软岩地基上修建堆石混凝土坝浅议

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摘要:结合西南地区某水利枢纽坝址区的地质情况，讨论在软岩地基上筑坝，最终选择重力坝的原因。地质参数的选取、大坝稳定和应力计算为其重点，通过对大坝型式的优化，坝体未出现较大拉应力，满足设计要求。研究结果为类似工程提供了可借鉴的资料。

关键词:软岩地基;重力坝

西南地区某水利枢纽工程坝址区河谷横断面呈不对称的“U”型，除河谷与左右岸坡脚有第四系覆盖层分布外，坝址两岸坝坡均为基岩裸露，岩性为页岩，偶夹砂岩与灰岩夹层。岩体均一性差，岩体抗压、抗滑及抗变形性能较差且差异大，基本呈现垂直风化分带特征，受下游杨柳坝断层影响，坝址区页岩揉皱较发育，岩体裂隙发育较密集，强风化深度较大。根据钻孔揭示，其风化特征是表层岩体强风化，岩心破碎多呈碎粒及碎块，其下岩体属弱风化。

1坝型的选择

根据坝址的地形地质条件，有中低重力坝和土石坝(柔性坝)两大类坝型可供选择。坝区出露岩性为奥陶系下统湄潭组(O1m)页岩，属软岩，岩体抗压、抗滑、抗变形性能差。工程区附近广泛出露有奥陶系下统桐梓和红花园组灰岩，可用于坝体堆石料填筑和混凝土骨料，兴建重力坝和土石坝均可行。结合坝址地形地质条件、工程总体布置、天然建筑材料、施工技术和工程投资等因素，重点开展了混凝土重力坝、面板堆石坝、沥青混凝土心墙石渣坝3种典型坝型比选。修建面板堆石坝需要硬岩堆石料，坝区附近天然建筑材料的开采或购买条件较好，混凝土面板和趾板施工技术成熟可靠。但修建土石坝需要布置导流洞及岸边溢洪道。由于坝址区页岩完整性较差，施工过程中开挖量较大，开挖后将形成高陡边坡，边坡支护工程量较大;导流洞洞内岩体质量较差，围岩类别多为Ⅴ类，施工难度大，支护工作量较大，投资较高。修建沥青混凝土心墙坝可在坝址区附近开采页岩石渣料，料源丰富且较近，但心墙基座必须置于稳定岩层上，基座底部需深入弱风化页岩;修建心墙坝需要布置导流洞及岸边溢洪道。由于坝址区页岩完整性较差，施工过程中开挖量较大，开挖后将形成高陡边坡，边坡支护工程量较大;导流洞洞内岩体质量较差，围岩类别多为Ⅴ类，施工难度大，支护工作量较大，投资较高;沥青心墙施工技术要求高，施工设备投入大。对中低重力坝，坝区附近天然建筑材料的开采或购买条件较好，据本阶段在坝址区进行的钻探揭示，坝址区岩体完整性较差，局部可能存在小断层及裂隙密集带，施工过程中开挖量较大，开挖后基础质量难以保证，坝肩边坡稳定性较差，且存在倾向左岸偏上游的裂隙(L1∶N70－85°E/SE∠30－44°)，对坝基深层抗滑不利，建议对坝基抗滑稳定进行验算，并在设计时考虑提高坝体抗滑稳定性的工程措施。综上所述，从地质条件来说混凝土重力坝、面板堆石坝、沥青混凝土心墙石渣坝均可修建，岩层条件均能满足坝基应力及稳定要求。但每种坝型均存在各自的工程地质问题和缺陷，建议通过多专业综合比较来选定坝型。经多专业反复比较，推荐重力坝方案。

2地质参数的确定

根据室内岩石物理力学性质试验，地质专业提供的主要地质参数见表1。

3大坝断面的优化设计

根据地勘报告，本工程强风化页岩下部地基承载力为450kPa，摩擦系数f=0.37;弱风化页岩上部地基承载力为1MPa，摩擦系数f=0.42，参数较低。通过坝基稳定验算，常规重力坝方案大坝基础置于强风化层上无法满足抗滑稳定要求。原推荐的堆石混凝土重力坝坝基置于弱风化基岩上，坝基应力最大为528kPa，基础只能置于弱风化页岩上。设计最大坝高35m，最大坝底宽度34.14m，大坝最大埋深15m，由于埋深太大，造成开挖量巨大，同时开挖料无法利用，大量弃渣需占用较多土地，因此该方案并不经济。该工程参考国内已建工程中软基修建重力坝的设计经验，对重力坝体型进行优化设计。重力坝布置最大的问题是坝基应力和抗滑稳定，本工程坝址下伏基岩为页岩，物理力学参数值较低。为减小埋深，本次设计考虑将坝基置于强风化层上，通过加大底板与基岩接触面积的方式减小坝基应力，同时增大抗滑稳定安全系数，该项目河床坝段坝基置于强风化页岩上，坝基设加长底板，前后延伸成底板以减小应力，底板前趾向上游伸出坝体7m;底板向下游伸出坝体12.04m，水平布置。底板下方设抗滑齿槽，槽深3m，宽3m。经结构计算，认为该方案可行。

