白羊水電站砼面板堆石壩抗震設(shè)計(jì)

陳知淵1 肖鈺2

1.浙江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院 杭州 310002

摘要：本文主要介紹四川省白草河干流（松潘境內(nèi)）梯級(jí)一級(jí)白羊水電站砼面板堆石壩抗震設(shè)計(jì)方法，可供地震區(qū)類似工程設(shè)計(jì)參考。

關(guān)鍵詞：水電站；砼面板堆石壩；抗震設(shè)計(jì)

1 工程概況

白草河干流（松潘境內(nèi)）梯級(jí)一級(jí)白羊水電站位于阿壩藏族羌族自治州松潘縣境內(nèi)，壩址地處會(huì)龍橋匯合口下游的白草河干流上，距北川縣縣城約78km。白草河干流（松潘境內(nèi)）梯級(jí)一級(jí)白羊水電站工程任務(wù)為發(fā)電，兼顧下游生態(tài)用水。工程主要建筑物有攔河壩、泄洪洞、左右岸排沙洞、發(fā)電引水建筑物、發(fā)電廠房和升壓站等。

2 工程等別和洪水標(biāo)準(zhǔn)

白羊水電站壩址以上集水面積914km2，水庫(kù)校核洪水位1227.97m，總庫(kù)容1941萬m3，水庫(kù)正常蓄水位1225.00m，電站裝機(jī)容量30MW，工程等別為Ⅲ等，水庫(kù)為中型水庫(kù)，電站為小（1）型電站。

主要建筑物攔河壩為2級(jí)建筑物，泄水建筑物、排沙（放水）建筑物、發(fā)電引水建筑物、發(fā)電廠及升壓站為3級(jí)建筑物。

主要水工建筑物砼面板堆石壩、泄洪洞、左岸排沙洞、右岸排沙洞以及發(fā)電引水建筑物進(jìn)水口按100年一遇洪水設(shè)計(jì)，1000年一遇洪水校核；發(fā)電引水建筑物（除進(jìn)水口外）、發(fā)電廠與升壓站按50年一遇洪水設(shè)計(jì)，200年一遇洪水校核；消能防沖洪水重現(xiàn)期為30年一遇。

3 攔河壩地基特性和參數(shù)

3.1 攔河壩壩體地基特性及設(shè)計(jì)參數(shù)

壩體覆蓋層為第四系全新統(tǒng)的殘坡積層、崩坡積、崩積和沖洪積堆積物。基巖以絹云英千枚巖夾結(jié)晶灰?guī)r為主，局部為結(jié)晶灰?guī)r夾絹云英千枚巖，千枚巖具千枚狀構(gòu)造，千枚理發(fā)育，遇水易軟化；結(jié)晶灰?guī)r致密堅(jiān)硬。壩址區(qū)未見區(qū)域性斷層通過，其構(gòu)造形式主要表現(xiàn)為層間擠壓帶及節(jié)理裂隙。壩址左岸發(fā)育f1斷層，由壓碎巖、石英脈、斷層泥組成，寬15cm～25cm。PB1破碎帶內(nèi)巖石為炭質(zhì)絹云英千枚巖，經(jīng)壩址左岸埡口斜穿河床，至右岸后向下游延伸，規(guī)模較大，傾角較陡，約60°～90°，寬度約5.0m～10.0m。壩軸線上游右岸陡崖發(fā)育四組卸荷裂隙L1、L2、L3、L4，表部張開寬10cm～20cm，至深部閉合，深約10.0m～15.0m。在右岸岸坡以內(nèi)11.0m處發(fā)育L5，寬度5cm～20cm，頂部張開，至底部逐漸閉合，延伸長(zhǎng)，鐵錳質(zhì)渲染。

主堆石區(qū)應(yīng)清除上部覆蓋層及松動(dòng)巖石后，對(duì)延伸長(zhǎng)、寬度大影響岸坡穩(wěn)定的卸荷裂隙進(jìn)行挖除，對(duì)岸坡穩(wěn)定不起控制作用的卸荷裂隙作好砼回填后，可作為壩殼地基。次堆石區(qū)可清除上部松散覆蓋層，利用較密實(shí)的含碎石粉質(zhì)粘土層作為壩殼地基。對(duì)壩殼地基范圍內(nèi)的勘探平硐應(yīng)作回填處理后方可建基。

