张 剑,马四海,张译文
(1.重庆市水利电力建筑勘察设计研究院,重庆 401120;2.重庆交通大学河海学院,重庆 400074)
大滩口水库大坝基础深层抗滑稳定处理方案
张 剑1,马四海2,张译文1
(1.重庆市水利电力建筑勘察设计研究院,重庆 401120;2.重庆交通大学河海学院,重庆 400074)
大滩口水库工程是磨刀溪干流第一级跨流域引水的综合开发利用水利工程,大坝是该水利枢纽工程的主体工程,其基础深层的抗滑稳定是工程能否安全运行的关键因素。由于坝基存在软弱夹层,不利于坝体稳定。针对坝址区特殊地质情况,提出多种坝基深层抗滑稳定处理方案。通过分析计算,表明目前采用的大坝基础锚杆束处理方案,效果理想。
大坝基础;抗滑稳定;锚杆束
大滩口水库工程位于重庆市境内,坝址控制流域面积1 330 km2,水库正常蓄水位620.00 m,校核洪水位620.73 m,设计洪水位618.48 m,总库容6 850万m3,是一座以灌溉为主、结合城乡供水、兼顾发电,同时具有扩大三峡库区移民安置容量和滞洪削峰减灾等作用的综合开发利用的Ⅲ等中型水利工程。
水库枢纽工程由大坝、引水建筑物、泄洪建筑物等组成。大坝为C15埋石混凝土重力坝,坝顶高程622.0 m,最大坝高59 m,坝顶长度190.0 m、坝顶宽度7 m,沿坝轴线从左至右依次为左岸非溢流坝段、溢流坝段、厂房坝段及右岸非溢流坝段。溢流坝段长74 m、堰顶高程608.0 m、溢流前缘净宽50 m,消能方式为挑流消能。枢纽永久性水工建筑物为3级,次要建筑物4级,临时建筑物5级。
大坝枢纽平面布置图如图1。
坝址主要工程地质问题为坝基岩体存在软弱夹层(图2、图3)。
图1 大坝枢纽平面布置图
图2 水库坝址工程地质纵剖面图
图3 水库坝址工程地质横剖面图
(1)黏土岩夹层(Ⅰ类)
(2)层间破碎夹层(Ⅱ类)
(3)泥化夹层(Ⅲ类)
根据现场原位直剪试验,类比其他工程,各类夹层抗剪强度建议值见表1。
表1 坝址各类夹层抗剪强度建议值表
3.1 人工抗滑桩基础处理
根据《混凝土重力坝设计规范》(SL319-2005)坝基深层抗滑稳定计算公式,对大坝沿软弱结构面进行深层抗滑稳定计算。由于结构面的存在,在满足大坝深层抗滑稳定的情况下,需要的最大水平外力为2.7×105kN/m。如果人工挖抗滑桩所用材料为C20混凝土,通过计算,溢流坝段大坝基础维持抗滑稳定所需抗滑桩的断面面积为270 m2,如果按照2 m×3 m的抗滑桩进行计算,则共需抗滑桩45个。
抗滑桩方案由于采用人工开挖,必须挖穿软弱结构面,其基础岩石主要为砂岩,基础开挖较深,施工难度较大,而要在一个枯水期内完成45个2 m×3 m×20 m的抗滑桩,施工强度很大,业主和施工单位都无法接受。
3.2 预应力锚束基础处理
采用预应力锚束加固坝基,在国内也有对部分病险水库的重力坝进行加固处理,并取得了较好效果的案例。可研阶段也曾提出预应力锚束方案,但由于该工程相对国内其他大型工程而言,其工程规模较小,资金投入少,采用预应力锚束方案,须要求专业施工队伍,且工程处理费用较大。因此,放弃了用预应力锚束进行基础处理的方案。
3.3 大坝基础深齿槽处理
深层抗滑稳定计算的滑裂面为Ⅲ2-2泥化夹层,由于在坝址下游100 m左右存在临空面,因此,大坝深层抗滑稳定计算采用单斜滑动面进行计算,该建基面开挖成倾向上游,倾角4°。
其计算公式如下:
(1)
具体计算结果见表2。
图4 深齿槽方案大坝剖面图
表2 重力坝抗滑稳定计算成果表
采用深齿槽方案进行处理的最大优点在于:处理方案稳妥,施工方法简便,无须专业施工队伍。但也存在缺点:由于无法采用大规模爆破施工,只能采用人工开挖深齿槽,地质钻探揭示,齿槽部分坝基岩石出露高程571.10 m,齿槽开挖的最低高程为553.50 m,齿槽开挖最深处达17.60 m,齿槽基底宽6.50 m,工程量大,施工难度大,施工工期长,在一个枯水期内很难完成基础工程施工。
3.4 大坝基础锚杆束处理
深齿槽方案施工工期长,施工难度大,无法在一个施工期内完成大坝基础施工。为此,提出了锚杆束处理方案。
3.4.1 大坝基础深层滑动面的确定
表3 洪峰流量、挑距、冲刷坑深度和
通过对上表分析,并将各频率洪水流量下形成的挑距和冲刷坑底板高程点绘于图中,连结各频率下的冲刷坑深度点,可确定出当P=0.2%时形成的冲坑最深,由此形成临空面。因此,大坝坝趾下游临空面距坝趾下游56.97 m。
3.4.2 大坝深层抗滑稳定计算
以Ⅲ2-2层泥化夹层为滑动面。
(1)基本资料
①正常高水位:620 m,相应下游水位:576.00 m;
②设计洪水位:618.48 m,相应下游水位:584.40 m;
③校核洪水位:620.73 m,相应下游水位:586.99 m;
④淤沙高程:580.90 m;
⑤Ⅲ2-2泥化夹层抗剪强度:f=0.3,C=0.005 MPa;
⑥Ⅲ2-2泥化夹层滑裂面倾角:α=6°;
⑦深层抗滑稳定安全系数:[Kc]=1.3;
⑧扬压力拆减系数:α=0.25;
⑨ 吹程:D=1.5 km;
(2)计算公式:
该滑动面为单斜滑动面,倾向上游,倾角6°,其深层抗滑稳定按下式计算:
(2)
式中 :f——滑动面的抗剪摩擦系数;α——滑动面与水平面的夹角;U——作用于滑动面上的扬压力,kN;∑H——作用于坝体上全部荷载的水平分值,kN;∑V——作用于坝体上全部荷载的垂直分值,kN。
(3)计算简图
计算简图详见大坝基础深层抗滑稳定计算简图(图5)。
图5 大坝基础深层抗滑稳定计算简图
(4)计算成果:
大坝深层抗滑稳定计算成果见表4。
表4 大坝基础深层抗滑稳定计算成果表
计算结果表明:未对基础进行处理时,大坝深层抗滑稳定安全系数最大为1.17,无法满足稳定要求。
