万家寨水利枢纽坝基层间剪切带处理.doc

万家寨水利枢纽坝基层间剪切带处理张嘉晔 徐维国摘 要 层间剪切带是万家寨水利枢纽工程大坝基础的主要工程地质问题，在坝基部位共发育有10条层间剪切带。其中3条剪切带连续性较好，分布范围较大，构成相对软弱结构面，是大坝抗滑稳定的薄弱环节，需进行技术处理，经技术分析，确定采用建造抗剪平硐，辅以细水泥灌浆补强的方法对坝基进行加固处理，从而稳妥、可靠地解决了大坝抗滑稳定问题。关键词 水利枢纽 坝基 层间剪切带 抗剪平硐一、工程地质概况万家寨水利枢纽工程坝址区河谷呈“U”形，两岸岩壁陡峭，坡度7580。河床基岩多裸露，覆盖层厚度0.52.0m。岩面高程约896897m。河谷地层主要由寒武系、奥陶系组成，岩体为中厚层及薄层灰岩、白云质灰岩、白云岩、片状泥灰岩、页岩等。岩体比较完整、坚硬，单轴饱和抗压强度约6090Mpa，岸坡岩石风化程度较浅。层间剪切带是万家寨水利枢纽工程大坝基础的主要工程地质问题。河床部位，在张夏组第五层内共发育10条层间剪切带，自上而下编号为SCJ01SCJ10。层间剪切带厚度一般在412cm，起伏差0.530cm，构成物质主要为泥灰岩及薄层灰岩岩块、岩片和少量岩屑泥等，其矿物成分主要为方解石、伊利石，遇水均不具膨胀性。其中6条层间剪切带在设计建基面以上，均已挖除；1条层间剪切带在设计建基面附近，确定采用挖除方法处理；3条层间剪切带，性状差，连续性好，分布范围较大，构成相对软弱结构面，是坝基抗滑稳定的薄弱环节。二、坝基抗滑稳定分析结果由于坝体与基岩接触部位有一定的埋深，且经检测主要抗滑指标达到设计要求，不会产生沿接触面滑动问题。因而大坝抗滑稳定分析主要考虑层间剪切带对大坝抗滑稳定的影响问题。大坝抗滑稳定计算结果表明：河床右侧坝段当不考虑厂坝整体作用时抗滑稳定安全系数接近或大于2.0，说明坝体自身有一定的安全度；当考虑厂坝整体连接的作用时，各坝段基本组合工况下安全系数大于3.0，说明河床右侧坝段抗滑稳定有保证。河床左侧泄流坝段（#4#10坝段）沿SCJ08或SCJ10层间剪切带单面滑动时，坝体自身安全系数较小，一般在1.301.70之间，考虑长护坦下部岩体的作用计算至下游冲坑时，安全系数大部分在2.02.3之间，说明#4#10坝段抗滑稳定系数较低，应采取措施对层间剪切带进行处理，以加固大坝基础。三、层间剪切带处理措施的选择根据国内外实践经验，若主要是为了解决坝基抗滑稳定问题而进行的层间剪切带处理的技术措施，一般应以结构措施为主。而不宜用或少用灌浆措施，特别是化学灌浆，因其投资大而收效小。万家寨水利枢纽工程在层间剪切带处理措施选择的问题上，对预应力锚索、混凝土抗剪桩、混凝土抗剪平硐、化学灌浆等方案进行了分析比较：预应力锚索和混凝土抗剪桩方案对本工程提高大坝抗滑稳定安全系数效果不明显，因而不宜采用；混凝土抗剪平硐受力明确，能够提供较大的抗力，且工程上成功应用的实例较多；基础化学灌浆方案具有在不扰动原岩结构条件下提高基础物理力学指标的特点，在龙羊峡等工程亦有成功应用，但目前单纯以化学灌浆措施大面积加固坝基提高抗剪强度指标的工程实例还较少。经12组原位大型剪切试验和46组中型剪切试验及化学灌浆试验等技术经济综合比较，确定采用以混凝土抗剪平硐为主，辅以细水泥灌浆补强方案处理，建造3条抗剪平硐及支硐。四、层间剪切带处理1.抗剪平硐开挖#1抗剪平硐位于#3坝段及护坦基岩部位，先期为大型抗剪试验平硐，断面2.0m1.8m，长70m。采用预裂爆破与光面爆破相结合的方法进行开挖，掏槽型式为直孔桶形掏槽，YT-26型气腿式风钻造孔，非电毫秒导爆雷管起爆，#2岩石乳化炸药爆破。为对已建建筑物减小爆破震动影响，采用多打孔，少装药的方法，取得了较好的效果。当平硐内大型剪切试验完毕后，设计将试验平硐改建为抗剪平硐，对原平硐进行扩挖，断面尺寸改为4.0M5.5m，硐顶在SCJ08层间剪切带以上1.5m，硐底在SCJ10层间剪切带以下2.0m。对于边墙和顶板的扩挖，以光爆孔为主，加适当辅助孔进行，每循环进尺2.5m。