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1、水电 2006 国际研讨会构皮滩拱坝坝基岩溶处理设计曹去修 王志宏 胡清义长江勘测规划设计研究院，湖北， 武汉， 430010，摘要：构皮滩拱坝最大坝高 232.5m，是岩溶地区在建最高的拱坝。本文从坝基和坝体的应力和稳定条件出发，根据坝基地质情况，系统论述了坝基岩溶处理的范围，岩溶探测方法，以及不同部位不同规模的坝基溶蚀缺陷处理措施，重点阐述了坝基深层地质缺陷处理以及右岸 k280 溶槽的处理方案，对岩溶地区高拱坝基础处理设计具有很好的参考价值。岩溶渗控处理不在本文讨论范围之内。关键词：构皮滩拱坝；岩溶；地质缺陷；抗滑稳定；变形稳定1 坝址工程地质概况1.1 工程地质条件构皮滩拱坝位于贵州省
2、余庆县构皮滩口上游 1.5km 的乌江干流上，最大坝高 232.5m，是目前岩溶地区在建最高的拱坝，坝基地质条件复杂，岩溶系统较发育，坝基处理难度较大。坝址出露地层从上游至下游为二迭系寒武系中、上统，岩层走向 NE35，与河流近乎正交且倾向上游，倾角 4555，为横向河谷。坝基置于二迭系下统茅口组厚层灰岩上（P1m1），其中河床坝段主要座落在 P1m11 层上，两岸坝基主要座落于 P1m12、P1m13 层上， P1m11 层为两岸拱座的主要抗力岩体，坝基下游为二迭系下统栖霞组灰岩（P1q）。1.2 岩溶地质缺陷1.2.1 地质缺陷探测方法地质缺陷探测的主要方法有：地质勘探平洞，钻孔声波测试法
3、、地震波测试法以及地质雷达波测试。地质勘探平洞直观，准确，但探测成本高，探测范围有限；声波测试、地震波测试及地质雷达测试方法简便，但直观性准确性较差。1.2.2 主要岩溶地质缺陷及其性状构皮滩拱坝坝肩的主要地质缺陷为分布在两岸与岩层走向基本平行的夹层、层间错动带、 NW 及 NWW 向裂隙、岩溶洞穴等。规模较大的层间错动有 Fb112、Fb113、软弱夹层有 P1m12 层底部风化溶滤带（含 Fb114），拱端附近平洞揭露的溶蚀洞穴主要有 KD466、KD488、K280 等，在坝基开挖过程中揭露的溶洞有 K1K6，其中，K280 在坝肩开挖和建基面处理过程中逐渐揭露，横穿右岸拱肩槽，从高程
4、580.0m 铅垂向下发育至高程 510.0m 左右，建基面出露高程 555.0m 左右，垂直高度 50m 左右，最宽处 56m，溶槽离建基面较近，是坝基面最大的岩溶地质缺陷。1.3 主要工程地质问题241水电 2006 国际研讨会(1)抗滑稳定坝址区岩层倾向上游，倾角 4550，坝基及拱座抗滑稳定性较好，但受 NW、NWW 向陡倾角断裂发育，且溶蚀强烈，其发育方向与拱端推力方向夹角较小，构成了对拱座抗滑稳定不利的侧向滑移面。坝肩稳定分析采用刚体极限平衡法，假定上游脱开面为沿坝踵的铅垂柱面，底滑面为水平面，地表坡面及坝肩下游顺层发育的规模较大的软弱结构面为临空面，计算结果表明，拱座抗滑稳定安全
5、系数小于 3.5，不能满足规范要求，需对坝肩下游侧持力范围内的软弱结构面进行加固处理。(2)变形稳定拱座岩体的变形稳定，主要受 Fb112、Fb113、P1m1-2 底部风化溶滤带、溶蚀洞穴及溶蚀断裂的控制。各层间错动带和风化溶滤带均呈断续溶蚀，局部 NW、NWW 向陡倾角断裂发育，并有短小的缓倾角裂隙分布，致使岩体破碎，溶蚀强烈，宽度 0.10.8m，少数部位宽达 1.0m，层间错动带和风化溶滤带综合变形模量较小，在 0.05GPa 左右。层间错动带数量多，发育面积大，与拱端推力夹角较大，某些部位近于垂直，降低了拱座综合变形模量，对坝体变形稳定影响较大。2 岩溶处理设计2.1 岩溶处理目的通
6、过工程措施提高软弱结构面的变形模量，改善层间结合状态，达到减小其变形量，增强传力效果的目的2.2 岩溶处理原则（1）处理方法以混凝土置换为主，灌浆为辅，对规模大、性状差、可灌性差的地质缺陷采用以混凝土置换为主；对规模较小、可灌性较好的地质缺陷以灌浆为主。（2）重点处理两岸坝肩持力范围的地质缺陷。（3）处理方案尽量与勘探平洞回填及与主要溶蚀洞穴处理相接合。2.3 岩溶处理方案对建基面出露的小规模溶洞，开挖清理后回填混凝土，待回填混凝土冷却至地温厚浇筑上部坝体混凝土，对小规模溶槽和溶蚀裂隙，掏槽后根坝体混凝土一起浇筑。对于两岸坝肩深层的层间错动带及风化溶滤带，沿层间设置平洞与斜井、形成“井”形格构
7、传力框架，规模较大的溶洞及勘探平洞主要采用混凝土回填处理。具体方案如下：(1)层间错动带、风化溶滤带处理在坝肩开挖完成后，层间错动带某些溶蚀强烈的部位已挖除。对于在坝基面出露的层间错动带、风化溶滤带，需在建基面进行浅层处理，处理深度取 1.5 到 2 倍软弱层的宽度，如图 1 所示；对于建基面深部的层间错动带、风化溶滤带，通过前期勘探平洞和声波、雷达波检测结果，确定各层间错动带需要处理的部位，岩层间错动面和风化溶滤带布置置换洞和置换斜井，置换洞高程间距 15m，断面尺寸 2.5m3.0m，设置 10%的底坡，以利于混凝土回填密实，置换斜井断面尺寸 3.0 m2.0m，每个层面布置两条，具体布置
