麻栗壩水庫攔河壩沉降變形的研究與對策

李曉平 張寶瓊 樊 勇

(云南省水利水電勘測設(shè)計研究院， 云南 昆明 650021)

麻栗壩水庫攔河壩沉降變形的研究與對策

李曉平 張寶瓊 樊 勇

(云南省水利水電勘測設(shè)計研究院， 云南 昆明 650021)

麻栗壩水庫攔河壩地質(zhì)條件復(fù)雜，壩軸線長1172m，在壩體范圍內(nèi)，分布有上第三系20多個地層，地層之間的力學(xué)指標(biāo)差異較大。如何解決壩體不均勻沉降是攔河壩工程的關(guān)鍵技術(shù)問題。為保證大壩的安全，在設(shè)計中按經(jīng)典理論計算，開展實體模型試驗，成果相互比較，采用分期、分段預(yù)壓的設(shè)計和施工筑壩技術(shù)，將壩體分三期施工來減緩和消除不均勻沉降，盡量把較大的沉降量消除在施工期。水庫建成后3年，經(jīng)觀測壩體的最大沉降為1.2cm，成功解決壩體不均勻沉降問題。

基礎(chǔ)處理； 不均勻沉降； 處理對策

1 前 言

麻栗壩水庫工程位于云南省德宏州隴川縣境內(nèi)城子鎮(zhèn)以北5km的南宛河上游，為大(2)型水利樞紐，以灌溉、防洪為主，結(jié)合發(fā)電等綜合利用。水庫總庫容1.067億m3，攔河壩為土質(zhì)分區(qū)壩和均質(zhì)壩，最大壩高37.6m，攔河壩為Ⅱ級建筑物，設(shè)計地震烈度為Ⅶ度。

栗壩水庫地質(zhì)條件十分復(fù)雜，壩軸線長1172m，在約1km的壩體范圍內(nèi)，分布有上第三系20多個地層，即N1、N2、N3、N3-1、…、N1、N3、N5屬透水地基地層，按此頻率排列，含礫砂土N1、N3、N5、…、N17與含礫砂土N2、N4、N6之間的力學(xué)指標(biāo)差異較大，抗剪強度指標(biāo)差別較大，軟硬地層在平面和空間上交錯布置，被俗稱為“夾心餅干”。受地形和淹沒條件限制，不得不在此壩址建壩。如何解決壩體的不均勻沉降變形是麻栗壩水庫工程的關(guān)鍵技術(shù)問題之一。設(shè)計中進行大挖除、振沖置換碎石樁、分期填筑方案比較，采用傳統(tǒng)的經(jīng)典處理方式，引入先進實體模型驗證，同時相互比較，綜合分析獲得切合實際的沉降變形成果，對癥下藥做出相應(yīng)的分期、分段預(yù)壓設(shè)計和施工筑壩技術(shù)方案。

2011年云南省科學(xué)技術(shù)情報研究所對上第三系軟弱夾層互層的無限深透水土基內(nèi)采用削坡放緩、分期填筑的處理方法，國內(nèi)外尚無先例。

2 攔河壩工程地質(zhì)

麻栗壩水庫位于滇、緬、印、尼“歹”字形構(gòu)造西部帚狀構(gòu)造部位的隴川斷陷盆地。壩基地層由第四系及上第三系組成。上第三系(N)為洪水湖相沉積，含礫砂土夾黏土層，總厚度未見底界，屬軟基土層。

上第三系地層由巨厚含礫砂土﹑砂土夾黏土層構(gòu)成，成互層狀，以含礫砂土為主，其中含礫砂土巖組8層(N1、3、5、7、9、11、13、15)，總厚度約205m，占77.65%；黏土巖組7層(N2、4、6、8、10、12、14)，總厚度59m，占22.35%。

N15為含礫粗中砂土；N14為黏土夾細(xì)砂土；N13為粗﹑中﹑粉﹑細(xì)砂土；N12為砂質(zhì)黏土夾中砂土；N11為中砂土夾薄層砂質(zhì)黏土；N10為黏土夾細(xì)砂土；N9為含礫砂土，卵礫質(zhì)土；N8為粉砂質(zhì)黏土；N7為含礫砂壤土及卵礫質(zhì)土；N6為砂質(zhì)黏土﹑黏土；N5為含礫質(zhì)中細(xì)砂，卵礫質(zhì)土；N4為黏土﹑夾粉砂質(zhì)黏土，強度偏低；N3為含礫粗﹑中﹑粉﹑細(xì)砂土。攔河壩基礎(chǔ)的物理力學(xué)指標(biāo)見下表。

