洪家渡面板堆石坝基础开挖及处理设计

摘要：洪家渡面板堆石坝处于高山峡谷岩溶地区，面板堆石坝高179.5 m，河床宽高比2.38。在坝基开挖设计中，通过认真研究趾板区的地形地质条件，将趾板上部高边坡、趾板基础及趾板下游的堆石体边坡开挖统筹考虑，一次开挖完成。在坝基处理中，根据开挖揭露的多种不良地表形态和地质缺陷，制定了相应措施，满足了工程要求。这些设计方法和处理措施将为岩溶峡谷地区修建面板堆石坝积累有益的经验。关键词 洪家渡面板堆石坝 基础开挖 处理 设计

关键词：洪家渡面板堆石坝 基础开挖 处理 设计

1 概述

洪家渡水电站为“西电东送”首批开工项目的启动工程，在峡谷地区修建高面板堆石坝是该水电枢纽的显著特点。面板堆石坝高179.50 m，坝顶长427.79 m，河床宽高比为2.38，坝体填筑方量约900万m³。在我国对峡谷地区修建高面板堆石坝尚少设计和施工经验情况下，洪家渡面板堆石坝针对两岸陡高边坡坡的特点，将高边坡开挖与趾板基础和坝基开挖较好的结合起来，实现了趾板一次定线开挖到位，无需二次定线；并率先在高面板堆石坝中采用了4.5+X的等宽窄趾板技术，减少高边坡的开挖。在施工过程中，根据开挖揭露的复杂地表形态和地质缺陷，制定了切实可行的处理措施。目前洪家渡面板堆石坝趾板及坝基开挖已完成，坝体经济断面已填筑到挡100年一遇洪水渡汛高程，坝体已填筑高57 m，实施表明，坝基开挖所采取的设计方法和处理措施是积极可行的。

2 地形地质条件

坝址区间河段长约1.5 km，河流流向由S45°W转向S45°E，形成向西凸出的直角河湾。右岸支流底纳河以伏流形式在转弯端点流入干流，转弯点以上左岸为25°～30°的顺向坡，各引水建筑物进水口均位于此缓坡带；右岸为高190 m左右、坡角75°～85°的陡壁。坝址位于河弯下游，坝址河谷为不对称“V”型谷，两岸山高300~400 m左右，由于岩性软硬相间，在左岸形成高达100 m以上之灰岩陡壁，其间为宽80～120 m的泥页岩缓坡；右岸为25～40度的缓坡。枯期河水位976.50 m，水面宽约30m，水深3～4 m，河床中线地面高程970～976 m，水下地形平缓，河床无深槽。

坝区从上游至下游，出露地层为三叠系下统的永宁镇组的第一段（T₁yn¹），夜郎组的第三段九级滩段（T₁y³）、第二段玉龙山段（T₁y²）及第四系。T₁yn¹为厚层、中厚层夹薄层灰岩，厚210～237 m ；T₁y³为泥页岩夹泥质灰岩，厚75～85 m；T₁y²为薄至中厚层灰岩，厚275～305 m；第四系为厚1～8 m的河床冲积砂卵砾石层（Q^al）与厚1～45 m的坡积、崩积碎石、块石夹粘土层（Q^dl+col）。

坝区岩层为单斜构造，岩层走向N60°～70°E，与河流约成70交角，倾向NW，倾角25°~55°。对坝基及边坡有影响的主要有F₃、F₆、F₈、F₁₃等4条断层，其特性见表1。

坝肩主要发育裂隙2组，其中走向NE、NW向各1组，以陡倾角为主。卸荷裂隙主要分布在两岸地层T₁yn¹、T₁y²灰岩陡壁上，主要沿N70°～80°W与N10°～30°W两组构造裂隙发育，水平深度12～15 m，对左岸坝肩高边坡稳定有影响。

表1 坝基断层特性表

编号	属性	产状	破碎带宽（m）	备　　 注
F3	逆断层	N57～60°E NW∠37～40°	0.1～0.5	发育于左坝肩陡壁，出露线斜切岩层向上游逐渐降低，至河床趾板处插入河床。
F6	正断层	N39～80°E SE∠45～85°	0.8～2	发育于Ⅱ号冲沟口及左岸坝轴线附近
F8	平移 正断层	N45～89°E SE∠41～80°	1～4	发育于坝轴线右坝肩，斜切河谷向左岸延伸。沿断层带及其附近发育岩溶管道系统，如K40溶洞、K80-2溶洞等。
F13	逆断层	N30～60°E SE∠40～60	0.6～4	发育于右岸Ⅲ号冲沟、左岸PD21号平硐上游侧陡壁。