4大坝稳定计算

(1)坝体与基岩接触面稳定及应力计算。根据地质描述，本工程坝址处基岩存在裂隙面，岩石完整性较差。本次设计重力坝基础置于页岩强风化中下部，以减少开挖。本次设计对坝体进行了抗滑稳定和边缘应力计算。经多种滑动面计算比较，左右岸非溢流坝最不利滑动面为垫层混凝土与基岩接触面;溢流坝段最不利滑动面为沿齿墙脚与坝下游脚连线的基岩面。坝体稳定、应力计算按正常水位工况、设计洪水位工况、校核水位工况和施工工况等4种工况进行复核，应力计算只计算坝踵、坝趾处垂直正应力。按SL319—2018《混凝土重力坝设计规范》，坝体抗滑稳定计算可采用如下公式:本工程河床坝段坝基置于强风化页岩中下部，岸坡坝段坝基置于强风化下部。计算采用的坝基与岩体接触面的抗剪、抗剪断摩擦系数:河床坝段采用f=0.35，f＇=0.40，c＇=0.25MPa进行计算，岸坡坝段采用f=0.37，f＇=0.45，c＇=0.30MPa进行计算。依据SL319—2018，稳定、应力计算分别取非溢流坝段最大断面、岸坡典型断面进行计算。应力计算采用材料力学法进行计算，抗滑稳定计算采用抗剪断公式进行计算(低坝更适合)，并利用抗剪公式进行复核。扬压力综合折减系数α=0.25;计算结果见表2—3。为保证大坝安全，本次对河床坝段高程995.20m截面及高程997.7m截面进行了应力分析，采用抗剪强度公式进行稳定验算，用材料力学公式进行应力分析，采用f=0.7。计算成果见表4。计算成果表明，坝体在各种工况下抗滑稳定均满足规范要求，河床坝段溢流坝及岸坡坝段应力最大值均小于地基允许承载力，因此抗滑稳定及应力分析结果满足规范要求，坝体设计安全合理。(2)深层抗滑稳定分析根据地质报告，坝址区主要发育3组裂隙面，产状分别为L1∶160－175°∠30－44°，L2∶198－220°∠25－38°，L3∶18－25°∠67－90°，其中L1、L2形成一组“X”型裂隙面，对坝基抗滑稳定不利，但裂面延伸长度较小，裂面多闭合，浅表未见夹泥。本次对坝基深层抗滑稳定进行分析。根据坝址处的地质结构，深层滑动按单滑动面计算，分别采用抗剪断公式及抗剪公式计算，计算结果见表5。计算结果表明，大坝深层滑动安全系数满足规范要求，大坝深层抗滑稳定是安全的。

5筑坝材料的选择

堆石混凝土技术特征是利用高流动性、抗分离性好、穿透能力强的自密实混凝土充填堆石空隙从而形成完整密实混凝土，具有节能低碳、低水化热、工艺简便、造价低廉、施工速度快等特点。堆石混凝土采用大量块石作为混凝土材料，堆石体积比例可达55%～60%，可大量减少水泥用量，免除混凝土浇筑的振捣或碾压工序，减少施工设备，减少甚至取消温控措施，大幅节约工程成本和减少工期，特别适用于基础设施建设。通过资料查询和现场试验，堆石混凝土的防渗等级达不到设计要求，因为该重力坝的表层防渗区、抗冲区、基础、迎水面和背水面均采用常态混凝土。大坝坝体采用堆石混凝土浇筑，堆石距离坝体面层预留1m浇筑自密实混凝土，兼做防渗层，面层布置一层Φ16钢筋网片防止温度裂缝。大坝基础采用C15常态混凝土作为垫层，垫层厚0.5m。坝体设4道横缝，缝内设一道铜片止水。坝体与基岩接触面止水深入基岩0.5m。

6大坝边坡处理措施

本工程的边坡计算采用基于萨尔玛法的“岩质边坡稳定分析EMU”程序进行边坡稳定分析。对于坝基开挖的临时边坡，结合坝基岩石防风化保护措施，采取C20混凝土锚喷喷护。对于大坝枢纽范围内的永久边坡，开挖边坡坡比按覆盖层1∶1.5，强风化岩层1∶1，弱风化岩层1:0.75控制。对边坡高度大于10m时设一级马道，马道宽2.0m，马道内侧设排水沟，排水沟尺寸为0.5m×0.5m。边坡支护采取挂网喷锚支护，支护方式为:喷C20混凝土，厚10cm;挂网钢筋直径Φ8，间距150mm×150mm;锚杆直径Φ25，长6.0m，间、排距1.5m×1.5m;边坡设排水孔，采用直径为Φ50的塑料排水盲管，间、排距3m×3m，深入岩石4.0m。对边坡危岩及松动岩体必须及时清理，排除险情。喷锚支护后的坡面可采用爬山虎、葛藤等藤蔓植物覆绿处理以保持坝区生态景观性。

7结论与建议

(1)水利工程地质情况具有复杂性和重要性，在设计时候应充分考虑。(2)重力坝的稳定和应力计算，地质参数尤为重要，应结合地质试验资料，参照当地已建工程的经验综合考虑选取。(3)在软岩地区，重力坝布置最大的问题是坝基应力和抗滑稳定。当坝体不能满足稳定要求时，通过大坝设计尺寸的调整，特别是底板尺寸的调整，以满足各种工况下坝基应力和大坝稳定的要求。

作者:甘泽 杨荟颖 韩秋八 吴显航 单位:重庆市勘测院 重庆市水利电力建筑勘测设计研究院有限公司