關于軟巖地基上修建堆石混凝土壩的探討

甘 澤，楊薈穎，韓秋八，吳顯航

(1.重慶市勘測院，重慶 400002；2.重慶市水利電力建筑勘測設計研究院有限公司，重慶 400002)

西南地區某水利樞紐工程壩址區河谷橫斷面呈不對稱的“U”型，除河谷與左右岸坡腳有第四系覆蓋層分布外，壩址兩岸壩坡均為基巖裸露，巖性為頁巖，偶夾砂巖與灰巖夾層。巖體均一性差，巖體抗壓、抗滑及抗變形性能較差且差異大，基本呈現垂直風化分帶特征，受下游楊柳壩斷層影響，壩址區頁巖揉皺較發育，巖體裂隙發育較密集，強風化深度較大。根據鉆孔揭示，其風化特征是表層巖體強風化，巖心破碎多呈碎粒及碎塊，其下巖體屬弱風化。

1 壩型的選擇

根據壩址的地形地質條件，有中低重力壩和土石壩(柔性壩)兩大類壩型可供選擇。壩區出露巖性為奧陶系下統湄潭組(O1m)頁巖，屬軟巖，巖體抗壓、抗滑、抗變形性能差。工程區附近廣泛出露有奧陶系下統桐梓和紅花園組灰巖，可用于壩體堆石料填筑和混凝土骨料，興建重力壩和土石壩均可行。結合壩址地形地質條件、工程總體布置、天然建筑材料、施工技術和工程投資等因素，重點開展了混凝土重力壩、面板堆石壩、瀝青混凝土心墻石渣壩3種典型壩型比選。

修建面板堆石壩需要硬巖堆石料，壩區附近天然建筑材料的開采或購買條件較好，混凝土面板和趾板施工技術成熟可靠。但修建土石壩需要布置導流洞及岸邊溢洪道。由于壩址區頁巖完整性較差，施工過程中開挖量較大，開挖后將形成高陡邊坡，邊坡支護工程量較大；導流洞洞內巖體質量較差，圍巖類別多為Ⅴ類，施工難度大，支護工作量較大，投資較高。

修建瀝青混凝土心墻壩可在壩址區附近開采頁巖石渣料，料源豐富且較近，但心墻基座必須置于穩定巖層上，基座底部需深入弱風化頁巖；修建心墻壩需要布置導流洞及岸邊溢洪道。由于壩址區頁巖完整性較差，施工過程中開挖量較大，開挖后將形成高陡邊坡，邊坡支護工程量較大；導流洞洞內巖體質量較差，圍巖類別多為Ⅴ類，施工難度大，支護工作量較大，投資較高；瀝青心墻施工技術要求高，施工設備投入大。

對中低重力壩，壩區附近天然建筑材料的開采或購買條件較好，據本階段在壩址區進行的鉆探揭示，壩址區巖體完整性較差，局部可能存在小斷層及裂隙密集帶，施工過程中開挖量較大，開挖后基礎質量難以保證，壩肩邊坡穩定性較差，且存在傾向左岸偏上游的裂隙(L1∶N70-85°E/SE∠30-44°)，對壩基深層抗滑不利，建議對壩基抗滑穩定進行驗算，并在設計時考慮提高壩體抗滑穩定性的工程措施。

綜上所述，從地質條件來說混凝土重力壩、面板堆石壩、瀝青混凝土心墻石渣壩均可修建，巖層條件均能滿足壩基應力及穩定要求。但每種壩型均存在各自的工程地質問題和缺陷，建議通過多專業綜合比較來選定壩型。

經多專業反復比較，推薦重力壩方案。

2 地質參數的確定

根據室內巖石物理力學性質試驗，地質專業提供的主要地質參數見表1。

表1 巖石(體)物理力學指標建議值表

3 大壩斷面的優化設計

根據地勘報告，本工程強風化頁巖下部地基承載力為450kPa，摩擦系數f=0.37；弱風化頁巖上部地基承載力為1MPa，摩擦系數f=0.42，參數較低。通過壩基穩定驗算，常規重力壩方案大壩基礎置于強風化層上無法滿足抗滑穩定要求。原推薦的堆石混凝土重力壩壩基置于弱風化基巖上，壩基應力最大為528kPa，基礎只能置于弱風化頁巖上。設計最大壩高35m，最大壩底寬度34.14m，大壩最大埋深15m，由于埋深太大，造成開挖量巨大，同時開挖料無法利用，大量棄渣需占用較多土地，因此該方案并不經濟。

該工程參考國內已建工程中軟基修建重力壩的設計經驗，對重力壩體型進行優化設計。重力壩布置最大的問題是壩基應力和抗滑穩定，本工程壩址下伏基巖為頁巖，物理力學參數值較低。為減小埋深，本次設計考慮將壩基置于強風化層上，通過加大底板與基巖接觸面積的方式減小壩基應力，同時增大抗滑穩定安全系數，該項目河床壩段壩基置于強風化頁巖上，壩基設加長底板，前后延伸成底板以減小應力，底板前趾向上游伸出壩體7m；底板向下游伸出壩體12.04m，水平布置。底板下方設抗滑齒槽，槽深3m，寬3m。

經結構計算，認為該方案可行。

4 大壩穩定計算

(1)壩體與基巖接觸面穩定及應力計算。

根據地質描述，本工程壩址處基巖存在裂隙面，巖石完整性較差。本次設計重力壩基礎置于頁巖強風化中下部，以減少開挖。

本次設計對壩體進行了抗滑穩定和邊緣應力計算。經多種滑動面計算比較，左右岸非溢流壩最不利滑動面為墊層混凝土與基巖接觸面；溢流壩段最不利滑動面為沿齒墻腳與壩下游腳連線的基巖面。壩體穩定、應力計算按正常水位工況、設計洪水位工況、校核水位工況和施工工況等4種工況進行復核，應力計算只計算壩踵、壩趾處垂直正應力。

