4.1　库区基础处理方案研究

4.1.1　冲沟处理的必要性

库区沥青混凝土面板总防渗面积约16.6万m2，自上而下分别为20.0cm厚沥青混凝土面板和厚60cm碎石排水垫层，设计要求垫层坐于坚硬均匀基础上，库岸岸坡全高程791.20～742.95m自上而下分别为毛庄组和馒头组岩组，平均静弹模约28×103MPa。冲沟发育段沟内充填物结构复杂，多为坡积、崩积的土加石或碎石土，其代表性压缩模量27.83MPa，与岸坡基岩和冲沟基础静弹模相差1000倍，工程区山高坡陡，多大雨和暴雨，从已揭露冲沟看其发育多为V形，冲沟与岩石边坡连接段陡峭，下切剧烈，基础软硬相间变化剧烈。

上水库设计水位789.60m，沥青面板最低点高程742.95m，高差46.65m，计算时按50m考虑，相应作用于面板最大压强0.5MPa，要求沥青混凝土面板沉降小于1%并考虑2倍安全系数，假设库岸岩石边坡不可压缩，基础软硬相间坡比根据上水库冲沟现场出露状况按1：0.5，则满足基础软硬相间处沥青混凝土面板的沉降梯度的最小压缩模量应大于200MPa。而现场冲沟揭露内部充填物平均压缩模量27.8MPa，冲沟存在的实际情况与计算的满足面板承受变形梯度的基础条件有较大差异。

上水库建成蓄水后产生的附加应力作用于冲沟充填物，基础软硬突变引起的不均匀沉降可能造成沥青混凝土面板防渗系统破坏。沥青混凝土面板开裂危害很大，尤其对于死水位以下难以检修部位危害性更大，一旦出现裂缝漏水必须放空库处理，水库放空电站停止发电运行，损失巨大。

类比其他工程：天荒坪上水库库岸及库底大部分开挖后为全强风化岩（土），基础软硬渐变，坡度较缓，对于局部基础较差的部位，基础变形模量达不到20MPa，进行换基处理，坡积层基本挖除；山西西龙池抽水蓄能电站下水库岸坡下半部存在厚度约10m强（全）风化软弱岩层采用素混凝土回填置换。

因此上水库冲沟填充物不宜作为沥青混凝土防渗面板的基础，应进行加固换填处理，针对两大类别冲沟现状特点制定相应冲沟处理方案。

4.1.2　处理标准及计算公式

由于沥青混凝土的黏弹性，其应力应变和环境温度、加载速率等有很大的关系，因此目前关于水工沥青的控制标准多参照国内外已建工程的设计和试验资料，结合本工程运行温度和加载特点，在相应的室内和现场生产性试验基础上加以控制。宝泉上水库在对沥青混凝土配合比及力学指标的大量室内试验基础上，参照天荒坪等国内已建和在建的沥青混凝土面板坝工程经验，提出相应设计控制标准：①沥青混凝土变形由沉降梯度控制，沉降梯度控制在1%以内，沥青混凝土护面可靠；②下卧层基础变模相差2倍以上，则须设过渡层，小于2倍不设过渡层。

沉降变形计算量采用《碾压式土石坝设计规范》（DL/T 5395—2001）附录G非黏性土坝体和坝基的最终沉降量估算公式，公式说明见主坝部分。

4.1.3　2号、3号、5号、6号、7号冲沟处理设计

2号、3号、5号、6号、7号冲沟规模较小，基本开挖到基岩，连接环库路和库底的3号、4号交通廊道从3号、6号冲沟通过。

（1）方案比较。基础处理比较以下3个方案：

1）削坡回填碎石垫层，覆盖层挖除清至基岩，库岸岩石陡坎按1：4削坡，回填碎石排水层与库岸边坡补齐，回填碎石分层斜坡碾压，上部环库路挖断后，斜坡碾压机械上部牵引设备不具备施工场地；碎石与岩石边坡交界段需要采用小型机械或人工碾压，施工难度大，施工质量难以保证。

