軟巖壩基筑混凝土重力壩關鍵問題分析

周 華，王占軍，2，杜 威， 陳東斌

(1. 長江勘測規劃設計研究有限責任公司， 湖北 武漢 430010;2. 武漢大學 水資源與水電工程科學國家重點實驗室， 湖北 武漢 430072)

我國水利水電工程建設中，混凝土重力壩是廣泛采用的重要壩型之一，其結構簡單，施工方便，能較好地適應地形與巖石情況的變化以及復雜和不均勻的地基。然而由于水能資源不斷開發利用，具有較好壩址條件修建混凝土重力壩的工程越來越少，一些重力壩需修建在巖體質量較差的巖基上[1- 3]，比如軟巖。軟巖是具有特殊工程性質的一種巖石，以廣泛分布的黏土巖或黏土質膠結砂巖等為代表，其飽和單軸抗壓強度一般小于30MPa[4]。該類巖石巖性較軟弱，巖體變形模量低，抗壓強度及地基承載力低，易軟化、膨脹、崩解，其工程特性受風化、水等環境條件影響大。

混凝土重力壩主要依靠自重在壩基面產生的摩擦力以及壩體與地基間的凝聚力來抵抗水荷載以維持穩定，其壩基巖體巖性對大壩的變形和穩定影響顯著，其能否滿足工程荷載的要求，關鍵在于其變形模量和強度參數能否保證建筑物穩定和變形要求[5- 7]。在軟巖地基上修筑混凝土重力壩，可能出現壩體不均勻變形過大，沿軟弱夾層滑動，導致壩體失穩和壩體破壞。如黑龍灘水庫(壩高53m，壩基為砂巖與粉砂質泥巖)壩基巖體滑動導致壩體廊道開裂、漏水[8]；紀村重力壩(壩高22.5m，壩基為黏土質粉砂巖(內富含蒙脫石))壩基巖體裂隙、破碎情況嚴重，運行不久即出現壩基巖層泥化、軟化現象，致使7號壩段壩基摩擦系數由0.4降至0.31，威脅大壩抗滑穩定性[9]；廣西大化重力壩(壩高74.5m，壩基巖體為互層狀的泥巖和灰巖)監測資料顯示溢流壩段水平位移夏秋季節呈現趨向下游的異常現象，有限元計算和監測資料對比分析表明下游水位變幅大及壩基軟弱是主要原因[10]。

目前軟巖壩基修筑高混凝土重力壩的工程實踐較少[11]，其筑混凝土重力壩適宜性研究相應缺乏。本文基于軟巖壩基巖體試驗成果及工程實例資料，對多組軟巖物理力學試驗數據進行統計分析，比較不同巖性的巖體物理力學參數差異，系統總結軟巖巖體的強度特性、抗剪斷特性、變形特性、承載力等巖體力學特性，分析軟巖壩基可能出現的工程地質問題，提出軟巖壩基上修筑混凝土重力壩應重視的問題，供其他類似工程借鑒。

1 軟巖壩基混凝土重力壩的發展

已建的軟巖壩基混凝土重力壩多數只是局部壩基“軟弱”，即局部存在軟弱夾層和軟弱結構面。

本文研究的軟巖壩基是指工程地基巖體整體“軟弱”，即壩基巖體大部分或全部為軟巖。

筆者收集了國內19座典型的軟巖壩基混凝土重力壩(閘壩)工程[6- 7，11- 16]，見表1。由表1可知，鹽鍋峽是國內最早(1961年)在軟巖壩基上修筑的混凝土重力壩，其壩基巖體為白堊系紅層砂頁巖；2000年以前建成的軟巖壩基混凝土重力壩較少(有5座)，大部分工程(有14座)建成于2000年以后，并將繼續增多；從分布區域看，主要位于西北地區的黃河干流上游，西南地區的四川、廣西、云南等以及漢江流域湖北地區等；混凝土重力壩因對壩基要求較高，在軟巖地質條件下修筑的混凝土重力壩壩高普遍較低，最高為57.2m的鹽鍋峽電站工程，國內尚沒有100m級高壩工程的實例；四川盆地紅層軟巖地區修建的水電站工程全部為閘壩，混凝土壩段壩高基本在30m以下[8]。

