高希章，覃克非，王 靜，劉幫建

(四川省水利水電勘測設(shè)計研究院，成都，610072)

武都水庫工程關(guān)鍵技術(shù)問題及對策

高希章，覃克非，王 靜，劉幫建

(四川省水利水電勘測設(shè)計研究院，成都，610072)

武都水庫工程壩址區(qū)工程地質(zhì)條件復(fù)雜，工程建設(shè)過程中遇到一系列技術(shù)難題：壩址區(qū)為強巖溶發(fā)育區(qū)，存在壩基承載力、巖溶洞穴穩(wěn)定問題和巖溶滲漏問題；河床高壩段壩基內(nèi)斷層破碎帶和層間錯動帶等軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)育，深層抗滑穩(wěn)定問題突出，滑動邊界組合復(fù)雜，超出了規(guī)范確定的計算模型；在建設(shè)過程中遭遇大地震，需提高抗震設(shè)計動參數(shù)等。設(shè)計針對上述問題分別采取了針對性處理措施，效果良好。

武都水庫 重力壩 強巖溶發(fā)育區(qū) 壩基承載力 巖溶滲漏 深層抗滑穩(wěn)定 震損處理

1 工程概況

被鄧小平同志譽為“第二個都江堰”的武都水庫，是四川省“西水東調(diào)”總體規(guī)劃、涪江流域規(guī)劃中確定的大型綜合利用的水利工程，是武都引水的水源工程，也是迄今涪江上最大的水利樞紐工程。壩址位于四川省江油市武都鎮(zhèn)北約4km的涪江干流上，工程任務(wù)以防洪、灌溉為主，結(jié)合發(fā)電兼顧城鄉(xiāng)工業(yè)生活及環(huán)境供水等綜合效用。水庫總庫容5.72億m3，調(diào)節(jié)庫容3.5億m3，工程建成后可將綿陽市防洪標(biāo)準(zhǔn)由50年提高到100年，將三臺縣以上農(nóng)村防洪標(biāo)準(zhǔn)提高到10～20年；控灌武引一期、二期灌溉面積15.24萬hm2及蓬船灌區(qū)6.31萬hm2；水庫電站裝機容量150MW，多年平均發(fā)電量6.1億kW.h。

樞紐總體布置采用碾壓混凝土重力壩擋水、壩身雙表孔三底孔間隔布置泄洪、壩后式左岸廠房方案。大壩為碾壓混凝土重力壩，最大壩高120.34m。水庫攔河壩擋水壩段、溢流壩段和電站壩段等主要建筑物的級別為1級，電站廠房及下游導(dǎo)墻、丁壩和兩岸防護工程等建筑物為3級。

2 工程關(guān)鍵技術(shù)問題

2.1 壩址區(qū)強巖溶發(fā)育

工程壩址區(qū)為強巖溶發(fā)育區(qū)，左右岸壩基內(nèi)巖溶發(fā)育強烈，密度高、規(guī)模大，巖溶復(fù)雜程度在國內(nèi)外已建工程中絕無僅有。壩址區(qū)巖溶平面分布見圖1，防滲帷幕線上巖溶發(fā)育強度分帶見圖2。

壩址區(qū)泥盆系中統(tǒng)白石鋪群觀霧山組(D2gn)為區(qū)內(nèi)主要可溶巖地層，受巖性、構(gòu)造因素的控制，在地下水溶蝕侵蝕作用下，巖溶強烈發(fā)育。巖溶形態(tài)主表現(xiàn)為溶蝕洼地、溶蝕沖溝、落水洞、水平溶洞、溶蝕帶(包括隱伏溶蝕帶)、溶隙(穴)、溶蝕孔洞等類型。特別是左右兩岸分別發(fā)育的觀涪洞巖溶系統(tǒng)(K108)和摸銀洞巖溶系統(tǒng)(K7)，對工程建設(shè)和安全運行影響重大，是控制工程成敗的關(guān)鍵性重大地質(zhì)缺陷：(1)左岸K108巖溶系統(tǒng)由水平溶洞(兩層結(jié)構(gòu))和垂直、傾斜的落水洞組成，在空間上的分布范圍水平長450m，寬約200m，垂直高度超過100m，呈樹枝狀展布于左岸山體內(nèi)；(2)右岸K7巖溶系統(tǒng)主要由水平溶洞和落水洞組成，平面展布長1350m(指K7至燈籠溝K501落水洞)，寬約370m，平面上呈帚狀展布，垂直發(fā)育高度超過120m。對工程的主要影響是壩基承載力、巖溶洞穴穩(wěn)定問題和巖溶滲漏問題。

