田玉梅 聶學軍 胡彬彬

1 壩址工程地質(zhì)條件及大壩基礎處理設計綜述

壩址地層主要由奧陶系中統(tǒng)馬家溝組厚層、中厚層灰?guī)r和豹皮灰?guī)r構成,地層分布穩(wěn)定,巖體致密堅硬,強度、完整性較好,地層產(chǎn)狀平緩、構造簡單。兩岸與河床均未發(fā)現(xiàn)大范圍的不利于邊坡穩(wěn)定的結構面組合,天然邊坡陡立而穩(wěn)定。亦沒有較大斷層和新構造斷裂。壩基內(nèi)發(fā)育有多條泥化夾層及鈣質(zhì)充填與泥質(zhì)混合類狀夾層,壩基巖體強度、變形性能和穩(wěn)定性、巖體的地下水滲透等均明顯受泥化夾層軟弱結構面控制,因此,對軟弱結構面采取專門的處理和保護成為基礎處理的關鍵,同時尚應做好壩基固結、防滲等常規(guī)基礎處理設計。

2 壩基開挖和保護

河床基巖較平坦,屬寬U形河谷。壩址地層基本呈單斜構造。巖體弱風化與卸荷深度相近,兩岸陡壁中下部弱風化及卸荷帶最大深度為9.4m,平均深度左岸4.6m,右岸5.4m,局部存在強風化帶。河床部位弱風化及卸荷帶深度為1.75～7.4m,平均深度為3.5m。基坑及邊坡應將強風化帶、弱風化帶及卸荷帶挖除,壩基挖除O2m2-22 層巖體,將壩基坐落在弱風化帶下部新鮮巖體上,主要以AⅢ類巖體為壩基持力層。

結合壩體結構布置,右側河床(表孔、底孔)壩段開挖深度為9m,建基面高程為851m。為加強壩基的抗滑穩(wěn)定性,壩踵處設置齒槽切斷泥化夾層NJ304,開挖深度為15～18m,底寬12m,齒槽建基面高程為844m。電站壩段壩踵處開挖深度為11m,建基面高程為849m。在電站機組中心線處設齒槽切斷泥化夾層NJ303,開挖深度29m,底寬16.6m,建基面高程為831m。根據(jù)構造要求,上游進水口開挖深度11.0m,建基面高程為849.0m,下游尾水出口開挖深度25.0m,建基面高程為835.0m。

岸坡水平向開挖深度考慮挖除卸荷帶及弱風化巖體,使基礎坐落在弱風化帶下部新鮮巖體上。根據(jù)壩基及壩肩巖層產(chǎn)狀平緩、巖石完整、天然邊坡陡立、穩(wěn)定性好的特點,壩基范圍內(nèi)的開挖邊坡定為 1∶0.15,1∶0.2,1∶0.25,1∶0.3, 破碎帶為 1∶0.55,壩頂以上永久開挖邊坡為1∶0.2。左岸水平開挖深度3.5～8m,右岸為8.5～16m。兩岸開挖邊坡逐級上升,并設置寬2m的開挖平臺,其高程左岸為856m和875m;右岸為859和873 m。

本工程壩址區(qū)內(nèi)地層含有多條泥化夾層,對壩基抗滑穩(wěn)定明顯不利。為確保壩體穩(wěn)定,對淺表層的泥化夾層宜盡量挖除。河床壩基開挖應預留一定厚度的保護層,并盡快覆蓋混凝土,以避免巖體卸荷反彈,并惡化軟弱夾層性狀。開挖出露的泥化軟弱夾層、破碎帶等缺陷部位應采用水泥砂漿及時封閉,防止該部位巖體進一步惡化。

3 壩基防滲帷幕設計

3.1 壩基及兩岸滲透特性

由于壩址兩岸地下水位低于庫水位,壩址區(qū)巖體滲透性的不均一性。水庫蓄水后將存在繞壩和壩基滲漏問題。壩址無大斷層和較大溶洞存在,產(chǎn)生集中滲漏的可能性不大,壩址滲漏形式是散流型、巖溶裂隙式。壩基大部分巖體滲透性較弱,右壩肩巖體滲透性較強。左壩肩和河床部位無壓漏水巖體段占3.5%,中等透水巖體段(q=10～100 Lu)占13.9%,弱透水巖體段(q=1～10 Lu)占65.2%,微透水巖體段(q＜1 Lu)占17.4%,多屬弱透水巖體右壩肩無壓漏水巖體段占11.8%,中等透水巖體段(q=10～100 Lu)占78.4%,弱透水巖體段(q=1～10 Lu)占9.8%,大部分屬中等透水巖體;因此,右岸較強透水區(qū)的滲漏是壩基防滲設計的重點。壩基巖體滲透性隨深度的增加有逐漸減小的趨勢。