3.4.3 锚杆束处理计算
大坝基础深层抗滑稳定的计算结果表明:大坝基础沿Ⅲ2-2层泥化夹层滑动的可能最大,深层抗滑稳定不能满足规定要求,必须对Ⅲ2-2层泥化夹层进行处理。通过分析比较,决定对Ⅲ2-2夹层进行锚固处理,以满足大坝深层抗滑稳定要求。
(1)锚筋材料
(2)正常蓄水情况
解得:R=1157.92 kN
1根Φ25钢筋的面积为Ag=490.9 mm2
大坝基础处理总的锚筋孔为:N=330孔
按每孔用3Φ25钢筋,每根锚筋长17 m计算,则大坝基础处理的锚筋用量:6.49×104kg。
(3)设计情况
解得:R=597.19 kN
设计情况下,大坝基础处理总的锚筋孔为:N=198孔
锚筋用量:3.89×104kg。
(4)校核情况
解得:R=1468.69 kN
A=8392.51 mm2
大坝基础处理总的锚筋孔为:N=396孔
锚筋用量:7.78×104kg。
根据对大滩口水库重力坝深层抗滑稳定3种工况进行计算表明:当对大坝基础进行锚杆束处理后,大坝深层抗滑稳定满足要求,详见锚杆束基础处理方案大坝剖面图6。
采用锚杆束方案,可进行大面积机械钻孔,从而加快施工进度,提前结束工程施工,让工程及早发挥效益。
通过对上面四种基础处理方案的计算与分析,得出以下结论:
图6 锚杆束基础处理大坝剖面图
对于中小型水利水电工程:
(1)采用人工抗滑桩进行基础处理,由于基础层主要为砂岩且基础开挖较深,一个枯水期内采用人工开挖,施工难度很大。
(2)预应力锚束基础处理方案,施工要求专业施工队伍,且工程处理的费用较大。
(3)齿槽方案通过对大面积的深齿槽基础开挖,将出露的Ⅰ3-1层黏土岩夹层挖断,然后对开挖后的滑裂面进行回填处理,可对重力坝深层抗滑稳定起到一劳永逸的作用。但是,由于工程施工工期的限制,如果在一个枯水期内无法完成基础工程施工,则整个工期将往后拖延一年时间,将造成巨大的的损失。
(4)采用锚杆束方案,取消了基础的大面积开挖,基础施工的方法由人力施工改为机械施工,其施工条件则不受多大限制,且采用增加钻机数量的办法加快施工速度,可节省工期,只要施工现场加强施工质量的控制,既能满足大坝安全运行的要求,又能保证一个枯水期内完成基础工程施工。
水库大坝采用锚杆束方案处理后,运行至今未见不良现象,处理效果较好。
[1] 重庆三峡水电建筑勘察设计研究院. 重庆市万州区大滩口水库工程地质勘察报告[R].2002-05.
[2] 重庆三峡水电建筑勘察设计研究院. 重庆市万州区大滩口水库工程初步设计报告[R].2002-05.
[3] SL319—2005,混凝土重力坝设计规范[S].
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[9] 张 宏.重力坝基本断面优化设计的程序化[J].杨凌职业学院学报,2016,15(1).
On Anti-slide Stability Scheme for Deep Foundation of Datankou Reservoir Dams
ZHANG Jian1, MA Si-hai2, ZHANG Yi-wen1
(1. Chongqing Water Resources and Hydropower Planning Survey and Design Institute, Chongqing 401120, China; 2.Chongqing Jiao Tong University, Chongqing 400074, China)
Datankou Reservoir Project is a comprehensive water conservancy project, developing and utilizing the water resources of Modaoxi mainstream. The dam construction is the main project of it, and the anti-slide stability for the deep foundation of the dam is the key factor in the safe operation of the project. Because of the weak interlayer in the dam foundation, it is not conducive to the stability of the dam. In accordance to the special geological conditions of dam area, several treatment schemes are put forward for the anti-sliding stability of deep foundation. Combined with its operation status, the analysis and calculation shows that the bolt-beam scheme for dam foundation is effective.
dam foundation; anti-slide stability; bolt beam
2016-12-22
张 剑(1965-),男,高级工程师,大学,主要从事水利水电工程设计、咨询、管理工作。
TV223.2+1
B
1673-0496(2017)01-0004-05
10.14079/j.cnki.cn42-1745/tv.2017.01.002
*马四海为本文通讯作者。