天生橋水庫除險加固設(shè)計
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曾 旭
（遵義水利水電勘測設(shè)計研究院，貴州遵義 563000）
【摘 要】 天生橋水庫是一座堵洞口成庫的巖溶水庫。通過比較，水庫除險加固設(shè)計選擇了結(jié)構(gòu)簡單、方案經(jīng)濟合理、技術(shù)可靠的溶洞內(nèi)新建拱形堵體方案：本文論述了該工程巖橋穩(wěn)定性和防滲效果的研究工作，分析總結(jié)區(qū)域復(fù)雜的巖溶水文地質(zhì)特征和處理措施，對類似工程具有指導(dǎo)意義。
【關(guān)鍵詞】 拱壩；除險加固；方案比選；優(yōu)化設(shè)計；病險水庫
中圖分類號：TV62 文章編號：10054774( 2016) 03-0040-04
1基本情況
天生橋水庫位于仁懷市合馬鎮(zhèn)境內(nèi)，大壩坐落在赤水河一級支流木溪河中游，壩址以上流域面積33km2（其中閉流區(qū)面積4. 53 km2），原設(shè)計水庫總庫容770萬m3，屬小(1)型水庫。該工程以灌溉為主。
天生橋水庫是一座堵洞口成庫的巖溶水庫，擋水建筑物主要由溶洞進口拱形堵體、堵體護坡砌石拱及上部“巖橋”組成，拱形堵體外半徑為20m，內(nèi)半徑為14m，拱厚6m，堵體高28. 17m，堵體上、下游面采用150號混凝土預(yù)制塊鑲面；護坡砌石拱高19. 92m，采用C15混凝土澆筑而成，厚1. 0m；“巖橋”表面采用混凝土埋塊石護坡．護坡厚度為0.8~1. 0m。
經(jīng)多年運行，上游護坡表面雜草叢生，有多處裂縫，堵體、基礎(chǔ)及兩肩巖體、上部“巖橋”及護坡滲漏嚴重，多處出現(xiàn)塌陷。
2 溶洞及“巖橋”水文地質(zhì)、工程地質(zhì)評價
2.1 地形地貌
工程區(qū)為天然形成的“巖橋”地形，屬典型的巖溶洞穴地貌，其主要由三部分組成：K1溶洞、溶洞頂部“巖橋”及河谷兩岸山體。
K1溶洞主要沿f4斷層發(fā)育形成，洞寬4~20m，洞高20~ 50m，洞長約170m，進口發(fā)育方向近SN向，出口方向N150E，為原木溪河的伏流段，溶洞總體形狀為上寬下窄，呈不規(guī)則形狀，洞壁巖體相對較完整，局部有斜向山內(nèi)的小溶穴發(fā)育，但孔口多被鈣質(zhì)膠結(jié)。下
部洞壁近于直立，呈濕潤狀，局部呈流態(tài)，}同頂“巖橋”局部有滴水現(xiàn)象。洞壁強風(fēng)化厚0.5~1m。洞頂“巖橋”底部強風(fēng)化深3~3. 5m，局部沿斷層或溶蝕裂隙面呈囊狀風(fēng)化，受雨季洪水及地下水長期作用，洞頂及洞壁有鈣化層和石鐘乳分布，巖體內(nèi)存在溶溝、溶槽現(xiàn)象，受f4斷層切割，洞頂構(gòu)造裂隙較發(fā)育，局部存在掉塊和跨塌現(xiàn)象，但總體穩(wěn)定性較好。溶}同上部“巖橋”巖體厚約3.5~42m。“巖橋”為上游薄、下游厚的楔形體，即迎水面為斜坡地形，坡角200~ 400，坡頂為臺地埡口（即天然溢洪道），下游側(cè)為陡崖，高約80m。“巖橋”巖體溶蝕裂隙發(fā)育，表面覆蓋1.5~3. 0m厚的殘坡積黏土，“巖橋”表面已產(chǎn)生3處塌坑，呈圓形漏斗狀斜向溶洞發(fā)育，洞內(nèi)充填黏土碎石，向下逐漸發(fā)育為溶隙。“巖橋”上部為峽谷地形，呈“V”形展開，兩岸山體雄厚。
2.2地層巖性及地質(zhì)構(gòu)造
壩址出露地層為寒武系中上統(tǒng)婁山關(guān)群（∈2-31s）及第四系(Q)。寒武系中上統(tǒng)婁山關(guān)群為灰色中至厚層夾薄層白云巖，角礫狀白云巖。受區(qū)域性斷裂、褶皺及次生斷層的影響，壩址區(qū)巖層產(chǎn)狀變化較大，產(chǎn)狀為N210～740W/NE∠250～550及N550～710E/NW∠510～
610。第四系主要分布在原堵體上游河床內(nèi)的沖洪積(Qapl)砂卵礫石層，以及左右岸坡、河床臺地、“巖橋”表面局部的殘坡積(Qedl)黏土、壤土夾碎石覆蓋。
