王毅鳴，蘇 巖，鄧毅國

（中國水電顧問集團北京勘測設計研究院，北京 100024）

1 工程概況

天花板水電站位于云南省昭通市境內牛欄江上，電站總裝機容量180 MW （2×90 MW混流式水輪發電機組），最大壩高107.0 m。水庫正常蓄水位1 071.00 m，總庫容0.787億m3，調節庫容0.362億m3，電站為不完全季調節電站。工程為三等中型工程，主要建筑物按3級建筑物設計，攔河壩和泄水建筑物設計洪水標準為50年一遇，相應洪峰流量為3 530 m3/s，校核洪水標準為500年一遇，相應洪峰流量為5 650 m3/s。

樞紐建筑物由碾壓混凝土拱壩、右岸岸塔式進水口、2.5 km長引水隧洞、阻抗式調壓井、埋藏式壓力管道、地面廠房等組成。擋水建筑物采用碾壓混凝土雙曲拱壩，水平拱圈拱形采用拋物線型，壩頂高程1 076.80 m，原設計最大壩高113.0 m，壩頂弧長159.87 m，拱冠壩頂寬度6 m，最大壩高處拱冠梁底厚24.247 m，拱端最大厚度24.438 m，厚高比0.215。壩體設兩條誘導縫，第一條在1號表孔左側，第二條在排沙孔右側。誘導縫采用徑向布置，將壩體分成3段，從左至右各壩段間距 (沿上游面弧長)分別為44.86、66.20、48.81 m。采用壩身泄洪方式，表、中孔相間布置。設置3個溢流表孔，孔口尺寸為 10 m×8.5 m，堰頂高程 1 062.5 m； 2個泄洪中孔，孔口尺寸5 m×6.5 m，進口底板高程1 020 m。表孔采用挑、跌流結合的消能方式，中孔采用窄縫式，下游設置短護坦。此外，為保證電站進水口 “門前清”，在壩身還設置了沖沙孔及延伸至進水口前的沖沙廊道，排沙孔進口底板高程1 025.00 m，孔口尺寸2 m×4 m。

大壩上游面防滲主要采用二級配富膠凝材料碾壓混凝土，壩體其他部位采用三級配碾壓混凝土。首部樞紐的大壩及下游消能系統混凝土總量約36萬m3，其中碾壓混凝土約18.2萬m3，常態混凝土約17.8 萬 m3。

2 壩址區地形地質條件

壩址區為典型的峽谷河段，兩岸地形陡峻，見有高度近百米及數百米的陡壁，山頂高程在1 650 m以上，岸坡平均坡度大于65°，河谷整體斷面呈“V”形。河床高程為989～991 m，河床寬30～40 m，河谷底寬約60 m，壩頂高程處河谷寬110 m。兩岸未見明顯的河流階地。壩址區基巖為富藻粉晶白云巖，巖層產狀平緩，傾向上游，為一傾向SE的單斜構造， 左岸巖層產狀 NE55°～60°SE∠16°， 右岸巖層產狀 NE25°～30°SE∠11°～15°， 巖相較穩定， 順江無區域性斷裂。河流流向為NW300°，與巖層走向近正交，屬橫向谷。

壩址區對拱壩壩肩穩定有影響的斷層主要有f11、f15、 f26、 f5。 f11斷層走向 331°， 傾向 SW， 寬 10～30 cm，斷面較平直，局部呈微弧狀，岸邊斷層帶寬約50 cm，帶內見有壓碎巖、少量斷層泥，有明顯的擦痕。 f15斷層走向 330°～350°， 傾向 SW， 傾角 77°～82°，斷層寬30～50 cm，寬度變化大，斷面起伏不平，主要由壓碎巖、角礫巖組成，斷層面擦痕極為清晰，具有多期走滑性質，并見有數條羽狀斷裂。f26斷層走向285°，傾向SW，傾角44°，斷層寬20～50 cm，斷層帶內主要為斷層角礫巖、壓碎巖，見有斷層泥，局部糜棱巖化嚴重，受溶蝕影響再膠結成蜂窩狀。f5斷層走向 330°～340°， 傾向 NE， 傾角86°，斷層寬10～20 cm，斷層裂面起伏稍粗糙，附泥膜及鈣膜，近水平向擦痕，右行特征，填充斷層角礫巖，局部無填充。

天花板水電站壩址兩岸未發現相對隔水層，且兩岸地下水位埋藏較深，存在壩基下承壓水影響問題，壩基防滲設計十分復雜，需對壩基及兩岸山體進行滲控處理。處理方案為垂直防滲，即采用懸掛式帷幕，壩基帷幕不揭穿承壓水層，深度不超過承壓水層頂板巖層，兩岸長度分別按考慮攔截下游清水河方向的滲漏通道、截斷f15等斷層的要求設置。

