許凌錐

(福州市水利水電開發(fā)公司，福建 福州 350001)

0 引言

拱壩是固接于基巖的空間殼體結構，在平面上呈凸向上游的拱形，其承受的荷載一部分通過拱的作用壓向兩岸，另一部分通過豎直梁的作用傳到壩底基巖。由于壩體的穩(wěn)定主要依靠兩岸拱端的反力作用，不像重力壩那樣依靠自重來維持穩(wěn)定，因此拱壩對壩址的地形地質條件要求較高，對基礎處理的要求也較嚴格。為了減小不良地質現(xiàn)象對拱壩結構安全的影響，本文以迷云山塘工程為例，綜合采取灌漿、置換、基礎拱橋等基礎處理措施，其中重點論述基礎拱橋的設計方案，確保壩體在斷層破碎帶、節(jié)理裂隙等不良地質條件下安全運行，同時滿足節(jié)約投資、經濟合理的要求。

1 工程基本資料

1.1 工程概況

迷云山塘壩址位于馬尾上德村上游約1.8 km的峽谷處，本工程主要是以調蓄洪水為主，山塘總庫容9.40萬 m3，死庫容0.69萬 m3，防洪庫容8.71萬 m3，壩基高程162.0 m，壩頂高程192.4 m，最大壩高30.4 m，防浪墻頂高程193.36 m，溢洪堰頂高程191.10 m，放水管高程175.17 m。根據(jù)《水利水電工程等級劃分及洪水標準》規(guī)定，本工程為V等工程，主要建筑物為5級，次要建筑物為5級，防洪標準按20 a一遇設計，100 a一遇校核。由于壩址以下平原防澇區(qū)內有重要企事業(yè)數(shù)十家，還有機場高速、福州科技園區(qū)馬尾園等重要工程設施，為保障下游的安全，由馬尾區(qū)農發(fā)局組織召開的福州市馬尾區(qū)迷云山塘工程初步設計審查會議上決定，建筑物級別及防洪標準提高一級，為V等工程，主要建筑物為4級，次要建筑物為5級，防洪標準按30 a一遇設計，200 a一遇校核。

1.2 工程地質

迷云山塘壩址位于上德村上游約1.8 km的峽谷處，河谷成較對稱的“V”字型。左岸坡度約37°，右岸坡度約30°。左岸高程約195 m處有條帶狀弱風化基巖出露，其余長有雜樹，河床靠右側有大片弱風化花崗巖基巖裸露，地質構造主要表現(xiàn)為斷層及節(jié)理裂隙。

根據(jù)工程地質勘察報告，壩址位置存在影響拱壩結構安全的地質現(xiàn)象：河床順河F1斷層破碎帶及右岸順河F2斷層破碎帶。河床順河F1斷層破碎帶，寬約13.3 m，斷層中有孤石和夾層泥等；右岸順河F2斷層破碎帶，總寬度(含中間破碎巖石)約12 m，破碎帶中含粘性土。大壩壩基開挖時兩岸邊坡存在崩塌掉塊，工程完工后存在壩基順河向斷層滲漏、繞壩滲漏等工程地質問題。

由于拱壩對壩址的地形地質條件要求較高，對基礎處理的要求也較嚴格，因此設計過程中依據(jù)基礎處理：運行安全、技術先進、經濟合理的基本原則，對拱壩基礎進行科學合理的處理后方能進行上部壩體的施工。

1.3 壩體結構

迷云山塘壩型為漿砌石雙曲拱壩，壩體不設灌漿、排水廊道。壩體防滲主要靠自身砌筑質量來保證，壩體采用C15細石砼砌塊石，上、下游面采用厚0.6 m的M10水泥砂漿砌條石并深勾縫，壩體基礎采用C15素砼墊層。

1.4 壩體應力計算成果

采用浙江大學編制的拱壩分析與優(yōu)化軟件系統(tǒng)《ADAO》進行應力計算(多拱梁分載法)，拱壩周邊的最大主拉應力值為1.0 MPa，發(fā)生在拱端上游面，拱壩其它部位的最大主拉應力值為0.48 Mpa，膠結材料標號為C15，允許拉應力值為1.5 MPa；拱壩最大壓應力為2.25 Mpa，出現(xiàn)在拱端下游面，砌體種類為塊石，允許壓應力值為6.9 MPa。以上壩體應力都控制在規(guī)范允許范圍內，滿足大壩安全要求。

