小灣水電站拱壩壩基軟弱岩帶的混凝土槽塞置換處理設計綜述

（中國電建集團昆明勘測設計研究院有限公司，雲南 昆明 650051）

摘 要：小灣水電站拱壩壩基分布有斷層、蝕變帶等軟弱岩帶，對壩基穩定性產生不利影響。根據壩基軟弱岩帶規模，設計中綜合採用經驗公式、彈性地基梁及有限元等多種計算方法進行分析比較，確定槽塞置換方案，可供類似工程參考。關鍵詞：拱壩壩基；混凝土槽塞；置換；設計

小灣水電站為瀾滄江中下遊河段梯級開發的「龍頭」水庫和巨型電站，擋水建築物為混凝土雙曲拱壩，最大壩高294.5m，總庫容149.14×108m3，總裝機容量4200MW，保證出力1778MW，多年平均發電量189.9×108kW·h。

右岸壩基1100m高程以上主要分布有F11（破碎帶寬一般20～60cm，與E8交匯處寬度達2～4m）、E1（1～7m）、E4+E5（寬3.5～20m）、E9斷層（寬約13.5m）和蝕變帶，以及擠壓破碎帶和節理密集帶等。上述軟弱岩帶結構破碎、強度低、物理力學性質指標普遍較低，成為影響拱壩抗滑穩定與變形穩定安全性的主要因素，為了保證壩基應力、變形和穩定性滿足設計要求，需進行置換處理。壩基軟弱岩帶最常用的處理方法混凝土置換，即是對軟弱岩帶開挖至一定範圍與深度，用混凝土回填置換。

小灣水電站拱壩壩基軟弱岩帶處理目的：①提高軟弱帶的支承強度，使之與周圍基岩相接近，減小壩體應力集中和不均勻沉陷；②減少或消除壩體沿軟弱帶滑動與剪切破壞的危險；③在保證工程安全的前提下，盡量減少基礎開挖及回填混凝土工程量。

軟弱岩帶處理方式包括加固處理和防滲處理兩個方面，文章主要介紹加固處理方式。其中包括：①壩基範圍軟弱岩帶規模較小，但下部充填物鬆散軟弱，且對壩基強度和壓縮變形仍有影響，可沿軟弱岩帶鋪設適量鋼筋網片；②壩基範圍軟弱岩帶規模一般，按工程經驗或規範應進行處理，一般處理方式為沿軟弱岩帶進行槽挖混凝土置換，置換深度為1～1.5倍軟弱岩帶的寬度；③當壩基軟弱岩帶延伸出上、下游壩基範圍，為了將壩基應力向壩基範圍外擴散，應擴展開挖處理範圍，其水平擴散長度一般為1.5～2.0倍混凝土槽塞置換深度；④當壩基軟弱岩帶規模較大，下部充填物為破碎軟岩，且對變形有較大影響時，應嚴格處理，必須滿足構造要求，還應進行仔細設計與計算。可採用工程經驗法、結構力學法、彈性地基梁法、有限元分析法等計算方法確定混凝土槽塞置換深度。混凝土槽塞可簡化為兩端固接的深梁，底部視作彈性地基墊層，按破碎帶與兩側堅硬岩石不同的彈性模量分擔荷載，求出梁的撓度亦即基礎的沉陷，按照對沉陷量的限制來決定置換深度。文章重點介紹較大規模軟弱岩帶的置換處理設計。

3.1 壩基一般性軟弱岩帶處理措施

對出露寬度在0.4～2.0m的一般性軟弱岩帶，可採用槽挖後以混凝土塞置換，一般不再進行計算。槽塞深度視地質條件一般為軟弱岩帶寬度的1.5～2倍，槽塞底部支承寬度大於等於0.3m，從底部按1：0.3向上放坡，混凝土塞底面配置Ф25@200×200mm鋼筋網。

3.2 壩基較大規模軟弱岩帶混凝土塞置換設計

（1）工程經驗法。混凝土塞的深度，應滿足壩基變形的要求。在壩基面出露的軟弱岩帶，可用下列經驗方法估算混凝土塞的深度。

①日本水殿拱壩的斷層處理標準：

式中：b為斷層破碎帶的寬度（m）；H為斷層破碎帶處的壩高（m）；h為混凝土塞的回填深度（m）。

②美國墾務局標準：

式中：H為軟弱岩帶基面高程以上的壩高（m）；b為斷層破碎帶的寬度（m）；h為混凝土塞的回填深度（m）。

（2）結構力學法。利用拱壩多拱梁應力應變程序計算出上下游面基底正應力進行線性插值後作為荷載。將公式（1）（2）初步確定的混凝土塞視作兩端固結的梁，底部不考慮地基反力作用，核算梁內力、應力，根據應力大小對混凝土塞深度進行複核調整，要求最大應力在混凝土容許範圍內。

