采用地下混凝土框格梁處理大壩軟弱基礎的新型策略

馬 敬，蔣 兵

(1.新疆兵團勘測設計院(集團)有限責任公司，新疆 烏魯木齊 830002；2.新疆水利水電勘測設計研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

云南省團結水庫位于耿馬傣族佤族自治縣耿馬鎮南木老河上，是一座以灌溉為主兼水產養殖的控制性水利工程。水庫由攔檔大壩及泄放水建筑物組成。區域內主要出露古生界變質巖地層和二疊系、三疊系、侏羅系、第三系沉積巖地層及第四系(Q)地層。壩址區基巖為上第三系陸相沉積為主的細碎屑沉積巖，巖性為黏土巖、粉砂質黏土巖，局部夾有成巖較差的礫巖、砂巖、粉細砂層透鏡體及煤線，灰色、淺灰色，極薄層-薄層狀構造，產狀30°～35°NW∠1°～5°。室內巖塊多組試驗及天然狀態下巖塊抗壓強度試驗可知，壩基6.4～73m深度范圍內巖塊天然狀態無側限單軸抗壓強度最大值為4.8MPa，最小值為0.88MPa，平均值2.1MPa，小值平均值1.2MPa，屬極軟巖，巖體強度低，飽和狀態強度更低，可采用機械及人工直接掘進，為典型的軟巖-硬土過渡型地層。在如此軟弱泥巖上建壩，在幾種常見的基礎處理方案，如大開挖、礫石樁等均不能滿足正常運用工況應力應變要求的前提下，采用地下混凝土框格梁策略科學合理地解決了軟弱壩基問題。

1 工程地質條件

表1 抗滑穩定計算中大壩組成材料物理力學參數表

表2 上第三系黏土巖、粉砂質黏土巖綜合物理力學性指標地質建議值

工程區50年超越概率10%的地震動峰值加速度為0.30g， 對應的地震基本烈度為Ⅷ度，地震動反應譜特征周期為0.45s，屬強震區，綜合以上因素確定工程區屬區域構造穩定性較差地段。

2 大壩結構設計參數及相關物理力學指標

大壩采用黏土心墻堆石壩，壩頂長度915m，最大壩高54.5m，壩頂寬度為8m，最大壩底寬203m。壩體斷面以黏土心墻防滲體為中心，心墻防滲體上、下游兩側由內向外分別為：上游反濾層、上游過渡層、上游灰巖堆石料、上游砂礫石墊層料、下游反濾層、下游過渡層、下游灰巖堆石料，上游壩坡坡比為1∶2.0；下游壩坡坡比為1∶1.8?？够€定計算中大壩組成材料物理力學參數見表1。

3 幾種壩基處理方案靜力穩定分析

3.1 振沖碎石樁置換方案

采用振沖樁方案置換壩基，振沖樁的置換率分別為20%、30%、40%和50%。各置換率下的地基復合強度參數見表3。振沖樁的深度分別擬定10、15、20、25m四種。前后坡腳壓重頂部長度取20、30、40、50m。

表3 振沖樁加固時壩基復合強度參數

經三維靜力抗滑穩定分析，隨著碎石樁置換率的增大，地基抗剪強度提高，大壩抗滑安全系數增大。隨著碎石樁加固深度的增大，大壩最危險滑動面深度增大，大壩抗滑安全系數提高，但當碎石樁的加固深度為15m時，盡管置換率達到50%，抗滑穩定安全系數仍不能滿足規范要求；當加固深度增大到25m時，碎石樁置換率達到40%后，正常工況的大壩下游側安全系數滿足規范要求，上游 壩坡及地震期壩坡穩定系數小于規范要求。當置換率提高到50%后，各工況的大壩上下游側安全系數均滿足要求。對于控制工況(地震期)，上游下游最小安全系數分別為1.04、1.05，均小于規范要求。

