面板堆石壩趾板置于全風(fēng)化基巖上的工程技術(shù)措施

丁 韻，鄭子祥

(1.中國水電顧問集團華東勘察設(shè)計研究院，浙江杭州 310014;2.國家能源局大壩安全監(jiān)察中心，浙江 杭州 310014)

面板堆石壩趾板置于全風(fēng)化基巖上的工程技術(shù)措施

丁 韻1，鄭子祥2

(1.中國水電顧問集團華東勘察設(shè)計研究院，浙江杭州 310014;2.國家能源局大壩安全監(jiān)察中心，浙江 杭州 310014)

為保證混凝土面板堆石壩岸坡趾板置于全風(fēng)化基巖上的安全可靠性，分析了地基承載力、地基滲流控制、趾板穩(wěn)定性和趾板不均勻沉降這4個關(guān)鍵技術(shù)問題，并結(jié)合越南宣光面板堆石壩工程提出了確保地基承載力、趾板與全風(fēng)化基巖牢固連接、保證地基滲流穩(wěn)定、設(shè)置趾板伸縮縫等工程技術(shù)措施。大壩監(jiān)測結(jié)果表明，宣光面板堆石壩在運行期間滲流量較小，大壩變形正常。運用本文探討的工程技術(shù)措施，將趾板置于全風(fēng)化基巖上是安全可行的。

趾板;全風(fēng)化基巖;滲控措施;地基承載力;面板堆石壩

與黏土心墻和斜墻堆石壩相比，面板堆石壩具有壩體斷面小、投資省、工期短、安全性好等優(yōu)點，特別是在年降雨天數(shù)較多導(dǎo)致黏土施工受到限制的地區(qū)，面板堆石壩成為一種富有競爭力的壩型。從1985年開始我國采用現(xiàn)代筑壩技術(shù)設(shè)計和建造了大量混凝土面板堆石壩，據(jù)不完全統(tǒng)計，截至2009年底，我國壩高30 m以上的已建、在建和擬建面板堆石壩約有 260 座［1］。

DL/T 5016—1999《混凝土面板堆石壩設(shè)計規(guī)范》對趾板地基的要求為:“趾板宜置于堅硬、不沖蝕和可灌漿的弱風(fēng)化至新鮮巖石上。對置于強風(fēng)化或有地質(zhì)缺陷的巖石上的趾板，應(yīng)采用專門的處理措施”［2］。我國絕大多數(shù)面板堆石壩的混凝土趾板均置于弱風(fēng)化至新鮮的基巖上，少數(shù)面板堆石壩的兩岸趾板置于經(jīng)過處理的強風(fēng)化基巖上，如湖北小溪口右岸上部、水布埡左岸上部趾板等;個別面板堆石壩的河床趾板直接置于深厚覆蓋層地基上，趾板下設(shè)混凝土防滲墻，如浙江省余姚市梁輝面板堆石壩［3-4］。岸坡趾板置于強風(fēng)化基巖和殘積土上的面板堆石壩有澳大利亞的Reece壩［5］和哥倫比亞的薩爾瓦興娜壩［6］。當(dāng)兩岸的全風(fēng)化基巖深厚，尤其超過30m時，若要挖除全風(fēng)化基巖將趾板置于弱風(fēng)化(或強風(fēng)化)基巖上，趾板地基開挖將很深，因此為保證趾板置于全風(fēng)化基巖上的可行性及安全性，研究趾板地基的關(guān)鍵技術(shù)問題將具有非常重要的意義。

1 關(guān)鍵技術(shù)問題

趾板是承上啟下的防滲結(jié)構(gòu)，在施工期，趾板既是地基防滲灌漿的平臺，又是面板澆筑施工的起始工作面和滑道;在運行期，趾板主要與面板以及設(shè)有止水的周邊縫形成壩基以上的防滲體;另外，趾板與經(jīng)過固結(jié)灌漿和帷幕灌漿處理后的穩(wěn)定巖基連成整體，封閉地面以下的滲流通道，在地基以下形成一個完整的防滲體系。因此，對于置于全風(fēng)化基巖上的趾板，必然要解決地基承載力、地基滲流控制、趾板穩(wěn)定性以及趾板不均勻沉降這4個問題。

