李晓平 张宝琼 樊 勇

(云南省水利水电勘测设计研究院， 云南 昆明 650021)

麻栗坝水库拦河坝沉降变形的研究与对策

李晓平 张宝琼 樊 勇

(云南省水利水电勘测设计研究院， 云南 昆明 650021)

麻栗坝水库拦河坝地质条件复杂，坝轴线长1172m，在坝体范围内，分布有上第三系20多个地层，地层之间的力学指标差异较大。如何解决坝体不均匀沉降是拦河坝工程的关键技术问题。为保证大坝的安全，在设计中按经典理论计算，开展实体模型试验，成果相互比较，采用分期、分段预压的设计和施工筑坝技术，将坝体分三期施工来减缓和消除不均匀沉降，尽量把较大的沉降量消除在施工期。水库建成后3年，经观测坝体的最大沉降为1.2cm，成功解决坝体不均匀沉降问题。

基础处理； 不均匀沉降； 处理对策

1 前 言

麻栗坝水库工程位于云南省德宏州陇川县境内城子镇以北5km的南宛河上游，为大(2)型水利枢纽，以灌溉、防洪为主，结合发电等综合利用。水库总库容1.067亿m3，拦河坝为土质分区坝和均质坝，最大坝高37.6m，拦河坝为Ⅱ级建筑物，设计地震烈度为Ⅶ度。

栗坝水库地质条件十分复杂，坝轴线长1172m，在约1km的坝体范围内，分布有上第三系20多个地层，即N1、N2、N3、N3-1、…、N1、N3、N5属透水地基地层，按此频率排列，含砾砂土N1、N3、N5、…、N17与含砾砂土N2、N4、N6之间的力学指标差异较大，抗剪强度指标差别较大，软硬地层在平面和空间上交错布置，被俗称为“夹心饼干”。受地形和淹没条件限制，不得不在此坝址建坝。如何解决坝体的不均匀沉降变形是麻栗坝水库工程的关键技术问题之一。设计中进行大挖除、振冲置换碎石桩、分期填筑方案比较，采用传统的经典处理方式，引入先进实体模型验证，同时相互比较，综合分析获得切合实际的沉降变形成果，对症下药做出相应的分期、分段预压设计和施工筑坝技术方案。

2011年云南省科学技术情报研究所对上第三系软弱夹层互层的无限深透水土基内采用削坡放缓、分期填筑的处理方法，国内外尚无先例。

2 拦河坝工程地质

麻栗坝水库位于滇、缅、印、尼“歹”字形构造西部帚状构造部位的陇川断陷盆地。坝基地层由第四系及上第三系组成。上第三系(N)为洪水湖相沉积，含砾砂土夹黏土层，总厚度未见底界，属软基土层。

上第三系地层由巨厚含砾砂土﹑砂土夹黏土层构成，成互层状，以含砾砂土为主，其中含砾砂土岩组8层(N1、3、5、7、9、11、13、15)，总厚度约205m，占77.65%；黏土岩组7层(N2、4、6、8、10、12、14)，总厚度59m，占22.35%。

N15为含砾粗中砂土；N14为黏土夹细砂土；N13为粗﹑中﹑粉﹑细砂土；N12为砂质黏土夹中砂土；N11为中砂土夹薄层砂质黏土；N10为黏土夹细砂土；N9为含砾砂土，卵砾质土；N8为粉砂质黏土；N7为含砾砂壤土及卵砾质土；N6为砂质黏土﹑黏土；N5为含砾质中细砂，卵砾质土；N4为黏土﹑夹粉砂质黏土，强度偏低；N3为含砾粗﹑中﹑粉﹑细砂土。拦河坝基础的物理力学指标见下表。

拦河坝基础的物理力学指标统计表

3 拦河坝结构布置

拦河坝被溢洪道分隔，溢洪道左岸坝段为黏土均质坝，右岸坝体为分区坝，最大坝高37.6m，坝顶长1172m，坝顶宽6m，上游坝坡1∶3，下游坝坡分别为1∶2、 1∶2.5、1∶3。坝基采用混凝土防渗墙防渗。

4 拦河坝关键技术研究

4.1 沉降处理方案的提出

为了安全筑坝，进行大挖除、振冲置换碎石桩、分期填筑方案比较。

4.1.1 挖除方案

将N2、N4 、N6 、…、N16层挖除，回填含砾砂土，使坝体沉降均匀，由于含砾黏土分布不均匀，开挖施工具有不确定性，在开挖过程中，含砾砂土易垮塌，上第三系中含有承压水，势必给施工排水、基坑护壁加固带来较大困难；由于上第三系层间软硬夹杂，分布相当复杂，在现场施工中不易分清需挖除的土层，因此，挖除方案不可行。

