基于混凝土重力壩施工地質風險控制研究

余侃柱，閆洋洋

(1.甘肅省水利水電勘測設計研究院有限責任公司，甘肅 蘭州 730000；2.中國葛洲壩集團第一工程有限公司，湖北 宜昌 443002)

0 引言

水庫大壩工程具有投資大、效益顯著、施工工期長、環境因素復雜、技術難度高、隱蔽性、復雜性、差異性、工程使用壽命長、工程質量終身制、施工和運行必須安全等突出特點，水庫大壩竣工后壩基被覆蓋或淹沒水下，除險加固或補強改造處理難度較大，因此，大壩安全穩定性至關重要。盛金保[1]研究我國水庫潰壩成因，洪水漫頂占51.04%，工程質量缺陷占37.24%，管理不當占4.92%，其他原因占6.80%。馬永鋒[2]研究大約有40%的大壩失事是由壩基基礎引起，主要由壩基地質缺陷或處理不當引起。傅忠友[3]研究導致重力壩潰決的主要影響因素為洪水漫頂、壩基缺陷和戰爭。楊彥龍[4]等認為混凝土大壩潰決主要發生在建設期或運行初期，有近50%潰壩事故是由基礎或壩肩破壞所致。張秀麗[5]對國內外大壩失事典型案例原因進行了分析。

GB/T 50927—2013《大中型水電工程建設風險管理規范》[6]要求大中型水電工程建設風險管理應堅持“安全第一、以人為本、科學決策、預防為主”的原則，堅持“人民至上，生命至上”。大壩安全管控就是要防患于未然，防微杜漸。地質體對大壩地質風險的機理主要為抗滑穩定性、邊坡穩定性、地基承載力、變形、滲漏問題，很多大壩建成后再除險加固、補強、水下修復、返修壩基隱患則極其困難，因此在大壩施工時，壩基的處理尤為重要。對地質條件準確認識和地質隱患風險源辨識、評價，必須采取有效的風險防范對策，防范和避免風險的發生，確保無地質隱患，安全正常。在施工中進行地質設代和地質預報，增強地質風險辨別，出現異常變化，應及時采取針對性加固處理措施。混凝土重力壩大壩施工地質風險研究文獻較少，基于龍象寺水庫大壩施工地質風險防控的成功措施研究，對類似混凝土重力壩施工地質風險控制有重要參考價值。

1 工程地質概況

龍象寺水庫位于重慶市梁平區普里河河谷，是一座以城區供水為主兼有農業灌溉、農村供水等綜合利用功能的水利工程[7]，主要由樞紐工程、城區供水工程和灌區輸水工程3部分組成。樞紐壩型為埋石混凝土重力壩，正常蓄水位376.90m，最大壩底寬77m，壩頂高程380m，壩頂寬度10m，最低建基面高程319.5m，最大壩高60.5m，壩頂長度183.0m，根據壩基工程地質條件、壩體布置、壩體受力狀況、壩體斷面尺寸、溫度應力、施工強度等因素，大壩從左向右依次劃為重力壩段Ⅰ(長22m)、重力壩段Ⅱ(長18m)、門庫壩段(長20m)、溢流壩段(長45m)、取水壩段(長20m)、重力壩段Ⅲ(長20m)、重力壩段Ⅳ(長20m)、重力壩段Ⅴ(長18m)，共10個壩段，9道橫縫，水庫總庫容3263萬m3，年供水量3560萬m3，工程等別為Ⅲ等，規模為中型。大壩建基面為侏羅系上沙溪廟組(J2s)泥質粉砂巖、粉砂質泥巖互層、長石砂巖，泥質粉砂巖、粉砂質泥巖互層，呈薄-中厚層狀結構，泥質膠結為主，微風化帶，單軸飽和抗壓強度8～13MPa，變形模量2～4GPa，屬軟巖。長石砂巖，厚-巨厚塊狀結構，微風化帶，單軸飽和抗壓強度30～49MPa，變形模量8～14GPa，屬中硬巖。巖體呈單斜層狀-塊狀結構，巖層產狀NE50°～60°SE∠52°～55°，左壩肩開挖巖質邊坡高度78.5m，屬高邊坡，順向坡，右壩肩開挖巖質邊坡高度90.0m，屬高邊坡，逆向坡，河床下開挖巖質邊坡高度10.5m，屬低邊坡。按GB 50487—2008(2022年版)《水利水電工程地質勘察規范》[8]壩基工程地質分類，重力壩段Ⅰ、重力壩段Ⅱ為CⅣ，門庫壩段為BⅣ1、溢流壩段為CⅢ，取水壩段、重力壩段Ⅲ為CⅣ，重力壩段Ⅳ、重力壩段Ⅴ為CⅢ。據GB18306—2015《中國地震動參數區劃圖》，工程50年超越概率10%時，地震動峰值加速度值0.05g，地震動反應譜特征周期0.35s，地震基本烈度Ⅵ度，大壩抗震設防烈度6度，區域構造穩定性為穩定性好。工程區屬亞熱帶濕潤季風氣候，多年平均降水量1252.7mm，多年平均蒸發量981.5mm，施工導流5年一遇洪水流量498m3/s，20年一遇洪水流量852m3/s，100年一遇洪水流量1270m3/s。地下水基巖裂隙水，局部有承壓性，水化學類型為HCO3-SO4-Ca型，對普通混凝土無硫酸鹽型腐蝕，對鋼筋混凝土結構中的鋼筋無腐蝕性，對鋼結構弱腐蝕。

