软硬互层地基高混凝土坝坝基处理技术.pdf

2 0 1 4年第 3期 软硬互层地基高混凝土坝坝基处理技术 李祖发 ，江信敬 ，韦传恩 ( 福 建省水 利 水 电勘 测设 计研 究 院 ，福 建 福 t I1 3 5 0 0 0 1 ) 摘要：甘再大坝坝基为互层状水平岩体 ，岩层倾角缓 ，岩体 中存在粉砂质泥岩 、泥岩及泥化 夹 层等软弱层，地质条件十分复杂。通过采用坝基冲击锤开挖、深固结灌浆、帷幕灌浆与混凝土 截水墙联合防渗等开挖 处理技术，成功建成 1 1 2 m高碾压混凝土重力坝。该文对此坝基处理技 术进行总结，供参考。 关键词 ：软硬 互层地基 ；高碾压混凝土重力坝；坝基 ；甘再水 电站 中图分类号 ： T V 2 2 3 文献标识码 ： B 文章编号 ： 1 0 0 2 3 0 1 1 ( 2 0 1 4 ) 0 3 0 0 1 7 0 3 1 工程概况 甘再水 电站工程位 于柬埔寨贡布省 K a m c h a y河 干流上 ，坝址 以上 流域 面积 7 0 9 k m ，河长 6 8 6 k m。甘再水电站大坝枢纽工程主要建筑物 由拦河坝 与 P H3引水发电建筑物等组成 。 拦河坝为碾压混凝土重力坝，按 5 0 0年一遇洪 水设计 ，P MF ( 可能最大洪水)校核 。设计洪水位 1 5 0 0 0 m，下 泄 流量 6 9 7 0 m s ，相 应 下 游水 位 6 4 4 2 m；校核 洪水 位 1 5 1 8 8 m，下 泄流量 8 3 0 9 m s ，相 应 下 游 水 位 6 6 1 1 m。大 坝 坝 顶 高 程 1 5 3 0 0 m，坝底高程 4 1 0 0 m，最大坝高 1 1 2 0 0 m， 坝顶 宽 6 0 m。坝体上游 面 8 4 m 高程 以上为竖 直 面 ，8 4 m高程 以下坡度 1 ： 0 3 ；下游面坡度 1 ： 0 7 5 ， 折坡 点高程 1 4 5 O 0 m。大坝分 1 O个坝段 ，横缝 间 距 4 2 6 0 m。横缝采用通缝 布置 ，每个坝段 中部上 下游面各设置一条诱导缝 。大坝泄洪采用坝顶开敞 式溢洪道 ，布置在河 中段 ，溢洪道堰顶高程 1 3 5 0 0 m，共设 5孔 ，每孔净宽 1 2 m，溢流堰面采用 WE S 实用堰 ，下游消能方式采用挑流消能。 P H 3引水系统布置在河道右岸挡水坝段 ，采 用一管一机形式 。P H 3引水建筑物 由进水 口、渐变 段 、引水钢管 、钢岔管和高压钢支管组成。 2 工程地质条件 坝址区河道顺直 ，河流流 向 S E 1 1 4 。 ，河水 面宽 约 5 5 r n 。两岸地势较平缓 ，右岸坡度为 2 0 。一2 5 。 ， 收稿 日期 ：2 0 1 4 0 5 2 2 左岸 1 6 0 m高程 以下略陡于右岸 ，坡度 约为 3 0 。 3 8 。 。岸坡及河床广泛分布第 四系覆盖层 ，左岸残坡 积块碎土厚 49 m，右岸残坡积块碎石 土厚 91 6 m，两岸岸坡 风化 带岩体厚度大 ，微风化岩体埋深 大；河床为漂块石砂卵砾石 ，厚 2 4 m，局部基岩 裸露 。 基岩为侏罗系 中统 ( J 2 ) 一白垩系下统 ( k 1 ) 地层 ，岩性 以石英砂岩 、细砂岩为主 ，约 占7 0 8 0 ，另含少量粉砂质泥岩 、泥岩等 ，局部有薄层 状石英砂岩与泥岩 、泥岩与含砾细砂岩互层 ，岩层 近水平 ，总体走 向 N W2 9 03 0 0 。 ，倾 向 N E，倾 角 3 。 9 。( 平均 5 。 ) ，倾 向左岸 略偏上游。岩体 中主 要发育层问缓倾角软弱层带 ，石英砂岩、细砂岩中 发育陡倾角裂隙。两岸砂岩与粉砂质泥岩、泥岩的 接触界面一般有一定厚度 的泥化或软化现象 。粉砂 质泥岩 、泥质夹层厚度不均 ，一般厚 0 10 5 m， 最小 0 0 1 0 0 8 m，最大可达 1 2 7 m ( 河床 一 3 0 一 2 6 m高程 ) 。 左岸坝基高程 1 1 0 m 以下坝基 岩体 以较完整 完整为主 ，为 I U 2类岩体 ，高程 1 1 0 m以上坝基岩 体完整性差 较破碎 ，为1 V1类岩体 ；共揭示泥岩 层 9层 、粉砂质泥岩 5层 、粉砂质泥岩与细砂岩互 层 2层 、泥岩与细砂岩互层 1层 ，厚度较大的泥岩 类岩层为 L 1 、L 2 0 4、L 3和 L 6，厚度分 别为 1 5 3 5 m、0 53 5 m、51 0 m和 45 5 m，其 中 L 2 0 4和 L 6为粉砂质泥岩与细砂岩互层。右岸坝基 高程 1 0 3 m 以下坝基岩体 以较完整为主，为 2类 岩体 ，高程 1 0 3 m以上坝基岩体完整性差 较破碎 ， 1 7 2 0 1 4年第 3期 为1V1 类岩体 ；共 揭示泥岩层 5层 、粉砂 质泥岩 9 层 、泥质粉砂岩 、粉砂质 泥岩与细砂岩互 层 1层 、 薄层泥岩与细砂岩互层 1层 ，厚度较大的泥岩类岩 层为 L 1 1 、L 1 3 、L 1 4和 L 1 5 ，厚度分别为 91 0 m、 1 5 m、1 3 m和 1 9 m，其 中 L 1 1为粉砂质泥岩与 泥质粉砂岩互层 。河床坝基一般 以较完整为主 ，局 部完整性差 ，为 1类岩体 ，下覆泥岩类夹层厚度 较大的有 L 7 、1 8 、L 1 0 ，厚度分别为 2 8 m、5 5 m 和 1 2 7 m，其它厚度均较小 ，为薄层状夹层 ，其 中 L 7粉砂质泥岩层分布高程 2 7 0 4 3 5 1 9 m。 坝基粉砂质泥岩和泥岩属软岩类 ，岩石 主要物 理力学参数平均值见表 1 。 表 1 粉砂质泥岩和泥岩主 要物理力 学参数 平均值 平均干单轴饱和 岩石 密度 抗压强度 ( g m ) MP a 抗剪断强度 c MPa f ， 弹性模量 E5 0 GPa 粉砂质泥岩2 5 3 2 0 2 7 0 7 6 2 4 7 泥岩 2 3 5 2 5 8 0 2 7 0 6 5 2 5 5 3 坝基处理技术 3 1 坝基 开挖 坝址处河床可利用基岩面高程为4 1 m，由于坝 基下部存在深层泥岩类夹 ( 岩 )层 L 7 、L 8 、L 9 、 L 1 0 ，埋深高程为 2 6 51 8 m，经大坝坝基稳 定应 力计算 ，可满足规范要求 ，因此河床段坝基原则上 不进行爆破作业 ，只需清除坝基 面浮石 ，河床岩石 面适当凿毛。 