复杂地基条件下重力坝抗滑稳定处理措施

杨仕志，肖 烨

(湖北省水利水电规划勘测设计院，湖北 武汉 430070)

喻家河水库工程大坝位于恩施市龙凤镇清水河上。本工程拦河大坝由溢流坝段和两岸非溢流坝段组成。坝顶高程543.0 m，坝顶上游侧设1.2 m高防浪墙，河床段基底高程为483.00 m，相应的最大坝高为60.0 m。非溢流坝段坝顶按考虑碾压混凝土施工和一般交通要求布置，宽为5.0 m，左侧非溢流坝段长度75.00 m，右侧非溢流坝段长150.00 m，溢流坝段宽度为45.00 m，大坝总长270.00 m。

非溢流坝段坝体上游面高程506.00 m以上为直立面，高程506.00 m以下坡度为1∶0.2；非溢流坝下游面坡度为1∶0.7。

非溢流坝段坝体临水侧设0.5 m厚R90200变态混凝土，抗渗等级为W6，其后采用1.5～3.5 m厚的二级配R90200碾压混凝土，抗渗等级为W6；坝基面设0.5 m厚C20常态混凝土垫层；坝体内部为三级配R90150碾压混凝土。

溢流坝段溢流面为C25常态混凝土、边墙为C20常态混凝土，坝体临水侧为0.5 m厚R90200变态混凝土，抗渗等级为W6，其后为1.5～3.5 m厚二级配R90200碾压混凝土，抗渗等级为W6，坝体内部及基础混凝土垫层同非溢流坝段。

喻家河水库工程大坝于2015-04-28日正式开工建设，在工程建设过程中发现，左岸坝段建基面开挖揭露工程地质条件与初步设计报告描述有较大差别(见图1)，设计随即采取了相应的处理措施确保施工安全，2019-12-13日，水库下闸蓄水，蓄水期监测表明大坝工作正常，说明设计采取的措施合理，保证了工程安全，现总结以下经验供类似工程借鉴、参考。

图1 左岸坝段开挖边坡地层岩性展示图

1 坝区特殊的工程地质条件

喻家河水库工程坝区位于柏杨坪向斜西支北西翼地层，单斜地层结构。右岸坝段主要为吴家坪组薄层硅质岩，岩体较完整，上游段岩体完整性好于下游段岩体。下游段岩体局部裂隙夹泥。河床坝段主要为厚层灰岩夹硅质岩互层，硬脆碎特征或厚层灰岩夹硅质岩互层。左岸坝段主要为大隆组泥灰岩夹页岩，层间结合较差。结构面较发育-发育，存在不利于坝基稳定。综上河床坝段和右岸坝段采用常规处理措施即可满足建基面要求，但左岸坝段工程地质条件较差，明显不满足工程建基面要求，需要进行处理。

随着河床坝基及左岸坝段开挖，已揭示大坝河床及左岸衔接部位及左岸坝段工程地质条件较复杂，现场补充勘探显示左岸2号坝段及左岸3号坝段斜坡段岩体风化破碎现象突出，存在下伏缓倾角推覆断层F，断层泥形成软弱夹层，上盘岩体具有“上硬下软”岩性结构特征，临坡开挖边坡强风化岩体及崩坡积堆积发育厚度较厚(见图2)。造成原岸坡地层弱风化下限划分较浅，开挖建基面不满足大坝建基要求。结合3号坝段开挖揭露推覆断层F断层泥形成的断层泥夹层结构的分布为顺层逆向岸坡结构。

图2 2、3号坝段典型剖面图

2号坝段地层自上而下大隆组薄层灰岩下伏灰绿色薄层泥灰岩夹页岩，下伏岩层褶皱发育，灰黑色断层泥夹层结构面，吴家坪组黑色薄层硅质岩。断层泥夹层以上地层倾向左岸偏下游，以下地层倾向下游偏左岸。岩层产状平缓，临坡岩体风化。

左岸坝段开挖范围地层属推覆断层F上盘地层，地层岩性由大隆组泥灰岩夹页岩、大冶组薄层夹中厚层白云质灰岩组成，总体倾向左岸偏下游，近断层影响带岩层褶皱发育，临坡卸荷裂隙及地下水溶蚀作用形成强风化岩体。开挖边坡为缓倾角逆向岩质边坡，虽然整体结构属于稳定类型，但由于地层岩性结构差异风化特征，在开挖过程中，出现临坡岩体松弛变形、局部滑塌现象，根据施工期补充勘察，确认上部强风化岩体及崩塌堆积二次开挖予以挖除。

2 复杂地基条件下设计采取的处理措施

1)在大坝左岸2号和3号坝段上下游增加托板，增加重力坝抗滑底面积，适当利用上游水重。

为保证2号坝段稳定，在上下游分别设置拖板，拖板建基面高程与相应部位大坝建基面相同。上游拖板顶部高程分别为510.0 m(宽8.0 m)、516.0 m(宽10.0 m)、525.0 m(宽11.0 m)，长度延伸至坝轴线上游11.6 m。下游拖板顶部高程分别为510.0 m(宽8.0 m、长22.3 m)、516.0 m(宽13.0 m、长14.1 m)、525.0 m(宽8.0 m、长12.3 m)为保证3号坝段稳定，在上下游分别设置拖板，拖板建基面高程与相应部位大坝建基面相同，上游拖板顶部高程分别为496.0 m(宽11.3 m)、503.0 m(宽5.0 m)，长度延伸至坝轴线上游11.6 m。下游拖板顶部高程分别为495.0 m(宽11.30 m、长10.0 m)、499.0 m、503.0 m。