2 軟巖巖體強度特性

壩基軟巖主要是砂巖、泥質粉砂巖、粉砂質泥巖和泥巖等，砂巖與泥質粉砂巖屬于較軟巖，其飽和抗壓強度30MPa≥Rb>15MPa，粉砂質泥巖與泥巖屬于軟巖(15MPa≥Rb>5MPa)。如我國西北、西南、華中及華南地區廣泛分布紅層軟巖巖體，其巖性多為砂巖及泥質巖[8]。本文收集了典型區域壩基軟巖的物理力學試驗成果資料[1，12- 24]，見表2—3。由表2可知，軟巖天然密度為2.1～2.4g/cm3；不同巖性的軟巖抗壓強度相差較大，砂巖類軟巖強度高于泥巖類，但均較低；與天然抗壓強度相比，軟巖飽和抗壓強度降低明顯，這與軟巖遇水易軟化、崩解特性密切相關，砂巖類軟巖軟化系數大于泥巖類。

3 軟巖巖體變形特性

由表3可知，軟巖巖體變形模量值較低；不同巖性的軟巖變形模量相差較大，泥質巖類較砂巖類巖體小，這與砂巖類巖體(屬于較軟巖)和 泥質類巖(屬軟巖)兩者的堅硬程度不同是相適應的[8]；巖性相同的巖體，巖體產狀及風化程度不同，變形模量值也存在明顯差異。巖體變形模量不均一性會造成壩基不均勻變形，在實際工程中需采取防范措施。如沙坡頭壩基泥、頁巖與砂巖變形模量差異較大，為避免產生較大不均勻變形，在2#機組以左壩段橫縫底部設置厚混凝土托板，3#～5#泄洪閘炭質頁巖壩基置換1.5m厚混凝土[26]。

表1 軟巖壩基筑混凝土重力壩(閘壩)工程實例

表2 典型工程壩基軟巖抗壓強度成果

表3 典型工程壩基軟巖剪切及變形模量現場試驗成果

(續表)

4 軟巖壩基承載力

軟巖壩基的承載力允許值通常以現場載荷試驗為基礎，參考行業規范規定，經綜合分析確定[25]，如沙坡頭軟巖壩基承載力以極限荷載平均值取2.5倍安全系數確定[25]；柴志陽等[16]在對比分析多種規范基礎上，確定采用GB 50007—2011《建筑地基基礎設計規范》的修正方法計算西霞院軟巖壩基承載力。根據軟巖地區工程經驗，該類方法往往對軟巖壩基承載力估計不足[19，26- 27]，鑒此，部分學者嘗試其它方法獲取軟巖壩基承載力，如針對環境極度敏感的廣西第三系泥巖采用動力觸探試驗獲取壩基承載力[19]，利用Hoek-Brown強度準則建立砂礫軟巖極限承載力分析方法[27]。由表3可知，軟巖壩基承載力總體較低，受巖性及巖體構造發育情況影響。對于不同巖性組合的壩段，建議分別確定壩基承載力。對承載力不滿足要求的軟巖壩基，需采取增大壩基承載面積、局部深挖、置換混凝土和減少壩體荷載等工程措施，如西霞院混凝土壩段采用局部素混凝土樁進行加固處理[16]；沙坡頭通過在實體混凝土內設置減載空腔改善壩基巖體受力[25]。

5 軟巖壩基巖體剪切破壞特征

軟巖巖體現場抗剪試驗表明其剪切破壞一般為塑性破壞，巖體抗剪強度取屈服值作為標準值[24]。由表3可知，砂巖類軟巖抗剪斷強度f'多在0.7～1.0，c'多在0.6～0.85MPa；泥質類軟巖抗剪斷強度f'多在0.3～0.5，c'多在0.1～0.5MPa；不同巖性的軟巖抗剪斷強度相差較大，砂巖類明顯大于泥質巖類；對于軟巖，因其“軟”特性，巖體本體的抗剪斷強度和混凝土與巖體結合面的抗剪斷強度，均由巖體的巖性及風化程度決定[8]。一般來說軟巖巖體本體強度大于巖石與混凝土結合面的抗剪斷強度值[24]。