左 右岸挡水坝段坝基根据稳定应力计算结 果、 坝段分缝位 置 ，结 合坝基 下部存 在 深层 泥岩类 夹 ( 岩)层分布高程位置 ，左 岸沿坝轴线方 向从岸边 向河床 部分 分 台阶开挖 ，开挖平 台分 别为 1 5 2 5 0 m、1 3 7 2 5 m、9 4 0 0 m、6 5 5 0 m 和 4 1 0 0 m，台 阶开挖深度大多在 82 4 m；右岸沿坝轴线方 向从 岸边 向河 床 部 分 分 台 阶 开 挖 ，开 挖 平 台 分 别 为 1 5 2 5 0 m、 1 1 8 2 5 m、 1 0 0 0 0 m、 5 2 5 0 m 和 4 5 0 0 m，台阶开挖深度 大多在 52 5 m；两岸坝坡 在开挖过程中对存在的泥岩软弱夹层进行撬除处理。 针对甘再大坝特有 的软硬相间水平 互层地质条 件 ，结合工程施工进度及大坝左右坝肩所揭露 的岩 层情况 ，分别进行爆破开挖试验及破碎锤开挖试验 研究。大坝基础开挖技术方案试验研究表明 ：传统 的预裂爆破不能满足坝基建基面开挖施工的设计要 1 8 求 ，预裂基本无法成型 ，预裂效果 收效甚微 ，且爆 破开挖对坝基软硬相 问水平互层 岩体震动破 坏大。 采用冲击锤进行大坝坝基建基 面分层破碎开挖 ，有 利于软硬相间水平岩层的建基 面控制。声波测试表 明 ，冲击锤开挖前后岩体波速值 十分接近 ，对坝基 岩体破坏非常小。冲击锤开挖坝基是对常规建基面 开挖方法的完善 ，且 冲击锤开挖保护层大大减弱 了 对基础面的震动破 坏，从 开挖施工成果看 ，效果非 常好。 3 2 固结灌浆 软硬相间水平互层地基复杂地质条件导致坝基 岩体声波值较低 ，要求 固结灌浆后较大幅度地提高 坝基岩体声波的波速最小值。 由于甘再大坝坝基岩 层为近水平向，灌浆压力不能过高 ，以免抬动过大 导致混凝土产生裂缝 。因此 ，对大坝基础 固结灌浆 技术即固结灌浆 的施工方法、工艺等进行研究 ，以 满足大坝设计提出的有关要求。大坝坝基处理施工 前期分别进行 了 G I N灌浆法 、国内常规固结灌浆法 生产性试验。 大坝基础灌浆技术试验研究表明，采用 G I N灌 浆法，试 验 区灌 浆后最小 值提 高 幅度 为 6 8 1 2 2 6 4 ，平均值 提 高幅度 为 2 0 3 6 4 6 ；采 用常规灌浆法 ，试验区最小值提高幅度达 1 7 8 2 8 3 ，平均值提高幅度达 6 3 9 9 。常规灌 浆法的提高幅度明显高于 G I N灌浆法 ，大坝基础 固 结灌浆适合采用 国内常用 的灌浆方法。根据试验结 果 ，最终优化确定大坝基础固结灌浆施工工艺流程 和施工参数 。 溢流坝段及左右岸高重力坝段基础采用深 固结 灌浆孔 ，孔深 1 01 5 m，孔 、排距 3 m。固结灌浆 压力如下 ： I 序孔 0 31 0 M P a ，序孔 0 41 2 M P a 。固结灌浆声波测试 ( 见表 2 )表 明，灌 浆后 所有检测孔的波速最小值平均值为 3 2 8 2 m s ，波速 提高率为 5 9 7 ；所有检测孔 的波速平均值均值为 3 6 4 0 m s ，波速提高率为 3 7 8 。灌后声波值较灌 前有较大提高 ，灌浆效果显著 ，提高了坝基岩体 的 均匀性与整体强度，较好地解决了软硬相间水平互 层坝基存在的不均匀沉降变形问题。 3 3 帷幕灌浆 两岸岸坡在 2 05 0 m深度 范 围内透水 率 1 0 L u ，为中等透水 ；左岸 9 01 0 0 m、右岸大于 1 0 0 m 深度范围内透水率在 3l O L u ，为弱透水 ；以 下 深 2 0 1 4年第 3期 表 2 固结灌浆灌前灌后物探子 L 声波测试 部为微透水 ，仅局 部孔段透水率较大。