底板扩挖采用打水平孔进行爆破，以主爆孔为主，并在底板打一排光爆孔来保护底板，底板扩挖每循环进尺1.5m。#2抗剪平硐长度124.27M，#3抗剪平硐长度145.78M，断面宽度与#1抗剪平硐相同，高度4.05.5m，其爆破布孔及装药参数均参照#1抗剪平硐做适当调整。惟#3抗剪平硐由于距离帷幕线最小距离仅22.5m，为减少开挖爆破震动对帷幕产生的影响，设计要求距爆破点8m处的质点震动速度为3cm/s。根据多次现场试验结果得出，在单响药量为2.2kg时，距离爆破点8m处质点震动速度为3.04cm/s。最后采取掏槽的9个孔用火炮实现单孔单响，爆破孔采用非电毫秒导爆雷管、孔内外延时的爆破网络实现两孔一响的爆破方法。单响药量控制在2kg以内，每次爆破的总装药量控制在20kg以内，效果较好。2.抗剪平硐混凝土回填抗剪平硐混凝土回填分为42段（仓号）进行，混凝土浇筑用泵送混凝土入仓，人工振捣。混凝土由拌和楼拌和，混凝土搅拌车运送供给。混凝土浇筑分两层进行，第一层厚度3m，第二层厚度2.5m，分层处距SCJ10层间剪切带不小于0.5m。水泥采用低热微膨胀水泥。回填混凝土标号为R90250D50S4，二级配，坍落度分别为911cm和1315cm。浇筑前首先在基础面或混凝土面铺设23cm厚的水泥砂浆。浇筑第二层时其顶部1m高度范围内采用一级配混凝土或砂浆，不考虑振捣，待混凝土强度达到要求后，按混凝土浇筑顺序采用水泥浆，细水泥浆进行回填灌浆和接触灌浆。3.抗剪平硐灌浆抗剪平硐灌浆分为回填灌浆、接触灌浆、补强灌浆三种。回填灌浆：灌浆采用预埋管路方式，对硐顶部脱空部位进行回填灌浆。灌注浆液为水泥砂浆，水泥采用大同水泥厂产525号普通硅酸盐水泥，砂采用天然砂，细度模数2.42.8。水泥砂浆配比有水泥砂水为1.01.01.0、1.01.21.0、1.01.51.0、1.01.00.8、1.01.20.8五种。灌浆压力0.20.4MPa，进浆管停止进浆后延续10min结束灌浆。回填灌浆共计39段，灌浆面积5532m2，注入水泥78326kg，砂79265kg。接触灌浆：抗剪平硐回填灌浆完成后，为了加强回填混凝土与围岩接触紧密性，又进行了接触灌浆。#2、#3抗剪平硐接触灌浆采用预埋管路方式；#1抗剪平硐采用从上部钻孔到硐顶的方式。灌浆浆液采用湿磨细水泥浆，即用大同水泥厂产#525普通硅酸水泥搅拌成水泥浆，再通过湿磨机磨细后使用，要求磨细后，粒径Dmax为55mD90为40m。细水泥浆液中掺加适量的DH3高效减水剂，浆液水灰比采用2、1、0.6三个等级。灌浆压力0.20.4MPa3条抗剪平硐接触灌浆共计完成6400m2注入水泥42700kg。补强灌浆：为尽量减少因开挖造成的围岩松弛圈影响，尽量使抗剪平硐回填混凝土与围岩接触紧密，于回填灌浆、接触灌浆完成后，在第一、二基础排水廊道、横向廊道、#5坝段扬压力观测廊道、护坦及堰面布置钻孔，对抗剪平硐四周和硐壁进行补强灌浆。同时对#4#10坝段坝基灌浆帷幕也进行了补强灌浆。补强灌浆均采用湿磨细水泥浆液。坝基加固处理后大坝抗滑稳定计算结果表明，#4#10坝段沿SCJ08、SCJ10剪切带抗滑稳定安全系数有较大提高。各坝段基本组合沿单面滑动面抗滑稳定安全系数为3.003.54，大于允许最小安全系数3.0；特殊组合抗滑稳定安全系数为2.833.21，大于规范规定最小安全系数2.5。说明经过加固处理后河床左侧各坝段抗滑稳定有足够的安全储备，大坝安全有保证。另外，在选择层间剪切带处理措施时，还进行了化学灌浆试验。共布置了两个试验区，试验程序均为先进行高压水泥灌浆封闭，然后进行化学灌浆。化学灌浆采用了JX、SK-E和中化-798三种环氧型浆液。两试区共完成水泥灌浆333.82m，化学灌浆377.6m。水泥灌浆的平均单位注入量一试区为204.19kg/m，二试区为49.34kg/m。化学灌浆的平均单位注入量一试区为82.8L/m（JX浆液），68.37L/m（SK-E浆液）；二试区为30.39l/m（中