4.1.2 振冲碎石桩方案

振冲碎石桩可有效穿透障碍物，桩体连续性好，由高强度的微风化碎石作为填料与软基组成复合地基，经适当固结后抗剪强度满足上部结构的抗滑稳定需要，承载力将能明显改善和提高，但由于麻栗坝坝轴线较长，处理面积较大，工程造价较高，此方案被否定。

4.1.3 分期填筑方案

由于坝基特殊的地质条件，坝体较长，基础处理方案均不可行，为保证大坝的安全，为大坝的建设施工、蓄水和运行管理提供重要的科学技术支持，经方案比较后采取分期、分段预压的设计和施工筑坝技术。将坝体分三期施工以减缓不均匀沉降，尽量把较大的沉降量消除在施工期。

大坝基础坝轴线地质剖面如图1所示。

为弄清拦河坝的沉降情况，对一次性填筑大坝和分期加坝分别做沉降计算。经计算，一次性填筑大坝最大沉降量发生在0+928断面，坝体的最大沉降量1.22m，基础的最终最大沉降量1.69m。大的沉降差发生在里程0+700～1+000段，为坝体的最大坝高坝段，如一次性填筑大坝，坝体100m范围内产生的最大沉降差为0.68 m，坝基1.08 m，大于 1%的沉降率。一次性填筑大坝方案不可行。

将坝体分三期施工，尽量将较大的沉降量消除在施工期。第一期坝体施工完成间隔半年后填筑第二期坝体，半年内，第一期填筑的坝体可起到对坝基的预压作用，减少基础的变形量，也使坝体的大部分沉降在第二期施工前得以完成。结合导流度汛的要求，确定第一期坝体的施工高程为976.00m，第二年开始第二期施工，高程为990.00m。第三年，第三期施工至坝顶。

4.2 分期填筑方案的大坝沉降分析

4.2.1 大坝沉降计算

大坝沉降计算(方法1)。ⓐ坝体变形的基本假定；ⓑ坝体中任何一点由自重所引起的垂直压应力等于该点上面土柱的重量；ⓒ大坝土料在压缩时不发生侧向变形。

a. 计算条件和方法。沉降计算采用分层总和法进行计算，附加应力按土石坝设计规范计算。

压缩层最大计算深度，按附加应力与自重应力的比值达0.2时为控制标准。

计算一次性填筑和分三期填筑的沉降值。

b. 计算参数。坝体和坝基的物理力学指标见表1，压缩曲线如图2所示。

图2 坝基e-P压缩曲线

c. 计算结果。经计算，三期填筑施工过程中，最大沉降量发生在0+928断面，施工期坝体和坝基已沉降281.8cm。到第三期坝体填筑完成，坝体和坝基总沉降量为37cm，大的沉降差发生在里程0+700～1+000段，为坝体的最大坝高段，小于坝高的1%，大坝沉降在设计允许范围内，达到设计要求。由计算成果绘制的沉降曲线如图3～图5所示。

4.2.2 离心模型试验

离心模型试验(方法2)。由于麻栗坝的地质条件较复杂，为验证拦河坝坝体和坝基设计、计算的合理性和沉降变形的协调性及对坝体的破坏程度，对大坝坝体分期加坝产生的沉降变形做离心模型试验加以验证。计算中选取的典型断面与常规计算方法相同。

a. 土工离心模型试验基本原理。土工离心模型试验是通过高速旋转的离心机，使由原型材料制作的模型受到离心力作用，离心力是其重力的n倍，模型中各点达到与其原型相应点相同的应力状态，并呈现出与原型相似的变形状况和破坏过程。

充分考虑土体应力-应变关系的非线性、剪涨性和剪缩性。该项离心模拟试验所用的设备为LXJ-4-450大型土工离心机，最大加速度300g，是目前国内容量最大、较先进的试验设备。

b. 试验规划：ⓐ模拟范围。该次试验的地基模拟深度为70m、最大坝高37.5m。模型包括坝基、坝体及拦河坝体内各建筑物；ⓑ坝基和坝体分期填筑施工模拟。第一组模型的制作和模型试验分五次完成。第一次坝体填筑至模拟978.00m高程，通过离心模拟试验模拟其自重作用下的沉降变形，第二次将预制好的拦河坝、防渗墙模型置于模型内，进行坝体填筑至模拟978.00m高程，通过离心模拟试验模拟其自重作用下的沉降变形。第三次、第四次、第五次试验继续填筑坝体至模拟984.00m、988.00m、999.50m高程，同第二次试验一样，分别确定其自重作用下的沉降变形；ⓒ模型材料的选取。模型的坝基、心墙及坝壳料均选取现场原型土料的天然容重、干容重、含水量和颗分曲线。根据地质资料按照设计要求在模拟范围内制作坝体和互层状坝基模型。

c. 离心模型试验的主要成果。经模型试验，最大沉降量发生在0+928断面，坝体的最大沉降量1.12m，基础的最大沉降量1.78m。到第三期坝体填筑完成坝体和坝基总沉降量为36cm，大的沉降差发生在里程0+700～1+000段，为坝体的最大坝高段，小于坝高的1%，大坝沉降在设计允许范围内，达到设计要求。由一次加坝和分期填筑方案的模型试验成果绘制的沉降曲线如图3～图5所示。