2 大壩施工地質風險評估

據GB/T 50927—2013《大中型水電工程建設風險管理規范》，采用綜合矩陣法，龍象寺水庫大壩施工地質風險評估見表1。按風險接受準則不可接受[9]Ⅳ級風險有5項，對大壩運行和施工危害程度為很嚴重-災難性，風險控制原則為風險預警與應急處置，或有關方案修正或調整，或風險規避。有條件可接受Ⅲ級風險有5項，對大壩運行和施工危害程度為嚴重-很嚴重，風險控制原則為實施風險防范與監測，制定風險防范處理措施。有條件可忽略Ⅱ級風險有1項，對大壩運行和施工危害程度為較大，風險控制原則為加強日常審核檢查。通過這些風險控制原則達到風險處置或消除風險源，根除地質風險隱患，保障大壩施工和運行的安全。

表1 龍象寺水庫大壩施工地質風險評估

3 大壩施工地質風險辨識與防控措施

3.1 建基面承載力檢測驗收

大壩按施工圖開挖至建基面高程，進行壩基開挖輪廓尺寸、高程測量，檢驗是否滿足施工圖要求，地質編錄評價，對每個壩段每種代表性典型巖性定性研判和檢測，至少布置1—2個鉆孔，鉆孔孔深從建基面高程向下不小于5m，一般鉆孔深度5～10m，鉆孔巖芯地質編錄，鉆孔電視，鉆孔巖體聲波測試，巖芯聲波測試，巖芯室內試驗項目有塊體天然密度、飽和密度、顆粒密度、孔隙率、自然吸水率、飽和吸水率、含水率、天然抗壓強度、干燥抗壓強度、飽和抗壓強度，軟化系數，評價巖體完整性，建基面巖體允許承載力，必要時進行現場抗剪、抗剪斷(砼/巖體)、變形模量試驗復核，由定性經驗判定改為定量判定，通過巖性檢測指標來判別每個壩段是否滿足各壩段設計垂直應力、變形指標等。若天然地基檢測指標大于各壩段垂直應力設計值等，充分利用天然地基作為壩基，無需采取工程措施。若壩基巖體允許承載力、變形模量、抗剪強度不滿足設計值等，提醒設計采取補強措施，適當增加開挖深度、增加錨筋、固結灌漿、增加鋼筋結構等措施，防控建基面持力層下存在地質缺陷、軟弱夾層、泥化夾層，必須徹底消除壩基持力層地質隱患，保證無地質缺陷，強度和變形滿足施工圖技術要求。