2）浆砌石补坡，覆盖层挖除清至基岩，不开挖库岸岩石边坡，自冲沟外轮廓线为起点按1：4采用浆砌石补坡后回填碎石排水垫层，碎石施工工艺、技术和施工难度同方案。

3）全挖全填浆砌石，冲沟覆盖层充填物全部挖除后换填浆砌石与库岸1：1.7碎石排水垫层基础面边坡补齐，本方案技术可行，只清除冲沟充填物，不影响冲沟两侧岩石岸坡开挖，不存在斜坡碎石碾压，以6号冲沟为例，各方案工程量及工程估算见表4.1－1、表4.1－2。

从增加投资方面比较，方案2增加投资最少；从施工可操作性比较，方案1、方案2都存在碎石斜坡碾压施工可操作性差的问题，方案3全挖全填方案施工工艺简单、技术成熟，因此各规模较小冲沟推荐采用全挖全填浆砌石。

（2）设计选定方案。根据上述方案比较，最后选定2号、3号、5号、6号和7号冲沟挖出后均采用C10素混凝土回填，局部采用M7.5水泥砂浆砌60号块石回填，该方案通过了中国水利水电集团咨询公司的审查。

4.1.4　1号冲沟和左岸脱空段处理

（1）处理说明。1号沟位于副坝上游左侧边坡，位于东沟内，近平行岸坡。覆盖层物质组成为第四系冲、洪积物。参考坝址区资料，多数试样大于20mm的粗粒含量（质量比）大于50%，按覆盖层的工程分类方法河床覆盖层可定义为碎石土，变性模量在25MPa左右。在库盆开挖过程中，自高程768.00m左右向下基岩面变陡，形成倾角约60°的基岩陡坎，形成脱空。

1号冲沟是主河床偏向右库岸冲刷形成的岩石陡坎，内部冲填为第四系冲、洪积物，相对密实，但冲刷形成岩石陡坎，基础软硬相间，是面板应变集中段，需要加以处理。

库盆左岸桩号库0＋550～0＋700段存在类似情况，岩石边坡自高程768.00m以陡于1：0.6边坡跌落，1号冲沟和左岸脱空段存在共性。

以1号冲沟为例分析，该段库岸基础特点对面板结构安全性影响与主坝左坝肩0＋000～0＋071段相似。1号冲沟自高程768.00m左右向下基岩面变陡，形成倾角约60°的基岩陡坎，沥青混凝土面板碎石排水层垂直厚0.6m；左坝肩0＋000～0＋071段自高程740.00m左右向下基岩面变陡，形成倾角约43°的基岩陡坎，沥青混凝土面板下堆石过渡厚度（垂直面板向）约10m。

对主坝左坝肩0＋000～0＋071建立的局部3维邓肯张EB非线性弹性模型计算成果显示：①0＋071断面最大挠度38.6cm，发生在该剖面面板下部末端附近。②最大拉应变0.657%，发生在剖面面板的中下部附近。

分析比较可以看出，顺坡向基础突变、软硬相间对面板拉应变影响是很大，1号冲沟基岩陡坎坡陡、上部碎石排水垫层调整厚度小，条件较主坝左坝肩0＋000～0＋071恶劣，因此必须加以处理。

（2）1号冲沟处理方案设计。根据上述对1号冲沟处理方案比较与选择，最后1号冲沟基础处理采用了“堆石混凝土＋素混凝土回填”方案。

设计处理从库岸1号冲沟（库1＋200.00～1＋300.00段），库岸及廊道基础挖至基岩，局部廊道基础挖至高程722.00m仍不见基岩时不再开挖，廊道底板高程以下采用C10堆石混凝土，以上采用C10素混凝土回填。碾压混凝土试验及施工技术要求见设计文件，堆石混凝土技术要求按“堆石混凝土施工技术要求”执行，其中的石料除采用库区毛庄组灰岩外，可采用龟山张夏组灰岩（含角砾岩）、并允许含有部分钙膜的石料。

（3）左岸脱空段处理设计。左岸脱空段位于上水库左库岸，桩号库0＋550.00～0＋687.00段，库岸脱空范围自高程768.00m出现岩石陡坎，坡度1：0.6。该段脱空段和1号冲沟有类似情况。但库左岸脱空段基础（库底廊道高程附近）虽然为覆盖层，但已有部分基础出现胶结，相对比1号冲沟基础较好。为节省开挖投资和处理的工期，根据设计监理的意见，左岸脱空段库岸廊道底板高程（739.00m）以上岸坡挖至基岩，廊道底板基础以下不在开挖。