图3 一次性加坝的坝体和坝基的沉降曲线(计算值、离心模型试验值)

图4 施工期坝体沉降曲线(计算值、离心模型试验值)

图5 施工期坝基沉降曲线(计算值、离心模型试验值)

4.2.3 离心模型试验成果与计算值比较

对坝体的分期填筑，按常规计算和离心模型试验获得沿坝轴线的沉降曲线均表现出光滑平顺的特征，虽具体数据有微小的差别，但沉降规律基本相同，拦河坝在纵、横两个方向的沉降变形均相互协调，不会产生大的不均匀沉降，坝体不会因沉降变形而遭到破坏。

5 防止不均匀沉降措施

依据沉降分析成果，按上文所述将坝体分三期填筑，把较大的沉降量消除在施工中，使坝体沉降在建筑物的允许范围内。

在减小不均匀沉降的措施中，该阶段还采取将左、右两岸Ⅱ级阶地前沿较陡岸坡，通过削坡放缓，采取将左、右两岸Ⅱ级阶地前沿自然边坡变化较大的岸坡，右岸在里程0+900～1+000范围内由原25°的自然边坡削坡放缓为7°，左岸在里程0+700～0+800范围内由原15°的自然边坡削坡放缓为9°，使两里程段沉降曲线更平顺，减小产生不均匀沉降的不利因素。

在基础下部埋设多套电磁式沉降仪，加强对沉降的观测。由于坝体和坝基的较大沉降在三期填筑施工过程中已经完成，第三期坝体填筑完成的半年内，测得的坝体和坝基总沉降量为34.2cm，小于坝高的1%，大坝不会产生变形破坏，大坝沉降在设计允许范围内，且与计算值和模型试验成果相符。为安全起见大坝设计预留沉降量0.3m。

6 结 语

a.麻栗坝水库枢纽工程拦河坝，基础为上第三系含砾砂土，地质分层多且软硬互层，称为夹心饼干，在如此复杂的地质条件下，解决沉降变形的关键技术问题，即要采用传统的经典计算方式，又要引入先进实体模型来验证，相互比较，综合分析获得切合实际的沉降变形成果，做出相应的分期、分段预压设计和施工筑坝技术方案，使工程安全运行。

b.按常规计算和离心模型试验获得的沿坝轴线沉降曲线均表现出光滑平顺的特征，虽具体数据有微小的差别，但沉降规律基本相同，拦河坝在纵、横两个方向的沉降变形均相互协调，不会产生大的不均匀沉降。

c.拦河坝通过五年的安全运行和观测，由于坝基为上第三系含砾砂性土，坝基的沉降在施工期可全部完成，在施工期和第一年、第二年的观测成果与计算值和模型试验成果相符，在运行期第三年和第四年均未观测到大坝有沉降变形，表明通过分期加坝施工，对基础预压，控制加坝的施工速度，成功处理了拦河坝的不均匀沉降变形问题。

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Research and countermeasures of settlement deformation of Maliba Reservoir barrage

LI Xiaoping, ZHANG Baoqiong, FAN Yong

(YunnanWaterConservancyandHydropowerSurveyDesignInstitute,Kunming650021,China)

Maliba reservoir barrage has complex geological conditions. The dam axis is 1172m long. More than 20 formations of the tertiary are distributed within the scope of the dam. The mechanics index differences among the formulations are greater. How to solve differential settlement of the dam is a key technical problem of barrage projects. The physical model test is carried out in order to ensure the safety of the dam according to the classical theory calculation in the design. Results are compared mutually. Dam design and construction technology of preloading in stages and sections is adopted. The dam body is constructed in three stages for alleviating and eliminating uneven settlement. Larger settlement is eliminated in the construction stage as far as possible. The maximum settlement of the dam is 1.2cm according to observation within 3 years after the reservoir is constructed. Uneven settlement of the dam is solved successfully.

foundation treatment; uneven settlement; treatment countermeasures

10.16616/j.cnki.11- 4446/TV.2017.07.008

TV62+2

B

1005-4774(2017)07- 0027- 06