上海电力建设有限责任公司，上海，200031
摘要：本文从我公司承接的印尼某水电站项目经历出发，阐述了坝基强风化基岩的地质情况和对应地基处理方案，说明了在强风化岩体建坝的可行性和适用性。
关键词：强风化岩体、大坝、地基处理
利用强风化岩体作为大坝坝基，其实也是结合项目投资成本和施工工期等方面综合考虑后的被迫需要。但无论出于哪种目的，对于此类不良地质条件的方案优化一直是本行业研究的方向和重点。
我国利用强风化岩体建坝的设计理论其实是基于20世纪中叶以苏联为首的许多国家对于不良地质情况大坝的实践经验。随着我国设计理论的发展和类似项目的成功实践，现在我国设计单位亦具备了针对此类情况的地基处理设计能力和国内项目经验。本文通过阐述印尼某水电站项目在强风化岩体建坝的地基处理设计方案，说明了此方案的可行性和适用性。
印尼某小水电项目位于苏拉维西岛北部的B河上，距离G市约28km左右。项目为河床式小型水电站，大坝为混凝土重力坝。坝高25m，坝顶轴长170m。综合考虑项目成本和施工可行性，大坝的坝基持力层确定为强风化花岗闪长岩，并以帷幕灌浆和固结灌浆作为地基处理方案，建立防渗、加固的坝基体系。
大坝坝址两岸均为第四系覆盖层，主要包括河流冲洪积物(Qpal)及残坡积物(Qedl)，下伏基岩为Tmb组花岗闪长岩。河流冲积物为粉细砂夹少量卵砾石，厚度3-5m。残坡积物多为粉质粘土夹碎、块石组成，厚度3m-10m。Tmb组为花岗闪长岩，岩体多呈浅灰白~深灰色，强至弱风化状，弱风化较坚硬，强风化层整体性状较差，多成角砾状，与岩屑或岩粉胶结在一起，厚度21-23m。
坝段岩体透水性主要受构造发育程度、岩体完整性及岩体风化卸荷程度控制。为查明岩土体的渗透特征，在4个钻孔中进行了14段次的压水试验，7段次的注水试验。试验结果表明，坝段基岩的透水率一般小于10Lu，其中透水率小于5Lu的试验段数占64.3%，基岩透水性弱；河床冲积层含漂砂卵砾石层渗透系数介于10-3cm/s~10-2cm/s，属中等~强透水层。所以坝基设计需要解决上部河床冲积层的透水问题。
表1：钻孔注水试验成果表
钻孔编号 | 钻孔 位置 | 注水段(m) | 注水量(L/min) | 孔径(mm) | 水柱高(m) | 渗透系数 | ||
起 | 止 | 段长 | k(cm/s) | |||||
ZK04 | 左坝肩 | 2.0 | 4.2 | 2.2 | 0.1 | 127 | 4.2 | 7.43×10-6 |
4.2 | 9.2 | 5.0 | 0.74 | 127 | 9.2 | 1.35×10-5 | ||
ZK03 | 坝址左岸 | 3.0 | 4.0 | 1.0 | 4.99 | 127 | 1.3 | 2.2×10-3 |
4.0 | 9.0 | 5.0 | 39.42 | 127 | 1.3 | 6.3×10-3 | ||
ZK02 | 坝址右岸 | 2.0 | 5.0 | 3.0 | 88.45 | 127 | 1.8 | 1.45×10-2 |
ZK01 | 右坝肩 | 5.1 | 8.0 | 2.9 | 10.35 | 127 | 5.1 | 4.59×10-5 |
8.2 | 11.2 | 3.0 | 9.35 | 127 | 7.3 | 7.34×10-5 | ||
表2：钻孔压水试验成果表
孔号 | 位置 | 地下水埋深(m) | 试段深度(m) | 透水率q(Lu) | 渗透性等级 |
ZK04 | 左坝肩 | 13.5 | 19.0~24.2 | 3.49 | 弱透水 |
26.5~31.5 | 1.22 | ||||
ZK03 | 坝址左岸 | 1.5 | 9.5~14.0 | 25.46 | 中等透水 |
15.5~20.2 | 9.0 | 弱透水 | |||
21.5~26.0 | 4.6 | ||||
26.5~31.5 | 1.53 | ||||
ZK02 | 坝址右岸 | 1.8 | 5.8~11.0 | 37.4 | 中等透水 |
12.0~17.0 | 9.84 | 弱透水 | |||
18.0~23.0 | 3.69 | ||||
24.0~28.0 | 3.6 | ||||
28.0~31.5 | 1.78 | ||||
ZK01 | 右坝肩 | 7.3 | 13.0~17.0 | 5.58 | 弱透水 |
