小坝田水库拱坝坝基处理措施

小坝田水库拱坝坝基处理措施

陈美杏赵景志

广东珠荣工程设计有限公司广东广州510610

摘要：拱坝是利用拱圈把水压力传递到两坝肩的一种坝型，所以拱坝对坝肩地质条件要求较高。特别是坝基座落在软岩上时，必须进行处理，才能保证拱坝的安全。本文以小坝田水库拱坝坝基处理为例，介绍拱坝在软基上的一种处理措施，为中低型拱坝的坝肩软基处理提供参考。

关键词：抛物线双曲拱坝拱梁分载法置换固结灌浆荷载扩散理论

1工程概述

小坝田水库位于贵州省六枝特区梭戛乡的沙子河一级支流小坝田河上，沙子河属于长江流域乌江水系三岔河一级支流，坝址位于梭戛乡小坝田组苏家寨北面的峡谷出口处。坝址以上干流河段长约3.16km，河床平均比降为8.43%，回水长约0.45km；控制流域面积4.8km2；工程主要任务是果树、秋冬蔬菜、玉米、油菜灌溉，兼向六枝特区梭戛乡及附近村寨供水，设计灌溉面积7000亩，并向梭戛乡每年提供56.2万m3的生活用水。

2地质条件

坝址位于梭戛乡小坝田组苏家寨北面的峡谷出口处，处于小坝田小河中下游河段上坝址河水呈南南西向径流。河谷呈窄“V”型谷，河谷窄陡，河床高程1472.0~1474.0m，宽5~8m，正常蓄水位1515.00m，河谷宽125m。河谷宽高比2.3，两岸边无漫滩和阶地发育。两岸为坡耕地，地形相对完整对称，两岸地形坡度多为35~5度左右，坝址主要为T1y1、T1y2、T1y3T1y4泥、页岩，灰岩组成的溶、侵（剥）蚀地形地貌。

大坝坝基持力层由上游至下游依次为夜郎组第二段（T1y2）紫红、褐红色泥岩，顶部为一层灰色厚2.9m的泥灰岩，局部夹有页岩，夜郎组第三段（T1y3）灰色中至厚层状灰岩，地表调查及钻孔录像发现页岩软弱夹层9层，顺河向裂隙主要主要发育在两岸坡，以卸荷裂隙为主。钻孔未揭露大的溶洞，岩芯及孔内录像揭露有较多的小溶孔及溶隙发育。根据大坝压应力及坝基地层展布特征及岩性结构、风化特征、各类岩体允许承载力大小，T1y3地层分布区，大坝建基面需至弱风化岩体方能基本满足设计压应力要求，局部夹层应进行置换处理，T1y2地层分布区存在承载力不足的问题，需对之进行处理。两岸强卸水平深度在5~8m左右，施工开挖时易清除。

根据上述条件并满足拱坝抗滑稳定所需的嵌岩深度、岸坡卸荷带厚度、岩体风化程度、溶蚀程度及结构面的发育情况确定，并结合地形条件及水工布置，拱坝大坝河床段坝基、左岸坡上游侧1473m高程至下游侧1470m高程以下及右岸坡上游侧1485m高程至下游侧1474m高程以下开挖后均为T1y2弱风化中下部泥岩，天然情况下难以满足建基面要求，经设计采取处理后可满足坝基建基面要求，其它岸坡段坝基开挖后为T1y3弱风化中下部灰岩，可作为大坝建基面持力层，两岸必须切穿强卸荷带，深入至较完整的岩体上。

3坝体应力计算

根据坝址处河谷形状、地质条件、坝体应力、稳定、施工条件以及工程投资等因素对坝体体形进行设计。经综合比较，大坝为细石砼砌毛石抛物线双曲拱坝，河床底部高程1474.00m，河床开挖高程1466.00m，起拱高程1467.50m，坝顶高程1517.50m，拱坝最大高度为51.5m，弧长173.08m，坝顶厚5.0m，坝底厚12.0m，厚高比0.23。