3.2 壩基大開挖置換方案

壩基采用大開挖后灰巖料置換黏土巖措施，初擬心墻上游側30m長范圍內黏土巖置換深度為13.0m，其余壩體輪廓線范圍內置換深度為5.0m，壩基采用灰巖堆石料置換黏土巖。壩體上下游設反壓平臺，上游反壓平臺頂寬50m，下游反壓平臺頂寬80m，反壓平臺壓實。初擬基礎開挖置換方案大壩標準橫斷面圖如圖1所示。

圖1 初擬基礎開挖置換方案大壩標準橫斷面圖

因開挖會破壞黏土巖的完整性，且運行期開挖面一定深度范圍的黏土巖呈飽合狀，經三維靜力抗滑穩定分析，地震期上下游壩坡抗滑穩定安全系數1.03和1.05均不滿足規范要求。由此，開挖方案將心墻下游側30m范圍內開挖置換深度增至10m，經三維靜力抗滑穩定分析，地震期大壩下游側抗滑穩定滿足要求，但上游側抗滑穩定安全系數1.06，仍不滿足規范要求。

為增大大壩上游側抗滑穩定性，對置換加固深度和下游側壓重范圍進行了敏感性分析。將上下游局部加固深度增大到13m后，因受飽和泥巖的影響，正常工況及地震工部上下游壩坡穩定安全系數由1.05提高至1.065，提高不大，且仍略低于規范要求。可見大開挖置換方案處理黏土巖蠕變壩基效果不理想，繼續加深開挖深度也會帶來一系列開挖高邊坡及基坑排水等不利問題。

3.3 地下混凝土框格梁加固方案

經以上常規的振沖碎石樁置換方案及大開挖置換方案，均存在破壞現狀泥巖結構且引導水頭向下使深巖泥巖飽和的問題，且經兩種方案均三維靜力分析，也驗證了上述方案的不可行。但通過以上置換方案的驗證也為此類壩基處理提供了新思路，即部份置換表層5～8m風化泥巖，同時又不因為置換壩基引入水頭向下侵入深巖泥巖，起到真正意義上加固壩基的作用。一種地下混凝土框格梁處理壩基方案應運而生。即對壩基輪廓范圍內表層1～2m松散覆蓋層清廢后至風化泥巖，在風化泥巖內布置地下混凝土框格梁，經幾種布置方案分析，最終推薦布置方案為：心墻上、下游地下混凝土框格梁間距為30m(順水流向)×30m(垂直水流向)，混凝土梁平均入巖深度為8m，垂直水流向的混凝土框格梁每60m間隔斷開，框格梁寬度均為1m。壩基混凝土框格梁平面布置圖如圖2所示。

經三維變形及應力特性研究地下混凝土框格梁壩基處理方案應力應變分析結果為：最不利地震工況，壩基框格梁受上部壩體重力作用，框格梁最大壓應力處于底部，為4.42MPa。受不均勻變形影響，框格梁下部有拉應力，且靠近軸線的順河向與軸向框格梁連接部位的拉應力大于下游最大拉應力，上游最大拉應力為2.25MPa，下游側最大拉應力為2.75MPa。該拉應力均可通過對混凝土梁內進行配筋解決。滿蓄期順河向框格墻高度方向及厚度方向剪應力三維應力分面如圖3—4所示。

圖2 壩基混凝土框格梁平面布置圖

圖3 滿蓄期順河向框格墻高度方向剪應力(單位：Pa)

圖4 滿蓄期順河向框格墻厚度方向剪應力(單位：Pa)

4 壩基框格梁方案壩坡抗滑穩定分析

大壩抗滑穩定分析，進行三維靜力有限元計算時，土體采用了鄧肯張-EB模型模擬，計算參數來自三軸試驗成果。另外，地基采用線彈性模型模擬，泊松比υ=0.31(取自現場試驗)，彈性模量E=13MPa(根據土體壓縮模量Es進行換算，E=Es(1-2υ2/(1-υ))。考慮到自重作用主要產生豎向變形，因此靜力計算時，采用兩側水平約束，豎向自由的邊界。混凝土框格墻加固區域采用體積等效的原則換算，強度參數復合地基強度中C值較未加固地基土的增加量計算為：2.09MPa×(130+130)=139.3kPa，計算中取為130kPa，計算時復核地基的摩擦角取值與未加固的地基土相同。當采用置換深度分別為5、8m時，通過大壩三維靜力分析結果，見表4—5，可知采用地下混凝土框格梁加固壩基方案，框格梁的深度仍是層間滑動的控制工況。

