公伯峽水電站進水口壩段基礎水平位移監測值異常原因分析

石廣斌,賈 巍,張曼曼

(1.西安建筑科技大學,西安 710054;2.中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司,西安 710065;3.西安理工大學,西安 710048)

文章編號：1006—2610(2015)01—0034—04

公伯峽水電站進水口壩段基礎水平位移監測值異常原因分析

石廣斌1,2,3,賈 巍2,張曼曼2

(1.西安建筑科技大學,西安 710054;2.中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司,西安 710065;3.西安理工大學,西安 710048)

公伯峽水電站進水口為擋水建筑物，水庫蓄水運行后，發現5號進水口倒垂觀測值有異常現象；為了深入分析5號進水口倒垂觀測點向下游變位較大的原因，本次從分析進水口壩段基礎地質條件著手，并借助數值方法，分析是否存在深層抗滑的可能性和向下游水平變位較大的原因。

公伯峽水電站；進水口；擋水建筑物；水平變形；異常

0 前 言

黃河公伯峽水電站工程位于青海省循化撒拉族自治縣和化隆回族自治縣交界處，距循化縣城25 km，距西寧市153 km。距上游李家峽水電站76 km，該電站是黃河干流上游龍羊峽至青銅峽河段中第4座大型梯級電站。本工程樞紐主要由大壩、引水發電系統和泄水建筑物三大部分組成。樞紐布置格局為：河床鋼筋混凝土面板堆石壩(壩高132.20 m)，右岸引水發電系統(由引渠、5個混凝土壩式進水口、5條壓力鋼管)，左右岸泄洪洞，左岸溢洪道，左右岸灌溉取水口及右岸混凝土面板防滲系統。

2004年8月8日工程下閘蓄水，庫水位基本維持在2 003.00 m左右，水庫蓄水1年多后，發現5號進水口倒垂觀測有異常現象，該觀測儀器位于5號進水口灌漿廊道(樁號引左0+094 m、高程1 961.00 m)，經分析觀測資料，至2012年5月24日量測到向下游的水平位移分量最大變位7.6 mm。其它倒垂測點向下游變位在2.5～3.5 mm之間，并呈周期性變化。

根據竣工安全鑒定的要求，2007年6月，中國水電顧問集團西北堪測設計研究院根據施工階段地質揭露的實際斷層出露情況，對5號進水口和臨近的3、4號進水口壩段基礎深層抗滑穩定進行復核，采用安全系數法，計算的抗剪安全系數和抗剪斷安全系數均滿足規范要求，采用承載能力極限狀態法的計算結果也滿足規范要求。因此，為了更深入分析5號進水口倒垂觀測點向下游變位較大的原因，本次從分析進水口壩段基礎地質條件著手，并借助數值方法，分析是否存在深層滑移的可能性和向下游水平變位較大的原因。

1 工程地質概況

發電進水口壩段位于右岸Ⅲ級階地中下游段，原地面高程2 030.00～2 045.00 m，上覆階地堆積物具二元結構，其中上部砂壤土層厚25～30 m，下部砂卵礫石層厚20～30 m，覆蓋層總厚45～55 m。

下伏基巖主要為花崗巖，局部夾有少量片麻巖捕虜體；巖體中斷裂構造較發育。基巖頂部大多呈古全、強風化，古全風化層鉛直厚5～20 m，古強風化層厚10～28 m，壩基范圍內古強風化下限高程在1 955.00～1 965.00 m之間。

開挖后揭露出的控制3、4和5號進水口壩段的斷層型結構面主要是f13、f14、f15和f19，且以緩傾角斷層f13、f14為主。盡管各斷層的寬度不大，斷層帶以硬性粗碎屑為主，但其中夾有糜棱質和泥質。5號進水口壩段基礎斷層型結構面分布如圖1。

