五蓮縣龍?zhí)稖纤畮靿位幚砑夹g(shù)應(yīng)用分析

穆國棟，卞立攀，馮新權(quán)

（1.水發(fā)集團有限公司，山東 濟南 250000；2.山東省科學(xué)院，山東 濟南 250014）

龍?zhí)稖纤畮旃こ涛挥谏綎|省日照市五蓮縣潮白河上游，壩址位于五蓮縣戶部鄉(xiāng)上溝村西。水庫大壩為碾壓式混凝土重力壩，是山東省第一座碾壓混凝土重力壩，最大壩高69.206 m，壩頂軸線長264.0 m，其中溢流壩段長30.0 m，其余為非溢流壩段。壩頂寬6.0 m，上游137.0 m 高程以上為直坡，137.0 m 以下坡比為1∶0.2，下游坡比為1∶0.8。水庫主要指標(biāo)：校核洪水位（P=0.1%）170.51 m，設(shè)計洪水位（P=2%）168.40 m，正常蓄水位161.85 m，死水位137.00 m，總庫容1 078 萬m3。

斷層一直是混凝土重力壩的安全難題，特別是在龍?zhí)稖纤畮齑髩位坶_挖后，出現(xiàn)了特大地質(zhì)斷層，寬度近20 m，經(jīng)過初步計算，傳統(tǒng)混凝土塞做法在設(shè)計洪水期抗滑安全系數(shù)小于規(guī)范允許值，并且在將底邊改為斜面后，仍無法滿足工程穩(wěn)定安全。因此，需要對斷層加固處理進(jìn)行研究，在多方查閱有關(guān)資料基礎(chǔ)上，對斷層灌漿和混凝土塞進(jìn)行結(jié)構(gòu)上創(chuàng)新。

1 地質(zhì)概況

根據(jù)施工圖地質(zhì)資料，壩址區(qū)地層巖性主要為第四系松散堆積層和基巖。第四系松散堆積層分布在河谷段，巖性為沖積堆積的卵石、漂石層。壩基基巖主要分布兩種巖性，一種為晚元古代榮成超單元威海單元片麻狀正長花崗巖；一種為中生代燕山晚期嶗山超單元八水河單元二長花崗巖。在兩種巖體中還穿插閃斜煌斑巖脈。

壩址處斷層共有F1～F4 四個較大斷層，其中F4 斷層最大，為特大斷層，也是對壩體穩(wěn)定影響最大的斷層，本文主要針對此斷層的加固進(jìn)行研究。

F4 斷層沿谷底右岸延伸，其中心位于勘探樁號0+175，與壩軸線近于直交，走向NE50°，傾向NW，傾角85°。斷裂長10 km，深度超過2 km，帶內(nèi)巖石擠壓強烈，節(jié)理發(fā)育，風(fēng)化破碎嚴(yán)重。斷層2 側(cè)為中等風(fēng)化正長花崗巖、二長花崗巖的巖石RQD 一般為27.8～52.2；飽和單軸抗壓強度試驗值32.6～122.0 MPa，平均值為91.75 MPa，屬堅硬巖，巖體分類為Ⅲ類。

2 傳統(tǒng)工程措施

對斷層的處理，傳統(tǒng)工程措施主要是固結(jié)灌漿、帷幕灌漿、拉結(jié)錨桿和混凝土塞加蓋等。

2.1 規(guī)范規(guī)定

根據(jù)《重力壩設(shè)計規(guī)范》規(guī)定：

1）宜在壩基上游和下游一定的范圍內(nèi)進(jìn)行固結(jié)灌漿；斷層破碎帶及其兩側(cè)影響帶或其他地質(zhì)缺陷應(yīng)加強固結(jié)灌漿。固結(jié)灌漿孔的孔距、排距可采用3～4 m，固結(jié)灌漿深度應(yīng)根據(jù)壩高和開挖以后的地質(zhì)條件確定，可采用5～8 m；局部地區(qū)及壩基應(yīng)力較大的高壩基礎(chǔ)，必要時可適當(dāng)加深，帷幕上游區(qū)宜根據(jù)帷幕深度采用8～15 m。懸掛式帷幕深度通常在0.3～0.7 倍水頭范圍內(nèi)選擇，壩高100 m 以下的可采用一排。對地質(zhì)條件較差、巖體裂隙特別發(fā)育或可能發(fā)生滲透變形的地段或研究認(rèn)為有必要加強防滲帷幕時，可適當(dāng)增加帷幕排數(shù)，帷幕孔距可為1.5～3 m，排距宜比孔距略小。