3 施工圖階段拱壩壩基建基面設計優化

3.1 可研階段拱壩建基面高程選擇

天花板壩址處河床高程為989～991 m，覆蓋層厚10～20 m，壩基巖石出露的頂面高程為974～989 m，壩基巖層為富藻粉晶白云巖。壩基底部建基面選擇位于弱風化巖體上部的富藻粉晶白云巖層中，要求壩體建基面巖體最小縱波波速＞4 000 m/s，飽和抗壓強度＞50 MPa，由此選擇壩基建基面最低點高程為963.80 m。對于巖體聲波波速小于2 500 m/s的部位，按照斷層破碎帶處理原則，進行局部加深開挖、置換混凝土和高壓固結灌漿處理。

3.2 建基面選擇主要遵循的原則

天花板拱壩為百米級高拱壩，根據工程區地形地質條件和設計規范的一般要求，以及類似工程經驗，施工圖階段建基面選擇主要遵循以下原則：

（1）兩岸壩肩卸荷巖體全部挖除，壩基原則上可置于弱風化巖體的中部偏上，在大壩上部可以進一步放寬要求，接近強風化下線、在弱風化的上部附近。

（2）對通過壩基的f15、f11等斷層，對斷層破碎帶進行局部開挖，開挖深度結合揭示的斷層寬度確定，并進行混凝土置換和高壓固結灌漿處理，斷層不作為拱壩建基面開挖的主要控制條件。

（3）要求壩體基礎建基面巖體經開挖或固結灌漿處理后最小縱波波速平均值＞4 000 m/s，飽和抗壓強度＞50 MPa。

在壩肩、壩基開挖過程中，隨著工程地質條件的逐步揭露，為進一步節省工程投資和加快施工進度，對拱壩建基面能否抬高開展了大量的試驗測試和研究計算工作。主要有河床基巖物探聲波測試、建基面基巖質量分類、建基面抬高拱壩應力敏感性分析等一系列工作。

3.3 建基面物探聲波測試成果

（1）左、右壩肩建基面物探聲波測試。為了了解左、右壩肩建基面的基巖質量，隨著左、右壩肩開挖進度，進行了物探聲波測試。左壩肩1 063～978 m高程布置了11排共65個聲波孔，右壩肩1 038～978 m高程布置了7排共76個聲波孔。聲波測試成果為：左壩肩1 021～1 023 m高程的聲波波速為3 500～3 800 m/s， 其余層為 4 600～5 000 m/s；右壩肩受f15斷層影響，聲波波速值差別較大，斷層帶聲波波速為2 000～3 000 m/s，斷層影響帶為 3 000～3 500 m/s， 其他部位為 3 900～4 500 m/s。

（2）拱壩水平建基面物探聲波測試。壩基開挖至980 m高程左右時，為了確定基巖面的具體位置及更好地評價河床壩基巖體質量，設計單位在河床壩基均勻布置了4組物探聲波測試孔，每組3個孔，孔深10 m，孔間距1 m。從聲波測試成果來看，A組973～980 m高程聲波速度約為 2 000 m/s，973～970 m高程約為4 500 m/s；B組974～980 m高程聲波速度約為2 200 m/s，974～970 m高程約為3 000 m/s；C組僅測到7 m深， 973～980 m高程聲波速度約為2 000 m/s；D組974～980 m高程聲波速度約為2 000 m/s， 974～970 m 高程約為 4 500 m/s。

從以上物探聲波測試成果分析可知，兩側的A組孔和D組孔位置970 m高程以下基巖能滿足壩基建基面的要求，河床中間的B組和C組孔尚未抵達滿足設計要求的基巖。

壩基開挖至973 m高程左右時，設計單位再一次布置了15組物探聲波測試孔，每組3個孔，孔深10 m，孔間距 1 m。此次物探成果顯示，河床壩基965～970 m高程聲波波速約為3 000 m/s，960～965 m高程為4 000～5 000 m/s。隨后設計單位對開挖修整完成后的大壩建基面又進行了物探檢測，在上次15組范圍外再布置6組物探聲波孔。物探成果顯示，河床壩基968～970 m高程聲波波速約為2 200 m/s， 968～960 m 高程為 4 500～5 500 m/s。

3.4 建基面基巖質量分類及壩基建基面的確定

根據已有的壩基開挖揭露的情況，地質工程師編制了技施階段設計建基面的基巖質量分類分布圖，左壩肩拱肩槽巖體除了1 021 m高程左右受L13裂隙影響局部發育Ⅲ1類巖體外，其余基本都是Ⅱ類巖體；而右壩肩巖體工程地質條件相對差一些，受f15斷層的影響，f15斷層及影響帶為Ⅳ～Ⅲ2類巖體，其他都為Ⅲ1類巖體；河床建基面f11斷層和f15斷層影響帶為Ⅲ2類巖體，靠左側有少量的Ⅱ類巖體外，其余大部分為Ⅲ1類巖體。Ⅱ、Ⅲ1、Ⅲ2類巖體的變形模量分別為10～12、8～10、5～8 GPa。天花板水電站拱壩左、右岸壩基巖體質量情況見表1。拱壩基礎面970 m高程基巖質量情況為：Ⅲ1類基巖1 872.3 m2，占壩基總面積的94%；Ⅲ2類基巖12.8 m2，占總面積的1%；Ⅳ類基巖102.4 m2，占總面積的5%。