2.2 壩基深層抗滑穩(wěn)定

大壩為120m高的碾壓混凝土重力壩，河床高壩段壩基內(nèi)斷層破碎帶、緩傾角裂隙和層間錯動帶等軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)育，地質(zhì)條件十分復(fù)雜，深層抗滑穩(wěn)定問題突出?，F(xiàn)行規(guī)范《混凝土重力壩設(shè)計規(guī)范》(SL319-2005)、《混凝土重力壩設(shè)計規(guī)范》(DL5108-1999)中給出了簡單雙滑面的計算方法，但本工程滑動邊界組合復(fù)雜，難以簡化成簡單雙滑面，已超出規(guī)范雙滑面模型分析范圍，故需要對深層穩(wěn)定問題專門論證、深入研究，以保證工程處理措施既安全又經(jīng)濟。

圖3 武都水庫18#壩段典型剖面(處理前)示意

2.3 大壩施工經(jīng)歷“5.12”大地震，抗震設(shè)計需適時調(diào)整

武都水庫壩址緊鄰汶川大地震震中附近，地震對工程區(qū)影響烈度達8度?！?.12”汶川大地震時，攔河大壩正在施工，其中河床壩段已澆壩高28m，左岸壩段已澆壩高最大至38m。地震對在建的武都水庫主體工程造成了一定影響，正在施工的混凝土因施工工序未完導(dǎo)致質(zhì)量不合格；剛施工完成的混凝土因齡期不足造成局部密集的淺表裂縫；地震后壩體混凝土存在一定數(shù)量的垂直裂縫；地震中有少量安全監(jiān)測儀器遭受破壞，讀數(shù)不正常；巖溶洞穴內(nèi)局部掉塊垮塌。

武都水庫大壩抗震按甲類設(shè)防，在基本烈度(7度)基礎(chǔ)上提高1度至8度作為設(shè)計烈度。汶川地震后，四川省地震局對武都水庫壩址區(qū)地震危險性分析進行了復(fù)核，場地100年超越概率2%的基巖水平峰值加速度由214cm/s2提高至256cm/s2。為此，考慮武都水庫處于龍門山斷裂帶區(qū)域，基巖峰值加速度設(shè)計值由0.2g(196cm/s2)提高至256cm/s2。

大型水庫混凝土重力壩高壩在建設(shè)過程中遭遇大地震，需提高抗震設(shè)計動參數(shù)，使已施工結(jié)構(gòu)和未施工結(jié)構(gòu)均滿足抗震設(shè)計要求，為國內(nèi)外少有，給設(shè)計帶來巨大挑戰(zhàn)。

3 關(guān)鍵技術(shù)問題的處理對策

3.1 巖溶處理

在壩基巖溶地質(zhì)缺陷的處理中，針對壩基承載和防滲要求提出了不同的處理范圍及措施，遵循“變巖溶巖體為裂隙巖體”的原則和思路，對不同形態(tài)的巖溶體系采取相應(yīng)的工程處理措施。

3.1.1 為提高壩基巖體和近壩山體的整體性、穩(wěn)定性及承載能力，滿足壩基應(yīng)力、穩(wěn)定要求，經(jīng)對具有代表性的巖溶發(fā)育壩段進行有限元計算分析，按照壩基應(yīng)力擴散規(guī)律，確定壩基巖溶處理范圍為：寬度方向，按壩踵處上游側(cè)27°、壩趾處下游側(cè)37°的擴散角控制；深度方向，按壩高的1/3考慮。在此范圍外，但距離較近的已發(fā)現(xiàn)的較大不穩(wěn)定洞穴也應(yīng)進行處理。