壩基驗收評價，由常規業主、勘察、設計、施工、監理、質監站聯合驗收小組改為專家組評審驗收制，組建由參建單位以外第三方，資深經驗的水工、結構、地質專業組成至少5—7人專家組，對每個壩段壩基建基面進行評審驗收，出具專家組驗收意見，通過專家組驗收的壩段方可隱蔽澆筑砼。專家組沒有通過或提出驗收修改意見，按專家組意見及設計單位意見進行壩基處理，再次進行專家組驗收通過后才能澆筑砼隱蔽。這種壩基驗收評價的方法和流程在規范里沒有明確的規定，是根據工程實踐經驗總結，對預防控制壩基不良地基缺陷起到關鍵性作用，值得借鑒和推廣。

3.2 建基面變形

壩基持力層為泥質粉砂巖軟巖與長石砂巖中硬巖互層，軟硬相間，非均質，為提高壩基的均勻性，增強巖體完整性，提高壩基巖體變形模量，抗壓、抗剪強度，減少變形和不均勻沉降，增加基礎剛度和壩基抗裂能力，提高壩基持力層承載力。針對壩基巖性分布特性，合理壩段分縫，將應力較大壩段置于同一類巖性上，壩基泥質粉砂巖建基面配置鋼筋，在大壩壩基范圍內全面進行固結灌漿，孔、排距均為3m，梅花形布置，采用普通硅酸鹽水泥強度42.5，二序施工，灌漿壓力一般為0.3～0.7MPa。長石砂巖固結灌漿深度深入基巖5m，泥質粉砂巖固結灌漿深度深入基巖8m。大壩安裝三向應變計、三點式基巖變位計8臺，三向測縫計7套，監測壩基壓縮變形和壩體與巖體裂縫開度，從自動監測數據分析，監測數據變幅符合規范要求，變形處于穩定狀態。

3.3 抗滑穩定性

3.3.1壩體與巖體接觸面抗滑穩定性

因前期多數試驗是在基坑或平硐內進行，施工圖復核試驗真實反映壩體運行工況的試驗，在開挖建基面進行混凝土與壩基建基面泥質粉砂巖、粉砂質泥巖互層巖體、混凝土與長石砂巖巖體，抗剪、抗剪斷試驗、變形試驗，用復核試驗成果修正前期地質參數，復核壩基抗滑穩定性，分基本組合(正常蓄水位、設計洪水位)、特殊組合(校核洪水位)3種工況，建模采用美國MSC.PATRAN軟件，非線性有限元ABAQUS軟件，門庫壩段正常蓄水位運行工況壩基深層抗滑穩定安全系數K=4.4，取水壩段正常蓄水位運行工況壩基深層抗滑穩定安全系數K=4.0，均滿足規范要求。壩體淺層、深層抗滑穩定均滿足SL386—2007《水利水電工程邊坡設計規范》[10]要求，壩基截面垂直應力，3種工況下應力均為正，不存在拉應力，上游壩踵及下游壩址的壓應力均小于混凝土和壩基巖體允許承載力，壩基應力和變形滿足規范要求。若復核不滿足規范要求，必須采取工程補強措施，提高抗剪強度，增強壩體抗滑穩定性。

3.3.2壩肩邊坡抗滑穩定性

左壩肩為順向坡，右壩肩為逆向坡，發育的主要裂隙組、巖層產狀、開挖邊坡組合經赤平投影圖定性分析，各壩段抗剪斷安全系數采用剛體極限平衡法，在基本組合(正常蓄水位、設計洪水位)、特殊組合(校核洪水位、施工期)4種工況下均滿足SL 386—2007要求，左、右壩肩邊坡不會發生淺層和深層滑動。若不滿足SL 386—2007規范要求，采取補強措施增設錨桿、錨索。但在施工開挖過程中，需嚴防順層邊坡巖層傾角與開挖坡腳關系，當巖層傾角接近或小于開挖坡腳時，容易切坡，在卸荷作用下形成坍塌或順層滑坡，逆向坡發生崩塌或倒坡。施工防控措施，分臺階自上而下開挖，分級設置馬道，長石砂巖(弱-微風化)開挖邊坡率1∶0.75，泥質粉砂巖、粉砂質泥巖互層(弱-微風化)開挖邊坡率1∶0.75～1∶1.0，及時噴護0.1m厚C20混凝土，局部增加隨機錨桿錨噴，防止風化和浸水浸泡，進行每級馬道邊坡變形監測和監控。