攔河壩基礎(chǔ)的物理力學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計表

3 攔河壩結(jié)構(gòu)布置

攔河壩被溢洪道分隔，溢洪道左岸壩段為黏土均質(zhì)壩，右岸壩體為分區(qū)壩，最大壩高37.6m，壩頂長1172m，壩頂寬6m，上游壩坡1∶3，下游壩坡分別為1∶2、 1∶2.5、1∶3。壩基采用混凝土防滲墻防滲。

4 攔河壩關(guān)鍵技術(shù)研究

4.1 沉降處理方案的提出

為了安全筑壩，進行大挖除、振沖置換碎石樁、分期填筑方案比較。

4.1.1 挖除方案

將N2、N4 、N6 、…、N16層挖除，回填含礫砂土，使壩體沉降均勻，由于含礫黏土分布不均勻，開挖施工具有不確定性，在開挖過程中，含礫砂土易垮塌，上第三系中含有承壓水，勢必給施工排水、基坑護壁加固帶來較大困難；由于上第三系層間軟硬夾雜，分布相當(dāng)復(fù)雜，在現(xiàn)場施工中不易分清需挖除的土層，因此，挖除方案不可行。

4.1.2 振沖碎石樁方案

振沖碎石樁可有效穿透障礙物，樁體連續(xù)性好，由高強度的微風(fēng)化碎石作為填料與軟基組成復(fù)合地基，經(jīng)適當(dāng)固結(jié)后抗剪強度滿足上部結(jié)構(gòu)的抗滑穩(wěn)定需要，承載力將能明顯改善和提高，但由于麻栗壩壩軸線較長，處理面積較大，工程造價較高，此方案被否定。

4.1.3 分期填筑方案

由于壩基特殊的地質(zhì)條件，壩體較長，基礎(chǔ)處理方案均不可行，為保證大壩的安全，為大壩的建設(shè)施工、蓄水和運行管理提供重要的科學(xué)技術(shù)支持，經(jīng)方案比較后采取分期、分段預(yù)壓的設(shè)計和施工筑壩技術(shù)。將壩體分三期施工以減緩不均勻沉降，盡量把較大的沉降量消除在施工期。

大壩基礎(chǔ)壩軸線地質(zhì)剖面如圖1所示。

為弄清攔河壩的沉降情況，對一次性填筑大壩和分期加壩分別做沉降計算。經(jīng)計算，一次性填筑大壩最大沉降量發(fā)生在0+928斷面，壩體的最大沉降量1.22m，基礎(chǔ)的最終最大沉降量1.69m。大的沉降差發(fā)生在里程0+700～1+000段，為壩體的最大壩高壩段，如一次性填筑大壩，壩體100m范圍內(nèi)產(chǎn)生的最大沉降差為0.68 m，壩基1.08 m，大于 1%的沉降率。一次性填筑大壩方案不可行。

將壩體分三期施工，盡量將較大的沉降量消除在施工期。第一期壩體施工完成間隔半年后填筑第二期壩體，半年內(nèi)，第一期填筑的壩體可起到對壩基的預(yù)壓作用，減少基礎(chǔ)的變形量，也使壩體的大部分沉降在第二期施工前得以完成。結(jié)合導(dǎo)流度汛的要求，確定第一期壩體的施工高程為976.00m，第二年開始第二期施工，高程為990.00m。第三年，第三期施工至壩頂。