3.1.2 為滿足工程防滲要求，保證帷幕灌漿的可靠性，在帷幕灌漿施工前，對帷幕線上的巖溶地質(zhì)缺陷先行處理。

(1)對具備進人條件的巖溶洞穴，按照“變管道性介質(zhì)為裂隙性介質(zhì)、變巖溶巖體為裂隙巖體”的處理原則和思路，對帷幕線上下游15m范圍內(nèi)的巖溶洞穴均清挖封堵，水平溶洞的封堵應(yīng)同時滿足堵頭穩(wěn)定要求；

(2)對于不具備進人條件的地表或淺層巖溶洞穴，采用細石混凝土灌填；

(3)對于壩基深部的大型溶洞，采用“高壓旋噴+濕磨細水泥灌漿+化學(xué)灌漿”復(fù)合處理方案。

在右岸底層灌漿平洞下部約70m深部、實施帷幕灌漿時，發(fā)現(xiàn)存在一寬約20m、高約13m的不規(guī)則巖溶通道(編號為KS1)。鉆探揭示，溶洞充填松散砂層，上部為細砂層，下部為中粗砂層，透水性強。上部細砂層松散，下部中粗砂層為稍密～中密。

在實施常規(guī)灌漿時，溶洞充填的細沙在灌漿壓力下隨鉆孔向外冒出，堆積在灌漿廊道內(nèi)。在完成下游排水泥帷幕灌漿后，檢查孔在該砂層段不能成孔，經(jīng)多次復(fù)灌后，常規(guī)水泥灌漿基本無效。經(jīng)多方案研究，決定采用“高壓旋噴+濕磨細水泥灌漿+化學(xué)灌漿”復(fù)合處理方案，由高壓旋噴在砂層中形成水泥砂漿骨架，再由濕磨細水泥擠壓、充填密實砂漿骨架之間的空間，最后由化學(xué)灌漿(水玻璃)形成一道完整的阻水幕體。在處理范圍內(nèi)布設(shè)3排高壓旋噴孔，2排濕磨細水泥灌漿孔，1排化學(xué)灌漿孔，最大灌漿壓力5MPa。處理后，大部分砂層區(qū)視波速明顯提高，大功率聲波CT視波速由灌前的2300m/s～3100m/s提高至3100m/s～4200m/s，鉆孔壓水試驗透水率均小于1Lu，滿足防滲要求。

3.1.3 為保證工程蓄水后運行期巖溶洞穴的穩(wěn)定，防止氣爆或沖爆塌陷現(xiàn)象的發(fā)生，對近壩庫內(nèi)大型的巖溶進行充水排氣連通處理。

2010年12月底導(dǎo)流洞下閘，水庫蓄水至今，各項監(jiān)測指標(biāo)均正常，巖溶滲漏得到了有效處理，壩基變形、承載力滿足要求，庫岸穩(wěn)定。

3.2 深層抗滑穩(wěn)定處理

深層抗滑穩(wěn)定問題是關(guān)系到整個大壩安危的重大問題，既涉及安全又影響到工程投資及建設(shè)工期，過于保守的計算方法既增加了工程量及工程投資又耽誤整體工期；若采取偏于冒進的計算方法又危及工程安全。若使工程的經(jīng)濟性和安全性都達到最優(yōu)，就需要有一個與實際相吻合的計算方法。