3.4 壩基滲漏

大壩壩基為長石砂巖、泥質粉砂巖互層，分布有裂隙，非均質，各向異性，鉆孔壓水試驗透水率及鉆孔聲波、鉆孔彩色電視測試分析，據SL 55—2005《中小型水利水電工程地質勘察規范》[11]，壩基建基面以下巖體透水率為5～10Lu，為弱透水-中等透水，為減小壩基巖體滲流量和降低滲透壓力、揚壓力，施工圖防滲帷幕灌漿按SL319—2018《混凝土重力壩設計規范》[12]，中壩防滲帷幕灌漿下限按大壩滲透剖面透水率q<5Lu以下5m控制，按SL/T 62—2020《水工建筑物水泥灌漿施工技術規范》[13]，在大壩廊道帷幕灌漿時先進行先導孔壓水試驗，先導孔鉆孔深度為透水率q<5Lu以下5m，地質編錄先導孔巖芯，整理壓水試驗成果，與施工圖對比分析，確定帷幕灌漿下限深度為透水率q<5Lu以下5m，確定施工大壩廊道帷幕灌漿鉆孔深度及檢查孔深度，灌漿水灰比，有無基巖裂隙水、巖溶水，水頭的壓水、涌水量，修正施工圖帷幕灌漿深度，為合理帷幕灌漿提供方案。先導孔灌漿壓力一般不大于1MPa。壩基廊道內帷幕灌漿深度及范圍按先導孔壓水試驗綜合分析研判確定，采用普通硅酸鹽水泥強度42.5，大壩灌漿最大深度53m，在地下水流速較大、涌水量大、透水率大的地層中采用水泥+水玻璃雙液漿液，必要時加入速凝劑和緩凝劑來提高水泥注漿的效果，擴大帷幕灌漿的范圍。當地下水質具有硫酸鹽型強腐蝕性，采取抗硫酸鹽硅酸鹽水泥。廊道內帷幕灌漿單排布置，孔距2m，三序施工，灌漿壓力一般為0.6～1.5MPa。大壩內設置上、下游兩道廊道和橫向廊道帷幕灌漿體系。壩體上游側基礎止水用紫銅片，沿陡坡基巖止水槽埋入止水銅片，下游側設“652”型橡膠止水帶。兩岸陡坡段壩體與邊坡基礎接觸面設岸坡接觸灌漿，采用預埋管灌漿，形成連續完整封閉的防滲漏體系。

3.5 壩肩繞壩滲漏

左、右壩肩山體渾厚連續封閉，無埡口低于正常蓄水位的滲漏通道，不會發生鄰谷滲漏。為防控壩肩沿巖體裂隙繞壩滲漏，左、右壩肩按正常蓄水位向左、右岸水平延伸與透水率小于5Lu下限(或泥質粉砂巖、粉砂質泥巖相對隔水層)相交并翹起的尖滅點間水平長度作為壩肩帷幕灌漿長度，左壩肩在地表進行帷幕灌漿長度104m，深度17.5～32.5m。右壩肩山體連續抬高，在壩頂設置灌漿平硐，斷面尺寸2.5m×3m(寬×高)，帷幕灌漿長度42m，深度49～72.5m。壩肩與壩基灌漿形成連續封閉的防滲體系，防止壩基和壩肩繞壩滲漏。為掌握繞壩滲流情況，左、右岸設置9個滲流觀測孔，進行滲壓計自動化監測。