3.2 趾板地基特性及設(shè)計(jì)參數(shù)

趾板覆蓋層為第四系全新統(tǒng)的殘坡積，基巖為含炭質(zhì)絹云英千枚巖、絹云英千枚巖夾結(jié)晶灰?guī)r，高程1183.00m以下為結(jié)晶灰?guī)r夾含炭質(zhì)絹云英千枚巖，具千枚狀構(gòu)造，千枚理發(fā)育，遇水易軟化，結(jié)晶灰?guī)r致密堅(jiān)硬。建議趾板設(shè)置在微風(fēng)化巖石上。建議按0.3～0.5的允許坡降對(duì)擠壓破碎帶進(jìn)行工程處理，對(duì)通過趾板左岸的擠壓帶及右岸裂隙部位進(jìn)行開挖回填砼塞。對(duì)趾板地基進(jìn)行固結(jié)灌漿處理。

河床及兩岸壩肩均存在透水帶，兩岸地下水位低于正常蓄水位，存在壩基及繞壩滲漏問題。防滲帷幕下限按深入相對(duì)不透水層（q≤1Lu）以下5.0m～10.0m控制。建議防滲帷幕沿趾板線布置外，兩岸適當(dāng)向山體內(nèi)延伸。

4 地震設(shè)防烈度和工程抗震設(shè)防類別

根據(jù)《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》（GB18306-2001），本區(qū)地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.4s（按中硬場(chǎng)地考慮），地震動(dòng)峰值加速度為0.20g（相當(dāng)于地震基本烈度8度）。

根據(jù)《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL203-97），本工程攔河壩為2級(jí)建筑物，工程抗震設(shè)防類別為乙類；泄水建筑物、排沙（放水）建筑物、發(fā)電引水建筑物、發(fā)電廠及升壓站為3級(jí)建筑物，工程抗震設(shè)防類別為丙類。

5 攔河壩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

砼面板堆石壩壩頂寬度為6.00m，壩頂高程為1228.50m，最低壩基趾板底高程為1148.00m，相應(yīng)最大壩高80.50m，壩頂長(zhǎng)度206.00m，上游邊坡為1：1.5，下游邊坡為1：2.0，在高程1210.00m、高程1190.00m、高程1170.00m處各設(shè)一級(jí)馬道，馬道寬度為2m。壩體分區(qū)填筑，分層碾壓，自上游至下游依次分為9個(gè)主要填筑區(qū)：墊層區(qū)、過渡層區(qū)、壩頂靜碾?yún)^(qū)、主堆石區(qū)、千枚巖區(qū)、排水區(qū)、下游堆石區(qū)、下游護(hù)坡區(qū)和灰?guī)r料濾水壩址區(qū)，另在面板周邊縫附近設(shè)置特殊墊層區(qū)，大壩下游壩面為干砌塊石護(hù)坡，高程1157.50m以下下游壩面外側(cè)為灰?guī)r料濾水壩址區(qū)。壩體堆石料主要為灰?guī)r和千枚巖。

壩基以絹云英千枚巖夾結(jié)晶灰?guī)r為主，局部為結(jié)晶灰?guī)r夾絹云英千枚巖，趾板建基面為堅(jiān)硬、不沖蝕和可灌漿的基巖，趾板基礎(chǔ)必須開挖到弱風(fēng)化基巖。趾板基礎(chǔ)進(jìn)行固結(jié)和帷幕灌漿，固結(jié)灌漿孔為兩排，排距2.5m、孔距為3.0m，建基面以下孔深5.0m；防滲帷幕孔一排，帷幕孔距2m，孔深要求深入相對(duì)不透水層（透水率≤1lu）以下5.0m～10m，帷幕左岸延伸到正常蓄水位與相對(duì)不透水層線相交處，右岸與泄洪洞帷幕相接。