2）混凝土塞。斷層其組成物質(zhì)以軟弱的構(gòu)造巖為主，且對基礎(chǔ)的強度和壓縮變形有一定影響時，可用混凝土塞加固，混凝土塞的深度可采用1.0～1.5 倍斷層破碎帶的寬度或根據(jù)計算確定。貫穿壩基上、下游的縱向斷層破碎帶的處理，宜向上、下游壩基外適當(dāng)延伸。規(guī)模較大的斷層破碎帶或斷層交匯帶，影響范圍較廣，且其組成物質(zhì)主要是軟弱構(gòu)造巖，并對基礎(chǔ)的強度和壓縮變形有較大影響時，必須進(jìn)行專門的處理設(shè)計。由于龍?zhí)稖蠑鄬觾?nèi)巖性為夾泥靡稜巖，固結(jié)灌漿和帷幕灌漿完全按照規(guī)范建議，很難達(dá)到加固效果，而混凝土塞深度按照規(guī)范至少要20 m 深，這顯然不可接受，因此，需要在借鑒國內(nèi)外斷層加固工程經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，進(jìn)行專門研究。

2.2 斷層加固工程實例

從有關(guān)資料查得，斷層的加固工程措施，需要根據(jù)不同的壩型和不同的斷層特性，根據(jù)國內(nèi)外的有關(guān)資料，高度較大的混凝土壩壩基斷層處理，基本都是將斷層開挖至一定深度和寬度，挖除軟弱破碎巖石、然后回填混凝土，使其能滿足基礎(chǔ)穩(wěn)定的要求。對斷層采用混凝土塞的處理方案，在國內(nèi)外都有成功的案例，如美國的沙斯塔壩、印度的巴克拉壩，以及我國的新安江和月江口等工程。

青銅峽工程根據(jù)具體條件，在研究了固結(jié)灌漿法、混凝土拱梁法、大型受拉樁等加固方案，最后也是采用了混凝土塞的辦法，其灌漿也進(jìn)行了加密處理。

3 斷層加固工程措施

除了保持底邊向上游傾斜外，采取了以下斷層加固工程創(chuàng)新措施。

1）由于斷層上游窄下游寬的平面形狀，不利于抗滑穩(wěn)定，因此，結(jié)合兩側(cè)巖石影響帶情況，加寬上游開口，尺寸加大到33 m，形成上游寬下游窄的平面形狀。這種形狀相當(dāng)于形成一個楔形體，嵌入兩邊完整性好、強度較高的巖石內(nèi)，在上游水平壓力的作用下有利于混凝土塞的穩(wěn)定。

2）混凝土塞兩側(cè)伸到斷層影響帶以外，上游超出壩體2.0 m，下游超出壩體3.0 m；上游側(cè)加設(shè)前趾，深5.0 m，寬5.0 m，下游側(cè)加設(shè)后踵，深3.0 m，寬5.0 m，并向兩側(cè)各伸入中等風(fēng)化巖石中3.0 m。在混凝土塞中部兩側(cè)各設(shè)平隼一個，伸入兩側(cè)巖石中3.0 m，深4.5 m。混凝土澆筑時，先施工上下游各30 m，再以微膨脹混凝土施工中部混凝土，并對施工冷縫處理。

3）斷層范圍內(nèi)，帷幕灌漿突破規(guī)范要求的一排，改為三排，排距加密到0.6 m，深度加深到50 m。

4）斷層內(nèi)固結(jié)灌漿深度為30 m 和20 m，間距為1.5 m；大壩軸線以前灌漿間距為1.5 m，大壩軸線以后灌漿間距為3.0 m；在混凝土塞兩側(cè)與中等風(fēng)化巖石接觸面進(jìn)行接觸灌漿，間距1.5 m，深4.5 m。

5）在壩后斷層范圍內(nèi)進(jìn)行固結(jié)灌漿，以加強混凝土塞后土體穩(wěn)定性，從而加強混凝土塞的穩(wěn)定性，灌漿范圍自壩邊向下游10 m，深度為15.0 m，間距1.5 m，梅花形布置，技術(shù)要求同壩底固結(jié)灌漿。

方案如圖1、圖2 所示：

圖1 混凝土塞平面圖

圖2 混凝土塞剖面圖

4 計算分析

4.1 混凝土塞抗滑穩(wěn)定計算

斷層帶寬度為15.0～17.0 m，混凝土塞寬度為33.0～29.0 m，計算模型寬度為33.0 m，計算寬度內(nèi)壩底面面積2 159 m2，其中斷層面積1 450 m2，占67.2%，中等風(fēng)化巖石面積709 m2，占32.8%。