3.6 壩基地下水

壩基開挖建基面有基巖裂隙水滲出，開挖過程采取集水井自動抽排，防控基坑被淹、浸泡和邊坡坍塌，建基面封閉后，通過帷幕灌漿，封閉地下水向壩體徑流。為防止地下水、壩體滲水，降低滲透壓力、浮托力和揚壓力的抬升，在壩體灌漿廊道防滲帷幕后設Φ125mm主、副排水孔，孔距3m，深度為帷幕灌漿深度的0.6倍，且不小于10m，主副排水孔與排水管、排水溝相接匯集至集水井，通過深井泵及排水管抽排至下游河床。大壩設振弦式滲壓計28臺，揚壓計14臺，自動監測壩基滲透壓水、揚壓力，實時分析研判運行過程中地下水滲流、滲透壓力、揚壓力的變化規律，為防控滲流變化提供決策依據。壩體滲透壓力通過自動滲壓計監測，各種變形處于穩定狀態。壩基滲流量通過排水溝后，用5臺高精度振弦式量水堰計自動監測。

3.7 壩基斷層帶、軟弱夾層

大壩壩基開挖建基面內無較大斷層和裂隙密集帶，重力壩段Ⅲ分布有1層層間軟弱夾層，厚度0.1～0.7m，平均厚度0.4m，分布在泥質粉砂巖、粉砂質泥巖層中，軟弱夾層巖體完整程度較破碎，巖塊間有巖屑和少量泥質物充填，傾向岸坡里，經分析研判，對軟弱夾層進行刻槽處理，深度和寬度為1.5倍夾層厚度，兩側開挖坡度為1∶0.75，采用C20(W6，F50)混凝土塞回填處理，其上澆筑混凝土。若寬度較大時，刻槽處理后，用C20鋼筋混凝土塞回填處理，其上布設鋼筋結構。

3.8 大壩建基面施工開挖邊坡穩定性

大壩壩基河床分二期導流，需經過二個汛期，壩基開挖分二期進行，一期開挖常年河水位以上兩岸壩肩及右岸，二期進行河床以下壩基及左岸開挖。壩肩邊坡級別為3級，危害程度為嚴重，按SL47—2020《水工建筑物巖石地基開挖施工技術規范》[14]，自上而下分層分級開挖，覆蓋層邊坡開挖采用反鏟挖掘機削坡，巖石開挖，自上而下梯段爆破，距建基面1.5m處采用光面爆破。根據壩基巖石飽和抗壓強度和巖層產狀、順向坡、逆向坡、斜向坡，裂隙發育程度、風化帶特征，光面爆破孔間距0.8m，孔深3.5m，不耦合裝藥，非電毫秒雷管組成梯段微差起爆網絡，不同部位適當調整優化爆破參數，為減少爆破對建基面巖體完整性的擾動破壞和邊坡的穩定性，巖石開挖距建基面1.5～0.2m采用液壓破碎錘、鑿巖機破碎。為防止建基面泥質粉砂巖風化和軟巖，預留不小于0.2m厚的保護層，噴護0.1m厚C20素混凝土封閉保護層，裂隙密集帶有安全隱患采用隨機錨桿掛網噴護，保護層和噴護C20混凝土的清除隨大壩混凝土澆筑進度，及時清除至新鮮建基面，避免長時間暴露風化和雨水浸泡，清基完成后及時澆筑混凝土隱蔽。