總結已收集的工程壩基巖體資料發現，軟巖壩基巖體的剪切破壞面特征與巖石的強度、完整程度及巖性組合密切相關，主要有3種類型[8，28- 29]：①一部分剪切面為沿混凝土與巖石的接觸面，另一部分位于壩基巖體中，這種破壞面類型的巖體主要是較軟巖(巖體單軸抗壓強度15～30MPa)，多為較完整的層狀砂巖和泥質粉砂巖；②剪切破壞面全部位于壩基巖體中，這種類型巖體的單軸抗壓強度一般為小于15MPa的軟巖，其巖性多為粉砂質泥巖與泥巖；③由砂巖及泥巖互層結構組成的壩基巖體，若順層分布的軟弱夾層發育，且與層面近于垂直的構造裂隙的結構面組合，易產生沿軟弱夾層的深層滑動。

6 軟巖壩基處理與加固

軟巖巖體強度低、易風化崩解，軟巖壩基需采取加固處理措施，常采用壩基開挖保護、固結灌漿和帷幕灌漿進行加固和防滲。現場試驗及室內試驗結果均表明，軟巖壩基巖體抗風化能力較弱，風化會降低軟巖巖體抗剪斷強度等物理力學特性[8]，因此壩基施工開挖時應預留保護層。如色拉龍一級水電站重力壩壩基開挖時先預留1～2m保護層，再采用人工清基，24h內噴混凝土或澆筑混凝土[30]。相反，牙扎和文祖口水庫白堊系礫巖壩基開挖后放置時間較長，且未能及時保護和澆筑灌漿蓋板，造成表層巖石風化和裂隙發育，壩基灌漿效果亦不理想[31]。多個工程實踐表明對軟巖壩基開挖時應適當預留保護層和及時澆筑混凝土覆蓋保護。

軟巖壩基宜進行固結灌漿，不僅提高淺層基巖完整性，還增強壩基淺表層基巖抗滲性，并為帷幕灌漿造蓋，減少基巖抬動可能性[31]。軟巖壩基不同于硬巖，巖體抗劈裂能力差，不宜過度采用較高的灌漿壓力，否則壩基灌漿容易出現劈裂和抬動，建議灌漿壓力0.5～1.5MPa，但具體需通過灌漿試驗確定，同時可通過改變常規灌漿方式，如增加淺表層固結灌漿和增加帷幕排數以保證帷幕的防滲效果[32]。硬巖壩基帷幕質量檢查壓水試驗壓力取值原則已不適用于軟巖壩基，應根據壩基巖性和試驗結果合理確定壓力，防止壓水試驗壓力過大破壞帷幕。

7 結論

(1)不同巖性的軟巖抗剪斷指標相差較大，巖體抗風化能力較弱，壩基開挖時應預留保護層。

(2)軟巖巖體變形模量較低，不同巖性的變形模量相差較大；巖性相同的巖體，巖體產狀及風化程度不同，變形模量也存在明顯差異。

(3)軟巖壩基承載力總體較低；對于不同巖性組合的壩段，建議分別確定壩基承載力。對承載力不滿足要求的軟巖壩基，需采取增大壩基承載面積、局部深挖、置換混凝土和減少壩體荷載等工程措施。

(4)軟巖壩基混凝土重力壩滑動破壞主要為淺層滑動和深層滑動；對于存在軟弱夾層的軟巖壩基，易產生沿軟弱夾層的深層滑動。

(5)由于軟巖巖體質地軟弱，抗剪強度較低，壩基允許承載力及變形模量均較小，巖體中可能還有軟弱夾層等軟弱結構面存在，這些結構特征使壩基存在不均勻沉降和抗滑穩定問題。

(6)軟巖壩基灌漿不同于硬巖壩基，灌漿壓力不宜較高，并通過改變灌漿方式增強壩基帷幕防滲效果。