計算工況為設(shè)計洪水期。

豎向力及水平推力計算見表1。

表1 豎向力及水平推力計算表

考慮底面傾角1.75°因素，進(jìn)行受力分解后：總豎向力為1 702 768 kN；總水平力為9 629 939 kN。

阻滑力計算見表2。

表2 阻滑力計算表

因此，混凝土塞抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)

混凝土塞滿足規(guī)范規(guī)定的抗滑要求。

4.2 單隼抗剪強度復(fù)核

由于混凝土塞穩(wěn)定必須滿足其結(jié)構(gòu)的強度要求，因此，需要符合混凝土隼的抗剪強度。

單隼所受剪力：Q=16 086.6 kN

單隼抗剪能力：V=a·ft·b·h0=17 151.8 kN>Q

因此，單隼結(jié)構(gòu)滿足抗剪要求。

從計算結(jié)果可以看出，混凝土塞滿足規(guī)范規(guī)定的抗滑穩(wěn)定要求。

5 結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

傳統(tǒng)混凝土塞計算主要為彈性深梁計算模型，論文《從青銅峽水電站的原型觀測成果談壩基斷層混凝土塞的設(shè)計問題》中提到：青銅峽以及丹江口、云峰等工程斷層處理多年來的原型觀測成果對于混凝土塞的實際作用和傳力情況，以及溫度、應(yīng)力提供了系統(tǒng)的資料。

從已有的一些研究成果可以看出：一般按基礎(chǔ)深梁的理論設(shè)計混凝土塞，由于只考慮了壩體傳來的垂直正應(yīng)力和充填帶的彈性抗力等，而忽略了斷層兩側(cè)堅硬巖壁的抗力和壩體剛度的作用，以及混凝土塞的幾何尺寸、濕度膨脹和溫度應(yīng)力等因素的影響，使得計算假定與實際情況出入較大。因此，混凝土塞實際上不是起著梁的作用，按固端深梁的計算方法設(shè)計是不合理的，應(yīng)當(dāng)研究改進(jìn)。

本文研究中，考慮到本工程混凝土塞為空間結(jié)構(gòu)，厚度不超過斷層寬度的0.5 倍，傳統(tǒng)方法無法考慮平面楔形體的應(yīng)力影響，因此，采用了空間有限元模型進(jìn)行計算，結(jié)合靡稜巖的力學(xué)特性，約束支座采用豎向彈性支撐，側(cè)向無約束的單向支座模型。計算深度取混凝土塞厚度的2倍，經(jīng)計算，混凝土塞對周圍巖體壓力滿足巖石的抗壓強度，內(nèi)部壓應(yīng)力和拉應(yīng)力均滿足規(guī)范要求，結(jié)合施工期溫度應(yīng)力的要求，混凝土塞設(shè)置上下兩層鋼筋22@300，以保證混凝土塞的結(jié)構(gòu)安全。

6 結(jié)論及效果

6.1 結(jié) 論

斷層內(nèi)巖性一般較差，基本是嚴(yán)重的風(fēng)化破碎，而且其位置往往在壩體中間位置，對斷層的處理是大壩是否穩(wěn)定的關(guān)鍵。

1）應(yīng)加強斷層內(nèi)固結(jié)灌漿和帷幕灌漿，可在規(guī)范的基礎(chǔ)上增加排數(shù)或終孔間距。

2）混凝土塞除了傳統(tǒng)的做成底斜面辦法外，可以在側(cè)面和底面巖石內(nèi)做一道或數(shù)道混凝土隼，以增強混凝土塞的抗滑性能。

3）在混凝土塞后的斷層一定范圍內(nèi)做固結(jié)灌漿，以增強其后土體對塞體的穩(wěn)定抗滑力。

4）可以通過靜壓爆破的辦法，將混凝土塞平面形狀調(diào)整為上游寬下游窄的形狀，利用楔形體作用達(dá)到混凝土塞穩(wěn)定目的。

5）采用空間有限元進(jìn)行結(jié)構(gòu)計算，根據(jù)巖性特點，合理確定約束形式，配置一定量的鋼筋，保證結(jié)構(gòu)安全。

6.2 混凝土塞改進(jìn)效果

從2013 年大壩蓄水運行以來，大壩在各水位工況下穩(wěn)定運行，從近10 年觀測數(shù)據(jù)分析，滑動變形量很小，斷層內(nèi)壩基排水管基本在管口以下，說明斷層處理是成功的，對類似工程問題的處理有很好的借鑒意義。