李正兵，張立展

(1.成都理工大學地質(zhì)災害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室，成都 610059;2.中國水利水電第七工程局成都水電建設工程有限公司，成都 611130)

1 研究背景

隨著水利水電建設事業(yè)的迅速發(fā)展，大型水庫和水電站樞紐大壩越來越多地采用了混凝土高拱壩壩型［1］，與其它壩型相比，拱壩對地形地質(zhì)條件提出了更高的要求。據(jù)統(tǒng)計，70%的重大拱壩事故與壩基穩(wěn)定性有關［2］。在影響壩基穩(wěn)定的諸多因素中，斷層軟弱破碎帶是最為常見的因素之一。

近年來國內(nèi)外針對大壩基礎處理開展了很多研究工作［3］。大壩基礎處理技術隨著壩體設計技術的不斷進步也取得了相應的進展，主要體現(xiàn)在以下幾個方面:壩基穩(wěn)定性評價由定性逐步向定量過渡;灌漿新材料的研發(fā)與應用［4－6］，解決了基礎加固及防滲等諸多工程難題;斷層破碎帶的處理技術日趨成熟，廣泛應用了新方法與新手段;對處于不同部位、產(chǎn)生不同影響的同一類地質(zhì)缺陷，開展個性化加固處理。例如，針對某水電站壩址區(qū)域性斷裂的主體組成部分碎裂巖帶，采用了挖槽回填混凝土塞、固結灌漿、帷幕灌漿等措施后，滿足了建壩的要求［7］;利用最小勢能原理推導得出了傳力洞截面尺寸的計算公式，并成功應用到了葫蘆口拱壩傳力洞的設計當中［8］;白巖河水利工程大壩壩基加固工程中，對不同埋深的破碎帶采用了不同的處理措施:如，埋深不大處增大開挖深度至強風化巖體以下，埋深較大處則采用固結灌漿和帷幕灌漿［9］?？傮w來說，目前對壩體基礎的處理措施可以歸納為開挖處理、基礎排水、灌漿處理、擴大回填、斷層置換、岸坡防護等［10］。

錦屏一級水電站是雅礱江大河灣上錦屏“雙子星”電站之一，位于四川省涼山彝族自治州鹽源縣和木里縣境內(nèi)。大壩高305 m，庫容77.6億m3，裝機容量為3 600 MW，是世界上已建成的最高的雙曲拱壩。大壩左岸壩基地質(zhì)條件復雜，尤其以f5斷層為代表，不僅規(guī)模巨大，而且?guī)r體性狀極差，處理技術要求非常高。為了保證大壩能夠長期安全地運營，必須對f5斷層的處理措施進行科學有效的設計，以解決其對于錦屏高拱壩滲流穩(wěn)定、抗滑穩(wěn)定、變形穩(wěn)定的影響。

2 壩基地質(zhì)條件

錦屏一級水電站樞紐區(qū)所在峽谷呈典型的深切“V”形，最大高差達到了1 700 m［11］。大壩左岸壩基主要分布大理巖中的至層，以及砂板巖中的至層。左岸巖層總體產(chǎn)狀N0°～30°E/NW∠25°～45°，巖層走向較穩(wěn)定，與河流基本平行，傾向山里，在中高高程山里局部傾角達50°～70°，屬典型逆向坡。

