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摘要:結合西南地區(qū)某水利樞紐壩址區(qū)的地質(zhì)情況,討論在軟巖地基上筑壩,最終選擇重力壩的原因。地質(zhì)參數(shù)的選取、大壩穩(wěn)定和應力計算為其重點,通過對大壩型式的優(yōu)化,壩體未出現(xiàn)較大拉應力,滿足設計要求。研究結果為類似工程提供了可借鑒的資料。
關鍵詞:軟巖地基;重力壩
西南地區(qū)某水利樞紐工程壩址區(qū)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?guī)r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(xiàn)垂直風化分帶特征,受下游楊柳壩斷層影響,壩址區(qū)頁巖揉皺較發(fā)育,巖體裂隙發(fā)育較密集,強風化深度較大。根據(jù)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(jù)壩址的地形地質(zhì)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(qū)出露巖性為奧陶系下統(tǒng)湄潭組(O1m)頁巖,屬軟巖,巖體抗壓、抗滑、抗變形性能差。工程區(qū)附近廣泛出露有奧陶系下統(tǒng)桐梓和紅花園組灰?guī)r,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(zhì)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(qū)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(qū)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(nèi)巖體質(zhì)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(qū)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(wěn)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(qū)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(nèi)巖體質(zhì)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(qū)附近天然建筑材料的開采或購買條件較好,據(jù)本階段在壩址區(qū)進行的鉆探揭示,壩址區(qū)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(zhì)量難以保證,壩肩邊坡穩(wěn)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(wěn)定進行驗算,并在設計時考慮提高壩體抗滑穩(wěn)定性的工程措施。綜上所述,從地質(zhì)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(wěn)定要求。但每種壩型均存在各自的工程地質(zhì)問題和缺陷,建議通過多專業(yè)綜合比較來選定壩型。經(jīng)多專業(yè)反復比較,推薦重力壩方案。
2地質(zhì)參數(shù)的確定
根據(jù)室內(nèi)巖石物理力學性質(zhì)試驗,地質(zhì)專業(yè)提供的主要地質(zhì)參數(shù)見表1。
3大壩斷面的優(yōu)化設計
根據(jù)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(shù)f=0.37;弱風化頁巖上部地基承載力為1MPa,摩擦系數(shù)f=0.42,參數(shù)較低。通過壩基穩(wěn)定驗算,常規(guī)重力壩方案大壩基礎置于強風化層上無法滿足抗滑穩(wěn)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(jīng)濟。該工程參考國內(nèi)已建工程中軟基修建重力壩的設計經(jīng)驗,對重力壩體型進行優(yōu)化設計。重力壩布置最大的問題是壩基應力和抗滑穩(wěn)定,本工程壩址下伏基巖為頁巖,物理力學參數(shù)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(wěn)定安全系數(shù),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(jīng)結構計算,認為該方案可行。
4大壩穩(wěn)定計算
(1)壩體與基巖接觸面穩(wěn)定及應力計算。根據(jù)地質(zhì)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(wěn)定和邊緣應力計算。經(jīng)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(wěn)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SL319—2018《混凝土重力壩設計規(guī)范》,壩體抗滑穩(wěn)定計算可采用如下公式: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(shù):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(jù)SL319—2018,穩(wěn)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(wěn)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(shù)α=0.25;計算結果見表2—3。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(wěn)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。計算成果表明,壩體在各種工況下抗滑穩(wěn)定均滿足規(guī)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(wěn)定及應力分析結果滿足規(guī)范要求,壩體設計安全合理。(2)深層抗滑穩(wěn)定分析根據(jù)地質(zhì)報告,壩址區(qū)主要發(fā)育3組裂隙面,產(chǎn)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(wěn)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(wěn)定進行分析。根據(jù)壩址處的地質(zhì)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。計算結果表明,大壩深層滑動安全系數(shù)滿足規(guī)范要求,大壩深層抗滑穩(wěn)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(jié)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(jié)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(xiàn)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(qū)、抗沖區(qū)、基礎、迎水面和背水面均采用常態(tài)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(wǎng)片防止溫度裂縫。大壩基礎采用C15常態(tài)混凝土作為墊層,墊層厚0.5m。壩體設4道橫縫,縫內(nèi)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(zhì)邊坡穩(wěn)定分析EMU”程序進行邊坡穩(wěn)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(nèi)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(nèi)側設排水溝,排水溝尺寸為0.5m×0.5m。邊坡支護采取掛網(wǎng)噴錨支護,支護方式為:噴C20混凝土,厚10cm;掛網(wǎng)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(qū)生態(tài)景觀性。
7結論與建議
(1)水利工程地質(zhì)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(wěn)定和應力計算,地質(zhì)參數(shù)尤為重要,應結合地質(zhì)試驗資料,參照當?shù)匾呀üこ痰慕?jīng)驗綜合考慮選取。(3)在軟巖地區(qū),重力壩布置最大的問題是壩基應力和抗滑穩(wěn)定。當壩體不能滿足穩(wěn)定要求時,通過大壩設計尺寸的調(diào)整,特別是底板尺寸的調(diào)整,以滿足各種工況下壩基應力和大壩穩(wěn)定的要求。
作者:甘澤 楊薈穎 韓秋八 吳顯航 單位:重慶市勘測院 重慶市水利電力建筑勘測設計研究院有限公司