復雜地基條件下重力壩抗滑穩定處理措施

楊仕志，肖 燁

(湖北省水利水電規劃勘測設計院，湖北 武漢 430070)

喻家河水庫工程大壩位于恩施市龍鳳鎮清水河上。本工程攔河大壩由溢流壩段和兩岸非溢流壩段組成。壩頂高程543.0 m，壩頂上游側設1.2 m高防浪墻，河床段基底高程為483.00 m，相應的最大壩高為60.0 m。非溢流壩段壩頂按考慮碾壓混凝土施工和一般交通要求布置，寬為5.0 m，左側非溢流壩段長度75.00 m，右側非溢流壩段長150.00 m，溢流壩段寬度為45.00 m，大壩總長270.00 m。

非溢流壩段壩體上游面高程506.00 m以上為直立面，高程506.00 m以下坡度為1∶0.2；非溢流壩下游面坡度為1∶0.7。

非溢流壩段壩體臨水側設0.5 m厚R90200變態混凝土，抗滲等級為W6，其后采用1.5～3.5 m厚的二級配R90200碾壓混凝土，抗滲等級為W6；壩基面設0.5 m厚C20常態混凝土墊層；壩體內部為三級配R90150碾壓混凝土。

溢流壩段溢流面為C25常態混凝土、邊墻為C20常態混凝土，壩體臨水側為0.5 m厚R90200變態混凝土，抗滲等級為W6，其后為1.5～3.5 m厚二級配R90200碾壓混凝土，抗滲等級為W6，壩體內部及基礎混凝土墊層同非溢流壩段。

喻家河水庫工程大壩于2015-04-28日正式開工建設，在工程建設過程中發現，左岸壩段建基面開挖揭露工程地質條件與初步設計報告描述有較大差別(見圖1)，設計隨即采取了相應的處理措施確保施工安全，2019-12-13日，水庫下閘蓄水，蓄水期監測表明大壩工作正常，說明設計采取的措施合理，保證了工程安全，現總結以下經驗供類似工程借鑒、參考。

圖1 左岸壩段開挖邊坡地層巖性展示圖

1 壩區特殊的工程地質條件

喻家河水庫工程壩區位于柏楊坪向斜西支北西翼地層，單斜地層結構。右岸壩段主要為吳家坪組薄層硅質巖，巖體較完整，上游段巖體完整性好于下游段巖體。下游段巖體局部裂隙夾泥。河床壩段主要為厚層灰巖夾硅質巖互層，硬脆碎特征或厚層灰巖夾硅質巖互層。左岸壩段主要為大隆組泥灰巖夾頁巖，層間結合較差。結構面較發育-發育，存在不利于壩基穩定。綜上河床壩段和右岸壩段采用常規處理措施即可滿足建基面要求，但左岸壩段工程地質條件較差，明顯不滿足工程建基面要求，需要進行處理。

隨著河床壩基及左岸壩段開挖，已揭示大壩河床及左岸銜接部位及左岸壩段工程地質條件較復雜，現場補充勘探顯示左岸2號壩段及左岸3號壩段斜坡段巖體風化破碎現象突出，存在下伏緩傾角推覆斷層F，斷層泥形成軟弱夾層，上盤巖體具有“上硬下軟”巖性結構特征，臨坡開挖邊坡強風化巖體及崩坡積堆積發育厚度較厚(見圖2)。造成原岸坡地層弱風化下限劃分較淺，開挖建基面不滿足大壩建基要求。結合3號壩段開挖揭露推覆斷層F斷層泥形成的斷層泥夾層結構的分布為順層逆向岸坡結構。

圖2 2、3號壩段典型剖面圖

2號壩段地層自上而下大隆組薄層灰巖下伏灰綠色薄層泥灰巖夾頁巖，下伏巖層褶皺發育，灰黑色斷層泥夾層結構面，吳家坪組黑色薄層硅質巖。斷層泥夾層以上地層傾向左岸偏下游，以下地層傾向下游偏左岸。巖層產狀平緩，臨坡巖體風化。

左岸壩段開挖范圍地層屬推覆斷層F上盤地層，地層巖性由大隆組泥灰巖夾頁巖、大冶組薄層夾中厚層白云質灰巖組成，總體傾向左岸偏下游，近斷層影響帶巖層褶皺發育，臨坡卸荷裂隙及地下水溶蝕作用形成強風化巖體。開挖邊坡為緩傾角逆向巖質邊坡，雖然整體結構屬于穩定類型，但由于地層巖性結構差異風化特征，在開挖過程中，出現臨坡巖體松弛變形、局部滑塌現象，根據施工期補充勘察，確認上部強風化巖體及崩塌堆積二次開挖予以挖除。

2 復雜地基條件下設計采取的處理措施

1)在大壩左岸2號和3號壩段上下游增加托板，增加重力壩抗滑底面積，適當利用上游水重。

為保證2號壩段穩定，在上下游分別設置拖板，拖板建基面高程與相應部位大壩建基面相同。上游拖板頂部高程分別為510.0 m(寬8.0 m)、516.0 m(寬10.0 m)、525.0 m(寬11.0 m)，長度延伸至壩軸線上游11.6 m。下游拖板頂部高程分別為510.0 m(寬8.0 m、長22.3 m)、516.0 m(寬13.0 m、長14.1 m)、525.0 m(寬8.0 m、長12.3 m)為保證3號壩段穩定，在上下游分別設置拖板，拖板建基面高程與相應部位大壩建基面相同，上游拖板頂部高程分別為496.0 m(寬11.3 m)、503.0 m(寬5.0 m)，長度延伸至壩軸線上游11.6 m。下游拖板頂部高程分別為495.0 m(寬11.30 m、長10.0 m)、499.0 m、503.0 m。