4.2 分期填筑方案的大壩沉降分析

4.2.1 大壩沉降計算

大壩沉降計算(方法1)。?壩體變形的基本假定；?壩體中任何一點由自重所引起的垂直壓應(yīng)力等于該點上面土柱的重量；?大壩土料在壓縮時不發(fā)生側(cè)向變形。

a. 計算條件和方法。沉降計算采用分層總和法進行計算，附加應(yīng)力按土石壩設(shè)計規(guī)范計算。

壓縮層最大計算深度，按附加應(yīng)力與自重應(yīng)力的比值達(dá)0.2時為控制標(biāo)準(zhǔn)。

計算一次性填筑和分三期填筑的沉降值。

b. 計算參數(shù)。壩體和壩基的物理力學(xué)指標(biāo)見表1，壓縮曲線如圖2所示。

圖2 壩基e-P壓縮曲線

c. 計算結(jié)果。經(jīng)計算，三期填筑施工過程中，最大沉降量發(fā)生在0+928斷面，施工期壩體和壩基已沉降281.8cm。到第三期壩體填筑完成，壩體和壩基總沉降量為37cm，大的沉降差發(fā)生在里程0+700～1+000段，為壩體的最大壩高段，小于壩高的1%，大壩沉降在設(shè)計允許范圍內(nèi)，達(dá)到設(shè)計要求。由計算成果繪制的沉降曲線如圖3～圖5所示。

4.2.2 離心模型試驗

離心模型試驗(方法2)。由于麻栗壩的地質(zhì)條件較復(fù)雜，為驗證攔河壩壩體和壩基設(shè)計、計算的合理性和沉降變形的協(xié)調(diào)性及對壩體的破壞程度，對大壩壩體分期加壩產(chǎn)生的沉降變形做離心模型試驗加以驗證。計算中選取的典型斷面與常規(guī)計算方法相同。

a. 土工離心模型試驗基本原理。土工離心模型試驗是通過高速旋轉(zhuǎn)的離心機，使由原型材料制作的模型受到離心力作用，離心力是其重力的n倍，模型中各點達(dá)到與其原型相應(yīng)點相同的應(yīng)力狀態(tài)，并呈現(xiàn)出與原型相似的變形狀況和破壞過程。

充分考慮土體應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的非線性、剪漲性和剪縮性。該項離心模擬試驗所用的設(shè)備為LXJ-4-450大型土工離心機，最大加速度300g，是目前國內(nèi)容量最大、較先進的試驗設(shè)備。

b. 試驗規(guī)劃：?模擬范圍。該次試驗的地基模擬深度為70m、最大壩高37.5m。模型包括壩基、壩體及攔河壩體內(nèi)各建筑物；?壩基和壩體分期填筑施工模擬。第一組模型的制作和模型試驗分五次完成。第一次壩體填筑至模擬978.00m高程，通過離心模擬試驗?zāi)M其自重作用下的沉降變形，第二次將預(yù)制好的攔河壩、防滲墻模型置于模型內(nèi)，進行壩體填筑至模擬978.00m高程，通過離心模擬試驗?zāi)M其自重作用下的沉降變形。第三次、第四次、第五次試驗繼續(xù)填筑壩體至模擬984.00m、988.00m、999.50m高程，同第二次試驗一樣，分別確定其自重作用下的沉降變形；?模型材料的選取。模型的壩基、心墻及壩殼料均選取現(xiàn)場原型土料的天然容重、干容重、含水量和顆分曲線。根據(jù)地質(zhì)資料按照設(shè)計要求在模擬范圍內(nèi)制作壩體和互層狀壩基模型。

c. 離心模型試驗的主要成果。經(jīng)模型試驗，最大沉降量發(fā)生在0+928斷面，壩體的最大沉降量1.12m，基礎(chǔ)的最大沉降量1.78m。到第三期壩體填筑完成壩體和壩基總沉降量為36cm，大的沉降差發(fā)生在里程0+700～1+000段，為壩體的最大壩高段，小于壩高的1%，大壩沉降在設(shè)計允許范圍內(nèi)，達(dá)到設(shè)計要求。由一次加壩和分期填筑方案的模型試驗成果繪制的沉降曲線如圖3～圖5所示。

圖3 一次性加壩的壩體和壩基的沉降曲線(計算值、離心模型試驗值)

圖4 施工期壩體沉降曲線(計算值、離心模型試驗值)

圖5 施工期壩基沉降曲線(計算值、離心模型試驗值)

