龍江水電站拱壩組合基礎綜合變形模量分析

劉 洋，夏 輝，金 輝，呂君卓，張建輝

（中水東北勘測設計研究有限責任公司，吉林 長春 130021）

1 工程概況

龍江水電站樞紐工程位于云南省德宏州潞西縣境內的龍江干流上。工程是以發電、防洪為主，兼顧灌溉的綜合性樞紐工程。水庫正常蓄水位872.00 m，總庫容為12.17×108m3，總裝機240 MW，年發電量10.28×108kW·h。工程規模為大（1）型，大壩及泄洪建筑物為1級建筑物，最大壩高110.00 m。混凝土拱壩及其泄水建筑物校核洪水標準采用2000年一遇（P=0.05%），設計洪水標準采用500年一遇（P=0.2%）。

2 工程地質條件分析

樞紐區河谷呈基本對稱的“V”型。樞紐區出露的地層，主要為寒武系的片麻巖和第四系松散堆積層。由于受氣候和地質構造、環境及巖石微觀結構影響，樞紐區片麻巖風化劇烈，且各部位風化深度差異較大，壩址區巖體完整性綜合評價，巖體質量均較差，基本上屬于較破碎～完整性差范疇。

工程開工后，隨著左岸壩基開挖的進行，發現壩基巖體中有球狀風化、囊狀風化、條帶狀風化等不均勻風化現象。為此，先后兩次對壩基進行了大量的補充勘察工作，查明了兩岸壩肩的工程地質問題。根據壩基開挖實際揭露的地質情況，左、右岸821.0 m高程以上拱座基礎及下游側巖體的變形模量較小，與原可研設計的5 GPa相比，有一定程度降低。同時左岸拱端及下游側分布有F30、及R01、R02等多條斷層、軟巖帶，右岸拱端及下游側分布有F8、F37等斷層，這些地質缺陷對相應部位壩基的綜合變形模量也有一定的影響。

針對以上地質缺陷，對821 m高程以上拱座基礎采取了深挖并回填混凝土，使其形成組合基礎，并進行了加強固結灌漿等相應工程處理措施，這些工程措施對壩基的綜合變形模量也有較大影響。

3 計算方法及基本假定

采用有限元計算程序Ansys10.0，按平面應變理論，分別選取受地質構造影響較大、基巖變模較低的849.00，835.00，821.00 m高程壩肩及兩岸重力墩部位，分析壩基的綜合變形模量。通過分別考慮基礎回填混凝土（重力墩）、巖體、斷層、軟巖等各自的變形模量，計算壩基綜合變形模量。綜合變形模量計算根據變位相等理論，即在基礎某一特定區域內，考慮各種巖體結構（含軟弱結構面和條帶）及基礎處理措施對壩基變形的影響，將該特定區域內的非均質基礎，根據變形等效的原則轉換成均質基礎的變形模量。計算方法為：計算實際揭露情況下的壩基變位，然后利用變位相等理論，計算出壩基的綜合變模。

由于各結構（包括回填混凝土、巖體、地質構造）在拱端及梁向的分布存在不同，拱端拱向及梁向的內力亦不相同，采用平面理論計算的兩向綜合變形模量存在差異，因此，對各高程分別計算了拱向及梁向綜合變形模量，然后根據拱端梁、拱向內力大小，按比例分配計算壩基綜合變形模量。

計算考慮了拱端影響范圍內的構造及各建筑物的開挖影響，根據地質平切圖、剖面圖，計算范圍取為3～5倍拱端寬度，巖體邊界為全約束。

考慮龍江拱壩最大壩高僅110 m，821 m高程以上最大壩高僅54 m，且拱端力系水平較低，單高徑向力僅2000 t左右，計算考慮X，Y，Z三向協調，可以滿足計算精度要求，未計入其相應三向轉角協調，計算公式見式（1）。

式中：k＝HA/G；HA——拱端切向力；G——拱端鉛直力——拱梁綜合變模；E拱——拱向綜合變模；E梁——梁向綜合變模。

4 荷載組合

由于靜力情況下各工況荷載相差不大，同時經驗證荷載對綜合變形模量計算的影響并不十分敏感，計算荷載均按正常溫降組合計算。由于地震情況下材料的動態變形模量較難確定，不作計算。荷載組合如下：

1）壩肩拱向：拱端剪力+拱端推力+回填混凝土基礎承擔的上游水壓力。

2）壩肩梁向：梁基剪力+梁向鉛直力+回填混凝土基礎承擔的上游水壓力。

3）重力墩軸向：拱端推力。

4）重力墩上下游方向：拱端剪力+上游水壓力。

5 計算參數

通過補充勘察增加的地質探硐和大量的鉆孔，進行跨孔地震波測試、孔內巖體變形模量測試、現場點荷載試驗測定、巖石的薄片鑒定和礦物成分分析、孔內電視觀測等多手段相互驗證，從而確定了比較接近現場實際的地質參數。拱壩基礎及下游側巖體變形模量見表1～3。基礎回填混凝土C25變形模量取22GPa，泊松比0.167。

表1 壩基巖體物理力學參數建議值表

表2 壩基下游側巖體力學參數建議值表

表3 斷層、軟巖帶巖體力學指標建議值表

6 計算結果及分析

由計算結果可知，拱向和梁向壩基巖體綜合變模不同，按拱梁內力作用所占比例計算綜合變模。由于斷層、軟巖等地質缺陷在梁向和拱向分布（規模、位置、產狀）不同、巖面的變化也不盡相同，加之受回填混凝土范圍（寬度、深度、形狀）不同的影響，使得梁向和拱向的綜合變模有所差異，右岸梁向和拱向綜合變模比左岸的差異大一些。左岸二次深挖處理較深，相應回填混凝土范圍較大，849 m高程基礎及下游側巖體變模均較小，綜合變模較原設計值有所降低；右岸二次深挖相對較淺，但受F8，F37等斷層影響，849 m高程綜合變模較原設計值有所降低；左右岸重力墩基礎及下游側巖體變模均下降較多，綜合變模較原設計值降低較多。

7 結語

盡管地質條件復雜，巖體風化形式多樣，通過補充大量的地質勘察工作，基本查清了地質條件。根據兩岸壩肩補充的地質勘察工作和揭露的地質條件，對兩岸821 m高程以上拱壩基礎采用混凝土深槽置換處理，與基礎及下游巖體一起形成組合地基，處理后基礎綜合變形模量基本滿足建基要求。同時，通過大量的計算分析和專題研究，壩體應力、組合基礎應力、壩肩變形穩定、抗滑穩定均滿足要求，說明兩岸壩肩經處理后是安全的，該處理方案是合適的。