2)加深2號和3號壩段固結灌漿。2號、3號壩段岸坡地質條件較差，3號壩段坡面486～479 m高程為軟弱夾層出露面，有側向擠脹外凸現象，軟弱夾層貫穿2號壩段下部。3號壩段和2號壩段515.0高程以下基礎固結灌漿底部高程以476.0 m控制，采用深孔固結灌漿工藝灌漿，間排距3 m，以便下部基礎形成整體巖體(見圖3)。

圖3 2、3號壩段505.0 m以下固結灌漿孔位布置圖

3)設置錨筋樁增加抗滑穩定性。根據2號壩段下部軟弱夾層深層穩定計算，2號壩段深層抗滑穩定不能滿足規范要求，除了增加壩基深層固結灌漿深度以外，3號壩段和2號壩段515.0高程以下采用3Φ32錨筋樁加固，錨樁穿過軟弱夾層，下部高程476.00，上部深入壩體混凝土2 m，錨筋樁間排距2 m，梅花形布置(見圖4)。

圖4 2、3號壩段錨筋樁布置圖

4)增加橫縫灌漿，將2～8號壩段連成整體。525.0 m以下2～7號碾壓混凝土縫面橫縫均采用預制橫縫模板成縫，縫內設置重復灌漿系統，后期進行接縫灌漿；525.0 m以下碾壓與常態縫面采用鍵槽模板成縫，縫內設置重復灌漿系統，后期進行接縫灌漿；525.0 m以上碾壓與常態縫采用20 mm厚閉孔泡沫板分縫。

3 設計計算

根據開挖揭露的工程地質條件和設計采取的工程措施，再次按照《混凝土重力壩設計規范》[1-2]附錄E中抗剪斷強度公式進行了計算。

1)大壩左岸2、3號壩段穩定應力計算，見表1～表3。

表1 穩定計算地質參數表

表2 大壩建基面抗滑穩定安全系數成果表

表3 大壩建基面應力計算成果表 MPa

計算成果表明，經過增加托板后壩體抗滑穩定及其應力均可滿足規范要求。

2)大壩左岸2號壩段深層滑動計算。根據地質勘探成果，2號壩段下伏軟弱夾層在壩基范圍連續，性狀極差，雖然展布呈逆向坡構造，為IV類巖體，降低了2號壩段壩基穩定性，需進行壩基深層抗滑穩定計算(見表4、表5)。

表4 2號壩段深層穩定計算地質參數表

表5 2號壩段深層抗滑穩定安全系數成果表

設計采用《混凝土重力壩設計規范》附錄E中抗剪斷強度公式進行計算。

穩定安全系數K′：基本組合K≥3.0，特殊組合①K≥2.5。

通過計算，2號壩段深層抗滑穩定不能滿足規范要求，除了增加壩基固結灌漿深度以外，采用3Φ32錨筋樁加固，錨筋樁穿過軟弱夾層，下部高程476.00，上部深入壩體混凝土2 m，錨筋樁間排距2 m，梅花形布置(見圖5)。

圖5 2號壩段深層抗滑計算簡圖

當壩基受壩體水平推力作用時，錨筋抗拔力的水平分力、附加剪面摩擦力及錨筋前部巖體抗力等綜合的力學效應，使壩基的承載和抗剪能力有較大提高。錨筋樁沿滑動面抗剪力作為滑動阻力考慮，單根鋼筋抗剪值按照鋼筋強度設計值75%取值，沿滑動面按照2 m間排距錨筋樁計算滑動阻力總值后代入公式計算，經過處理后2號壩段深層抗滑穩定計算成果見表6。

表6 2～8號大壩整體抗滑穩定安全系數成果表

3)大壩岸坡壩段雙向穩定計算。根據地質提供壩基地質參數，結合1、2、3號壩段抗滑穩定計算結果綜合分析，大壩河床及岸坡壩段水平段抗滑穩定安全系數均滿足規范，由于在岸坡壩段斜段存在地質條件較差的壩基，本次設計中對兩岸岸坡壩段進行雙向抗滑穩定計算[3-4]，計算成果見表7。

表7 岸坡壩段雙向抗滑穩定安全系數成果表

從上述計算結果分析，2、3、7號岸坡壩段雙向抗滑穩定不能滿足規范要求，由于8號壩段處理穩定系數的臨界值，綜合左、右岸壩塊分縫高程考慮，本次設計中采取了在525.0 m以下各橫縫采取接縫灌漿，即將2～8號大壩連為整體，保證大壩整體穩定安全。

4)大壩整體穩定計算。為了提高岸坡壩段側向穩定，大壩525.0高程以下橫縫采用接縫灌漿處理，即2～8號連成整體，處理后的大壩整體穩定計算成果見表6。

計算結果表明，接縫灌漿處理后，2～8號整體大壩穩定計算結果滿足規范要求。

4 處理效果

大壩下閘蓄水后的各項觀測數據正常、大壩整體性狀穩定證明，設計根據2、3號壩段開挖揭露工程地質條件，采取的增加上下游托板、加深固結灌漿、增設錨筋樁、將2～7號壩段連為一體成為整體重力壩等基礎處理措施是合理的，可靠的。確保了工程安全。可以供類似工程參考、借鑒。