1.1 地基承載力

趾板地基為全風(fēng)化基巖時，雖然其承載能力較低，但和弱風(fēng)化基巖一樣，仍應(yīng)與趾板連為整體，在施工期承受趾板混凝土自重和灌漿壓力，在運行期承受趾板傳遞的水荷載。對于趾板底部的全風(fēng)化基巖要求具有一定的承載力。根據(jù)工程經(jīng)驗，標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗的平均標(biāo)貫數(shù)(以下簡稱SPT)大于15擊即可滿足承載力要求，但仍需要進行驗算。同時，在盡量不擾動和不降低全風(fēng)化基巖承載力的前提下，應(yīng)在趾板和地基之間設(shè)置寬度大于趾板底寬的砂漿墊層，以降低趾板地基應(yīng)力。

1.2 地基滲流控制

與弱風(fēng)化基巖上的趾板設(shè)計一樣，全風(fēng)化巖基上的趾板下游滲透水流逸出點坡降應(yīng)控制在地基的允許出逸比降范圍內(nèi)［5］，并通過趾板將地基防滲帷幕與混凝土面板連接成完全封閉的防滲體系。主要的工程措施有:延長滲徑，即加寬趾板或在下游設(shè)置混凝土防滲連接板，并在下游做好反濾保護［7］;在趾板上游設(shè)置防滲鋪蓋。

1.3 趾板穩(wěn)定性

趾板一般可不做穩(wěn)定分析。當(dāng)趾板置于全風(fēng)化基巖上時，需驗算運行期趾板向下游的抗滑穩(wěn)定性。趾板穩(wěn)定性分析采用剛體極限平衡法，計算中不計趾板錨筋作用及面板與趾板之間的荷載傳遞，并忽略趾板下游端側(cè)向堆石壓力。計算中主要荷載為趾板自重、表面豎向水壓力、底部揚壓力、上下游側(cè)水壓力［5］。當(dāng)趾板不能滿足穩(wěn)定要求時，可適當(dāng)增大趾板的寬度。

1.4 趾板不均勻沉降

對于弱風(fēng)化基巖(硬基)上的混凝土趾板，通常不考慮趾板不均勻沉降問題。為了簡化趾板止水系統(tǒng)，趾板可不設(shè)置伸縮縫，僅設(shè)置施工縫，采取跳塊澆注趾板的方法。施工縫按冷縫處理，只打毛而不設(shè)止水，但要求鋼筋通過施工縫。對于全風(fēng)化(或強風(fēng)化)基巖(軟基)上的趾板，宜考慮趾板不均勻沉降問題。

2 工程技術(shù)措施

根據(jù)本文研究的趾板地基關(guān)鍵技術(shù)問題，結(jié)合越南宣光面板堆石壩工程，探討安全可行的工程技術(shù)措施。

越南宣光水利樞紐工程位于宣光省文言鄉(xiāng)和南杭鎮(zhèn)交界的Gam河上，主要任務(wù)是防洪、供水、發(fā)電。壩址控制流域面積14 972 km2，為多年調(diào)節(jié)水庫，電站裝機容量 342MW，多年平均發(fā)電量12.95億kW·h。水庫總庫容24.54億m3，正常蓄水位120.00m，死水位90.00 m，校核洪水位122.55 m。該工程于2003年11月截流，2006年5月下閘蓄水，2008年6月竣工。

宣光水利樞紐由左岸鋼筋混凝土面板堆石壩、溢洪道、引水發(fā)電系統(tǒng)、右岸擋水壩段等組成?；炷撩姘宥咽瘔螢?級建筑物，按照重現(xiàn)期1000年洪水設(shè)計，5000年洪水校核，最大壩高91.5m，壩頂高程124.50 m，壩頂長1105.42 m(其中面板堆石壩頂長626.41 m)，壩頂寬10 m，上游壩坡1∶1.4，下游平均壩坡為1∶1.608。

