石壩基礎(chǔ)開挖設(shè)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(qū)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(qū)修建高面板堆石壩尚少設(shè)計和施工經(jīng)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(chǔ)和壩基開挖較好的結(jié)合起來，實現(xiàn)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(shù)，減少高邊坡的開挖。在施工過程中，根據(jù)開挖揭露的復(fù)雜地表形態(tài)和地質(zhì)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(jīng)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(shè)計方法和處理措施是積極可行的。

2地形地質(zhì)條件

壩址區(qū)間河段長約1.5km，河流流向由S45°W轉(zhuǎn)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(zhuǎn)彎端點流入干流，轉(zhuǎn)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?guī)r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(qū)從上游至下游，出露地層為三疊系下統(tǒng)的永寧鎮(zhèn)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?guī)r，厚210～237m；T1y3為泥頁巖夾泥質(zhì)灰?guī)r，厚75～85m；T1y2為薄至中厚層灰?guī)r，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(qū)巖層為單斜構(gòu)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(fā)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?guī)r陡壁上，主要沿N70°～80°W與N10°～30°W兩組構(gòu)造裂隙發(fā)育，水平深度12～15m，對左岸壩肩高邊坡穩(wěn)定有影響。

表1壩基斷層特性表

編號

屬性

產(chǎn)狀

破碎帶寬（m）

備注

F3

逆斷層

N57～60°E

NW∠37～40°

0.1～0.5

發(fā)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(fā)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(fā)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(fā)育巖溶管道系統(tǒng)，如K40溶洞、K80-2溶洞等。

F13

逆斷層

N30～60°E

SE∠40～60

0.6～4

發(fā)育于右岸Ⅲ號沖溝、左岸PD21號平硐上游側(cè)陡壁。

壩肩及壩基分布T1yn1、T1y2兩大層可溶巖層，巖溶較發(fā)育，巖溶形態(tài)以溶洞、溶溝溶槽、溶蝕裂隙為主，沿斷層帶巖溶發(fā)育。地下水主要表現(xiàn)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(fēng)化程度微弱，微風(fēng)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(fēng)化深度有所增加。T1y3泥頁巖風(fēng)化強烈，分強、弱、微三帶，強風(fēng)化水平厚度5～10m，弱風(fēng)化水平厚度15～30m，微風(fēng)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(shè)計

3.1趾板開挖設(shè)計

3.1.1趾板基礎(chǔ)開挖設(shè)計

河床及兩岸趾板均布置T1yn1灰?guī)r上，趾板基礎(chǔ)座落于微風(fēng)化線上層，河床及岸坡較緩部位根據(jù)微風(fēng)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(chǔ)。趾板型式為趾板面等高線垂直于趾板基準(zhǔn)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(dāng)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(nèi)，不便于施工開挖控制。洪家渡趾板設(shè)計通過建立壩體的三維坐標(biāo)系統(tǒng)，直接給出了沿“Z”線趾板基礎(chǔ)條帶的上下游端點的座標(biāo)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(zhuǎn)折處采用局部小斜坡進行連接，亦直接提供角點座標(biāo)進行精確開挖控制。實踐表明，效果較好。

3.1.2趾板下游側(cè)岸坡開挖設(shè)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(shè)計規(guī)范》（SL228-98）對此作了專門的規(guī)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(jié)合兩方面進行設(shè)計：一是岸坡總坡度按不陡于1：0.5設(shè)計；二是趾板下游設(shè)防滲區(qū)，作為等寬窄趾板滿足滲徑長度的補充段。防滲區(qū)布置形式為：在壩體橫剖面上，河床部位趾板基礎(chǔ)下游設(shè)30m的水平段，岸坡部位防滲區(qū)段長20m；當(dāng)趾板基礎(chǔ)后防滲區(qū)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(qū)基礎(chǔ)進行孔深4m的固結(jié)灌漿、錨桿Φ25@2×2m（L=4m）、和15cm的掛網(wǎng)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(shè)置了低壓縮性的特別碾壓區(qū)。