由于该处冲沟形式及地质结构基本和1号冲沟差不多，因此该处的处理方案可参照1号冲沟做，即采用堆石混凝土和素混凝土相结合的方式回填。鉴于该处廊道基础是沥青混凝土的支撑基础，廊道基础原则上按设计要求开挖至基岩，但对开挖深度过大难于挖到基岩时，廊道基础设置托梁或考虑廊道支撑梁跨过覆盖层基础。

（4）堆石混凝土材料设计。上述冲沟处理主要材料为素混凝土、浆砌石，这两种材料均为常规材料。由于冲沟处理增加了较大的工程量，延长了施工进度。为了提高速度，现场采用了堆石混凝土这种新型材料。堆石混凝土具有免振捣、施工速度快、价格相对低廉的优势。

堆石混凝土是采用初步筛分的块石直接入仓，然后浇筑自密实混凝土，利用自密实混凝土的高流动性能，使得自密实混凝土填充到堆石的空隙中，形成完整、密实、有较高强度的混凝土。

自密实混凝土（Self－Compacting Concrete，简称SCC），是指在浇筑过程中无需施加任何振捣，仅依靠混凝土自重就能完全填充至模板内任何角落和钢筋间隙的混凝土。在传统的坍落度试验中，自密实混凝土能够达到260mm以上的坍落度、600mm以上扩展度，并且没有离析、泌水现象的发生；通过坍落扩展度试验和V形漏斗试验的检测来保证自密实性能。自密实堆石混凝土最大的优点是相对砌石质量易于保证，相对砌石和混凝土施工方便、速度快，单价和虽然比砌石略贵，和素混凝土差不多，但在当时处理库岸冲沟的迫切工期情况下，能够充分展现其快速便利保证质量的优势。

2005年11～12月在宝泉上水库左岸排水廊道基础段进行了堆石混凝土现场浇筑试验，堆石入仓可采用机械或人工的方式，自然堆放即可，自密实混凝土采用泵送或反铲入仓，模板应具有足够的刚度和强度，可使用厚30cm以上的砌石混凝土墙代替模板，正常浇注、正常养护条件下试验检测结果见表4.1－3～表4.1－5。

4.1.5　4号冲沟处理设计

（1）方案布置。4号冲沟位于库0＋687.00～0＋805.00段，冲沟沟口斜向副坝向，是上水库库区表面汇流最大的一个冲沟，环库路以上两个支沟表面汇流均进入4号冲沟，汇流面积0.25km2，25年一遇洪峰量16m3/s，占整个上水库主、副坝区间环库路以上左岸汇流面积的33%。

冲沟内充填物为第四系崩、坡积壤土夹碎块石或碎块石夹壤土，组成复杂，从现场开挖揭露情况看：大于20mm的粗粒含量（质量比）占50%以上，局部含有粒径大于1m的块石和架空，具有一定透水性，表面潜流反压作用于沥青混凝土面板，直接导致上水库防渗系统破坏；开挖面出露有树根、树枝等，结构较松散，覆盖层较深，基础软硬相间突出。综合以上分析，4号冲沟处理的关键点在于基岩陡坎造成的基础不均匀沉降和反向水压力问题。

由于4号冲沟发育区域较大，地形的不规则、覆盖层层厚不均一，全部挖完工程量大，工期较长，直接影响到总工期控制，因此在满足稳定及变形要求的情况下，覆盖层较窄、薄部位全部挖除采用C15素混凝土回填；覆盖层开口宽阔、层厚较大部位覆盖层处不再进行过多开挖，而是在库岸开挖基础底部设置混凝土支撑板，以适应和过渡基础。支撑板布置从库岸垫层建基面以下：高程770.00m以上支撑板为等厚度1.2m，高程770.00m以下支撑板外坡不变1：1.7，内坡按1：1.5，支撑板下设0.30m厚C10无砂混凝土排水层，排水层内设100PVC纵横向排水管网，支撑板周边与基岩搭接宽1.0m，C20混凝土（钢筋混凝土）面板，混凝土面板顶宽1.20m，底部宽度根据开挖基础地形渐变至3.63m。