現(xiàn)行規(guī)范SL319-2005、DL5108-1999及許多相關(guān)文獻中關(guān)于剛體極限平衡法的分析討論多是基于圖4所示的標(biāo)準(zhǔn)模型，其適用性局限于第二破裂面(BD面)位于壩趾或壩趾下游側(cè)的情況。武都水庫工程壩基內(nèi)部多為復(fù)雜多滑面或第二破裂面位于壩基內(nèi)部的情況，此時規(guī)范方法不再適用。如圖3中武都水庫工程18#壩段典型地質(zhì)剖面圖所示，斷層與緩傾角結(jié)構(gòu)面、層間錯動帶等互相切割，組成各種類型的滑動模式，若以等K法計算，則很多組組合的第二破裂面均處于壩基內(nèi)部。對于軟弱面的交點位于壩基內(nèi)部的問題，其計算模型超出規(guī)范計算模型的范圍，若直接切穿壩體(見圖5、圖6)，代入規(guī)范公式，則與工程實際不符，未考慮壩的整體性，通過計算可知其安全系數(shù)偏低，所需處理工程量巨大。

為此，考慮到壩的整體性傳力性能，針對軟弱面的交點位于壩基內(nèi)部的情況，可取壩基為研究對象，將壩移除，求出建基面處應(yīng)力，進而利用等安全系數(shù)法研究壩基各塊體在各種荷載作用下的穩(wěn)定性，采用剛體極限平衡法，根據(jù)各滑裂面等安全系數(shù)原理，聯(lián)立方程組進行計算(如圖7所示)。根據(jù)上述處理思路，將該方法稱為“應(yīng)力分配法”。應(yīng)力分配法基于剛體極限平衡的等K法，其計算安全系數(shù)與規(guī)范安全系數(shù)匹配，故可直接利用規(guī)范安全系數(shù)進行安全判斷。

圖4 規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)模型

圖5 第二破裂面位于壩基內(nèi)

圖6 切穿壩體

圖7 應(yīng)力分配法模型

對于塊體分界面(即BD面)上的作用力與水平面的夾角φ，《混凝土重力壩設(shè)計規(guī)范》(SL319-2005)附錄E規(guī)定：夾角φ值需經(jīng)論證后選用，從偏于安全考慮φ可取0°。因夾角值φ對工程處理的安全性和經(jīng)濟性都有較大的影響，經(jīng)多方分析，認(rèn)為對夾角φ賦予一定的值是合理的，關(guān)鍵是取值的大小。結(jié)合工程壩區(qū)巖層總體產(chǎn)狀及巖層傾角的實際情況，假定BD面(第二破裂面)豎直，不計層面傾斜的影響(本工程巖體層面陡傾上游約75°，按BD面豎直計算偏安全)，而將φ取15°，按此取值進行計算，其安全系數(shù)是合理、經(jīng)濟、安全的。

分別利用基于材料力學(xué)的應(yīng)力分配法、基于有限元的應(yīng)力分配法、Sarma法、有限元法、非連續(xù)變形法(DDA)等方法，對大壩的深層抗滑穩(wěn)定問題進行了多方法計算及分析工作，最終選定利用基于材料力學(xué)的應(yīng)力分配法的計算成果進行工程處理措施設(shè)計。

計算分析表明，11#～19#河床壩段存在壩基深層抗滑穩(wěn)定問題，需采取工程措施進行處理。大壩深層抗滑穩(wěn)定常用的加強或處理措施有：(1)設(shè)置混凝土齒槽，切斷壩基淺層的軟弱結(jié)構(gòu)面；(2)增加壩體重量，或調(diào)整大壩體型、放緩上游壩坡以利用壩面上的水重；(3)設(shè)置防滲帷幕灌漿、壩基抽排水系統(tǒng)、壩基固結(jié)灌漿，以減小揚壓力；(4)設(shè)置切斷軟弱結(jié)構(gòu)面的混凝土或鋼筋混凝土洞塞；(5)利用預(yù)應(yīng)力錨索增加主動抗滑力；(6)抗滑樁等。

經(jīng)上述多方案對比分析，最終選定安全、經(jīng)濟的齒槽開挖置換混凝土處理方案，以防滲帷幕、壩基抽排水系統(tǒng)及固結(jié)灌漿作為輔助加強措施。采取壩體深層穩(wěn)定地基處理措施后，壩基的深層抗滑穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。

