）：3305-3310.

［5］武漢大學水資源與水電工程科學國家重點實驗室.貴州省望謨縣桑郎水庫工程拱壩和壩基（肩）整體抗滑穩定性及壩體應力三維有限元仿真分析［R］.貴陽：貴州省水利水電勘測設計研究院，2014.

（責任編輯：唐紅云）

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