6 攔河壩穩(wěn)定分析

6.1 計(jì)算方法

本工程攔河壩壩型為砼面板堆石壩，最大壩高為80.50m，壩基為基巖以絹云英千枚巖夾結(jié)晶灰?guī)r為主，局部為結(jié)晶灰?guī)r夾絹云英千枚巖，不存在可液化土，因此采用擬靜力法進(jìn)行抗震穩(wěn)定計(jì)算。

攔河壩抗滑穩(wěn)定計(jì)算選取大壩最大斷面（樁號(hào)壩0+105.000m）進(jìn)行計(jì)算，分別采用不計(jì)及條塊間作用力的瑞典圓弧法和計(jì)及條塊間作用力的簡(jiǎn)化畢肖普法進(jìn)行計(jì)算

6.2 計(jì)算工況

因一級(jí)白羊電站攔河壩的設(shè)計(jì)洪水位低于正常蓄水位，因此不計(jì)算設(shè)計(jì)洪水位的工況。根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL274-2001）規(guī)定，本工程攔河壩上下游壩坡穩(wěn)定計(jì)算時(shí)選取以下三種設(shè)計(jì)條件、六種工況進(jìn)行復(fù)核計(jì)算：

1）正常運(yùn)用條件

工況一：正常蓄水位下穩(wěn)定滲流期背水坡穩(wěn)定計(jì)算；

工況二：正常蓄水位驟降至泄洪洞堰頂高程1211.00m時(shí)迎水坡穩(wěn)定計(jì)算；

工況三：正常蓄水位降落至發(fā)電死水位1200.00m時(shí)迎水坡穩(wěn)定計(jì)算。

2）非常運(yùn)用條件Ⅰ

工況四：校核洪水位背水坡穩(wěn)定計(jì)算；

工況五：校核洪水位驟降至泄洪洞堰頂高程1211.00m時(shí)時(shí)迎水坡穩(wěn)定計(jì)算。

3）非常運(yùn)用條件Ⅱ：

工況六：正常蓄水位遭遇地震時(shí)背水坡穩(wěn)定計(jì)算。

6.3 計(jì)算參數(shù)

各材料的物理和力學(xué)參數(shù)詳見表1。

表1 抗滑穩(wěn)定計(jì)算土體物理、力學(xué)指標(biāo)表

物理力學(xué)指標(biāo)

土層名稱 濕容重

（kN/m3） 抗 剪 強(qiáng) 度

C（kPa） φ（°）

砼面板、趾板、防浪墻、擋墻 25.0 500 0

2A墊層區(qū)、3A過渡層區(qū)、

2B特殊墊層區(qū)、3A1壩頂靜碾?yún)^(qū) 21.5 0 43

3B灰?guī)r料主堆石區(qū)、3G排水區(qū)、

3C灰?guī)r料次堆石區(qū)、3D干砌塊石護(hù)坡區(qū) 20.6 0 40

3B1千枚巖區(qū) 19.4 0 36

碾壓堆石體 24.0 0 40

6.4 計(jì)算成果

復(fù)核計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 攔河壩抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)復(fù)核計(jì)算成果表

設(shè)計(jì)條件 工 況 瑞典圓弧法

（不計(jì)及條塊間作用力） 簡(jiǎn)化畢肖普法

（計(jì)及條塊間作用力）

背水坡 迎水坡 規(guī)范允許值 背水坡 迎水坡 規(guī)范允許值

正常運(yùn)用

條件 工況一 1.577 / 1.242 1.643 / 1.350

工況二 / 1.318 / 1.418

工況三 / 1.258 / 1.365

非常運(yùn)用

條件Ⅰ 工況四 1.565 / 1.150 1.627 / 1.250

工況五 / 1.305 / 1.389

非常運(yùn)用

條件Ⅱ 工況六 1.310 / 1.058 1.362 / 1.150

由計(jì)算結(jié)果可知，攔河壩抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)滿足規(guī)范要求。

7 結(jié)語

以上通過對(duì)白羊水電站攔河壩進(jìn)行穩(wěn)定分析，簡(jiǎn)要介紹了在地震區(qū)砼面板堆石壩的抗震設(shè)計(jì)方法，可供地震區(qū)類似工程設(shè)計(jì)參考。