3.2 壩基及兩岸防滲帷幕設計

根據(jù)壩址區(qū)地下水的運動規(guī)律及巖體的滲透特性,壩基防滲采取帷幕灌漿與排水相結合的工程措施。其主要目的是控制承壓水的影響,降低壩基揚壓力,控制并減少繞壩和壩基滲漏量,防止泥化夾層部位發(fā)生滲透破壞。

壩基防滲設上游帷幕、下游帷幕及兩岸岸坡壩段橫向連接帷幕以形成封閉系統(tǒng),其深度按滿足透水率小于3 Lu設計。依據(jù)壩基連通試驗成果,O2m巖層順層面方向具有微—中等透水性,故巖層透水率主要反映了水平滲透特性,而垂直層面方向總體上相對隔水,可視為相對隔水層。且兩層承壓水O2m、O2m之間基本不連通,因此確定:上游帷幕設2排,前排向上游傾斜5°,深入泥化夾層NJ301下1m;后排帷幕孔垂直,深入O2m巖層下3 m;前后排帷幕孔距均為2.5m。下游帷幕為單排,向下游傾斜10°,深入O2m巖層下1m,孔距2.5m。上游帷幕向左岸延伸57m,向右岸延伸58m。

施工中根據(jù)右岸一、二級消力池的基礎面和壩踵齒槽部位,對基坑內(nèi)的涌水量進行了觀測。其中壩踵齒槽涌水量約為110m3/h,二級消力池齒槽的涌水量約30m3/h,合計在140m3/h。隨著壩踵齒槽的進一步開挖,基坑涌水量逐漸增加,接近建基面高程后基坑總涌水量約200m3/h。在左岸849.0m基坑觀察到,上游巖壁滲水多沿著NJ305頂面滲出,滲水多呈滴水或線流狀,局部見股狀滲流。巖體滲透性應屬弱—中等透水性。實際觀測結果壩下游側的滲漏量小于前期勘察的結果。

現(xiàn)場開挖完成后,在30多m的水頭條件下,基坑滲水有限。在壩體穩(wěn)定復核時,未考慮下游帷幕作用,也能滿足規(guī)范要求,原設計考慮圍封措施,僅作為一種安全儲備。通過分析論證,暫緩下游帷幕及上下游連接帷幕的施工,待水庫蓄水后根據(jù)觀測情況確定是否取消下游防滲帷幕。

4 壩基排水設計

4.1 壩基承壓水特性

O2m巖層具有弱—中等透水性,含水層以溶隙、裂隙含水為主。與黃河水位之間存在密切聯(lián)系,其承壓水頭接近河水位。含水層上部的相對隔水頂板(O2m層)分布受產(chǎn)狀控制,向下游傾斜,在六Ⅱ壩線以上缺失。大壩建基面坐落于O2m巖層上,頂部O2m巖層挖除,該層承壓水作用在壩基上,需釋放該層承壓水以減小壩基揚壓力,排水孔需深入至O2m巖層中下部。除做好壩基防滲排水外,還應加強電站尾水渠、側墻的排水。

4.2 壩基排水系統(tǒng)的布置及設計

壩基排水的目的是排除透過帷幕的滲水及基巖裂隙中的潛水,在壩基各排水廊道內(nèi)設置排水孔幕,與灌漿帷幕構成一個完整的壩基防滲排水系統(tǒng),以降低揚壓力,保證壩體的穩(wěn)定。壩基下共設3道排水幕。

依據(jù)壩址區(qū)位于區(qū)域地下水榆樹灣排泄區(qū),基巖裂隙中的潛水較為豐富的特點。而壩址下又存在多條泥化夾層,排水孔穿過的泥化夾層需要保護。故排水孔不宜過深,否則會釋放過多的地下水,增加集水井容積和抽排水的壓力,增加泥化夾層保護的投資。故第1、第3道排水幕均深入O2m巖層中泥化夾層NJ302下,比主帷幕淺1/4左右。第2道排水幕的作用是排壩基下裂隙中的潛水,深入固結灌漿下2m。

底、表孔一級消力池在底板分縫處的半圓管內(nèi)設排水孔,排水孔深6m,間距5m。形成縱橫排水網(wǎng)絡。排水孔內(nèi)的滲水,通過一級消力坎內(nèi)的廊道匯流到表孔下游的集水井內(nèi)。

壩基排水孔均穿過泥化夾層,左壩肩下部多達10層,壩基一般2～5層。泥化夾層間距17 m不等。為防止泥化夾層產(chǎn)生滲透管涌破壞,在排水孔穿過泥化夾層部位采用組裝式反濾體,對排水孔進行保護。各泥化夾層部位將視其層間距離及含泥情況確定反濾體長度。