左岸趾板沿線地層主要為頁巖、片巖及灰?guī)r，其中頁巖、片巖分布較多，巖石風(fēng)化較強烈，新鮮巖體的單軸飽和抗壓強度為28 MPa，巖體單軸飽和抗壓強度小于30 MPa，屬軟質(zhì)巖。全風(fēng)化基巖的天然狀態(tài)壓縮系數(shù)為0.23MPa－1，屬中壓縮性土，該全風(fēng)化基巖在孔深1.55～6.55 m的標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗的 SPT為24.3擊。左岸趾板地基高于90 m高程時，弱風(fēng)化線迅速下降，基巖由弱風(fēng)化轉(zhuǎn)為強風(fēng)化，正常蓄水位工況下90 m高程強風(fēng)化基巖上的趾板承受水頭為30 m;趾板地基高于106 m高程時，基巖由強風(fēng)化轉(zhuǎn)為全風(fēng)化，106 m高程全風(fēng)化基巖上的趾板承受水頭為14 m，趾板以下全風(fēng)化基巖的最大厚度超過40 m，趾板置于全風(fēng)化基巖的長度約為50 m。

中國水電顧問集團華東勘察設(shè)計研究院咨詢專家在總結(jié)澳大利亞Reece壩成功經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，借鑒我國面板堆石壩堆石體置于全風(fēng)化基巖上的地基處理經(jīng)驗，并結(jié)合宣光面板堆石壩的實際情況，認為只要全風(fēng)化巖基達到一定的密實度，其SPT大于15擊，在采取特殊的工程措施后可以將該工程的趾板置于全風(fēng)化基巖上。該工程于2007年蓄水至正常蓄水位，2008—2011年的監(jiān)測成果表明，正常蓄水位時大壩最大滲流量為6.5 L/s，與我國同規(guī)模的面板堆石壩滲流量相比偏小;同時大壩變形正常。這說明該工程左岸岸坡趾板置于全風(fēng)化基巖上是安全和成功的。

2.1 確保地基承載力

施工期不擾動基巖以確保不降低全風(fēng)化地基的承載力，趾板地基全風(fēng)化基巖開挖前在趾板地基上部預(yù)留約1.0 m的保護層，在澆筑趾板混凝土前幾天再進行保護層人工開挖。趾板地基開挖完成后，在全風(fēng)化基巖上部設(shè)置厚度約為10cm、強度等級為M10的砂漿墊層，作為趾板和全風(fēng)化基巖硬軟結(jié)構(gòu)的過渡層。趾板寬5.0 m，厚0.5 m，砂漿墊層在趾板上游，比趾板寬1.0 m，作為施工期通道以避免趾板混凝土立模、綁扎鋼筋的施工人員擠壓全風(fēng)化基巖。在砂漿墊層及趾板混凝土中預(yù)留固結(jié)和帷幕灌漿孔，以減少灌漿對地基的擾動。趾板在施工期和運行期的受力均較小，經(jīng)核算，施工期和運行期趾板底部的最大地基應(yīng)力小于0.1 MPa，小于地基允許承載力0.2 MPa，滿足地基承載力要求。

2.2 趾板與全風(fēng)化基巖牢固連接

經(jīng)復(fù)核，在運行期趾板沿基巖面向下游的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為3.12，滿足抗滑穩(wěn)定要求。由于全風(fēng)化基巖提供的摩擦力較小，在施工期和運行期趾板的穩(wěn)定性比弱風(fēng)化基巖的差。為了確保趾板地基穩(wěn)定，采取趾板和全風(fēng)化基巖牢固連接，并適當(dāng)加長趾板底部錨桿的深度，比常規(guī)工程的趾板錨桿(通常為4～5 m)長2 m，即取6～7 m，以確保在帷幕灌漿和固結(jié)灌漿期間趾板不會向上抬動。

2.3 保證地基滲透穩(wěn)定

a.確定合適的趾板寬度，并延長趾板下游滲徑。全風(fēng)化基巖的趾板寬度取5.0 m，正常蓄水位工況趾板全風(fēng)化基巖的水力梯度為2.8，小于規(guī)范允許值(3～5)［2］，但仍大于該區(qū)域全風(fēng)化基巖的允許滲透坡降(2～4)，因此，仍需要延長趾板滲徑。在趾板的下游設(shè)置混凝土防滲連接板，其長度為趾板上游水頭的一半，使趾板與防滲連接板的聯(lián)合體的水力梯度小于2;并在混凝土防滲連接板的頂部及下游鋪設(shè)反濾料(包括小區(qū)料、墊層料、過渡料)延伸至下游壩腳(圖1)，延長趾板的滲徑以防趾板下游壩基發(fā)生滲透破壞。