f5 斷層產(chǎn)狀為N35°～45°E/SE∠70°～80°。在地表和平洞中，斷層面整體上為較平整的板狀，局部位置為舒緩的波狀，個別地段近乎直立?？傮w上斷層面產(chǎn)狀比較穩(wěn)定，斷面形態(tài)也比較規(guī)整。不同部位和不同巖性中的斷層破碎帶性狀都有所不同:位于上部高程的砂板巖中的破碎帶一般寬4～8 m，主要組成物質(zhì)為散體結構的巖屑、泥質(zhì)物質(zhì)和角礫;位于中低高程的大理巖中的破碎帶則普遍寬1～3 m，主要組成物質(zhì)為斷層角礫巖和碎裂巖，膠結較為緊密，沿斷面在局部區(qū)段可見2～3 cm的斷層泥［12］。分布在1 680～1 800 m高程之間的斷層破碎帶，均處于大理巖中，一般寬3～5 m，局部可達10～15 m，主要由角礫巖、碎裂巖組成，含少量片狀巖、糜棱巖以及不連續(xù)斷層泥，局部位置有5～10 cm的張開距離，幾乎沒有充填，巖體分級為Ⅴ級。f5斷層的地質(zhì)縱剖面如圖1所示。由上述可見，f5斷層及其影響帶寬度大，物理力學參數(shù)低，并在建基面上出露，直接對拱壩的變形、穩(wěn)定和滲透條件產(chǎn)生不利影響。

圖1 f 5斷層地質(zhì)剖面示意圖Fig.1 Geological profile of fault f 5

3 斷層及影響帶處理關鍵技術

3.1 置換處理

(1)混凝土大墊座置換:f5斷層在拱端1 800～1 730 m高程間及附近出露，該段大理巖受斷層及其影響帶影響，巖體裂隙大多較為松弛，完整性也較差，巖級大部分為Ⅲ2和Ⅳ2。為消除該軟弱巖體區(qū)對大壩造成的不利影響，采取明挖回填混凝土，與上部高程的混凝土墊座相結合進行處理。該高程段內(nèi)墊座具體尺寸見表1。

表1 各高程墊座尺寸Table 1 Sizes of cushion blocks at different elevations m

(2)平洞及斜井置換:在斷層及其影響帶內(nèi)，布置2條置換平洞和4條置換(防滲)斜井，平洞一般為9 m×10 m(寬×高);斜井按15 m×B(長×寬)布置，其中2條井B≥7 m，另外2條井B≥8 m。因置換平洞部位大部分為Ⅴ類圍巖，穩(wěn)定性極差，每排炮爆后均要及時噴混凝土對巖面進行封閉。

(3)高壓水對穿沖洗置換:采用巖土錨固鉆機順斷層從1 730 m鉆至1 670 m高程，在1 730 m高程開展對穿孔高壓沖洗，打通串通通道，在高壓風和水的聯(lián)合切割、擾動、破壞下，使得細小顆粒和液化后的泥漿順著通道進入1 670 m置換洞內(nèi)，不僅加強了置換效果，而且增大了回填空腔尺寸。最后，從下而上回填自密實混凝土。對穿沖洗孔位剖面示意圖如圖2所示。

圖2 對穿沖洗孔位剖面(以樁號K 0+54至K 0+59段為例)Fig.2 Profile of two-ended washing holes(K0+54 to K0+59)

3.2 高壓灌漿

(1)高壓水泥固結與帷幕防滲灌漿:采用孔口封閉自上而下分段灌漿法灌漿，漿液采用2∶1普通硅酸鹽水泥漿，也可采用濕磨細水泥或穩(wěn)定漿液。灌漿壓力段及段長劃分見表2。在最大灌漿壓力下，注入率＜1 L/min，繼續(xù)灌注60 min即可結束灌漿。全孔高壓沖洗灌漿完成后，采用全孔灌漿封孔法進行封孔，用0.5∶1濃漿進行純壓式灌漿，封孔灌漿壓力采用最大灌漿壓力，封孔持續(xù)時間＞1 h。

表2 固結與帷幕灌漿壓力及段長控制Table 2 Pressure in each segment of consolidation and curtain grouting

(2)水泥－化學復合灌漿:水泥灌漿完成后，在3排水泥灌漿孔中間布置2排水泥－化學復合灌漿補強孔，間距1.0 m，孔向與該部位水泥灌漿孔孔向一致?？咨钜源┻^f5斷層進入相對較好的巖體內(nèi)2 m為原則。f5斷層水泥－化學復合灌漿布置見圖3。