坝肩及坝基分布T₁yn¹、T₁y²两大层可溶岩层，岩溶较发育，岩溶形态以溶洞、溶沟溶槽、溶蚀裂隙为主，沿断层带岩溶发育。地下水主要表现为岩溶裂隙流及岩溶管道流，两岸地下水均高于河水位，属地下水补给河流类型。

两岸T ₁yn¹与T₁y²岩体风化程度微弱，微风水平深度10～15 m，岸坡铅直深度5～20 m，局部断层交汇处、缓坡地带风化深度有所增加。T₁y³泥页岩风化强烈，分强、弱、微三带，强风化水平厚度5～10 m，弱风化水平厚度15～30 m，微风化水平厚度15～20 m，强弱微局部达35～45 m。

坝基覆盖层为河床冲积层砂卵砾石和两岸坡积层碎石、块石夹粘土，变形模量较低，一般不能满足堆石坝对地基的要求，需要全部挖除。

3 趾板及坝基边坡开挖设计
3.1 趾板开挖设计
3.1.1 趾板基础开挖设计
河床及两岸趾板均布置T1yn1灰岩上，趾板基础座落于微风化线上层，河床及岸坡较缓部位根据微风化线确定趾板嵌深。对于陡岸坡特别是左岸坝轴线上游80 m范围，堆石体边坡按1：0.5开挖，沿岸坡向上延伸为趾板基础。趾板型式为趾板面等高线垂直于趾板基准线的平趾板，为减少趾板以上高边坡的开挖，趾板各段均为等宽趾板，宽度为4.5 m。
趾板开挖一般以趾板的“X”线进行控制，但当河峡窄、两岸陡竣，两岸趾板的走向与河谷走向交角小时，“X”线往往位于趾板以外的边坡内，不便于施工开挖控制。洪家渡趾板设计通过建立坝体的三维坐标系统，直接给出了沿“Z”线趾板基础条带的上下游端点的座标和高程用于开挖控制；“Z”点为面板底面线与趾板下游端面线的交点，是坝体填筑时上游面的起始控制点，各段趾板“Z”点相连形成“Z”线。趾板变厚和转折处采用局部小斜坡进行连接，亦直接提供角点座标进行精确开挖控制。实践表明，效果较好。
3.1.2 趾板下游侧岸坡开挖设计
趾板下游岸坡的坡度是影响周边缝变形的重要因素，《混凝土面板堆石坝设计规范》（SL228-98）对此作了专门的规定，其坡度不宜陡于1：0.5。洪家渡面板堆石坝趾板下游岸坡开挖结合两方面进行设计：一是岸坡总坡度按不陡于1：0.5设计；二是趾板下游设防渗区，作为等宽窄趾板满足渗径长度的补充段。防渗区布置形式为：在坝体横剖面上，河床部位趾板基础下游设30 m的水平段，岸坡部位防渗区段长20 m；当趾板基础后防渗区地形不能满足以上要求时，需用贴坡混凝修补坡面，使其满足要求；在坝体填筑时，垫层料和过渡料游延伸至水平段形成反滤。防渗区基础进行孔深4 m的固结灌浆、锚杆Φ25@2×2 m（L=4 m）、和15 cm的挂网喷C20聚丙烯纤维混凝土处理。尽管对陡岸坡采取了削坡和混凝土贴坡处理措施，但仍有部分坡段较陡，为减小堆石体变形的梯度，靠陡岸坡设置了低压缩性的特别碾压区。
趾板下游侧岸坡开挖以平切图进行控制，在平切图中，岸坡趾板基础后根据趾板外侧岩体厚度，以平行于河谷中心线或与该线成15°角方向开挖长20 m的防渗板段，其后再以30°或45°角与岸坡连接。
3.1.3 趾板以上边坡开挖设计
趾板以上开挖边坡为永久边坡。左岸边坡条带高110～150 m，为逆向坡，稳定性好，边坡按15 m一级马道垂直开挖，马道宽3.75 m，总坡比为1：0.25；为防止施工爆破和二次卸荷隙影响陡高边坡的稳定性及保证运行期面板堆石坝的安全，边坡上部采用150 t级预应力锚索进行锁口加固。右岸边坡条带高60 m左右，为不完全顺向坡，采用斜坡开挖，坡度为1：0.2，每隔15 m设宽3 m的马道，总坡比为1：0.4。