2 基礎處理設計方案

2.1 基礎開挖

2.2 固結灌漿

拱壩壩基由于巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，影響巖體完整性。同時，開挖爆破可能造成表面巖石震裂，為增強基巖的整體性，提高基巖的彈性模量，增強壩基承載能力，對壩基進行全面積的固結灌漿，灌漿孔的孔距、排距均為3 m，孔深為5 m，呈梅花形布置。

2.3 帷幕灌漿

帷幕深度應達到基礎相對隔水層以下3～5 m (單位吸水率W≤5 lu)。壩基帷幕深度，河床部分及溢流段15 m，左、右兩岸壩段10 m。為防止兩岸繞壩滲漏，帷幕灌漿沿兩岸各延伸15.0 m左右，帷幕灌漿孔設一排，孔距2.5 m。

2.4 混凝土塞置換

右岸順河F2斷層破碎帶，總寬度(含中間破碎巖石)約12 m，破碎帶中含粘性土。設計挖除順河向斷層破碎帶后采用混凝土塞進行置換，根據(jù)規(guī)范要求混凝土塞的高度h約為破碎帶寬度b的1.0～1.5倍，由于該處破碎帶寬度大，即使按1.0倍的寬度開挖，基坑深度將近12 m，開挖工作量及難度都非常大。

根據(jù)地形地質條件，考慮混凝土置換結合上部設置鋼筋混凝土板傳力的方案，鋼筋混凝土板兩頭搭在完整基巖上以改善拱壩力傳遞到壩肩的條件。混凝土塞采用C20埋石砼結構，底高程為159.5 m，高5.2 m，底寬10.0 m，并在其影響帶加密固結灌漿孔，孔距、排距均加密為2.0 m，混凝土塞上部設置C25鋼筋混凝土板傳力，板厚2.5 m(圖1)。

圖1 混凝土塞置換設計圖

圖2 基礎拱橋設計圖

2.5 基礎拱橋

河床順河F1斷層破碎帶，寬約13.3 m，斷層中有孤石和夾層泥等，出于大壩安全考慮，該處斷層要進行重點處理。若采取常規(guī)置換法，即斷層挖除后采用混凝土塞進行置換，根據(jù)規(guī)范要求：混凝土塞的高度h約為斷層寬度b的1.0～1.5倍，由于該處斷層寬度大，即使按1.0倍的寬度開挖，基坑深度將近18.0 m，開挖工作量及難度都非常大。

根據(jù)工程地質勘察報告，斷層左右兩側的基巖都較為新鮮，根據(jù)地形地質條件，設計采用基礎拱橋跨過斷層，基礎拱橋兩端落在新鮮基巖上，基礎拱橋頂高程為162.0 m，采用C30素砼結構，厚2.8 m，凈寬22 m，兩端拱腳嵌入巖石1.4 m，拱腳寬5.6 m，并在斷層及其影響帶加密固結灌漿孔，孔距、排距均加密為2.0 m，壩基開挖后超挖部分采用C15素砼回填?；A拱橋達到設計強度后方可進行拱壩的砌筑(圖2)。

3 基礎拱橋設計方案的可行性

本節(jié)主要通過基礎拱橋與混凝土塞方案投資、施工難度比較，基礎拱橋結構設計，基礎拱橋穩(wěn)定計算，三個方面來驗證基礎拱橋方案的可行性。

3.1 方案比選

河床順河F1斷層破碎帶，寬約13.3 m，斷層中有孤石和夾層泥等，若采取混凝土塞置換的方案，即使按1.0倍的寬度開挖，河床現(xiàn)狀高程約166.0 m，拱壩設計底高程162.0 m，混凝土塞底高程需至少開挖至148.7 m，基坑深度將近18.0 m，開挖工程量為3 565 m3，回填C20埋石混凝土為2 438 m3。

若采用基礎拱橋方案，河床現(xiàn)狀高程為166.0 m，拱壩設計底高程162.0 m，基礎拱橋設計底高程約為158.0 m，拱腳要嵌入巖石，局部高程會略低于底高程，基礎拱橋需要開挖的最低高程約為155.0 m，基坑深度僅為混凝土塞方案的一半左右，開挖工程量為1 930 m3，基礎拱橋C30素混凝土為931 m3，C15素砼回填為391 m3。方案比選見表1。