17.0~22.0 | 7.98 | ||||
22.0~27.1 | 4.61 |
根据坝基岩体结构特征和中国《GB50287-2006水力发电工程地质勘察规范》附录N“岩体结构分类”标准，坝基强风化岩体可划分为碎块状结构岩体，为V类岩体。将勘察报告强风化岩体承载力特征值（0.8-1.2MPa）与不同工况下的坝基压力（0.174-0.484 MPa）对比，可得坝基强风化岩体强度可满足上部荷载，但需要解决碎块装岩体的裂隙问题，提高其整体性。
表3：坝址区岩体物理力学参数建议值表
岩性 | 风化 程度 | 密度 (g/cm3) | 饱和抗压 强 (MPa) | 变形模量 (GPa) | 混凝土与岩石 抗剪（断）强度 | 承载力 特征值 (MPa) | ||
f | f′ | C′(MPa) | ||||||
花岗 闪长岩 | 强风化 | 2.5 | 15~30 | 0.9~2 | 0.3~0.4 | 0.5~0.7 | 0.1~0.3 | 0.8~1.2 |
弱风化 | 2.7 | 30~50 | 3~5 | 0.4~0.5 | 0.7~0.9 | 0.3~0.5 | 2~4 | |
表4：大坝上部荷载对坝基面压力统计表
计算工况 | 上游坝基压力（MPa） | 下游坝基压力（MPa） | |
大坝坝基面 （标高73m） | 正常蓄水位 | 0.226 | 0.274 |
设计洪水位 | 0.209 | 0.241 | |
施工工况 | 0.484 | 0.121 | |
校核洪水位 | 0.247 | 0.193 | |
地震工况 | 0.174 | 0.326 |
至此，为解决坝基强风化岩体透水性和整体性等问题。本工程地基处理的设计方案大致为清除覆盖层+单排帷幕灌浆止水+基础固结灌浆加固的总体方案。
6.1清除覆盖层
根据钻孔资料及现场地质调查情况，河床覆盖层厚5m左右，主要成分为漂卵石夹少量粉细砂。该层厚度不大，级配不良且承载力差异较大，设计建议清除此层，同时清除表层松动及泥质含量较多的强风化岩体。
6.2帷幕灌浆
参考中标《NB/T 35026-2014混凝土重力坝设计规范》8.4.8款（帷幕孔距可为1.5m-3m应根据工程地质条件、水文地质条件、作用水头，以及灌浆试验资料选定）和美国规范《垦务局重力坝设计手册USBR》(帷幕通常设计中都适用单排孔，孔距为3.05m，但根据基岩情况，孔距也可加大或缩小)，坝基防渗采用水泥帷幕灌浆，单排深入相对不透水层3m，孔距2.00m。河床部位透水率 q≤5Lu 相对不透水层顶板位于基岩面以下 15m-20m；两岸基岩透水率 q≤5Lu 的相对不透水层顶板位于基岩面以下 10m 左右。
6.3固结灌浆
为提高坝基岩体整体性、抗渗能力和抗滑移能力，设计拟对坝基岩体进行有盖重固结灌浆。
参照中标《NB/T 35026-2014混凝土重力坝设计规范》5.1.12款（固结灌浆的孔距、排距可采用3m-4m）和美国规范《垦务局重力坝设计手册USBR》(通常对30.50m及更高的坝，孔距大致为3.05-6.10m)，坝基岸坡斜坡处固结灌浆孔孔深7.00m，间排距3.00m×3.00m；平直段固结灌浆孔孔深5.00m，间排距3.00m×3.00m；坝基河床坝段上下游两排固结灌浆孔孔深5.00m，其余处孔深3.00m，间排距3.00m×3.00m；消力池护坦前两段固结灌浆，孔深5.00m，后一段固结灌浆，孔深3.00m，间排距3.00m×3.00m布置。固结灌浆孔孔位均按梅花形布置。
利用强风化岩体建坝，首先应着重于地质勘探工作。对于不同的地质条件应探明各层的节理、分布、物理特性和渗透特性等。其次，需要进行针对性地地基处理方案设计以克服各种不良地质条件，使得坝基可以满足地基承载力、抗滑稳定、不均匀沉降及坝基防渗要求。
*参考文件：
[1] 《利用覆盖层建坝的实践与发展》，作者：中国水电工程顾问集团公司 党林才 方光达
[2]中标《GB50287-2006水力发电工程地质勘察规范》
[3] 中标《NB/T 35026-2014混凝土重力坝设计规范》
[4] 美标《垦务局重力坝设计手册USBR》
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