石壩基礎開挖設計管理論文

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1概述

洪家渡水電站為“西電東送”首批開工項目的啟動工程，在峽谷地區修建高面板堆石壩是該水電樞紐的顯著特點。面板堆石壩高179.50m，壩頂長427.79m，河床寬高比為2.38，壩體填筑方量約900萬m3。在我國對峽谷地區修建高面板堆石壩尚少設計和施工經驗情況下，洪家渡面板堆石壩針對兩岸陡高邊坡坡的特點，將高邊坡開挖與趾板基礎和壩基開挖較好的結合起來，實現了趾板一次定線開挖到位，無需二次定線；并率先在高面板堆石壩中采用了4.5+X的等寬窄趾板技術，減少高邊坡的開挖。在施工過程中，根據開挖揭露的復雜地表形態和地質缺陷，制定了切實可行的處理措施。目前洪家渡面板堆石壩趾板及壩基開挖已完成，壩體經濟斷面已填筑到擋100年一遇洪水渡汛高程，壩體已填筑高57m，實施表明，壩基開挖所采取的設計方法和處理措施是積極可行的。

2地形地質條件

壩址區間河段長約1.5km，河流流向由S45°W轉向S45°E，形成向西凸出的直角河灣。右岸支流底納河以伏流形式在轉彎端點流入干流，轉彎點以上左岸為25°～30°的順向坡，各引水建筑物進水口均位于此緩坡帶；右岸為高190m左右、坡角75°～85°的陡壁。壩址位于河彎下游，壩址河谷為不對稱“V”型谷，兩岸山高300~400m左右，由于巖性軟硬相間，在左岸形成高達100m以上之灰巖陡壁，其間為寬80～120m的泥頁巖緩坡；右岸為25～40度的緩坡。枯期河水位976.50m，水面寬約30m，水深3～4m，河床中線地面高程970～976m，水下地形平緩，河床無深槽。

壩區從上游至下游，出露地層為三疊系下統的永寧鎮組的第一段（T1yn1），夜郎組的第三段九級灘段（T1y3）、第二段玉龍山段（T1y2）及第四系。T1yn1為厚層、中厚層夾薄層灰巖，厚210～237m；T1y3為泥頁巖夾泥質灰巖，厚75～85m；T1y2為薄至中厚層灰巖，厚275～305m；第四系為厚1～8m的河床沖積砂卵礫石層（Qal）與厚1～45m的坡積、崩積碎石、塊石夾粘土層（Qdl+col）。

壩區巖層為單斜構造，巖層走向N60°～70°E，與河流約成70交角，傾向NW，傾角25°~55°。對壩基及邊坡有影響的主要有F3、F6、F8、F13等4條斷層，其特性見表1。

壩肩主要發育裂隙2組，其中走向NE、NW向各1組，以陡傾角為主。卸荷裂隙主要分布在兩岸地層T1yn1、T1y2灰巖陡壁上，主要沿N70°～80°W與N10°～30°W兩組構造裂隙發育，水平深度12～15m，對左岸壩肩高邊坡穩定有影響。

表1壩基斷層特性表

編號

屬性

產狀

破碎帶寬（m）

備注

F3

逆斷層

N57～60°E

NW∠37～40°

0.1～0.5

發育于左壩肩陡壁，出露線斜切巖層向上游逐漸降低，至河床趾板處插入河床。

F6

正斷層

N39～80°E

SE∠45～85°

0.8～2

發育于Ⅱ號沖溝口及左岸壩軸線附近

F8

平移

正斷層

N45～89°E

SE∠41～80°

1～4

發育于壩軸線右壩肩，斜切河谷向左岸延伸。沿斷層帶及其附近發育巖溶管道系統，如K40溶洞、K80-2溶洞等。

F13

逆斷層

N30～60°E

SE∠40～60

0.6～4

發育于右岸Ⅲ號沖溝、左岸PD21號平硐上游側陡壁。

壩肩及壩基分布T1yn1、T1y2兩大層可溶巖層，巖溶較發育，巖溶形態以溶洞、溶溝溶槽、溶蝕裂隙為主，沿斷層帶巖溶發育。地下水主要表現為巖溶裂隙流及巖溶管道流，兩岸地下水均高于河水位，屬地下水補給河流類型。