總體分析，天花板水電站拱壩壩基不同高程各類巖體質量統計情況與設計單位前期地質勘察分析成果相差不大。從施工階段969.8 m高程附近壩基面出露的地質條件來看，河床壩基巖體質量較好，接近969.8 m高程1～3 m范圍的一些聲波測試孔波速較先前測試的波速有所降低，分析認為是施工爆破和開挖卸荷所致，即使進一步開挖，這種現象依然存在。綜合分析認為，969.8 m高程壩基巖體質量較好，滿足建設百米級拱壩的條件，一些小范圍的薄弱地質巖體，經過壩基固結灌漿等工程處理后也滿足要求，可以作為拱壩壩基的建基面。

4 拱壩壩體應力復核設計計算

4.1 主要計算參數

在進行天花板水電站拱壩壩體抬高應力復核分析時，拱壩兩岸壩肩基礎開挖施工已完成，若過多地調整拱壩體形，會對壩肩開挖帶來影響，因此要求拱壩上部體形最好沒有變化。故拱壩壩體應力復核是在拱壩體形不調整的前提下進行的。

施工圖設計階段，根據地質工程師提出的壩基巖體變形模量，結合壩基基礎灌漿對提高變形模量的影響的工程經驗和試驗，對壩基巖體的變形模量進行了分析，提出了壩基基礎Ⅱ、Ⅲ1、Ⅲ2類巖體的變形模量分別為10.5～12.5、9～11、6～9 GPa。壩體應力、應變復核時，按照左右岸壩肩不同類別巖體所占面積的比例，采用平均的變形模量 （見表2）計算。

計算采用的混凝土材料主要參數為：容重24.0 kN/m3，彈性模量22.0 GPa，泊松比0.167，線脹系數 0.935×10-5/℃， 導溫系數 3.0 m2/月。

4.2 拱壩應力、應變復核成果

天花板拱壩體形采用河床建基面高程抬高到969.8 m高程后的拱壩上部體形，封拱溫度采用設計封拱溫度，計算壩體徑向位移最大值為2.301 cm，發生在正常+溫降工況1 021 m高程處。各計算設計工況復核壩體最大主應力見表3。

表1 天花板水電站拱壩左、右岸壩基巖體質量情況統計

表2 天花板拱壩壩基各高程巖體變形模量

表3 拋物線拱壩不同工況的上下游面最大主應力

從表3中可以看出，在荷載基本組合情況下，最大拉應力為1.19 MPa，未超過1.2 MPa，發生在正常+溫降工況的下游面；最大壓應力為4.99 MPa，未超過5.0 MPa，發生在正常＋溫升工況的下游面。在荷載特殊組合下，當不考慮地震時，最大拉應力為1.24 MPa，未超過1.5 MPa，發生在壩體上游面；最大壓應力為4.86 MPa，未超過5.88 MPa，發生在壩體下游面。在荷載特殊組合下，當考慮地震時，最大拉應力為2.63 MPa，未超過2.91 MPa，發生在地震+正常+溫升工況的上游面；最大壓應力為6.21 MPa，未超過15.69 MPa，發生在地震+正常+溫升工況的下游面。

綜上所述，7種工況的最大主應力都小于允許應力，應力數值均滿足設計規范要求。

根據國內外拱壩工程建設的實踐分析，天花板拱壩體形滿足工程安全要求，對一些影響壩體應力的外界因素有較好的適應性。綜合地質分析和壩體應力、應變及壩肩穩定分析計算成果，確定壩基建基面高程由原設計的963.8 m調整到969.8 m，壩基建基面抬高了6.0 m。

5 結語

（1）通過對壩基建面高程的調整，天花板拱壩減少壩基開挖量約7 000 m3，節省混凝土量約5 000 m3，提前工期約3個月，取得了較好的經濟效益。

（2）水利水電工程壩基開挖后，揭露的基礎地質情況與前期勘探分析的地質情況會有所不同，故在壩肩、壩基開挖過程中，特別是將要開挖至大壩建基面附近時，要密切注意基巖質量情況，水工設計人員與地質工程師應密切配合，隨時追蹤，及時調整設計參數，及時向有關各方反饋意見，以確定合理的建基面高程。

（3）目前，拱壩體形設計主要依靠各類拱壩計算程序開展，計算采用的方法主要有拱梁分載法、線彈性有限元法、非線性有限元法、有限元仿真分析計算等，有的重要工程還采用地質力學模型等加以驗證。隨著計算機技術的發展應用，計算方法由簡單的結構力學近似計算方法，發展為越來越接近施工實際的計算理論和方法。而壩體體形的計算和確定，由于受計算程序和計算者個人認識和水平等的影響，尤其是受計算資料如水文氣象資料、地質情況、筑壩材料、溫控措施的影響，與實際必然存在差異，因此在設計時應當重視拱壩壩體體形的適應性，即不敏感性，使設計的拱壩體形對外界條件變化的適應性強，且壩體應力變化小。天花板拱壩采用拋物線雙曲拱壩，在可研階段確定的拱壩體形參數適應性強，為施工圖階段壩基抬高、調整拱壩體形創造了有利條件。