表4 框格墻加固地基時岸坡段大壩斷面抗滑穩定安全系數(框格梁從黏土巖頂面以下5m)

表5 框格墻加固地基時岸坡段大壩斷面抗滑穩定安全系數(混凝土框梁從黏土巖頂面以下8m)

通過上述分析計算結果可知，當混凝土框格梁伸入風化層下部，深度為8m時，各工況抗滑安全系數見表5，均大于規范允許值，大壩壩坡抗滑穩定滿足規范要求。

5 大壩應力變形綜合分析

在采用地下混凝土框格梁壩基處理方案基礎上對大壩進行三維有限元靜力分析及動力分析。

5.1 三維有限元靜力分析

(1)壩殼應力應變

水平位移：竣工期，大壩水平位移最大值分別為6.20cm(上游)和6.65cm(下游)。滿蓄期，在水荷載作用下，壩體向上游側的變形減小，最大值為2.35cm；向下游側變形的增大，最大值為11.28cm。

豎向位移：大壩豎向沉降最大值為58.23cm。

壩體應力：竣工期，大壩大小主應力分布規律是從心墻以及底部區域附近向上下游方向逐漸減小。大小主應力最大值分別為1.03、0.44MPa。滿蓄期，由于浮托力的作用，上游壩體和壩基大小主應力均有所減小，大主應力和小主應力最大值分別降低至1.05、0.43MPa。

(2)心墻應力應變

竣工期，心墻順河向位移較?。恍膲ωQ向沉降最大值為59.24cm，位于河谷中央1/2心墻高度附近，心墻沿壩軸向位移最大值為3.23cm。

滿蓄期，由于水壓力的作用，心墻順河向最大變形增大，順河向最大位移為10.25cm，位于墻頂；心墻沿壩軸向位移最大值為3.08cm。

竣工期，心墻最大壓應力為0.52MPa，位于心墻底部區域；滿蓄期，心墻最大壓應力為0.50MPa，沒有出現拉應力。

大壩典型斷面的沉降、水平位移、位移應力最大值見表6。

表6 三維有限元大壩靜力計算峰值表(應力以壓為正)

5.2 三維有限元動力分析

動力有限元分析地震作用主要產生水平剪切變形，地基兩側豎向約束，水平向自由。

(1)大壩地震加速度反應

地震反應分析的結果表明，大壩順河向最大加速度為5.2m/s2，放大倍數為1.73。大壩豎向最大加速度為4.8m/s2，放大倍數為2.4。壩軸向最大加速度為4.7m/s2，放大倍數為1.57。最大值均出現在壩頂，基巖對加速度的放大效應不明顯。計算結果符合大壩有限元動力反應的一般規律。

(2)大壩永久變形

大壩順河向最大永久變形位移為25cm(向下游)，發生在大壩壩頂上游側；豎向最大沉降為50cm。

6 結論

經三維有限元靜動力分析，壩基采用地下混凝土框格梁方案時，大壩應力應變各項指標均滿足規范要求?？梢?，對于類似滲透系數小，隔水性較好，但遇水軟化蠕變、抗剪強度差的黏土巖壩基，振沖轉換及開挖置換方案均會引起臨水面下移，從而導致飽和帶向下擴散，在提高壩基抗剪強度有限的情況下，而通過一味加深置換深度來影響壩體穩定安全系數，對經濟和施工安全均不利。地下混凝土框格梁置換方案，不僅可利用抓斗等現代化機械化施工，保證施工效率，確保施工安全，而且使壩基整體性好，對大壩結構穩定性發揮著至關重要的作用。該方案在全國壩基處理中屬首例，已在云南耿馬團結水庫成功應用，可供同類工程參考。