8、如图 2 所示。在施工阶段，根据现场实际开挖揭露的地质情况，对置换洞和置换斜井的布置作了适当调整。242水电 2006 国际研讨会图 1层间错动带、风化溶滤带浅层处理示意图图 2左右两岸深层处理置换洞、置换斜井布置图(2)溶洞处理坝基础传力范围内发现的溶洞都须作混凝土回填处理，包括河床坝段开挖过程中揭露的 K1K6 溶洞，KM1KM3 溶蚀破碎带及前期勘探平洞勘探到的 KD466、KD488、K280 等溶洞、溶槽。K1K6 溶洞、KM1KM3 溶蚀破碎带发育深度较浅，在建基面清理时清除内部充填物，然后回填混凝土。在右岸拱肩槽建基面清理过程中，发现 KD466、KD488 溶洞与 K280 溶
9、槽相通，规模较大，其处理较复杂。在高程 520.0m 以上采用明挖处理，高程 520.0m 以下采用洞挖处理，其中洞挖部分通过上游侧 D280 施工支洞及 D46 勘探平洞进行，要求清除溶槽内所有充填物，并回填混凝土。K280 开挖处理如图 3、图 4 所示。243水电 2006 国际研讨会图 3k280 溶槽开挖平面示意图图 4k280 溶槽开挖典型剖面图(3)混凝土回填技术要求为补偿混凝土的收缩，使回填混凝土与洞壁充分结合，增强传力效果，对于两岸拱座的深层置换洞、井回填混凝土微膨胀混凝土，微膨胀量控制在（6080）106。为控制混凝土由于温降变形，要求回填混凝土尽量在低温季节施工，混凝土最
10、高温度控制在 3032。河床坝段的溶洞、溶蚀破碎带采用常态混凝土回填，混凝土主要技术指标与坝体下部混凝土相同。对于 K280 溶槽，要求恢复原设计开挖体型，采用常态混凝土回填，回填混凝土视为坝基岩体的一部分。为保证回填混凝土与基岩的结合，在回填混凝土与岩壁之间设置接触灌浆系统，并在上游侧设置陡坡止水。3 处理效果分析对岩溶地质缺陷处理前后分别用平面有限元和三维有限元进行计算，处理前后计算模型的差别主要是软弱夹层变形模量不同。软弱夹层按横观各向同性体考虑，法向综合变形模量按串联公式计算（式 1），切向综合变形模量按并联公式计算（式 2），求出综合变形模量，即：En =d1 + d2+ Ld nd
11、1d2+ LdnEE2En1Et = E1d1 + E2 d 2 + L En dnd1 + d2 + Ldn式中 En 法向综合变形模量Et 切向综合变形模量（1）（2）244水电 2006 国际研讨会E1 软弱结构面 1 的变形模量E2 软弱结构面 2 的变形模量En 软弱结构面 n 的变形模量d1 软弱结构面 1 的厚度d2 软弱结构面 2 的厚度dn 软弱结构面 n 的厚度对于被处理的软弱结构面，首先沿软弱结构面高度方向按照洞高（3m）与未处理的高度的比值对变形模量进行等效，然后再按照串联公式（式 1）和并联公式（式 2）与其他软弱结构面等效，按正交各向异性体考虑。结果表明：软弱结构面
12、处理后，坝体应力分布更趋于均匀、对称，拱冠处的最大位移有所下降；左、右岸拱端变位对称性增强；两岸塑性区面积明显减小，较处理前减小 70左右；处理前后坝体安全度从 1.52 提高到 23，处理后左、右岸安全度接近，坝体稳定性增强；对深层处理前、后大坝的整体稳定破坏进行仿真计算，结果表明，构皮滩拱坝未进行深层处理情况下的超载能力为 67P0，处理后超载能力达到 89P0。4 结语构皮滩拱坝是岩溶地区在建最高的双曲拱坝，坝基岩溶较发育，其基础处理方案对其它类似工程有一定的参考价值，笔者认为主要有以下几点：（1）仔细分析现有地质资料，详细了解建基面岩溶发育情况，对各溶蚀破碎带、软弱夹层的物理力学性状做
13、出准确判断。（2）采用刚体极限平衡法、有限元分析等方法确定需要处理的溶蚀破碎带、软弱夹层的范围及处理深度。（3）对于厚度较薄，但沿岩层面分布较广的溶蚀破碎带，采用深层置换洞、置换斜井形成“井”形传力框架的处理方法是可行的。这种方法不仅工程量小，施工干扰少，还可减少对岩体的松弛影响，处理效果较好。（4）对于建基面内，像 K280 这样规模较大的溶洞、溶槽可采用明挖和洞挖结合的方案清理溶槽充填物，并回填混凝土，恢复原设计建基面体型，维持上部坝体结构形态，达到局部问题局部解决的目的。参考文献1 王志宏，江义兰，陈尚法 构皮滩拱坝拱座地质缺陷深层处理设计，贵州水力发电，2006年第 3 期。2 水利部长江水利委员会 乌江构皮滩水电站可行性研究报告地质分册，武汉：2001。3 长江水利委员会长江勘测规划设计研究院 乌江构皮滩拱坝拱座地质缺陷深层处理专题设计报告，武汉：2003245