按SL 319—2018《混凝土重力壩設計規范》，壩體抗滑穩定計算可采用如下公式：

(1)

(2)

上、下游面垂直正應力計算采用公式：

(3)

(4)

本工程河床壩段壩基置于強風化頁巖中下部，岸坡壩段壩基置于強風化下部。計算采用的壩基與巖體接觸面的抗剪、抗剪斷摩擦系數：河床壩段采用f=0.35，f＇=0.40，c＇=0.25MPa進行計算，岸坡壩段采用f=0.37，f＇=0.45，c＇=0.30MPa進行計算。依據SL319—2018，穩定、應力計算分別取非溢流壩段最大斷面、岸坡典型斷面進行計算。應力計算采用材料力學法進行計算，抗滑穩定計算采用抗剪斷公式進行計算(低壩更適合)，并利用抗剪公式進行復核。揚壓力綜合折減系數α=0.25；計算結果見表2—3。

表2 河床壩段結構穩定及應力計算成果表

表3 岸坡壩段結構穩定及應力計算成果表

為保證大壩安全，本次對河床壩段高程995.20m截面及高程997.7m截面進行了應力分析，采用抗剪強度公式進行穩定驗算，用材料力學公式進行應力分析，采用f=0.7。計算成果見表4。

表4 壩體截面穩定及應力計算成果表

計算成果表明，壩體在各種工況下抗滑穩定均滿足規范要求，河床壩段溢流壩及岸坡壩段應力最大值均小于地基允許承載力，因此抗滑穩定及應力分析結果滿足規范要求，壩體設計安全合理。

(2)深層抗滑穩定分析

根據地質報告，壩址區主要發育3組裂隙面，產狀分別為L1∶160-175°∠30-44°，L2∶198-220°∠25-38°，L3∶18-25°∠67-90°，其中L1、L2形成一組“X”型裂隙面，對壩基抗滑穩定不利，但裂面延伸長度較小，裂面多閉合，淺表未見夾泥。本次對壩基深層抗滑穩定進行分析。

根據壩址處的地質結構，深層滑動按單滑動面計算，分別采用抗剪斷公式及抗剪公式計算，計算結果見表5。

表5 深層滑動計算成果表

計算結果表明，大壩深層滑動安全系數滿足規范要求，大壩深層抗滑穩定是安全的。

5 筑壩材料的選擇

堆石混凝土技術特征是利用高流動性、抗分離性好、穿透能力強的自密實混凝土充填堆石空隙從而形成完整密實混凝土，具有節能低碳、低水化熱、工藝簡便、造價低廉、施工速度快等特點。堆石混凝土采用大量塊石作為混凝土材料，堆石體積比例可達55%～60%，可大量減少水泥用量，免除混凝土澆筑的振搗或碾壓工序，減少施工設備，減少甚至取消溫控措施，大幅節約工程成本和減少工期，特別適用于基礎設施建設。

通過資料查詢和現場試驗，堆石混凝土的防滲等級達不到設計要求，因為該重力壩的表層防滲區、抗沖區、基礎、迎水面和背水面均采用常態混凝土。

大壩壩體采用堆石混凝土澆筑，堆石距離壩體面層預留1m澆筑自密實混凝土，兼做防滲層，面層布置一層Φ16鋼筋網片防止溫度裂縫。大壩基礎采用C15常態混凝土作為墊層，墊層厚0.5m。壩體設4道橫縫，縫內設一道銅片止水。壩體與基巖接觸面止水深入基巖0.5m。

6 大壩邊坡處理措施

本工程的邊坡計算采用基于薩爾瑪法的 “巖質邊坡穩定分析EMU”程序進行邊坡穩定分析。對于壩基開挖的臨時邊坡，結合壩基巖石防風化保護措施，采取C20混凝土錨噴噴護。對于大壩樞紐范圍內的永久邊坡，開挖邊坡坡比按覆蓋層1∶1.5，強風化巖層1∶1，弱風化巖層1： 0.75控制。對邊坡高度大于10m時設一級馬道，馬道寬2.0m，馬道內側設排水溝，排水溝尺寸為0.5m×0.5m。邊坡支護采取掛網噴錨支護，支護方式為：噴C20混凝土，厚10cm；掛網鋼筋直徑Φ8，間距150mm×150mm；錨桿直徑Φ25，長6.0m，間、排距1.5m×1.5m；邊坡設排水孔，采用直徑為Φ50的塑料排水盲管，間、排距3m×3m，深入巖石4.0m。對邊坡危巖及松動巖體必須及時清理，排除險情。噴錨支護后的坡面可采用爬山虎、葛藤等藤蔓植物覆綠處理以保持壩區生態景觀性。

7 結論與建議

(1)水利工程地質情況具有復雜性和重要性，在設計時候應充分考慮。

(2)重力壩的穩定和應力計算，地質參數尤為重要，應結合地質試驗資料，參照當地已建工程的經驗綜合考慮選取。

(3)在軟巖地區，重力壩布置最大的問題是壩基應力和抗滑穩定。當壩體不能滿足穩定要求時，通過大壩設計尺寸的調整，特別是底板尺寸的調整，以滿足各種工況下壩基應力和大壩穩定的要求。