昌已登

(新疆庫(kù)爾干水利樞紐工程建設(shè)管理中心，新疆 克孜勒蘇柯爾克孜自治州 845550)

1 概 述

地基是影響工程安全的一個(gè)重要因素，地基承載力不足將會(huì)造成上部建筑物發(fā)生沉降變形[1-2]。針對(duì)攔河建筑物，地基裂縫將會(huì)影響到攔河建筑物的攔水效果，亦可降低結(jié)構(gòu)滲流穩(wěn)定情況[3-4]。結(jié)合阿爾塔什水利樞紐工程，對(duì)壩基處理設(shè)計(jì)方案進(jìn)行研究。

某水利樞紐水庫(kù)總庫(kù)容22.49×108m3，正常蓄水位1 820 m，最大壩高164.8 m，為大(Ⅰ)型Ⅰ等工程。

2 壩基處理方案

2.1 壩殼基礎(chǔ)處理

壩殼基礎(chǔ)處理應(yīng)做到改善地基表面的平整度，確保堆石與岸坡接觸面變形均勻，減小陡邊坡對(duì)壩體變形的不利影響，從而減小陡岸壩體堆石變形梯度。岸坡段清除表層松散體；左岸堆石體地基在趾板內(nèi)坡至壩軸線范圍內(nèi)的岸坡開挖坡度為1∶0.5；右岸岸坡較陡，開挖成不陡于1∶0.3的穩(wěn)定坡度，趾板內(nèi)坡及壩軸線上游側(cè)壩基出露的高陡壁均要求采用低強(qiáng)度等級(jí)混凝土進(jìn)行修補(bǔ)整形，使處理后的坡度不陡于1∶0.3～1∶0.5；從現(xiàn)有勘察試驗(yàn)資料分析，河床段覆蓋層結(jié)構(gòu)總體上較均一，基本上為單一型結(jié)構(gòu)，砂卵礫石層>5 mm的顆粒含量約75.2%，砂含量約22.6%，呈密實(shí)狀態(tài)，其上部的干密度平均值為2.24 g/cm3，地震波縱波速度可達(dá)2 400～3 000 m/s，表明覆蓋層密實(shí)度高，其承載力可滿足大壩要求。根據(jù)室內(nèi)現(xiàn)有大型壓縮試驗(yàn)成果，卵礫石層在室內(nèi)100～400 kPa壓力下的壓縮系數(shù)為0.01，壓縮模量為121.1 MPa。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)成果，河床砂礫石層只清除表層的松散覆蓋層，清基深度初定為2 m。壩體填筑前，進(jìn)行基礎(chǔ)面碾壓，盡量減少基礎(chǔ)變形。同時(shí)，提高壩體碾壓指標(biāo)，即壩殼砂礫料要求相對(duì)緊密度大于0.85，爆破料孔隙率要求小于19%。預(yù)留沉降超高，即壩高的1%(1.60 m)。采取以上措施，可有效減少壩體變形。

2.2 趾板地基處理

根據(jù)地質(zhì)勘探分析，左岸基巖強(qiáng)風(fēng)化層厚2～3 m，弱風(fēng)化層厚16～22 m。右岸趾板基巖強(qiáng)風(fēng)化層厚2～3 m，弱風(fēng)化層厚15 m，弱風(fēng)化層可滿足面板趾板基礎(chǔ)。左右岸岸坡壩段趾板基礎(chǔ)置于弱風(fēng)化層巖石基礎(chǔ)上。趾板巖石開挖臨時(shí)邊坡為1∶0.3，永久邊坡強(qiáng)風(fēng)化層為1∶0.5、弱風(fēng)化層為1∶0.35，覆蓋層開挖邊坡為1∶1.5。河床段為沖積砂卵礫石深厚覆蓋層，相對(duì)密度平均值為0.85，覆蓋層密實(shí)度高，緊密的砂礫石的壓縮模量較碾壓堆石料高5～10倍。根據(jù)室內(nèi)現(xiàn)有大型壓縮試驗(yàn)成果，在400 kPa(相當(dāng)于壩基的最大荷載)壓力下的變形量?jī)H為2～3 cm左右，變形量不大，故僅清除河床覆蓋層表面砂礫石2 m后作為趾板基礎(chǔ)。河床趾板底面開挖高程定為1 661～1 663.00 m，為減小基礎(chǔ)變形，對(duì)河床趾板、連接板的建基面進(jìn)行強(qiáng)夯處理。

2.3 右岸岸坡變模區(qū)設(shè)置

右岸岸坡趾板樁號(hào)0+760～0+875段岸坡有第四系全新統(tǒng)崩坡積物，岸坡基礎(chǔ)開挖時(shí)對(duì)該段進(jìn)行了清除，清除后趾板下游邊坡較陡。計(jì)算表明，在地震作用下，在面板靠近右岸岸坡區(qū)域少許面板單元最大拉應(yīng)力達(dá)3.6 MPa(圖1)。為了改善邊坡、調(diào)整面板受力條件，對(duì)開挖后坡度陡于1∶0.5的陡坡，填筑時(shí)在距陡坡面20 m范圍內(nèi)，采用墊層料、水泥和水拌制成碾壓干貧混凝土進(jìn)行處理。要求干貧混凝土干密度達(dá)到2.25 t/m左右，抗壓強(qiáng)度相當(dāng)于28天C5-C7的低標(biāo)號(hào)混凝土。