2)加深2号和3号坝段固结灌浆。2号、3号坝段岸坡地质条件较差，3号坝段坡面486～479 m高程为软弱夹层出露面，有侧向挤胀外凸现象，软弱夹层贯穿2号坝段下部。3号坝段和2号坝段515.0高程以下基础固结灌浆底部高程以476.0 m控制，采用深孔固结灌浆工艺灌浆，间排距3 m，以便下部基础形成整体岩体(见图3)。

图3 2、3号坝段505.0 m以下固结灌浆孔位布置图

3)设置锚筋桩增加抗滑稳定性。根据2号坝段下部软弱夹层深层稳定计算，2号坝段深层抗滑稳定不能满足规范要求，除了增加坝基深层固结灌浆深度以外，3号坝段和2号坝段515.0高程以下采用3Φ32锚筋桩加固，锚桩穿过软弱夹层，下部高程476.00，上部深入坝体混凝土2 m，锚筋桩间排距2 m，梅花形布置(见图4)。

图4 2、3号坝段锚筋桩布置图

4)增加横缝灌浆，将2～8号坝段连成整体。525.0 m以下2～7号碾压混凝土缝面横缝均采用预制横缝模板成缝，缝内设置重复灌浆系统，后期进行接缝灌浆；525.0 m以下碾压与常态缝面采用键槽模板成缝，缝内设置重复灌浆系统，后期进行接缝灌浆；525.0 m以上碾压与常态缝采用20 mm厚闭孔泡沫板分缝。

3 设计计算

根据开挖揭露的工程地质条件和设计采取的工程措施，再次按照《混凝土重力坝设计规范》[1-2]附录E中抗剪断强度公式进行了计算。

1)大坝左岸2、3号坝段稳定应力计算，见表1～表3。

表1 稳定计算地质参数表

表2 大坝建基面抗滑稳定安全系数成果表

表3 大坝建基面应力计算成果表 MPa

计算成果表明，经过增加托板后坝体抗滑稳定及其应力均可满足规范要求。

2)大坝左岸2号坝段深层滑动计算。根据地质勘探成果，2号坝段下伏软弱夹层在坝基范围连续，性状极差，虽然展布呈逆向坡构造，为IV类岩体，降低了2号坝段坝基稳定性，需进行坝基深层抗滑稳定计算(见表4、表5)。

表4 2号坝段深层稳定计算地质参数表

表5 2号坝段深层抗滑稳定安全系数成果表

设计采用《混凝土重力坝设计规范》附录E中抗剪断强度公式进行计算。

稳定安全系数K′：基本组合K≥3.0，特殊组合①K≥2.5。

通过计算，2号坝段深层抗滑稳定不能满足规范要求，除了增加坝基固结灌浆深度以外，采用3Φ32锚筋桩加固，锚筋桩穿过软弱夹层，下部高程476.00，上部深入坝体混凝土2 m，锚筋桩间排距2 m，梅花形布置(见图5)。

图5 2号坝段深层抗滑计算简图

当坝基受坝体水平推力作用时，锚筋抗拔力的水平分力、附加剪面摩擦力及锚筋前部岩体抗力等综合的力学效应，使坝基的承载和抗剪能力有较大提高。锚筋桩沿滑动面抗剪力作为滑动阻力考虑，单根钢筋抗剪值按照钢筋强度设计值75%取值，沿滑动面按照2 m间排距锚筋桩计算滑动阻力总值后代入公式计算，经过处理后2号坝段深层抗滑稳定计算成果见表6。

表6 2～8号大坝整体抗滑稳定安全系数成果表

3)大坝岸坡坝段双向稳定计算。根据地质提供坝基地质参数，结合1、2、3号坝段抗滑稳定计算结果综合分析，大坝河床及岸坡坝段水平段抗滑稳定安全系数均满足规范，由于在岸坡坝段斜段存在地质条件较差的坝基，本次设计中对两岸岸坡坝段进行双向抗滑稳定计算[3-4]，计算成果见表7。

表7 岸坡坝段双向抗滑稳定安全系数成果表

从上述计算结果分析，2、3、7号岸坡坝段双向抗滑稳定不能满足规范要求，由于8号坝段处理稳定系数的临界值，综合左、右岸坝块分缝高程考虑，本次设计中采取了在525.0 m以下各横缝采取接缝灌浆，即将2～8号大坝连为整体，保证大坝整体稳定安全。

4)大坝整体稳定计算。为了提高岸坡坝段侧向稳定，大坝525.0高程以下横缝采用接缝灌浆处理，即2～8号连成整体，处理后的大坝整体稳定计算成果见表6。

计算结果表明，接缝灌浆处理后，2～8号整体大坝稳定计算结果满足规范要求。

4 处理效果

大坝下闸蓄水后的各项观测数据正常、大坝整体性状稳定证明，设计根据2、3号坝段开挖揭露工程地质条件，采取的增加上下游托板、加深固结灌浆、增设锚筋桩、将2～7号坝段连为一体成为整体重力坝等基础处理措施是合理的，可靠的。确保了工程安全。可以供类似工程参考、借鉴。