圖3 f 5斷層水泥－化學復合灌漿布置示意圖Fig.3 Layout of cement-chemical grouting for fault f5

3.3 預應力錨固體系

錨索采用壓力分散型全防腐預應力錨索結構。預應力筋采用低松弛且高強度的無粘結鋼絞線，直徑為15.24 mm，強度為1 860 MPa。在施工之前，對其材質(zhì)以及力學性能進行了檢測試驗，鋼絞線破斷力可達271.8 kN。錨索具體布置如下:使用2 000 kN的預應力錨索矩形長短交錯布置，錨索深60～80 m，間排距為4.0 m ×4.0 m。

4 處理后監(jiān)測成果分析

4.1 變形及位移監(jiān)測

在左岸高程1 730 m基礎處理平洞的置換洞煌斑巖脈和f5斷層附近布置了2個監(jiān)測斷面。第4階段蓄水前后洞室各監(jiān)測斷面位移計孔口位移值分布見圖4。由圖中可以看出，第4階段蓄水前后，圍巖位移變化量在－0.04～0.07 mm之間，位移變化量很小。在左岸高程1 730 m f5斷層置換洞布置了五向應變計，第4階段蓄水前后應變值變化量在－16.75～4.70με 之間，應變變化較小，目前測值基本平穩(wěn)。

圖4 孔口位移分布柱狀圖Fig.4 Histogram of displacement distribution of the orifice

4.2 滲壓監(jiān)測

壩基帷幕后滲壓計折減系數(shù)為α1=0.00～0.37，排水孔后 α2=0.01～ 0.09，符合壩基揚壓力分布的一般規(guī)律，且全部小于設計折減系數(shù)控制值，即帷幕后 α1≤0.40，排水孔后 α2≤0.20。在第4 階段蓄水中，帷幕后的折減系數(shù)總體變化不大，且大多數(shù)小于設計控制值，帷幕整體效果較好。典型滲壓計PDZ—2的滲透水壓力蓄水過程曲線如圖5所示。

圖5 滲透水壓力－時間關系曲線Fig.5 Curves of hydraulic seepage pressure vs.time

4.3 滲流量監(jiān)測

壩基滲流量監(jiān)測主要包括排水孔排水(含壩基測壓管排水)監(jiān)測、兩岸壩肩灌漿洞和排水洞匯水監(jiān)測等。目前滲流量采用量水堰監(jiān)測各層廊道內(nèi)滲流量，蓄水至1 880 m后，f5斷層及其影響帶部位滲流監(jiān)測如表3所示。從表中可以看出，相應部位的滲流量均較小，滿足設計要求，說明滲控工程施工工藝得當，質(zhì)量可靠。

表3 左岸f 5部位量水堰監(jiān)測成果統(tǒng)計Table 3 Monitored results of measuring weir around fault f5

5 結論

(1)經(jīng)過4個階段的蓄水運行檢驗，大壩左岸壩基及抗力體巖體變形及滲控等各項指標正常，說明針對錦屏高拱壩左岸壩基f5斷層及影響帶，采用混凝土墊座、平洞及斜井置換、抗力體高壓固結與防滲灌漿、水泥－化學復合灌漿及高壓水對穿沖洗回填混凝土和預應力錨固等多種綜合加固處理措施得當，施工工藝和方法科學可行，檢查指標滿足了拱壩設計和規(guī)范的要求。

(2)錦屏高拱壩左岸壩基f5斷層的加固工程實踐證明，綜合加固處理技術能夠縮短工期、降低工程量，進而節(jié)約成本。且與單一的加固措施相比，能夠最大限度地同時滿足拱壩對滲流穩(wěn)定、抗滑穩(wěn)定和變形穩(wěn)定的要求，值得在類似的工程中推廣應用。

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