鑒于前述下游帷幕及上下游連接帷幕暫緩施工,考慮到后期若進行帷幕施工將會對附近的排水孔造成淤堵,從而增加費用,故暫緩1#～11#壩段下游灌漿排水廊道排水孔及左、右岸上下游連接廊道(3#、4#壩段橫向灌漿排水廊道和1#壩段交通廊道及19#壩段橫向灌漿排水廊道)內(nèi)排水孔的施工,待水庫蓄水后根據(jù)現(xiàn)場壩基滲流量、揚壓力等觀測數(shù)據(jù),再一并考慮是否實施1#～11#壩段下游灌漿排水廊道及左、右岸上下游連接廊道內(nèi)排水孔的施工。

5 壩基固結灌漿設計

為加強巖體的整體性和各向均一性,本工程對大壩基礎及一級消力池基礎進行全面的固結灌漿處理。固結灌漿布孔與孔深結合建筑物基礎荷載、基礎巖體條件、地基軟弱結構面性能及埋深等綜合指標考慮。對基礎巖體軟弱或基礎荷載較大的部位采取局部加密孔距,加大孔深進行處理。

原設計對壩基全面固結灌漿,孔深5～7 m,孔、排距均為3 m。

根據(jù)左岸壩基開挖情況和地質(zhì)波速等測試成果表明:在探測深度(小于1.5m)范圍內(nèi)地震縱波速度為1710～5400m/s,平均波速3230m/s,巖體的泊松比均值為0.33,巖體的完整系數(shù)均值為0.31。根據(jù)以上監(jiān)測結果對1#～10#壩段和發(fā)電廠房基礎固結灌漿進行分區(qū)分類處理,現(xiàn)分述如下。

(1)A塊固結灌漿:在上游齒槽斜坡中部布置一排孔,1#、2#壩段孔深12.0m,3#～10#壩段孔深10m,基礎底面孔深均為5.0m。孔、排距為3m。

(2)B塊固結灌漿:中間部位,孔深為3.0m,1#、2#壩段孔、排距為3.0m,3#～10#壩段孔、排距為4.0m。3#壩段的下游側為高開挖邊坡,尾部巖石較破碎,3#壩段樁號下0+047.40—下0+061.80范圍內(nèi)的孔入巖深度為9.0m。4#壩段樁號下0+058.80孔的入巖深度為12m。

(3)C塊固結灌漿:該部位巖石表面完整性好,抗壓強度較高,5#～8#壩段只在巖石比較破碎的部位設置固結灌漿孔,孔深5.0m,4#壩段孔深為3.0m,斜坡部位由垂直巖面改為豎直向下鉆孔,入巖深為12.0m。9#、10#壩段入巖深5.0m。

(4)電站尾水渠固結灌漿孔入巖深度5.0m,孔、排距3.0m。

廠房尾水渠基礎固結灌漿前巖體聲波速度平均值5690m/s,灌漿后巖體聲波速度平均值6070m/s,提高率平均值為10.5%。達到了補強的目的。

廠房尾水渠基礎固結灌漿前巖體平均透水率為158.17 Lu,灌漿后巖體平均透水率為0.70 Lu,固結灌漿對提高巖體完整性效果顯著。

6 尾巖加固設計

壩基存在 NJ303、NJ304、NJ304-1、NJ304-2等多條泥化夾層,因其物理力學指標較低,壩后尾巖(抗力體)對壩體深層抗滑穩(wěn)定起較大作用。平面非線性有限元計算結果表明,壩后尾巖表面有隆起現(xiàn)象,局部有拉應力區(qū),滑裂通道上有拉裂破壞單元。計算建議底孔壩段一個壩段壩體下游尾巖20m范圍之內(nèi),施加20000kN的垂直壓力。結合樞紐布置和目前先進施工技術,尾巖加固采用預應力錨索。預應力錨索設計采用每根2000kN級,為無粘結錨索:錨索采用有專門防腐層的無粘結預應力鋼絞線。錨固段全長范圍內(nèi)鋼鉸線防腐層全部去除,錨固段鋼絞線通過漿體與孔壁結合成整體,而張拉段鋼絞線與漿體可以產(chǎn)生滑動。

預應力錨索鉆孔直徑150mm,布置在表孔和底孔的一級消力池內(nèi),預應力錨索底部錨固段長7 m,中間張拉段長18m,,基巖面以上即錨索頂部為錨頭,錨頭(錨墩)深入消力池底板內(nèi)1m。錨墩的上、下層鋼筋網(wǎng)伸入消力池底板內(nèi),與消力池底板連接為整體。表孔壩段設4排錨索,排距6.5m,為避開消力池底板的伸縮縫,錨索為梅花形布置,共布置22根,錨索深入NJ303下10m,單根錨索長26m。底孔壩段設4排錨索,錨索排距6.5m,梅花形布置,共布置67根,錨索深入NJ303下10m,單根錨索長26m。

7 結 語

龍口水利樞紐壩址巖體完整性較好,壩基內(nèi)多條泥化夾層及風化卸荷、壩基承壓水構成了壩基的主要工程地質(zhì)問題。工程設計中從壩體布置入手,采用多種措施并舉,達到了技術先進、經(jīng)濟合理的雙重目的。