圖1 全風(fēng)化基巖上混凝土趾板典型布置(單位:cm)

對于壩基106 m高程的趾板，即使不計入趾板防滲連接板下游小區(qū)料和墊層料的輔助防滲作用，僅計入趾板和防滲連接板的聯(lián)合體，沿水流方向的長度就達到12 m，正常蓄水位工況下的水力梯度為1.17，校核洪水位工況下的水力梯度為1.38，均小于該區(qū)域全風(fēng)化基巖的允許滲透坡降(2～4)，所以該區(qū)域的全風(fēng)化基巖不會發(fā)生滲透破壞。

b.確保固結(jié)灌漿效果。和常規(guī)趾板地基處理一樣，需要在趾板全風(fēng)化基巖上進行固結(jié)灌漿。固結(jié)灌漿采用手風(fēng)鉆鉆孔，灌漿孔布置和常規(guī)基巖的一樣，固結(jié)灌漿施工按兩序進行，采用單孔灌漿方法。固結(jié)灌漿采用濃漿1∶0.8、1∶0.6(或0.5)兩個比級，灌漿壓力取弱風(fēng)化基巖灌漿壓力的1/2左右，為0.1～0.2 MPa，灌漿栓塞置于基巖面以上0.3 m左右的趾板混凝土內(nèi)。

c.確保帷幕灌漿效果。在固結(jié)灌漿完成后，采用手風(fēng)鉆鉆孔進行趾板帷幕灌漿。帷幕灌漿的作用是封閉全風(fēng)化基巖內(nèi)可能存在的滲漏通道，減少地基滲流量，防止地基發(fā)生滲透破壞。由于岸坡部位作用水頭小，帷幕灌漿孔僅布置1排。為了確保帷幕灌漿的效果和防止全風(fēng)化基巖在帷幕灌漿時產(chǎn)生擠壓破壞，與其他工程的帷幕灌漿技術(shù)不同［8］，本工程帷幕采用低壓、濃漿、兩比級的灌漿技術(shù)。帷幕灌漿壓力取常規(guī)灌漿壓力的1/2左右，采用濃漿1∶0.8、1∶0.6(或0.5)兩個比級。采用孔口封閉灌漿法，第1、2、3段的段長為2 m、3 m及5 m(第4段以下也為5m)，灌漿壓力分別為0.1～0.15MPa、0.15～0.25MPa、0.25～0.35 MPa。重點確保趾板與全風(fēng)化基巖接觸段的灌漿效果，趾板與全風(fēng)化基巖接觸部位的灌漿段先行單獨灌注并待凝，灌漿栓塞置于基巖面以上0.3m左右的趾板混凝土內(nèi)。灌漿孔的布置與弱風(fēng)化基巖上的趾板布置相同，孔距為2m，帷幕灌漿施工按3序進行，若個別孔段吸漿量大無法結(jié)束，帷幕灌漿孔孔距可繼續(xù)加密至1m或0.75m。

2.4 設(shè)置趾板伸縮縫

左岸106 m高程(全風(fēng)化與強風(fēng)化交接處)、90 m高程(強風(fēng)化與弱風(fēng)化交接處)的趾板均設(shè)置伸縮縫，縫內(nèi)布置銅片止水，以適應(yīng)不均勻沉降。

3 結(jié)論

a.當(dāng)兩岸的全風(fēng)化基巖深厚時，只要全風(fēng)化基巖達到一定的密實度，采取一定的工程措施，將趾板置于全風(fēng)化基巖上是安全可行的。

b.在施工期和運行期趾板受力均較小，施工期不擾動基巖以確保不降低地基的承載力，設(shè)置砂漿墊層并適當(dāng)增加其寬度，趾板地基的承載力仍可滿足要求。

c.防止地基滲透破壞是保證趾板地基安全可靠的關(guān)鍵;在趾板下游設(shè)置混凝土防滲連接板，在防滲連接板的頂部及下游鋪設(shè)反濾料并伸至下游壩腳，以延長滲徑和防止地基發(fā)生滲透破壞，同時，采用低壓、濃漿、兩比級的帷幕灌漿技術(shù)，確保帷幕灌漿的施工質(zhì)量。