溶洞主要沿f4斷層發(fā)育，受其影響，工程區(qū)裂隙密集發(fā)育，具有代表性的裂隙有三組：N70~140E/NW∠780~850，為構(gòu)造性裂隙，沿該組裂隙多形成溶隙性巖溶通道；N350~650W/NE /800~850，為構(gòu)造性裂隙，該組裂隙切割多形成陡坎或懸崖；N150~200W/NE∠250～400，為層間溶蝕裂隙，該組裂隙多發(fā)育形成溶隙洞穴。
2.3 巖溶水文地質(zhì)條件
壩址巖性是以白云巖、角礫狀白云巖為主的可溶性碳酸鹽巖類，該類巖組為中等含水巖層，受區(qū)域構(gòu)造的影響，在壩址區(qū)順河流方向發(fā)育有f4正斷層，斷層破碎帶由地表向下逐漸尖滅，發(fā)育為溶隙狀，另外受f4構(gòu)造的影響，在其附近地表一定深度及寬度內(nèi)構(gòu)造裂隙較發(fā)育。河水不斷對f4斷層破碎帶巖體進行淘刷、溶蝕，形成向下游的排泄通道，隨著時間的推移，斷層破碎帶巖體逐漸被河水淘空，進而發(fā)展為今天的K1溶洞。K1溶洞形狀為上寬下窄，且洞壁巖體完整性好，未見有大型次生溶洞發(fā)育，說明溶洞主要沿構(gòu)造發(fā)育。溶洞洞壁下部巖體均為濕潤狀，局部洞壁有明顯的水流狀態(tài)或滴水狀，加之溶洞下游一定范圍內(nèi)未見地下水出露，兩岸坡無洼地、落水洞及巖溶漏斗發(fā)育，說明兩岸坡地表巖溶不發(fā)育，K1溶洞為兩岸山體地下水的排泄基準面和巖溶發(fā)育基準面。
3工程除險加固設(shè)計
3.1 除險加固方案選擇
根據(jù)水庫大壩安全鑒定結(jié)論，原溶洞堵體強度、抗滑穩(wěn)定不滿足規(guī)范要求。此次除險加固設(shè)計對堵體加固以及“巖橋”防滲處理擬定以下三個方案。方案一：在現(xiàn)有堵體上游面對原堵體加固，該方案運料交通較為方便，施工作業(yè)面大，但開挖工程量大，做圍堰較為困難，施工難度大，“巖橋”表面防滲處理可靠性差、工程量大；方案二：在下游溶洞內(nèi)對原堵體加固，該方案運料交通不方便，施工作業(yè)面小，施工難度大，“巖橋”表面防滲處理可靠性差、工程量大，但開挖工程量小，可用原堵體作為圍堰，易施工；方案三：在下游溶洞內(nèi)
靠近溢流進口下部新建堵體，結(jié)合帷幕灌漿以及“巖橋”防滲處理進行加固，該方案運料交通不方便，施工作業(yè)面小，施工難度大，但開挖工程量小，“巖橋”防滲處理工程量小，可用原堵體作圍堰，易施工。
綜上所述，考慮到對原堵體加固處理施工會對原堵體帶來不利影響，且原堵體至溢洪道進口段巖體單薄，溶隙發(fā)育，長期承受較大的水壓可能被擊穿或失穩(wěn)，故選擇在原堵體下游地質(zhì)條件相對較好的洞段新建堵體方案。為了降低工程投資，結(jié)合新建堵體段洞形、地質(zhì)條件，擬選混凝土拱形堵體。
3.2堵體結(jié)構(gòu)設(shè)計
新建堵體在原堵體下游約45m處，該洞段洞高38～48m，寬7.63~13. 69m，溶洞成不規(guī)則的狹縫形，頂部較寬，多被鈣化層、石鐘乳覆蓋，下部較窄，至底部沿f4斷層呈縫隙尖滅，洞壁陡峭，多呈濕潤狀。洞壁巖體多被鈣質(zhì)膠結(jié)物覆蓋，局部有小溶穴、溶孔等發(fā)育。
其裸露段巖體完整性較好，受構(gòu)造的影響，溶洞巖體受N70~140E、N350~ 650W和N150~200W三組裂隙切割洞壁面凹凸不平，洞壁陡、直及出露巖體完整性較好，溶洞內(nèi)裂隙發(fā)育較弱，洞壁基巖強風(fēng)化厚0.5~1. 2m，洞頂“巖橋”底部強風(fēng)化厚3~4一n。新建堵體為材料C20混凝土，厚為8～15m、高為46. 05m的拱形堵體，基礎(chǔ)及側(cè)面嵌入基巖不小于3. 0m，頂面清挖不小于1m，與基巖接觸面用ɸ20錨筋連接，其單根長為3m、間距為2m，呈梅花形布置。在堵體頂部預(yù)埋回填灌漿管，兩側(cè)面預(yù)埋接觸灌漿管，以保證堵體與巖體緊密結(jié)合。新建堵體為拱形結(jié)構(gòu)，上游面為鉛直面，相應(yīng)堵體基礎(chǔ)高程581. 06m、頂高程627. 11m。另外由于原堵體基礎(chǔ)及周邊巖體滲漏嚴重，在585. 50m高程新建堵體布置一根ɸ1000鋼管作施工期新老堵體之間的放空和排水，出口設(shè)ɸ1000閘閥。堵體體型主要幾何參數(shù)如下表所列。