趾板以上开挖边坡的坡面形状结合趾板进行布置。在趾板定线后，开挖边坡马道布置由低向高推进，马道随趾板的转折呈折线布置，各级马道相互平行，马道转点在平面上的连线为一直线；上下级马道端头与趾板基础内边线间以三角形斜坡段连接，三角形斜坡段为马道布置的起始控制段，按设计坡比定出马道与趾板走向的夹角后，便可平行下级马道推出该级马道的布置。一般情况下，为了避免边坡出现稳定性差的凸形坡，三角形斜坡段的坡比为设计总坡比。
由于左岸坝轴线部山体较高，趾板及坝基开挖后，坝轴线部位边坡在立面上形成错台，通过稳定分析，坝顶高程以上坝轴线部位边坡向河床偏转30°过渡到原始边坡。
3.2 坝基开挖设计
趾板区的坝基结合趾板开挖一次开挖成型，坝轴线上游陡岸按不陡于1：0.5边坡开挖。在坝体轮廓范围内，九级滩泥页岩坡面，需清除表层覆盖层及强风化层的松散岩体，基面岩体湿抗压强度达10~15 MPa；灰岩地段，清除表层覆盖层至层状岩层，对溶蚀破碎带、溶沟、溶槽内充填物进行清除，用铁锹挖不动即可；覆盖层清除后的达标基面，边坡应保持稳定状态。没有覆盖层的地方需清除表面松动石块、凹槽内积土和突出的岩石，以及树根草皮。
4 坝基处理设计
4.1 坝基地质缺陷处理
在坝基坑及两岸边坡开挖中，揭露出的主要地质缺陷为：① 溶沟溶槽及溶洞，主要出现在灰岩中；② 破碎带，主要指断层、溶蚀及裂隙等不规则凹陷破碎带；③ 涌（泉）水，在九级滩页岩（T1y3）中主要表现为裂隙性渗水，在九级滩页岩（T1y3）与玉龙山灰（T1y2）接触带和玉龙山灰（T1y2）中主要表现为岩溶性及裂隙性涌水。
4.1.1 溶沟溶槽及溶洞的处理
在坝基范围内多处发育溶沟溶槽，且分布范围广，形状不规则，难以定量确定位置和形状，其处理原则为：对开口宽度小于5 m、振动碾不能到达的沟槽用C15块石混凝土回填（块石含量不大于20 %）。
趾板开挖中，在右岸趾板E11~E12段，遇宽40~50 m、深50~60 m的溶塌堆积体，形成上宽下窄的梯形溶槽，其上部为陡倾角层状灰岩夹粘土，下部为河流冲积的砂卵石及黑色有机质淤泥，不能作为趾板及大坝基础，将其全部挖除后，用混凝土回填修补，形成趾板和坝基基础。
坝基开挖揭露的溶洞，将洞口段的充填物清除后，用C15块石混凝土回填并进行回填灌浆，以保证坝基边坡的稳定。
4.1.2 破碎带的处理
趾板部位：对趾板基础有影响的有F6、F8和F3断层，F6、F8断层以较大的交角穿过趾板基础，F3断层走向与趾板交角较小，影响范围较大。对断层破碎带采用开挖后回填混凝土处理，开挖深为0.5倍破碎带宽度，开口宽度为2倍破碎带宽度，然后用C15混凝土回填，形成混凝土塞，并进行深15 m的固结灌浆处理。坝基部位：清除破碎带后，形成的狭窄沟槽按溶沟溶槽的处理措施进行处理。
开挖揭露，左岸近河床部位，趾板基础下侧的F3断层与其呈现较小的夹角，且断层破碎带含块石夹泥层，对运行期趾板基础的受力和抗冲蚀性有极为不利的影响。其处理措为，将趾板基础F3断层上盘岩体全部清除，沿开挖后的新建基面布置锚杆，用同标号混凝土回填，并与趾板混凝土同时浇筑，并在趾板靠山侧增设侧向锚杆。
4.1.3 泉（涌）水处理
小涌（泉）水点处理按以下方式进行：为避免汛期涌水引起堆石体中的细颗粒料流失，产生管涌破坏，对所有出水点作反滤处理。处理方式为：①清除出水点空腔及周边的松动块石淤沙；②在出水空腔内回填块石（块石大小视出水点空腔而定）；③在出水口上铺设两层5 cm厚的塑料盲材；④回填100~200 cm厚的过渡料；⑤最后填筑主堆石料。