河床 1 5 3 0 1 3 1 浅表部岩体透水率 1 0 L u ，属中等透水层 ；3 0 5 5 n 1 岩体透水率为 31 0 L u ，属弱透水层 ；5 5 m深 度 以下岩体透水率小于 3 L u 。 本工程最大作用水头 1 0 9 m。在坝基面高程 8 4 n 以下坝段范围设置 主副帷幕灌 浆孑 L 各一排 ，孑 L 距 2 0 I 1 1 ，排距 1 5 I n ，主帷幕灌浆深度 6 0 9 0 IT I ，副 帷幕取主帷幕灌浆孔深度的 1 2 ，坝基帷幕线离坝 基 J 二 游侧 1 2 9 m，最大灌浆压力采用 3 MP a 。在坝 耩面高程 8 4 m 以 卜 坝段范 围设置主帷幕灌浆孑 L 一 排 ，孔距 1 5 m，帷幕灌浆 深度 5 0 9 5 m，坝基帷 幕线离坝基 上游侧 52 m，最大灌 浆压 力采用 2 MP a 。在坝顶高程 1 5 3 0 0 m两岸接头处各布置一条 灌浆平洞 ，将主帷幕 向两岸 山体延伸至正常蓄水位 与地下水位相交处 。两岸灌浆平洞长 5 0 m，帷幕深 3 O 7 5 Il l ，灌浆压力采用 1 2 MP a 。帷幕灌浆采用 “ 小 口径钻进 、自上而下分段 、不待凝 、孔 口封 闭、 孔内循环式”的高压灌浆 I 艺。 3 4 泥岩 类夹 ( 岩)层及破碎 带处理 坝基下部泥岩类夹 ( 岩)层强度较低 ，具有失 水易崩解 的特性 。根据具 体分布位置及 层面厚度 ， 大部分 厚度较 小 的泥 岩类夹 ( 岩 )层采用 垂直开 挖 ，二次开挖后及时覆盖相 应部位 的坝体碾压混凝 土 ；层厚较大的泥岩类夹( 岩 )层 L 1 1 开挖后及时 喷护混凝土保护 ，结合探洞 回填 C 。 。 2 0混凝土 ，回 填混凝土洞周边进行接触 吲填灌浆 ，相应范围的帷 幕灌浆及 固结灌浆孔适 当加密 、加深 ，具体 见图 1 、 图 2 图 l 右岸 I 1 l 泥岩 类夹 ( 岩 )层处理 平面 图 图 2右岸 L 1 1泥岩类夹 ( 岩 )层处理纵剖图 ( 下转第2 4页) 1 9 2 0 1 4年第 3期 规程，虽然经灌浆处理后，坝基中仍然残留下渗漏 空挡和未达标的透水体。本工程灌浆效果也难 以满 足坝高 6 0多米 拱坝 的上部 坝端 支撑体 的强度 、变 形 、稳定 、抗渗等基本要求。 6 3 强风化花岗岩体防渗帷幕耐久性研讨 强风化花 岗岩 中的土体 ( 粉 土 )本 身粘结 力 差 ，与水泥浆液 间胶结力弱 ，在渗透水压力长期作 用下 ，易发生渗透变形。即使灌浆初期具有某些防 渗效果 ，在长期渗压作用 下，其 中胶质被溶蚀 ，细 土粒被 冲刷带走 ，透水性又逐渐增大 。省 内外两座 修建在全 、强风化夹层 的弱风 化岩体上 的重力 坝 ， 从廊道中观测几 十年 的坝基渗 透水压力资料表 明 ： 夹层被逐年溶蚀 、冲刷 ，相同库水位时 ，扬压力逐 年增加 ，帷幕耐久性差。本工程灌浆后运行二十多 年 ，根据本次除险加 固地勘坝端钻孔水文地质试验 结果 ，坝端相对 隔水层仍 低于校 核洪 水位 5 7 4 7 5 0 m。近年我省多座砌石拱坝除险加 固地勘试验 资料均见类似情况 ，值得进一步探讨 。 7结语 本工程主 、副坝的病险情产生原 因的地勘 因素， 建设区地质构造复杂、岩体破碎 、风化强烈等地质 条件是其客观因素。