4防滲處理
4.1 防滲方案的選擇
根據(jù)新建堵體的位置，防滲方案為帷幕灌漿與“巖橋”防滲處理相結(jié)合。為了增大防滲的可靠性，減少“巖橋”防滲面積，防滲帷幕線橫切新建堵體沿堵體上游側(cè)布設(shè)。
4.2防滲處理設(shè)計
4.2.1 “巖橋”表面防滲結(jié)構(gòu)處理
由于帷幕線在“巖橋”約有25m長起灌高程低于正常蓄水位660. 50m（見下頁圖所示），以致于該部分“巖橋”表面需進行防滲處理。清除原656. 50m以上“巖橋”迎水面護坡混凝土埋塊石及原未清挖完的覆蓋層黏土，并對溶蝕裂隙進行擴挖回填。采用C20鋼筋混凝土防滲面板，其厚度為0. 3m，防滲面板采用ɸ20錨筋與基巖連接，其單根長為3m、間距為2m，呈梅花形布置。
4.2.2 防滲灌漿設(shè)計
a．防滲標準：
該工程的正常蓄水位高程660. 50m，新建堵體基礎(chǔ)高程580. 00m，水頭差80m。根據(jù)《水工建筑物水泥灌漿施工技術(shù)規(guī)范》(SL62-94)及該工程區(qū)出露巖體均為可溶巖、巖體內(nèi)構(gòu)造裂隙較發(fā)育、地下水位較低、K1溶洞在一定深度范圍內(nèi)及以上巖體透水率較大，故防滲標準采用巖體的透水率q≤3Lu。
b．帷幕邊界確定：
因該水庫為堵洞成庫的巖溶水庫，出露地層巖性為寒武系中上統(tǒng)婁山關(guān)群灰色中一厚層夾薄層白云巖、角礫狀白云巖，巖層整體傾下游，受區(qū)域構(gòu)造及壩址區(qū)f4斷層的影響，該區(qū)巖體一定深度范圍內(nèi)裂隙及巖溶發(fā)育，強風(fēng)化較深且差異較大。庫水主要通過“巖橋”及近岸山體橫向補給K1溶洞。特別是原堵體至溢洪道進口段“巖橋”受構(gòu)造裂隙切割，巖體完整性較差，透水率較大，加之水頭較高，地面施灌單孔深度多大于100m，這對灌漿工藝控制及灌漿效果的把握要求較高，故在612. 00m高程堵體及巖體分別設(shè)置灌漿廊道和灌漿平硐，以減小單孔孔深。為了增大防滲的可靠性，“巖橋”部分設(shè)雙排帷幕。
主帷幕線沿橫切新建堵體至兩岸坡，距堵體頂部上游邊界約3. 0m，帷幕邊界條件采用可溶巖地區(qū)繞滲公式L= H/3 +C計算確定，計算得L=50m。并對岸坡可能繞滲范圍內(nèi)巖體進行封閉。故左岸帷幕線端點地表高程為682. 70m，右岸帷幕端點地面高程為696. 80m;溶洞段底界以f4斷層控制，其底界深入溶洞底部高程以下15m，左右底界以深入岸坡地下水位線以下10m為準。
帷幕防滲設(shè)計主帷幕線長108m，副帷幕長26m，防滲有效進尺3454. 0m，防滲面積900m2；搭接灌漿孔242個，搭接灌漿進尺680m。
c．帷幕灌漿先導(dǎo)孔設(shè)計：
為了解灌漿有關(guān)參數(shù)，把部分灌漿孔設(shè)置為先導(dǎo)孔，并孔內(nèi)做壓水試驗和灌漿試驗，為以后的灌漿施工提供可靠參數(shù)依據(jù)。帷幕防滲邊界和底界先導(dǎo)孔根據(jù)資料做優(yōu)化調(diào)整。
5結(jié)論
a．天生橋水庫是一座堵洞成庫的巖溶水庫，本文對溶洞中拱形堵體結(jié)構(gòu)的設(shè)計、“巖橋”穩(wěn)定性和防滲效果進行了研究，分析總結(jié)區(qū)域復(fù)雜的巖溶水文地質(zhì)特征和處理措施，對類似工程具有指導(dǎo)意義。
b．溶洞內(nèi)筑拱壩不僅設(shè)計上有一定的難度，而且施工上存在較大的困難，除了施工場面狹窄外，還有放炮共振引起洞穴掉塊及原堵體結(jié)構(gòu)安全等問題，開挖過程中易發(fā)生洞壁、洞頂滑坡掉塊等不安全因素。因此溶洞內(nèi)筑壩施工技術(shù)值得總結(jié)和推廣。
c．該工程除險后，經(jīng)鉆孔壓水試驗、蓄水觀測等，設(shè)計是合理可行的，達到了除險加固的目的。
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