左壩肩開挖邊坡高度78.5m，巖質邊坡開挖邊坡比1∶0.63～1∶0.7，設7級馬道，馬道寬度2.5～3.4m，巖質邊坡高度8～13.5m，組成巖性為泥質粉砂巖、長石砂巖，順向坡。右壩肩開挖邊坡高度90m，巖質邊坡開挖邊坡比1∶0.5～1∶0.75，設9級馬道，馬道寬度2.0～13.5m，巖質邊坡高度6.0～12.0m，組成巖性為泥質粉砂巖夾長石砂巖條帶，逆向坡。開挖過程嚴格控制邊坡比，密切關注左岸順向坡開挖邊坡比與巖層傾角關系，當開挖邊坡比大于巖層傾角時，邊坡容易產生切坡腳，可能發生順層面崩塌、滑坡，尤其泥質粉砂巖與長石砂巖分界面，裂隙面充填泥質物，必須監測與地質預報相結合，預防邊坡坍塌。當開挖邊坡比小于等于巖層傾角時，邊坡基本處于穩定狀態，但仍需邊坡監測，預防邊坡坍塌和變形。右岸邊坡為逆向坡，有利于邊坡穩定，但也有沿裂隙切割卸荷，危石和松動巖體清除后形成倒坡，發生倒坡墜石、坍塌或超挖，尤其泥質粉砂巖與長石砂巖分界面。預防邊坡坍塌，運用極射赤平投影方法，快速分析開挖邊坡比與巖層產狀、主要裂隙結構面組合關系，快速定性判定邊坡穩定性，防控潛在隱患。

變形監測是反映邊坡穩定狀況的定量手段，大壩開挖過程除每日安全巡視檢查外，還布設12個表面變形監測點，邊坡開挖后第2d開始監測初始觀測值，以后觀測與初設值比較，監測水平位移，垂直沉降變形；開挖15d內每天監測邊坡監測點的垂直位移、水平位移1次；開挖16～30d，每2天觀測1次；開挖31～60d，每1周觀測1次；開挖60d至澆筑混凝土前，每15d觀測1次，雨季和汛期加密監測頻次，自動監測和人工監測相結合，根據監測成果，整理為時間-水平變形位移曲線、時間-垂直變形曲線和數據表，分析預警閾值，當變形量累計超過50mm，變形速度加速有明顯拐點，綜合分析研判，采取補強措施，增加隨機錨桿+掛網噴護，或錨索支護。大壩左、右壩肩設6套8點式多點位移計，自動監測壩肩邊坡深部變形。

3.9 消能防沖及泄流霧化

大壩最大泄流量1447m3/s，為防止沖刷導致大壩深層滑動或河床兩岸邊坡坍塌，危及大壩安全和下游河床兩岸岸坡穩定性。溢流壩后接底流消能，經水工模型試驗驗證，消力池總長82.5m，池深5m，寬40m，現澆C25鋼筋混凝土，消力坎后海漫拋填鋼筋籠塊石，長25m，與河床平順銜接。消力池邊墻采用衡重式C25鋼筋混凝土擋墻，墻高20～22m，頂寬1.0m，防止泄流霧化影響岸坡巖體的穩定性。

消力池持力層為長石砂巖、泥質粉砂巖、粉砂質泥巖，為增強防沖刷能力，在建基面垂直向下設Φ25mm錨筋，梅花形布置，孔距和排距2.5m，深入基巖內5.5～3m，深入混凝土2.5～2m。為減少底板揚壓力，底板設Φ76mm垂直方向排水孔，間距4m×4m，梅花形布置，通過水平Φ108mm排水管排至下游河床，形成縱橫交錯排水體系，降低滲透壓水和揚壓力。消力池底板及側墻迎水面表層現澆C40鋼筋混凝土，厚0.5m，阻止消力池底板沖刷。

4 結語

本文深入研究總結了龍象寺水庫大壩施工地質風險管控采用的方法和措施，消除了大壩地質缺陷和地質風險隱患，確保大壩各種地質風險得到嚴格控制。混凝土重力壩大壩地質風險源和隱患辨別步驟基本相同，針對不同混凝土重力壩施工地質風險源的辨識，采取管控措施可能有所區別，但基本方法和原理相近，隨著BIM、數字孿生、智慧水利技術的廣泛運用，采用智能數字技術為大壩地質隱患排查、識別，構建更加高效快速安全防御體系，提升大壩安全運行和高質量發展快捷高效精細精準防范風險方法，為工程建設和運行提供安全可靠保障系統。