鑒于武都水庫工程深層抗滑穩(wěn)定問題的復(fù)雜性及重要性，為安全計，曾先后委托西安理工大學(xué)、中國水利水電科學(xué)研究院、四川大學(xué)、合肥工業(yè)大學(xué)等四家單位，選取典型壩段的典型滑裂面組合進行了數(shù)值分析驗證，同時委托四川大學(xué)進行了地質(zhì)力學(xué)模型試驗。各家外委單位的分析驗證結(jié)果在規(guī)律上及工程定性判斷上與我院計算分析成果具有一致性，各工況下地基處理設(shè)計方案深層抗滑穩(wěn)定滿足規(guī)范要求。

工程投入運行以來，大壩各類變形監(jiān)測值正常，處理方案是成功的。

3.3 震損處理及抗震加強措施

“5.12”汶川大地震后對工程進行了震損檢測。震損檢測包括壩體混凝土震損檢測與評估、壩體混凝土裂縫調(diào)查及檢測、混凝土/基礎(chǔ)接觸段震損檢測評估、壩基巖體(包括斷層受地震影響情況)、已固結(jié)灌漿區(qū)域檢測、已帷幕灌漿區(qū)域帷幕效果檢測、安全監(jiān)測儀器及數(shù)據(jù)檢測、工程施工控制網(wǎng)復(fù)測及恢復(fù)。

地震后，四川省地震局對壩址區(qū)工程場地地震動參數(shù)進行了復(fù)核，復(fù)核確定，場地100年超越概率2%的基巖水平峰值加速度由214cm/s2提高至256cm/s2。經(jīng)分析，按基巖峰值加速度設(shè)計值由0.2g(196cm/s2)提高至256cm/s2，對武都水庫大壩進行全面的抗震安全性復(fù)核和評價。

復(fù)核結(jié)果表明，設(shè)計地震動參數(shù)提高后，大壩沿建基面的抗滑穩(wěn)定、壩體層間抗滑穩(wěn)定、建基面垂直正應(yīng)力均滿足規(guī)范要求；在基于原設(shè)計地震動參數(shù)擬定的壩基深層抗滑穩(wěn)定處理措施下，除需對19#壩段進行補強處理外，其余壩段深層抗滑穩(wěn)定均滿足規(guī)范要求。但此時10#～21#壩段壩體混凝土均已澆筑至一定高程，無條件進行齒槽開挖。根據(jù)現(xiàn)場施工情況，針對19#壩段的深層抗滑穩(wěn)定問題，在抗力體部位采取措施，亦可避免耽誤大壩混凝土的施工。

結(jié)合19#壩段下游部位的地形，處理分為兩部分：(1)在19#壩段下游抗力體范圍內(nèi)的護坦部位，設(shè)置預(yù)應(yīng)力錨索對抗力體予以加強。護坦上布置間排距為2m的2000kN級錨索共48根，錨索傾向上游，與水平面夾角為45°；(2)采取下游抗力體壓腳方案，護岸擋土墻墻背后填渣至高程582.00m。采取上述措施后，各工況下深層抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)滿足規(guī)范要求。

大型水庫混凝土重力壩高壩在建設(shè)過程中遭遇大地震、抗震設(shè)計動參數(shù)提高，使已施工結(jié)構(gòu)和未施工結(jié)構(gòu)均滿足抗震設(shè)計要求，國內(nèi)外少有，設(shè)計難度大。地震動參數(shù)提高后，對武都水庫主體工程進行了全面的抗震安全性復(fù)核和評價，采取切實可行的工程措施增加建筑物的抗震能力，包括增加抗震構(gòu)造措施、對經(jīng)復(fù)核安全性不足的部位進行補強加固處理、適當(dāng)增大壩基下巖溶洞穴的處理范圍、預(yù)留抗震搶險通道等。經(jīng)過抗震設(shè)計復(fù)核和加強、加固處理，武都水庫工程滿足提高地震動參數(shù)后的抗震設(shè)計要求。