在坝基下游（桩号纵下0-120）左岸（高程约972~980 m）揭露W120泉水点，填筑前估测流量约15~100 L/s，为有利于堆石填筑，避免运行期该泉水点的涌水掏刷大坝堆石体，以及分测运行期坝体漏水与坝基渗水的情况。对该泉水点，采用封闭泉水条带、埋管引排处理。封闭方式：顺泉水出露的条带采用C20三级配混凝土进行封闭，混凝土外轮廓形状(高度和宽度)根据现场岩石起伏确定，但外包混凝土距岩石的厚度应大于50 cm。引排方式：先清除W120泉口段空腔内的松动块石和淤沙，然后回填块石，最后埋入铸铁管(铸铁管口用塑料排水盲材进行反滤保护)。铸铁管引出外包混凝土后进入坝体堆石体区，在堆石区内先在基岩上铺一层经找平碾压的主堆石料(厚度大于50 cm)，然后按反滤原则进行保护。铸铁排水管施工期引至坝区集水坑，运行期(永久)引至厂房尾水渠挡墙顶部。
4.2 坝基表面形态缺陷的处理
坝基表面形态缺陷主要指以下方面： ①倒悬，指与坡向成反倾向的岩体；②陡坎，指坡高H≤5 m的岩体；③陡坡，指坡高H＞5 m，且坡度≤73°的岩体；④陡壁，主要指坡高H＞5 m，且坡度＞73°的岩体。
处理措施：趾板区岸坡及坝轴线上游侧岸坡出露的倒悬和陡坎采用混凝土回填处理（C15，三级配）。倒悬和陡坎处理后坡度应不陡于1：0.3~1：0.5，坝轴线上游范围内的倒悬及陡坎高度2 m＞h≥0.8 m的地方原则上也应进行混凝土回填处理；坝轴线上游的陡坡和陡壁经混凝土回填处理后坡度仍陡于1：0.5的陡坡，填筑时，在距陡坡面30 m范围内，按特别碾压区料（3BB）施工要求进行碾压，以降低堆石沿陡坡面的变形量。
在混凝土回填处理施工中，采取了有利于加快施工进度的施工工艺措施，如堆石填筑与混凝土回填平行上升的施工措施等。
4.3 勘探平洞及钻孔的处理
在趾板和坝体覆盖范围内共有10个勘探平洞，其中伸入趾板区的平洞有6个，其余位于堆石体覆盖范围内。趾板区内的平洞全部采用C15混凝土回填，以保证趾板下部边坡的稳定和帷幕灌浆的质量；坝基部位的平硐洞口10 m段采用C15混凝土回填，洞身采用M75浆砌石回填。勘探平洞回填时均预埋PVC塑料管进行回填灌浆处理。
坝基范围内的地质勘探钻孔均要求用M15水泥砂浆回填处理。其方法是：先进行扫孔，孔内残渣深度不大于20 cm，再进行孔内冲洗，然后下管至孔底注注浆，慢慢向上提起至孔口返出同浓度浆液为止。在实际施工过程中，由于河心孔一般在进行勘探结束后，都进行了水泥浆封孔处理，因而有些钻孔不易找到。
5 结语
　　5.1 面板堆石坝基础开挖设计的重点是趾板开挖，由于洪家渡面板堆石坝处于峡谷地区，岸坡陡竣，趾板开挖设计与上部高边坡及坝基陡岸开挖有密切关系，趾板上部高边坡的开挖也成为坝基开挖的一个重要部分，需统筹考虑，确保各部位满足可实施性、功能性和安全性要求。
　　5.2 由于面板堆石坝基础开挖范围大，特别是在岩溶地区受断层和溶蚀的影响，坝基开挖中不可预见的不良地表和地质缺陷多，坝基处理的工程量较大，在坝基开挖设计中应重视这一因素，并在施工安排时给坝基处理留有足够的时间。
　　5.3 坝基陡岸坡在经过削坡或混凝土贴坡处理后，基础条件得到了较大的改善，但为进一步减少堆石体沿陡坡面的变形量，在靠岸坡部位设置低压性的特别碾压区是必要的。