圖1 基礎斷層型結構面分布圖

1號進水口上游齒墻基礎高程為1 952.00 m，基礎面高程為1 955.00 m，2號進水口上游齒墻基礎高程為1 955.00 m，基礎面高程為1 958.00 m，3～5號進水口上游齒墻基礎高程為1 958.00 m，基礎面高程為1 961.00 m。地基允許承載力3.0 MPa。

2 數值分析模型

2.1 數值分析模型的建立依據

由開挖揭露基礎斷層型結構面分布分析，f14的產狀為NE6°SE∠24°，進水塔的走向為NW71°，其下游斜坡的產狀為NW90°E∠24°，f14可從在進水塔下游開挖的斜坡上出露；f15的產狀為SNE∠48°，在進水塔下游開挖的斜坡上不可能出露。因此，基礎由可能從f14發生深層滑動。

從整個基礎面開挖揭露斷層、節理分布情況來看，基礎面上沒有貫穿上下游的不連續巖體結構面，但在考慮巖體裂隙有一定的連通率后，可以假定f14斷層在4號與5號進水塔之間被一個垂直的結構面切開，這樣的假定具有一定的偏安全性。

根據以上分析，建立的5號進水塔整體穩定分析數值單元離散模型如圖2，圖3是f14在基礎上斜切展示圖。塔體、地基均用塊體單元模擬，地基接觸面和f14斷層用接觸單元模擬。計算模型取下游、

圖2 模型單元離散圖

圖3 f14斜切圖

左右及深度方向約為2倍塔高范圍的無質量地基，以反映地基彈性影響。模型中的x軸指向下游，y軸指向豎直向上，z軸指向右岸。

2.2 進水塔基礎和結構面物理力學指標

根據塔基開挖揭露的地質條件，巖體類別為Ⅱ2類，綜合變形模量取4.0 GPa，軟化系數取0.75。f14斷層的寬度不大，斷層帶以硬性粗碎屑為主，但其中局部夾有糜棱巖和泥質，壩基開挖后表面巖體卸荷回彈松弛，結構面強度參數較天然狀態會有變化。但考慮到施工期基礎固結灌漿的補強和電站運行多年來壩體自重的壓密等因素，經綜合考慮，f14斷層結構面抗剪斷綜合強度參數為：f=0.40，c=0 MPa；f′=0.50，c′=0.025 MPa；壩基面混凝土/巖體f=0.65，f′=0.70，c′=0.3 MPa。

3 數值分析結果

3.1 塔基、塔體變形

數值計算分析工況為完建工況、正常運行工況和檢修工況，3種工況下塔基面順水流方向最大變形分別為1.40、8.02、8.16 mm；豎向最大沉降變形分別為10.66、17.27、16.13 mm。正常運行工況塔基順水流方向變形分布如圖4。3種工況豎向最大變形均位于下游，正常運行工況和檢修工況基面順水流方向的最大值位于斷層f14附近，并且靠左邊，這和在塔體重力作用下斷層f14接觸面滑動趨勢是一致的。正常運行工況和檢修工況塔基面靠上游(灌漿廊道附近)的順水流方向最大變形約6.9 mm。截至2012年5月24日，5號倒垂測點最大變位7.6 mm，與計算值相差0.7 mm，基本一致。

圖4 正常運行工況塔基順水流方向變形圖 單位：m

3種工況下塔頂面順水流方向最大變形分別為2.54、17.9、16.89 mm；豎向最大沉降變形別為9.01、13.50、12.58 mm。正常運行工況塔體順水流方向變形分布如圖5。截至2012年5月24日，5號正垂測點最大變位15.7 mm，與計算值相差2.2 mm，基本一致。

由上述計算值的分布以及其與監測值之間的比較分析可得，數值計算值與監測值變化趨勢一致，數值也基本接近。初步分析認為，5號測點測得的向下游水平方向變形可能與f14的切割體離下游邊坡臨空面較近和切割體單薄存在一定的關聯。切割體的最大厚度約9.0 m。

