李振连 潘晓红
（水工设计处）

(摘要)后河水库工程两岸坝肩，由于缓倾角及顺河向陡倾角结构面的存在，使坝肩山体单薄、破碎，影响坝肩稳定，设计利用混凝土硐塞处理缓倾角结构面，利用灌浆及排水帷幕降低扬压力，利用固结灌浆配合1#沟回填混凝土解决山体单薄、破碎问题。本文较详细地介绍了硐塞设计的基本原理，硐塞混凝土抗剪强度的取值，及尺寸的确定，防渗帷幕与排水设计，及坝肩固结灌浆设计。

(关键词) 硐塞 间歇面 抗剪强度

1 概述

    后河水库工程主要建筑物为浆砌石重力拱坝，两岸坝肩山体在上游水推力及大坝坝体荷载作用下，不能满足抗滑稳定要求，需进行处理。坝肩山体不稳定的主要原因是：在大坝基础高程620～625m处，存在由火山间歇性喷发形成的软弱结构面(4#间歇面)，该结构面倾向上游，倾角小于10°，厚5～375px，充填物以碎屑夹泥为主，局部为全泥，透水性好，其物理力学指标为f=0.37，C=0.1MPa，形成坝肩山体滑动的底滑面；在右岸650m高程处，存在Z₂₂、Z₂₃缓倾角结构面，形成右岸坝肩山体滑动的第二个底滑面；左右岸坝肩岩体节理裂隙发育，存在一系列顺河向、陡倾角大裂隙L₁₀₃、L₅、L_3-2、L₁₈、L₈₈、L₂₉等，这些裂隙切割深，贯通性好，裂隙密集带宽，内部充填碎屑、岩块，局部有夹泥，力学指标低，形成坝肩山体滑动的一系列侧滑面；大坝上游10m，有一平行于坝轴线的F7断层，主断层带宽0.1～0.5m，为坝肩山体的上游临空面；大坝下游有f₁、f₂、f₁₁断层，在左右岸各形成一个冲沟，成为坝肩山体的下游临空面。
    这些结构面的存在，造成岩体特别是表层岩体比较破碎，不但造成坝肩不稳，坝肩变形较大，且成为水库的渗漏通道，必需进行处理。根据结构面的不同特点，分布特性，分别采取了不同的处理措施。

2 基础处理设计

    基础处理设计主要包括：缓倾角结构面的硐塞处理，保证坝肩山体稳定；设防渗灌浆帷幕及排水，减少水库渗漏及基础扬压力；坝肩山体进行固结灌浆，减小变形。

2.1 缓倾角结构面的硐塞处理设计

2.1.1 硐塞设计的基本原理
    坝肩山体在上游水推力及大坝坝体荷载作用下，沿顺河向陡倾角大裂隙形成的侧滑面和缓倾角结构面形成的底滑面双面滑动，混凝土硐塞就是置换部分缓倾角结构面，充分利用混凝土抗剪强度高的特点，同结构面一起抵抗外荷载，提高山体稳定性。将滑动体视为刚体，其沿双滑面滑动的安全系数为

式中 ——侧滑面法向力总和，包括扬压力；

     ——底滑面法向力总和，包括扬压力；

     ——侧滑面的摩擦系数及粘聚力；

     ——底滑面的摩擦系数及粘聚力；

     ——混凝土硐塞的抗剪强度；

     ——分别为侧滑面、底滑面、混凝土硐塞水平截面面积；

         ——滑动力。

    按规范要求，基本荷载组合时， ≥3.0，在确定了混凝土硐塞的抗剪强度后，可求出硐塞的水平截面积 ，据此确定硐塞长度和布置。
    硐塞混凝土抗剪强度的取值，规范及有关书籍均未有明确介绍，通过查阅大量资料，将各种参考书中的数据加以综合，得出混凝土抗剪强度约为极限抗压强度的1/7～1/10，本工程取1/10混凝土的极限抗压强度，约为设计抗压强度的0.2倍，并在硐塞混凝土内布设钢筋来提高其安全度。

2.1.2 硐塞横截面尺寸的确定
    硐塞的受力机理如图，可以看出，硐塞混凝土的抗压及抗剪强度、围岩的抗压强度、岩体斜截面的抗剪强度，是影响硐塞截面尺寸的关键因素。假定软弱结构面为无厚度的理想平面，混凝土抗剪强度为τ_c，抗压强度为f_c，τ_c=0.2fc，硐塞高为H，岩体抗压强度为f_r，凝聚力为C_r，内摩擦角为φ，外荷载为T，忽略山体对硐塞的垂直压力及硐塞底面正应力，则岩体反力R=T。
    硐塞破坏的形式有：混凝土沿岩体结构面剪切破坏，混凝土受压破坏，岩体受压破坏，岩体斜截面剪切破坏。保证硐塞正常工作的基本条件为：