（2）支撑板设计。上水库正常蓄水位789.60m，钢筋混凝土板最低743.02m，高差46.58m，根据支撑板承受水头、具体地形地势条件和板周边支撑条件，支撑板结构设计分为以下几种。

1）高程765.00m以上冲沟。高程768.00m以上冲沟较大，最宽处达60m，冲沟与岩石岸坡接合部多为陡坎，下切严重，为防止软硬相间接合部处由于基础的体型突变和基础材料的差异，产生过大变形，拉裂或拉段支撑板，在支撑板和岩石搭结区域设置受力加强区。根据沥青混凝土在软硬相间处渐变坡比按1：2.5～1：4.0的要求控制。该连接区域5.0m宽（搭接岩石1.0m宽，延伸覆盖层内4.0m宽）全断面配筋。

冲沟沿岸坡方向与周边岩石岸坡以陡倾角相接，支撑板在加强区域的弯矩（剪力）受控，正常运用工况765.00m以上板承受最大水头24.60m，计算按一端固端悬臂梁、水头按平均水头考虑，底部覆盖层作为安全储备，计算板配筋面积，板上、下各配516/m。

高程765.00m以上除周边加强区以外的冲沟，由于基础是较为均匀的覆盖层，该支撑板设置连续整体的C20素混凝土板，为防止大体积混凝土温度裂缝，沿环库路轴线方向板宽10.0m，板与板之间设1.2～1.64m宽普通混凝土后浇带，后浇带位置设传力杆，传力杆直径28mm（Ⅰ级或Ⅱ级钢均可），传力杆长2.0m，间距0.3m，布置在板厚的中间。

2）高程765.00m以下冲沟区。冲沟在高程765.00～755.00m范围内，施工期根据实际开挖，冲沟范围逐渐狭窄并歼灭，平面上出现W形状，板的总跨度33.0m，为保证支撑板受力均匀，全断面支撑板进行配筋。正常运用工况板承受最大水头34.60m，板按弹性地基梁设计，计算配筋量不大，按构造配筋，板上、下各配1016/m。

3）高程755.00m以下。高程755.00m以下冲沟大部分见基岩，沟口尺寸缩小，覆盖层较薄，因此直接挖除回填C15素混凝土。

（3）截水墙设计。由于4号冲沟上部汇流面积较大，为避免表面径流和地下径流渗入面板基础形成反向水压导致支撑面板防渗体破坏，继而破坏沥青混凝土防渗面板。除在4号冲沟沟尾设置截水沟（消力池）将4号冲沟表面来水从截水沟排走外，在4号冲沟接近环库公路冲沟沟头较窄处设截水墙一道，进一步阻断地下渗水进入4号冲沟库岸的支撑板下面，以保护支撑板及库岸沥青混凝土防渗板。截水墙墙高10.0m，宽13.0m，厚1.00m，采用C25W6混凝土，墙基础及两侧嵌入基岩0.80m。

截水墙主要承受墙后水压力及土压力，计算荷载主要考虑墙后地下水和土压力，墙前无水和土压力不考虑，按库仑公式计算墙后土压力。其中截渗墙底部受力最大，计算按高程分别取三段，每段取单宽1.0m，按简支梁计算结构配筋。计算配筋为，墙外侧（靠库区侧）下部4.0m高范围为1128/m，中部3.0m高范围为825/m，上部3.0m高范围为525；墙内侧均为525/m。

（4）支撑板基础排水设计。为进一步防止4号冲沟支撑板下有反向渗压，在4号冲沟支撑板下设置无砂混凝土排水层，排水层内设计排水管网排至库底排水廊道，避免库岸渗水对面板形成反压造成防渗体的破坏。

混凝土支撑板与覆盖侧之间厚为0.30m无砂混凝土排水层，基础排水管网位于无砂混凝土底部，纵向排水管沿环库路轴线向顶部间距10.0m（环库路轴线桩号），横向排水管顺坡向高差5.0m均匀布置，纵、横向排水管相互连通，纵向排水管与廊道排水管接头采用三通接头牢固连接，要求不影响库岸碎石排水，并能顺畅排走支撑板基础排水系统收集渗水，排水管采用100mmPVC硬质塑料排水花管，管外包两层土工布。