其 内在主观 因素是 ：受本学科 当时发展 阶段技术水平限制 ，拱端 推力和灌浆效果 预估不准确 ；缺乏勘察经验和存在认识误区，坝基 真实状况未能及时查明。这导致副坝地基未设 置有 效防渗措 施 ，长期 坝基 渗漏和渗 流失稳 未能根治 ； 主坝拱端建基面降低开挖标准和异 常形态处理措施 不当 ，灌浆效果欠佳 ，致使坝端坝体产生裂缝 ，导 致绕坝渗漏。 从本工程坝基病险情成 因分析可得 ：水工建筑 物大坝工程地勘应执行水利水 电行业相关工程地质 勘察规范，按规范规定的精度要求 、勘察步骤方法 、 评价标准 ，及时查明工程地质问题 等。改变规 范规 定条文 ，尤其 是强制性条 文，应持科学谨慎 态度 ； 具体勘察工作中，应重视区域和坝区地质构造的勘 察 、分析和研究工作 ，运用多种勘察手段查 明坝基 工程地质条件 ，加强综合性工程地质测绘 和各种地 勘资料分析；坝基处理时宜辩证分析坝基岩土特性、 地质缺陷和上层建筑对 地基要求 ，权衡利弊 ，统筹 兼顾 ，综合处理。拱坝拱端劣质岩处理力求做 到安 全与经济 、地质 与设计施工的有机统一 ，切忌顾此 2 4 失彼。防止上层结构与地基相脱离，以偏概全 ，孤 立 、片面地强调上层 结构物显现的优越性一面 ，而 忽视坝基复杂工程地质条件 的具体分析。 强风化花岗岩是非均质的地质体 ，其物质组成 、 地质结构和分布产状类型等受工程建设 区地质历史 条件制约和控制。对这样复杂多变的强风化岩体采 取直孔 、等距 、低压 、统一 固定模式 、渗入 填充式 的常规水泥灌浆 ， 处理效果可靠度不高。由于拱端 强风化岩体未挖除且灌浆效果欠佳 ，因而可能产生 的拱肩压缩变形和拱 端突变 ，建基 面处理不当是导 致拱端坝体产生裂缝的主要 因素。 参考文献 1 中华人 民共和 国水利 电力部科学研究所 ，中国 科学院地质研究所 水利水电工程地质 M 北 京 ：科学出版社 ，1 9 7 4 作者简介 ：周 祖 杰 ( 1 9 3 5一) ，男，福 建福 J ,i 、1 人 ，高级工程师，长期从事水利水 电工程地质勘察 工作 。 = ： 、 矗 盎 ： 盎 ： 、 纷 矗 ： 、 蝣 ( 上接第 1 9页) 4 结语 甘再水电站大坝坝基为互层状水平岩体 ，岩层 倾角缓 ，岩体 中存在粉砂质泥岩 、泥岩及泥化夹层 等软弱层 ；岩体中发育北东东 向和近南北 向高倾 角 裂隙，层间软弱面发育频率高，连通性好 ，坝基 岩 体存在抗滑稳定、不均匀变形及渗透变形等主要工 程地质问题 ，工程地质条件十分复杂。通过采用坝 基冲击锤开挖 、施工期软岩及时防护 、深固结灌浆 、 帷幕灌浆与混凝 土截水墙联合防渗等处理技术 ，成 功建成 1 1 2 1T I 高碾压混凝土重力 坝 ，很好地 解决 了 软硬相间水平互层地基建设超百米高碾压混凝土坝 的技术难题。 大坝经过两个汛期 的考验 ，位移及 渗漏情况正 常。甘再大坝的实践 为工程建设所提供 的宝贵经验 值得推广应用。 作者 简介 ：李祖 发 ( 1 9 6 7一) ，男，福建 连 江 人 ，教授级高级工程 师，从事水利水 电工程设计工 作；江信敬( 1 9 7 2一) ，男，福建永泰人 ，教 授级高 级工 程 师，从事 水利 水 电工程设 计工 作；韦传 恩 ( 1 9 6 3一) ，男，福建 福清人 ，教授 级高级 工程 师， 从事水利水电工程地质及水文地质勘察工作。