圖1 面板壩軸向最大拉應(yīng)力等值線(靜動(dòng)疊加)(單位：MPa)

2.4 基礎(chǔ)灌漿

2.4.1 固結(jié)灌漿

1) 左右岸巖石基礎(chǔ)固結(jié)灌漿?；A(chǔ)坐在基巖上的趾板設(shè)置固結(jié)灌漿，孔、排距3 m。根據(jù)基巖情況，固結(jié)灌漿深度為8 m。

2) 河床段砂礫石基礎(chǔ)固結(jié)灌漿。采用防滲墻上游20 m至河床趾板下游20 m及河床段趾板和連接板范圍內(nèi)進(jìn)行固結(jié)灌漿加固處理，灌漿深度為10 m，孔、排距3 m，灌漿壓力控制0.1～0.3 MPa，灌后檢查按滿足5 Lu控制。

2.4.2 帷幕灌漿

帷幕深度宜深入相對(duì)不透水層5 m，也可根據(jù)地質(zhì)條件按壩高的1/3～1/2選定。本樞紐為大(Ⅰ)型Ⅰ等工程，大壩為1級(jí)建筑物，3 Lu線埋深較深(未勘探到)。壩基帷幕防滲深度按壩基透水率小于5 Lu和1/2壩高控制，左岸趾板下帷幕深度為38～74 m，右岸趾板下帷幕深度為44～82 m，雙排，帷幕孔的孔、排距2 m。兩壩肩灌漿在壩頂高程處設(shè)置灌漿廊道，左壩肩廊道長(zhǎng)30 m，帷幕深度20～38 m；右壩肩廊道長(zhǎng)38 m，帷幕深度20～44 m，設(shè)置單排帷幕?；炷练罎B墻段，墻下設(shè)1排帷幕灌漿，孔距2 m，帷幕灌漿最大深度為墻下69 m。

2.5 斷層處理及輝綠巖脈處理

根據(jù)地質(zhì)報(bào)告，左岸在高程1 830 m處有F3斷層出露，產(chǎn)狀78～85°SE∠52～64°，與坡面走向近于平行，與趾板開挖剖面交角68°左右。該斷層上盤巖體較破碎，斷層屬?gòu)埿詳鄬?，?.3～0.5 m，有卸荷跡象，可能產(chǎn)生繞壩滲漏，對(duì)趾板穩(wěn)定影響不大，應(yīng)加強(qiáng)斷層帶的處理，以防滲透破壞。左岸高程1 830 m處的F3由于有卸荷跡象，應(yīng)清除卸荷帶，加強(qiáng)錨固和灌漿處理。高程1 772 m處有F16斷層出露，產(chǎn)狀為78°SE∠63°，規(guī)模較小，加強(qiáng)灌漿處理即可。右岸高程1 710和1 830 m處分別分布有F7和F9斷層，對(duì)邊坡穩(wěn)定影響不大，斷層破碎帶寬1～5 m，主要以角礫巖、膠結(jié)的糜棱巖為主。右岸出露的F10斷層，規(guī)模不大，破碎帶寬0.3～0.5 m，斷層與岸坡近于平行，傾向岸里，對(duì)斷層帶采用開挖后回填砼塞及加強(qiáng)灌漿處理?；炷寥疃劝凑諗鄬悠扑閹挾?倍設(shè)置混凝土塞，即混凝土塞深度1 m，邊坡為1∶0.5，長(zhǎng)度沿?cái)鄬臃较蛟O(shè)置10 m，在10 m范圍內(nèi)加強(qiáng)灌漿。在趾板基礎(chǔ)出露的輝綠巖脈其風(fēng)化破碎呈碎塊狀，不能滿足趾板基礎(chǔ)要求，須開挖回填砼及進(jìn)行灌漿處理。

2.6 河床深厚覆蓋層防滲處理

根據(jù)地質(zhì)勘探及試驗(yàn)并參考已建工程，本工程河床深覆蓋層段將趾板基礎(chǔ)建在覆蓋層上。對(duì)覆蓋層的處理進(jìn)行以下幾方面的研究：

2.6.1 單墻防滲墻方案

單墻防滲墻+墻后下游進(jìn)行不同深度、不同灌漿范圍的充填灌漿，減少變形，提高承載力，起到防滲墻到壩基的逐漸過(guò)渡，減少連接板變形梯度。

2.6.2 雙墻防滲墻方案

對(duì)雙防滲墻處理方案防滲墻施工期、運(yùn)行期位移(上下游方向)變形和應(yīng)力狀態(tài)的研究。

1) 雙墻+墻間不同深度固結(jié)灌漿。

2) 雙墻防滲墻+墻后下游進(jìn)行不同深度、不同灌漿范圍的充填灌漿。

2.6.3 防滲墻與趾板連接型式的研究

1) 覆蓋層連接板布置型式的研究。

2) 研究不同連接板數(shù)量(2塊、3塊)對(duì)連接板沉降縫變形的影響。

3) 研究單塊連接板長(zhǎng)度(2 m、2.5 m、3 m)對(duì)連接板沉降縫變形的影響。

4) 研究防滲墻下游進(jìn)行不同深度、不同灌漿范圍的充填灌漿對(duì)連接板沉降縫變形的影響。

2.6.4 二維有限元分析計(jì)算結(jié)果

由二維有限元分析計(jì)算結(jié)果可知，各比選設(shè)計(jì)方案應(yīng)力變形分布規(guī)律均未出現(xiàn)大的異常，符合高面板堆石壩應(yīng)力變形一般分布規(guī)律。