兩岸T1yn1與T1y2巖體風化程度微弱，微風水平深度10～15m，岸坡鉛直深度5～20m，局部斷層交匯處、緩坡地帶風化深度有所增加。T1y3泥頁巖風化強烈，分強、弱、微三帶，強風化水平厚度5～10m，弱風化水平厚度15～30m，微風化水平厚度15～20m，強弱微局部達35～45m。

壩基覆蓋層為河床沖積層砂卵礫石和兩岸坡積層碎石、塊石夾粘土，變形模量較低，一般不能滿足堆石壩對地基的要求，需要全部挖除。

3趾板及壩基邊坡開挖設計

3.1趾板開挖設計

3.1.1趾板基礎開挖設計

河床及兩岸趾板均布置T1yn1灰巖上，趾板基礎座落于微風化線上層，河床及岸坡較緩部位根據微風化線確定趾板嵌深。對于陡岸坡特別是左岸壩軸線上游80m范圍，堆石體邊坡按1：0.5開挖，沿岸坡向上延伸為趾板基礎。趾板型式為趾板面等高線垂直于趾板基準線的平趾板，為減少趾板以上高邊坡的開挖，趾板各段均為等寬趾板，寬度為4.5m。

趾板開挖一般以趾板的“X”線進行控制，但當河峽窄、兩岸陡竣，兩岸趾板的走向與河谷走向交角小時，“X”線往往位于趾板以外的邊坡內，不便于施工開挖控制。洪家渡趾板設計通過建立壩體的三維坐標系統，直接給出了沿“Z”線趾板基礎條帶的上下游端點的座標和高程用于開挖控制；“Z”點為面板底面線與趾板下游端面線的交點，是壩體填筑時上游面的起始控制點，各段趾板“Z”點相連形成“Z”線。趾板變厚和轉折處采用局部小斜坡進行連接，亦直接提供角點座標進行精確開挖控制。實踐表明，效果較好。

3.1.2趾板下游側岸坡開挖設計

趾板下游岸坡的坡度是影響周邊縫變形的重要因素，《混凝土面板堆石壩設計規范》（SL228-98）對此作了專門的規定，其坡度不宜陡于1：0.5。洪家渡面板堆石壩趾板下游岸坡開挖結合兩方面進行設計：一是岸坡總坡度按不陡于1：0.5設計；二是趾板下游設防滲區，作為等寬窄趾板滿足滲徑長度的補充段。防滲區布置形式為：在壩體橫剖面上，河床部位趾板基礎下游設30m的水平段，岸坡部位防滲區段長20m；當趾板基礎后防滲區地形不能滿足以上要求時，需用貼坡混凝修補坡面，使其滿足要求；在壩體填筑時，墊層料和過渡料游延伸至水平段形成反濾。防滲區基礎進行孔深4m的固結灌漿、錨桿Φ25@2×2m（L=4m）、和15cm的掛網噴C20聚丙烯纖維混凝土處理。盡管對陡岸坡采取了削坡和混凝土貼坡處理措施，但仍有部分坡段較陡，為減小堆石體變形的梯度，靠陡岸坡設置了低壓縮性的特別碾壓區。

趾板下游側岸坡開挖以平切圖進行控制，在平切圖中，岸坡趾板基礎后根據趾板外側巖體厚度，以平行于河谷中心線或與該線成15°角方向開挖長20m的防滲板段，其后再以30°或45°角與岸坡連接。

3.1.3趾板以上邊坡開挖設計

趾板以上開挖邊坡為永久邊坡。左岸邊坡條帶高110～150m，為逆向坡，穩定性好，邊坡按15m一級馬道垂直開挖，馬道寬3.75m，總坡比為1：0.25；為防止施工爆破和二次卸荷隙影響陡高邊坡的穩定性及保證運行期面板堆石壩的安全，邊坡上部采用150t級預應力錨索進行鎖口加固。右岸邊坡條帶高60m左右，為不完全順向坡，采用斜坡開挖，坡度為1：0.2，每隔15m設寬3m的馬道，總坡比為1：0.4。

趾板以上開挖邊坡的坡面形狀結合趾板進行布置。在趾板定線后，開挖邊坡馬道布置由低向高推進，馬道隨趾板的轉折呈折線布置，各級馬道相互平行，馬道轉點在平面上的連線為一直線；上下級馬道端頭與趾板基礎內邊線間以三角形斜坡段連接，三角形斜坡段為馬道布置的起始控制段，按設計坡比定出馬道與趾板走向的夾角后，便可平行下級馬道推出該級馬道的布置。一般情況下，為了避免邊坡出現穩定性差的凸形坡，三角形斜坡段的坡比為設計總坡比。