（3）彈性地基梁法。取單寬混凝土塞作為彈性地基梁進行計算，計算其最大彎矩、最大剪力，按深梁確定計算深度及進行槽塞配筋。彈性地基梁模型計算模型如圖1所示。計算假定地基為文克爾彈性地基，採用文克爾地基上有限長梁的初參數法進行計算。計算荷載為垂直於深梁軸線的均布力。

圖1 兩端固定深梁計算簡圖

文克爾模型基本公式為：

p（x，y）=k*W（x，y） （5）

式中：k為地基反力係數（t/m3）；p（x，y）為地基反力；W（x，y）為地基界面上任意一點的沉降。

（4）三維有限元法。軟弱岩帶分布及地質參數根據地質資料確定，有限元計算只考慮壩基出露的軟弱岩帶，出露於壩基上下游側邊坡上的軟弱岩帶按岩石處理。荷載根據拱冠梁法計算出的壩基上下游側每20m一級的結果，沿壩基面的法線方向進行分解。模型厚度約300m，上下游側各取離壩基輪廓線約120m。模型底部完全約束，上下游側Y方向約束，橫河向兩側X方向約束。槽塞部分單元尺寸以4m控制。

4.1 工程經驗法計算結果

根據公式（1）（3）估算的開挖深度如表1所示。

表1 工程經驗法開挖深度估算結果（單位：m）

點號ABCDEFGHIK公式111.5010.737.327.047.485.999.078.303.644.4公式310.009.235.825.545.985.497.576.802.142.90

4.2 結構力學法計算結果

根據結構力學公式計算的不同深度下混凝土槽塞內力如表2所示。

表2 結構力學法計算結果

跨中47.278663.522557916支座94.5571327451115830剪力Q（t）177.183467.525674032深度（m）351924彎矩M（t.m）

4.3 彈性地基梁計算結果

根據彈性地基梁公式計算的不同深度下混凝土槽塞內力如表3所示。

表3 彈性地基梁計算結果

跨中35.706451.117036275支座71.424932.3340812570剪力Q（t）153.958377.122303586 h（m）351422彎矩M（t.m）

4.4 有限元分析結果

壩基軟弱岩帶槽塞置換按線彈性有限元分析結果如表4所示。最大應力壓為正；位移方向豎直向下。

4.5 計算結果分析

綜合上述計算結果可得出以下結論：①壩基較大規模軟弱岩帶混凝土塞的置換深度一般由剪力控制；②混凝土塞外荷載考慮了拱壩基底水平力和豎向力，其中水平力很大，這是混凝土塞需要較大的深度來抗彎和抗剪的一個重要原因；③隨混凝土塞深度的減小，其下軟弱岩帶上應力逐漸增加；隨著混凝土塞深度的減小，豎向位移變化不大；④彈性地基梁計算中未考慮荷載的相互影響，荷載按均值線荷載作用於樑上，有限元分析時考慮了這些因素，更符合實際情況。

表4 線彈性有限元計算結果

深度剪力Q（t）最大主應力σ1（kPa）最大位移δ（mm）C點D點槽塞上蝕變帶上19m33532406296662214.2 15.2m283618842897108314.5 11.4m225613352805123614.9 7.6m16927692664144515.5

文章以小灣水電站拱壩壩基為例，介紹了壩基軟弱岩帶的工程處理設計，介紹了處理目的和方式，設計中綜合採用經驗公式、彈性地基梁及有限元等多種計算方法來確定槽塞置換方案，對同類工程有一定的借鑒意義。

參考文獻：

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[3]宰金珉,宰金璋.高層建築基礎分析與設計：土與結構物共同作用的理論與應用[M].北京：中國建築工業出版社,1993.

中圖分類號：TV642.4

文獻標誌碼：A

文章編號：2096-2789（2017）08-0219-02

作者簡介：何瑞良（1979-），男，高級工程師，研究方向：水電工程設計。