［1］楊澤艷，周建平，蔣國澄，等.中國混凝土面板堆石壩的發(fā)展［J］.水力發(fā)電，2011，37(2):18-22.(YANG Zeyan，ZHOU Jianping，JIANG Guocheng，et al.Development of concrete faced rockfill dam in China［J］.Water Power，2011，37(2):29-34.(in Chinese))

［2］DL/T 5016—1999 混凝土面板堆石壩設(shè)計規(guī)范［S］.

［3］朱晟，顧淦臣.建造在河床覆蓋層上的面板堆石壩［J］.水利水電科技進展，1996，16(3):9-11.(ZHU Sheng，GU Ganchen.CFRD placed on sand and grave on the riverbed［J］.Advances in Science and Technology of Water Resources，1996，16(3):9-11.(in Chinese))

［4］朱孟業(yè).建造在深厚覆蓋層上的梁輝水庫面板堆石壩［J］.浙江水利科技，1997(3):34-35.(ZHU Mengye.CFRD constructed on thick sand and grave in Lianghui Reservoir［J］.Zhejiang Hydrotechnies，1997(3):34-35.(in Chinese))

［5］唐新軍.混凝土面板堆石壩的趾板布置與設(shè)計［J］.水力發(fā)電，1993，19(1):29-34.(TANG Xinjun.Layout and design of CFRD’s plinth［J］.Water Power，1993，19(1):29-34.(in Chinese))

［6］蔣國澄，傅志安，鳳家驥.混凝土面板壩工程［M］.武漢:湖北科學(xué)技術(shù)出版社，1997.

［7］楊曉明，張斌，黃繼平.強風(fēng)化地基上的小溪口混凝土面板堆石壩趾板設(shè)計與地基處理［J］.水利規(guī)劃與設(shè)計，2004(3):70-74.(YANGXiaoming， ZHANGBin，HUANG Jiping.Design and foundation treatment of plinth on intensively weathered rock in Xiaoikou CFRD’s［J］.Water Resources Planning and Design，2004(3):70-74.(in Chinese))

［8］李林楓.橫泉水庫壩基風(fēng)化基巖帷幕灌漿施工技術(shù)［J］.西北水電，2011(1):30-33.(LI Linfeng.Construction technology for curtain grouting of weathered bedrock in Hengquan Reservoir［J］.Northwest Hydropower，2011(1):30-33.(in Chinese))

Engineering measures of CFRD’s plinth placed on completely weathered rock

DING Yun1，ZHENG Zixiang2(1.East China Investigation and Design Institute，China Hydropower Engineering Consulting Group Co.，Hangzhou310014，China;2.Large Dam Safety Supervision Center，National Energy Administration，Hangzhou310014，China)

In order to ensure the safety and reliability of CFRD’s plinth placed on the bank slope of completely weathered bedrock，this paper analyses four key technical issues，including the bearing capacity of foundation，the seepage control of foundation，the stability of plinth，and the differential settlement of plinth.With the engineering example of Vietnamese Tuyen Quang CFRD，some appropriate engineering measures were proposed，which include improving the bearing capacity of foundation，strengthening the connection between plinth and completely weathered bedrock，ensuring the seepage stability of foundation and setting plinth expansion joints in different bedrock junctions.The dam safety monitoring results show that the seepage volume of Tuyen Quang CFRD is small，and the deformation regularity of the dam is normal.By application of the engineering measures proposed in this paper，placing the plinth on completely weathered bedrock is safe and feasible.

plinth;completely weathered bedrock;seepage control measures;bearing capacity of foundation;CFRD

TV641.4

A

1006-7647(2013)06-0080-03

10.3880/j.issn.1006-7647.2013.06.017

丁韻(1962—)，女，浙江建德人，高級工程師，主要從事水工結(jié)構(gòu)設(shè)計工作。E-mail:ding_y@ecidi.com

book=94,ebook=204

2012-04-15 編輯:周紅梅)