由于左岸壩軸線部山體較高，趾板及壩基開挖后，壩軸線部位邊坡在立面上形成錯臺，通過穩定分析，壩頂高程以上壩軸線部位邊坡向河床偏轉30°過渡到原始邊坡。

3.2壩基開挖設計

趾板區的壩基結合趾板開挖一次開挖成型，壩軸線上游陡岸按不陡于1：0.5邊坡開挖。在壩體輪廓范圍內，九級灘泥頁巖坡面，需清除表層覆蓋層及強風化層的松散巖體，基面巖體濕抗壓強度達10~15MPa；灰巖地段，清除表層覆蓋層至層狀巖層，對溶蝕破碎帶、溶溝、溶槽內充填物進行清除，用鐵鍬挖不動即可；覆蓋層清除后的達標基面，邊坡應保持穩定狀態。沒有覆蓋層的地方需清除表面松動石塊、凹槽內積土和突出的巖石，以及樹根草皮。

4壩基處理設計

4.1壩基地質缺陷處理

在壩基坑及兩岸邊坡開挖中，揭露出的主要地質缺陷為：①溶溝溶槽及溶洞，主要出現在灰巖中；②破碎帶，主要指斷層、溶蝕及裂隙等不規則凹陷破碎帶；③涌（泉）水，在九級灘頁巖（T1y3）中主要表現為裂隙性滲水，在九級灘頁巖（T1y3）與玉龍山灰（T1y2）接觸帶和玉龍山灰（T1y2）中主要表現為巖溶性及裂隙性涌水。

4.1.1溶溝溶槽及溶洞的處理

在壩基范圍內多處發育溶溝溶槽，且分布范圍廣，形狀不規則，難以定量確定位置和形狀，其處理原則為：對開口寬度小于5m、振動碾不能到達的溝槽用C15塊石混凝土回填（塊石含量不大于20%）。

趾板開挖中，在右岸趾板E11~E12段，遇寬40~50m、深50~60m的溶塌堆積體，形成上寬下窄的梯形溶槽，其上部為陡傾角層狀灰巖夾粘土，下部為河流沖積的砂卵石及黑色有機質淤泥，不能作為趾板及大壩基礎，將其全部挖除后，用混凝土回填修補，形成趾板和壩基基礎。

壩基開挖揭露的溶洞，將洞口段的充填物清除后，用C15塊石混凝土回填并進行回填灌漿，以保證壩基邊坡的穩定。

4.1.2破碎帶的處理

趾板部位：對趾板基礎有影響的有F6、F8和F3斷層，F6、F8斷層以較大的交角穿過趾板基礎，F3斷層走向與趾板交角較小，影響范圍較大。對斷層破碎帶采用開挖后回填混凝土處理，開挖深為0.5倍破碎帶寬度，開口寬度為2倍破碎帶寬度，然后用C15混凝土回填，形成混凝土塞，并進行深15m的固結灌漿處理。壩基部位：清除破碎帶后，形成的狹窄溝槽按溶溝溶槽的處理措施進行處理。

開挖揭露，左岸近河床部位，趾板基礎下側的F3斷層與其呈現較小的夾角，且斷層破碎帶含塊石夾泥層，對運行期趾板基礎的受力和抗沖蝕性有極為不利的影響。其處理措為，將趾板基礎F3斷層上盤巖體全部清除，沿開挖后的新建基面布置錨桿，用同標號混凝土回填，并與趾板混凝土同時澆筑，并在趾板靠山側增設側向錨桿。

4.1.3泉（涌）水處理

小涌（泉）水點處理按以下方式進行：為避免汛期涌水引起堆石體中的細顆粒料流失，產生管涌破壞，對所有出水點作反濾處理。處理方式為：①清除出水點空腔及周邊的松動塊石淤沙；②在出水空腔內回填塊石（塊石大小視出水點空腔而定）；③在出水口上鋪設兩層5cm厚的塑料盲材；④回填100~200cm厚的過渡料；⑤最后填筑主堆石料。