4 結(jié)語

武都水庫工程地質(zhì)條件復(fù)雜，左右岸壩肩巖溶發(fā)育強烈，河床高壩段存在深層抗滑穩(wěn)定問題，工程建設(shè)過程中遭遇大地震、抗震設(shè)計動參數(shù)提高，需使已施工結(jié)構(gòu)和未施工結(jié)構(gòu)均滿足抗震設(shè)計要求。針對以上問題，制定了以下針對性處理方案：

(1)強巖溶發(fā)育區(qū)建壩，需要解決壩基承載問題、壩基與壩肩的滲漏問題、近壩區(qū)庫內(nèi)巖溶洞穴的穩(wěn)定問題。針對不同的巖溶發(fā)育類型，結(jié)合壩基應(yīng)力和防滲要求制定不同的處理方案及處理范圍，既保證了安全又兼顧施工難度、工程進度及投資。蓄水至今，各項監(jiān)測指標(biāo)均正常，巖溶壩基滲漏得到了可靠處理，壩基變形、承載滿足要求，庫岸穩(wěn)定。對于如此復(fù)雜的巖溶地質(zhì)條件，處理后能達到目前的良好效果，為國內(nèi)外所罕見，為同類工程巖溶地質(zhì)處理積累了寶貴經(jīng)驗；

(2)在大壩的深層抗滑穩(wěn)定處理設(shè)計中，對現(xiàn)行設(shè)計規(guī)范有所突破和延伸，有效解決了復(fù)雜邊界條件下的大壩深層抗滑穩(wěn)定問題，處理方案安全、經(jīng)濟，可為類似工程問題的計算方法及處理方案的選定提供參考；

(3)地震動參數(shù)提高后，對武都水庫主體工程進行了全面的抗震安全性復(fù)核和評價，采取切實可行的工程措施增加建筑物的抗震能力，包括增加抗震構(gòu)造措施、對經(jīng)復(fù)核安全性不足的部位進行補強加固處理、適當(dāng)增大壩基下巖溶洞穴的處理范圍、預(yù)留抗震搶險通道等。經(jīng)過抗震設(shè)計復(fù)核和加強、加固處理，武都水庫工程滿足提高地震動參數(shù)后的抗震設(shè)計要求。

武都水庫工程于2010年12月底導(dǎo)流洞下閘并開始蓄水，目前工程已安全運行4年多，各建筑物性態(tài)正常，運行情況良好。從目前監(jiān)測數(shù)據(jù)成果來看，武都水庫大壩位移、滲流、變形、應(yīng)力等主要參數(shù)均在正常范圍內(nèi)，大壩擋水建筑物各項安全指標(biāo)穩(wěn)定，庫岸總體穩(wěn)定?？梢姡竟こ淘O(shè)計處理措施得當(dāng)，效果可靠，為水利水電工程在復(fù)雜地質(zhì)條件(巖溶發(fā)育強烈、壩基深層抗滑穩(wěn)定問題突出)、建設(shè)期間遭遇特大地震需提高設(shè)計參數(shù)等工程設(shè)計積累了經(jīng)驗。

〔1〕潘家錚.重力壩設(shè)計，北京：水利電力出版社，1987.

〔2〕張津生.淺析剛體極限平衡法——探討重力壩深層抗滑穩(wěn)定的安全判據(jù).水力發(fā)電學(xué)報，2005，24(5).

〔3〕張國新，劉 毅.壩基穩(wěn)定分析的有限元直接反力法，水力發(fā)電，2007，(1).

〔4〕陳祖煜等.對重力壩設(shè)計規(guī)范中雙斜面抗滑穩(wěn)定分析公式的討論意見.水利發(fā)電學(xué)報，2002，(2).

〔5〕黃東軍，聶廣明.重力壩深層抗滑穩(wěn)定安全評價若干問題的思考.水利發(fā)電學(xué)報，2005，24(2)：90～94.

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