表1 方案比選表

以上比較可知，基礎拱橋方案工程量遠小于混凝土塞置換方案，且基坑深度也僅為混凝土塞置換方案的一半，因此，基礎拱橋方案從投資、施工難度方面，都有著明顯的優(yōu)越性。

圖3 貴州窄巷口水電站雙拱壩

3.2 基礎拱橋結構設計

河床順河F1斷層破碎帶左右兩側的基巖都較為新鮮，距離約13.32 m，設計采用基礎拱橋跨過斷層破碎帶，基礎拱橋兩端落在左右岸新鮮基巖上。查閱水工設計手冊，參考類似工程經驗(貴州窄巷口水電站雙拱壩，圖3)，基礎拱橋厚度初擬為3.0 m，圓心角α宜為70°～90°，矢跨比f/l宜為0.2～0.25。根據(jù)以上參數(shù)結合實際地形初擬基礎拱橋模型(圖4)。

圖4 基礎拱橋模型

初擬基礎拱橋參數(shù)：采用C25素砼結構，頂高程162.0 m，厚度3.0 m，中心角α=87.1°，f=3.6 m，l=18.0 m，矢跨比f/l=0.2。

3.3 基礎拱橋穩(wěn)定計算

根據(jù)拱壩應力計算成果，設計作用在基礎拱橋上的均布荷載取2.25 MPa，基礎拱橋簡化成等截面無鉸圓拱進行計算。基礎拱橋承受的荷載：(1)上部拱壩的壓應力q；(2)拱背充填材料壓力W1；(3)基礎拱橋自重W。計算簡圖見圖5。

圖5 基礎拱橋穩(wěn)定計算簡圖

除上圖所示者外，其它符號為：

Qc、Nc、Mc分別為頂拱C截面的剪力、軸向力及彎矩;W1為拱背充填材料自重；h為等截面拱的截面高度；γ為拱體材料容重；γ1為拱背充填材料容重。

等截面無鉸圓拱設計參數(shù)見表2。

由計算結果可知：A截面應力為11.8 MPa，查閱巖石力學參數(shù)工程地質手冊，新鮮完整的巖石抗壓強度經驗值為70.0 MPa，巖石抗壓強度大于截面應力，拱座基礎抗壓強度滿足要求；C截面應力為8.7 MPa，查閱規(guī)范C25素砼基礎拱橋抗壓強度設計值為11.9 MPa，基礎拱橋抗壓強度大于截面應力，基礎拱橋抗壓強度滿足要求。設計方案基本可行。

3.4 斷面優(yōu)化設計

為保障工程穩(wěn)定安全運行，同時達到節(jié)約投資的目的，設計對斷面進一步優(yōu)化。

(1)基礎拱橋拱腳基巖作為影響本工程的安全重點部位，應盡可能對其減壓，設計采用增大拱腳與基巖的接觸面，即通過擴大拱腳尺寸的方式較小基巖承受的壓力，并將拱腳設計成馬蹄狀嵌入基巖，拱腳寬5.6 m，嵌入巖石深1.4 m。

(2)基礎拱橋厚度直接影響到投資及施工難度，為減小基礎拱橋的澆筑量，較小開挖深度，降低基礎拱橋的施工難度，設計采用減小基礎拱橋厚度，同時提高混凝土標號的方式進行斷面優(yōu)化設計，基礎拱橋采用C30素砼結構，厚2.8 m。

表2 設計參數(shù)表

優(yōu)化后的基礎拱橋斷面見圖6。

圖6 斷面優(yōu)化設計

由計算結果可知：A截面應力為5.9 MPa， C截面應力為9.3 MPa，均滿足規(guī)范要求，設計方案可行。

4 結語

水庫大壩作為重要的水利基礎設施，在發(fā)揮巨大的防洪、興利作用的同時，我們也要看到大壩失事給國家和人民生命財產造成的重大損失的隱患。由于拱壩的多數(shù)事故都起因于壩基破壞，因此，拱壩壩基處理至關重要，科學合理的基礎處理措施，可以保證壩基所需的剛度及承載能力，改善大壩和基礎的應力和變位狀態(tài)，可以保證大壩在整個施工期和運行期的可靠性、耐久性和經濟性，讓水利工程在造福人類的同時，將不利影響降至最小。