    式中 、、 为安全系数，对剪切破坏，取3.0，对抗压破坏，取1.7。一般而言，岩体的抗压强度比混凝土高，垂直于缓倾角结构面的正应力很大，因此，不会发生岩体受压和斜截面剪切破坏，控制因素为硐塞混凝土的抗压和抗剪强度。在计算硐塞水平截面尺寸时，混凝土抗剪强度安全系数已达到3.0，则硐塞单位长度受剪力设计值为 τ_cB/3 =0.2f_cB/3，设硐塞宽度为4m，按上述公式，可求出硐塞高度H=0.91m。考虑到结构面有一定厚度，且其两侧一定范围岩体强度相对较低，综合施工因素，取硐塞高度为3m，即硐塞尺寸为宽×高=4×3m。

硐塞受力简图

2.1.3 硐塞布置
    根据地形地质条件，Z₂₂、Z₃₂缓倾角结构面的硐塞布置成“工”字形，4#间歇面为一透水通道，且有夹泥，影响帷幕灌浆质量，用灌浆帷幕截渗非常困难。因此，结合硐塞处理，将一条硐塞布置在坝轴线上游帷幕线上，与帷幕联合作用，截断渗水通道。左岸4#间歇面硐塞共五条，三横二纵布置，右岸四条，三横一纵布置。
    混凝土硐塞处理软弱面是国内在个别工程中采用的先进经验。然而在单薄破碎山体同一水平面内硐塞置换率的最大限度是多少，还没有依据可查。针对山体形状，在满足抗滑稳定及规范规定的洞间净距(《水工隧洞设计规范》规定一般不小于二倍洞宽)等结构要求的前提下，采取措施缩小硐塞长度，减小由硐塞开挖对山体的扰动。最终采用的置换率：4#间歇面右岸30.83%、硐塞长214m；650m高程缓倾角结构面23.1%，硐塞长62m；4#间歇面左岸41.64%、硐塞长121m。

2.2 防渗帷幕与排水设计

    为减少渗流对坝基及两岸边坡稳定产生的不利影响，降低渗透压力，防止软弱夹层、断层破碎带、岩石裂隙充填物发生渗透破坏，在上游坝基中布置一道防渗和排水帷幕，根据坝高及地形地质条件，帷幕灌浆分四部分进行。
    (1)在633.5m高程1#灌浆排水洞内进行，根据地质提供的基岩透水率及结构面分布情况确定灌浆范围。左岸帷幕灌浆线伸过坝肩10m左右，达到基岩透水率＜2Lu区；右岸伸过1#沟破碎影响带7～8m，以切断上下游渗漏通道；河床部位帷幕深30m，达到0.3～0.5倍坝高，两岸到4#间歇面以下3m；
    (2)在660m高程2#灌浆排水洞内进行，帷幕线达到基岩透水率＜2Lu区，深度约25m；
    (3)在两岸开挖边坡上进行帷幕灌浆，达到基岩透水率＜2Lu区，深度约20m；
    (4)在原地面进行帷幕灌浆，由地面打到660m高程灌浆排水洞，孔深约30m，以切断上部风化岩体的渗水通道。
    由于后河水库大坝坝肩岩石结构面呈水平或垂直分布，为提高帷幕灌浆的效果，帷幕孔均向山体倾斜30°，孔距2.5m。
    为有效降低坝基及山体的地下水位，在633.5m和660m高程的1#、2#廊道内布设排水幕，排水幕位于防渗帷幕的下游侧，孔距2.5m，深21m。
    为降低右岸4#间歇面的扬压力，除将一条硐塞布置在灌浆帷幕线上外，在该硐塞下游设一条与其平行的排水洞，以排除透过硐塞的渗水。

2.3 固结灌浆设计

    大坝右岸坝肩，由于下游1#沟内f11断层影响，冲沟发育较深，加之右岸为凸岸，造成山体三面临空，山体单薄，在670m高程处山体厚度为32m，坝顶高程693m处仅为17m(均包括风化带厚度)，再加上f₁、f₂、f₃横河向断层，L₁₀₃、L₅、L₁₁₁、L_3-2、L₁₈、L₈、L₈₈等顺河向裂隙相互切割，使山体相当破碎，作为拱坝坝肩，存在岩体稳定、坝基变形等一系列安全问题。因此，除采用对缓倾角结构面进行硐塞处理外，还结合1#沟的混凝土回填，对右岸坝肩山体进行全面固结灌浆，灌浆孔间排距均为3m，深8m，斜孔布置，以便能更多的穿透垂直裂隙，使灌浆效果达到最佳。

3 结语

    后河水库工程，主体建筑物重力拱坝坝高虽然只有73.3m，但其复杂的地质条件，给工程的基础处理设计带来很大难度。通过认真分析研究，采取了一系列工程措施，确保工程能够安全运行。

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