4.2.3 離心模型試驗成果與計算值比較

對壩體的分期填筑，按常規(guī)計算和離心模型試驗獲得沿壩軸線的沉降曲線均表現(xiàn)出光滑平順的特征，雖具體數(shù)據(jù)有微小的差別，但沉降規(guī)律基本相同，攔河壩在縱、橫兩個方向的沉降變形均相互協(xié)調(diào)，不會產(chǎn)生大的不均勻沉降，壩體不會因沉降變形而遭到破壞。

5 防止不均勻沉降措施

依據(jù)沉降分析成果，按上文所述將壩體分三期填筑，把較大的沉降量消除在施工中，使壩體沉降在建筑物的允許范圍內(nèi)。

在減小不均勻沉降的措施中，該階段還采取將左、右兩岸Ⅱ級階地前沿較陡岸坡，通過削坡放緩，采取將左、右兩岸Ⅱ級階地前沿自然邊坡變化較大的岸坡，右岸在里程0+900～1+000范圍內(nèi)由原25°的自然邊坡削坡放緩為7°，左岸在里程0+700～0+800范圍內(nèi)由原15°的自然邊坡削坡放緩為9°，使兩里程段沉降曲線更平順，減小產(chǎn)生不均勻沉降的不利因素。

在基礎(chǔ)下部埋設(shè)多套電磁式沉降儀，加強對沉降的觀測。由于壩體和壩基的較大沉降在三期填筑施工過程中已經(jīng)完成，第三期壩體填筑完成的半年內(nèi)，測得的壩體和壩基總沉降量為34.2cm，小于壩高的1%，大壩不會產(chǎn)生變形破壞，大壩沉降在設(shè)計允許范圍內(nèi)，且與計算值和模型試驗成果相符。為安全起見大壩設(shè)計預(yù)留沉降量0.3m。

6 結(jié) 語

a.麻栗壩水庫樞紐工程攔河壩，基礎(chǔ)為上第三系含礫砂土，地質(zhì)分層多且軟硬互層，稱為夾心餅干，在如此復(fù)雜的地質(zhì)條件下，解決沉降變形的關(guān)鍵技術(shù)問題，即要采用傳統(tǒng)的經(jīng)典計算方式，又要引入先進實體模型來驗證，相互比較，綜合分析獲得切合實際的沉降變形成果，做出相應(yīng)的分期、分段預(yù)壓設(shè)計和施工筑壩技術(shù)方案，使工程安全運行。

b.按常規(guī)計算和離心模型試驗獲得的沿壩軸線沉降曲線均表現(xiàn)出光滑平順的特征，雖具體數(shù)據(jù)有微小的差別，但沉降規(guī)律基本相同，攔河壩在縱、橫兩個方向的沉降變形均相互協(xié)調(diào)，不會產(chǎn)生大的不均勻沉降。

c.攔河壩通過五年的安全運行和觀測，由于壩基為上第三系含礫砂性土，壩基的沉降在施工期可全部完成，在施工期和第一年、第二年的觀測成果與計算值和模型試驗成果相符，在運行期第三年和第四年均未觀測到大壩有沉降變形，表明通過分期加壩施工，對基礎(chǔ)預(yù)壓，控制加壩的施工速度，成功處理了攔河壩的不均勻沉降變形問題。

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Research and countermeasures of settlement deformation of Maliba Reservoir barrage

LI Xiaoping, ZHANG Baoqiong, FAN Yong

(YunnanWaterConservancyandHydropowerSurveyDesignInstitute,Kunming650021,China)

Maliba reservoir barrage has complex geological conditions. The dam axis is 1172m long. More than 20 formations of the tertiary are distributed within the scope of the dam. The mechanics index differences among the formulations are greater. How to solve differential settlement of the dam is a key technical problem of barrage projects. The physical model test is carried out in order to ensure the safety of the dam according to the classical theory calculation in the design. Results are compared mutually. Dam design and construction technology of preloading in stages and sections is adopted. The dam body is constructed in three stages for alleviating and eliminating uneven settlement. Larger settlement is eliminated in the construction stage as far as possible. The maximum settlement of the dam is 1.2cm according to observation within 3 years after the reservoir is constructed. Uneven settlement of the dam is solved successfully.

foundation treatment; uneven settlement; treatment countermeasures

10.16616/j.cnki.11- 4446/TV.2017.07.008

TV62+2

B

1005-4774(2017)07- 0027- 06