1) 壩體位移?？⒐て诤蜐M蓄期最大沉降分別為0.75和0.95 m，占?jí)胃弑戎胤謩e為0.46%和0.6%；各對(duì)比方案竣工期水平位移基本呈對(duì)稱分布，向上游和下游變形均在0.1 m左右；蓄水后，壩體變形均朝向下游，最大水平位移位于面板中部，最大變形約為0.3 m。由此可見，上述影響因素對(duì)壩體整體變形影響較小，各比選設(shè)計(jì)方案均具備良好的抵抗變形能力。

2) 壩體應(yīng)力。滿蓄期，庫(kù)水位上升后，由于水壓力作用，各對(duì)比方案中壩體最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力均有一定程度增大，但幅度不大，分布規(guī)律與基準(zhǔn)方案較為一致，壩體內(nèi)部應(yīng)力分布均勻。各對(duì)比方案中，壩體最大壓應(yīng)力均在4.0 MPa左右，靠近面板的墊層區(qū)域與防滲墻附近區(qū)域出現(xiàn)少許受拉破壞單元，拉應(yīng)力約為1.5 MPa。壩體內(nèi)部應(yīng)力水平分布相對(duì)均勻，各對(duì)比方案差異不大，最大應(yīng)力水平數(shù)值均在0.4左右。

3) 面板應(yīng)力與變形。各計(jì)算方案竣工期和滿蓄期面板撓度幅值及其發(fā)生位置較為一致，蓄水期，在上游水壓力作用下，面板撓度達(dá)到最大，最大撓度為43.7 cm。另外，趾板下部固結(jié)灌漿深度和趾板寬度對(duì)面板順坡向應(yīng)力存在一定影響，但影響程度有限，最大順坡向壓應(yīng)力為9.5～10.5 MPa，位于面板中下部，面板全斷面受壓，且滿足抗壓要求。

4) 防滲墻應(yīng)力變形。各比較計(jì)算方案竣工期和滿蓄期防滲墻應(yīng)力和變形幅值及其分布趨勢(shì)較為一致，竣工期最大變形約為10 cm(指向上游)，發(fā)生在墻體頂部；最大豎向壓應(yīng)力約為10 MPa左右，位于墻體底部。滿蓄期最大變形指向下游，墻體頂部最大水平位移量約為30 cm，最大豎向壓應(yīng)力為20～29 MPa。單墻設(shè)計(jì)時(shí)墻體底部壓應(yīng)力較大，墻體最大壓應(yīng)力為29 MPa，略微超過(guò)所選混凝土抗壓強(qiáng)度。雙墻設(shè)計(jì)中，當(dāng)雙墻之間進(jìn)行100 m固結(jié)灌漿時(shí)，墻體底部壓應(yīng)力最小，為19.8 MPa，滿足防滲墻所選混凝土抗壓強(qiáng)度要求。

5) 連接縫和周邊縫變形。連接縫變形各對(duì)比方案與基準(zhǔn)方案較為一致，蓄水后，防滲墻墻頂與連接板之間的連接縫剪切變形量達(dá)到最大。在各計(jì)算方案中，最大沉陷量為3.4 cm，均在變形允許范圍內(nèi)。另外，各計(jì)算方案周邊縫沉陷量和拉伸量均較小，沉陷量小于3.0 cm，拉伸量小于1.0 cm。隨著趾板下灌漿深度的增加，連接縫和周邊縫沉陷量小幅增加?？傊?，各影響因素對(duì)滿蓄期周邊縫和連接縫沉陷和拉伸變形影響較小。

6) 趾板應(yīng)力。各計(jì)算對(duì)比方案與基準(zhǔn)方案應(yīng)力幅值較為一致，滿蓄期趾板應(yīng)力達(dá)到最大，水平向應(yīng)力為1.1～1.3 MPa，豎向應(yīng)力為2.7～3.0 MPa，均滿足所選混凝土(C30)抗拉壓強(qiáng)度要求。

3 結(jié) 論

水利樞紐工程壩基覆蓋層厚度大、斷層發(fā)育，地基條件差。從壩殼、趾板地基處理等方面對(duì)壩基加固方案進(jìn)行分析。通過(guò)對(duì)比分析，不同方案加固覆蓋層后，壩體位移、面板變形、連接縫變形量等因素均可滿足規(guī)范要求；各部位應(yīng)力均可滿足混凝土抗拉強(qiáng)度要求。