趾板下游側(cè)岸坡開挖以平切圖進行控制，在平切圖中，岸坡趾板基礎(chǔ)后根據(jù)趾板外側(cè)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(shè)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(wěn)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(wěn)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(yù)應(yīng)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(shè)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(jié)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(zhuǎn)折呈折線布置，各級馬道相互平行，馬道轉(zhuǎn)點在平面上的連線為一直線；上下級馬道端頭與趾板基礎(chǔ)內(nèi)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(shè)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(xiàn)穩(wěn)定性差的凸形坡，三角形斜坡段的坡比為設(shè)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(wěn)定分析，壩頂高程以上壩軸線部位邊坡向河床偏轉(zhuǎn)30°過渡到原始邊坡。

3.2壩基開挖設(shè)計

趾板區(qū)的壩基結(jié)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(nèi)，九級灘泥頁巖坡面，需清除表層覆蓋層及強風(fēng)化層的松散巖體，基面巖體濕抗壓強度達10~15MPa；灰?guī)r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(nèi)充填物進行清除，用鐵鍬挖不動即可；覆蓋層清除后的達標(biāo)基面，邊坡應(yīng)保持穩(wěn)定狀態(tài)。沒有覆蓋層的地方需清除表面松動石塊、凹槽內(nèi)積土和突出的巖石，以及樹根草皮。

4壩基處理設(shè)計

4.1壩基地質(zhì)缺陷處理

在壩基坑及兩岸邊坡開挖中，揭露出的主要地質(zhì)缺陷為：①溶溝溶槽及溶洞，主要出現(xiàn)在灰?guī)r中；②破碎帶，主要指斷層、溶蝕及裂隙等不規(guī)則凹陷破碎帶；③涌（泉）水，在九級灘頁巖（T1y3）中主要表現(xiàn)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(xiàn)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(nèi)多處發(fā)育溶溝溶槽，且分布范圍廣，形狀不規(guī)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?guī)r夾粘土，下部為河流沖積的砂卵石及黑色有機質(zhì)淤泥，不能作為趾板及大壩基礎(chǔ)，將其全部挖除后，用混凝土回填修補，形成趾板和壩基基礎(chǔ)。

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(wěn)定。

4.1.2破碎帶的處理

趾板部位：對趾板基礎(chǔ)有影響的有F6、F8和F3斷層，F(xiàn)6、F8斷層以較大的交角穿過趾板基礎(chǔ)，F(xiàn)3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(jié)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(chǔ)下側(cè)的F3斷層與其呈現(xiàn)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(chǔ)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(chǔ)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(biāo)號混凝土回填，并與趾板混凝土同時澆筑，并在趾板靠山側(cè)增設(shè)側(cè)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(chǎn)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(nèi)回填塊石（塊石大小視出水點空腔而定）；③在出水口上鋪設(shè)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(jù)現(xiàn)場巖石起伏確定，但外包混凝土距巖石的厚度應(yīng)大于50cm。引排方式：先清除W120泉口段空腔內(nèi)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(qū)，在堆石區(qū)內(nèi)先在基巖上鋪一層經(jīng)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(qū)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(tài)缺陷的處理

壩基表面形態(tài)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(qū)岸坡及壩軸線上游側(cè)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(yīng)不陡于1：0.3~1：0.5，壩軸線上游范圍內(nèi)的倒懸及陡坎高度2m＞h≥0.8m的地方原則上也應(yīng)進行混凝土回填處理；壩軸線上游的陡坡和陡壁經(jīng)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(nèi)，按特別碾壓區(qū)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(nèi)共有10個勘探平洞，其中伸入趾板區(qū)的平洞有6個，其余位于堆石體覆蓋范圍內(nèi)。趾板區(qū)內(nèi)的平洞全部采用C15混凝土回填，以保證趾板下部邊坡的穩(wěn)定和帷幕灌漿的質(zhì)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(yù)埋PVC塑料管進行回填灌漿處理。

壩基范圍內(nèi)的地質(zhì)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(nèi)殘渣深度不大于20cm，再進行孔內(nèi)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(jié)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(jié)語

5.1面板堆石壩基礎(chǔ)開挖設(shè)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(qū)，岸坡陡竣，趾板開挖設(shè)計與上部高邊坡及壩基陡岸開挖有密切關(guān)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(tǒng)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(chǔ)開挖范圍大，特別是在巖溶地區(qū)受斷層和溶蝕的影響，壩基開挖中不可預(yù)見的不良地表和地質(zhì)缺陷多，壩基處理的工程量較大，在壩基開挖設(shè)計中應(yīng)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(jīng)過削坡或混凝土貼坡處理后，基礎(chǔ)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(shè)置低壓性的特別碾壓區(qū)是必要的。

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