经过优化计算并综合考虑各方面因素，拱坝各层拱圈几何特征参数见表1。

拱坝体型设计、优化、应力分析及坝肩稳定计算，采用浙江大学拱坝应力计算程序ADAO进行（该程序通过电力部鉴定，并于95年被列入国家级科技成果重点推广计划，98年荣获国家科技进步奖），在计算机上完成。应力分析方法，采用多拱梁静力分析，分析方法为多拱梁分载法四向协调，坝体划分成9拱23梁，拱圈线型采用抛物线，考虑设表孔溢洪道，并假定坝体自重由梁承担，水压力、泥沙压力、温度荷载及地震荷载，均参与拱梁荷载分配，应力计算成果见表2。

计算成果表明，拟定的体型，在各种荷载组合下，应力状态良好，坝体位移分布均匀合理，满足规范要求。

4坝基处理措施分析

由于拱坝大坝河床段坝基、左岸坡上游侧1473m高程至下游侧1470m高程以下及右岸坡上游侧1485m高程至下游侧1474m高程以下开挖后均为T1y2弱风化中下部泥岩，承载力仅为0.8~1.0MPa，无法满足坝基承载力要求，所以需要进行处理。由于坝基泥岩厚度大，无法完全置换，所以考虑采用扩大坝基垫层的处理方案。同时，对坝基进行全断面固结灌浆，以提高坝基承载力。

垫层采用C20钢筋混凝土浇筑，厚3.0m，上游面加宽2.0m，下游面加宽3.0m，垫层共加宽5.0m。垫层宽度按材料力学方法计算垫层地基应力，垫层应力采用下式进行计算：

两岸坡考虑拱端应力和拱端矩作用，通过材料力学计算公式，把弯矩转化为作用在垫层上的正应力和切向力。

根据ADAO计算结果，考虑右坝肩1485m高程以下及左坝肩1479m高程以下应力，正常蓄水位+温降和校核水位+温升两种工况，在两种工况下，坝基应力处理前和处理后计算结果见表3和表4。

应力合力计算结果见表5和表6。

由表5可以看出，在正常水位工况时，坝基压应力为2.48MPa，超过基础允许承载力[σ]=1MPa的要求。在校核水位工况时，坝基压应力为2.60MPa，超过基础允许承载力[σ]=1MPa的要求。

由表6可以看出，在正常水位工况时，坝基压应力为0.68MPa，满足基础允许承载力[σ]=1MPa的要求。在校核洪水位工况时，坝基压应力为0.71MPa，满足基础允许承载力[σ]=1MPa的要求。

综上所述，通过垫层处理后，坝肩地基应力有明显改善，钢筋混凝土板下部最大应力为0.26MPa（水平方向，校核水位工况），垂直最大压应力0.71MPa（校核水位工况），满足地基允许承载力[σ]=1MPa的要求。

6结束语

拱坝是一种既安全又经济的坝型，由于拱坝优越的结构特点，在地形地质条件满足的条件下，坝型优先采用拱坝。根据拱坝的特点，如果坝体应力局部超过临界状态，造成坝体开裂，坝体应力重分配，坝体仍能保持平衡。如果坝肩岩体失稳或变形过大，就可能造成坝体平衡被破坏，导致坝体失事。对于坝肩地质条件较差的拱坝，必须进行处理，以保证坝肩稳定和减小坝肩变形，以确保大坝的安全。

参考文献

[1]砌石坝设计规范SL25—2006.中华人民共和国水利部发布2006-06-01发布.

[2]水工建筑物设计丛书.潘家铮主编.电力工业出版社.

[3]水工设计手册（第五卷）.北京：水利电力出版社，1989.

[4]拱坝,黎展眉编著.水利水电出版社,1982-12.

[5]工程地质计算和基础处理.潘家铮主编.水利电力出版社.1985.