在壩基下游（樁號縱下0-120）左岸（高程約972~980m）揭露W120泉水點，填筑前估測流量約15~100L/s，為有利于堆石填筑，避免運行期該泉水點的涌水掏刷大壩堆石體，以及分測運行期壩體漏水與壩基滲水的情況。對該泉水點，采用封閉泉水條帶、埋管引排處理。封閉方式：順泉水出露的條帶采用C20三級配混凝土進行封閉，混凝土外輪廓形狀(高度和寬度)根據現場巖石起伏確定，但外包混凝土距巖石的厚度應大于50cm。引排方式：先清除W120泉口段空腔內的松動塊石和淤沙，然后回填塊石，最后埋入鑄鐵管(鑄鐵管口用塑料排水盲材進行反濾保護)。鑄鐵管引出外包混凝土后進入壩體堆石體區，在堆石區內先在基巖上鋪一層經找平碾壓的主堆石料(厚度大于50cm)，然后按反濾原則進行保護。鑄鐵排水管施工期引至壩區集水坑，運行期(永久)引至廠房尾水渠擋墻頂部。

4.2壩基表面形態缺陷的處理

壩基表面形態缺陷主要指以下方面：①倒懸，指與坡向成反傾向的巖體；②陡坎，指坡高H≤5m的巖體；③陡坡，指坡高H＞5m，且坡度≤73°的巖體；④陡壁，主要指坡高H＞5m，且坡度＞73°的巖體。

處理措施：趾板區岸坡及壩軸線上游側岸坡出露的倒懸和陡坎采用混凝土回填處理（C15，三級配）。倒懸和陡坎處理后坡度應不陡于1：0.3~1：0.5，壩軸線上游范圍內的倒懸及陡坎高度2m＞h≥0.8m的地方原則上也應進行混凝土回填處理；壩軸線上游的陡坡和陡壁經混凝土回填處理后坡度仍陡于1：0.5的陡坡，填筑時，在距陡坡面30m范圍內，按特別碾壓區料（3BB）施工要求進行碾壓，以降低堆石沿陡坡面的變形量。

在混凝土回填處理施工中，采取了有利于加快施工進度的施工工藝措施，如堆石填筑與混凝土回填平行上升的施工措施等。

4.3勘探平洞及鉆孔的處理

在趾板和壩體覆蓋范圍內共有10個勘探平洞，其中伸入趾板區的平洞有6個，其余位于堆石體覆蓋范圍內。趾板區內的平洞全部采用C15混凝土回填，以保證趾板下部邊坡的穩定和帷幕灌漿的質量；壩基部位的平硐洞口10m段采用C15混凝土回填，洞身采用M75漿砌石回填。勘探平洞回填時均預埋PVC塑料管進行回填灌漿處理。

壩基范圍內的地質勘探鉆孔均要求用M15水泥砂漿回填處理。其方法是：先進行掃孔，孔內殘渣深度不大于20cm，再進行孔內沖洗，然后下管至孔底注注漿，慢慢向上提起至孔口返出同濃度漿液為止。在實際施工過程中，由于河心孔一般在進行勘探結束后，都進行了水泥漿封孔處理，因而有些鉆孔不易找到。

5結語

5.1面板堆石壩基礎開挖設計的重點是趾板開挖，由于洪家渡面板堆石壩處于峽谷地區，岸坡陡竣，趾板開挖設計與上部高邊坡及壩基陡岸開挖有密切關系，趾板上部高邊坡的開挖也成為壩基開挖的一個重要部分，需統籌考慮，確保各部位滿足可實施性、功能性和安全性要求。

5.2由于面板堆石壩基礎開挖范圍大，特別是在巖溶地區受斷層和溶蝕的影響，壩基開挖中不可預見的不良地表和地質缺陷多，壩基處理的工程量較大，在壩基開挖設計中應重視這一因素，并在施工安排時給壩基處理留有足夠的時間。

5.3壩基陡岸坡在經過削坡或混凝土貼坡處理后，基礎條件得到了較大的改善，但為進一步減少堆石體沿陡坡面的變形量，在靠岸坡部位設置低壓性的特別碾壓區是必要的。

[1]吳基昌（1966-），男，貴州省天柱縣人，一級注冊結構師，高級工程師，從事水工建筑設計工作。楊澤艷（1962-），男，湖北省老河口市人，一級注冊結構師，高級工程師，從事水電工程設計和技術管理工作。鄒林（1966-），男，貴州省務川縣人，高級工程師，從事水電工程地質勘察工作。