圖5 正常運行工況塔體順水流方向變形圖 單位：m

塔體澆筑完成后，上游灌漿廊道處順水流方向的變形為0.6～1.4 mm，正常運行工況即蓄水后上游灌漿廊道處順水流方向的變形約為6.9 mm，而倒垂測點值為7.6 mm；正常運行工況即蓄水后塔頂順水流方向的變形為15.4～17.9 mm，減去蓄水前的變形2.4 mm,而正垂測點2012年5月24日最大變位15.7 mm，在水庫蓄水初期即到2006年4月測點變位達到11.7 mm，兩者相比，數值計算值與監測值變化趨勢一致，數值也基本接近。因此，初步分析認為，5號測點測得的向下游水平方向變形可能與f14的切割體離下游邊坡臨空面較近和切割體單薄存在一定的關聯。

3.2 塔基穩定分析

3.2.1 塔基面抗滑穩定分析

3種工況下塔基面豎向最大壓應力分別為1.30、1.47、1.54 MPa，沒有超過地基承載力允許值3.0 MPa，基面上的法向應力即豎向應力均為壓應力，正常運行工況豎向應力分布如圖6。正常運行工況和檢修工況基面豎向壓應力的最大值靠近下游。

圖6 正常運行工況塔基面法向應力圖 單位：MPa

塔基接觸面處于受壓狀態，幾乎沒有張開，滑動變形很小，最大只有3.0 mm，絕大部分區域在1.0 mm以下，塔基接觸面狀態如圖7。

由塔基面法向應力分布和塔基接觸面狀態情況可知，塔基面抗滑穩定是滿足要求的。

3.2.2 深層即f14結構面抗滑穩定分析

3種工況下f14結構面處于受壓狀態，幾乎沒有

圖7 正常運行工況塔基接觸面狀態圖

張開，滑動變形很小，最大只有6.8 mm，主要位于進水塔的后緣即壩踵處附近，而上下游的頂底端基本為0，這主要是荷載作用下的擠壓變形，接觸面狀態如圖8。由f14結構面法向應力分布和接觸面狀態情況可知，深層即f14結構面抗滑穩定是滿足要求的。同時從計算過程來看，計算不僅收斂，而且速度還是較快的，如圖9，這也同樣說明深層即f14結構面抗滑是穩定的。

圖8 正常運行工況f14結構面主要滑動變形發生位置圖

圖9 收斂過程圖

4 結 語

(1) 通過數值分析，塔基和f14不連續結構面均處于受壓狀態，滑移變形很小，基本上是荷載作用下結構體本身變形所引起的，收斂計算也很快，由此說明塔基面和f14斷層的深層抗滑穩定均滿足要求。

(2) 通過數值計算值與監測值變化趨勢分析，認為5號進水口倒垂觀測值出現偏大可能與f14的切割體離下游邊坡臨空面較近，也可能與切割體單薄存在一定的關聯。

[1] 西北勘測設計研究院有限公司.黃河公伯峽水電站樞紐工程右岸進水口閘基工程地質報告[R].2006,12.

[2] 西北勘測設計研究院有限公司.黃河公伯峽水電站右岸進水口壩段工程地質勘察報告[R].2012,3.

[3] 西北勘測設計研究院有限公司.黃河公伯峽水電站進水口壩段基礎深層抗滑穩定復核專題報告[R].2012,10.

[4] 石廣斌.黃河公伯峽水電站進水口壩段基礎深層抗滑穩定數值分析報告[R].2012,12.

Analysis on Causes of Abnormal Monitoring Data of Horizontal Displacement of Foundation at Power Intake Section, Gongboxia Hydropower Station

SHI Guang-bin1,2,3, JIA Wei2, ZHANG Man-man2

(1. Xi'an University of Architecture and Technology, Xi'an 710054,China; 2. POWERCHINA Xibei Engineering Corporation Limited,Xi'an 710065,China; 3. Xi'an University of Technology, Xi'an 710048,China

The power intake of Gongboxia Hydropower Station is of the water-retaining structure. After the reservoir is impounded and operates, the monitoring data of the inverted plumb of the power intake No. 5 are found abnormal. To analyze deeply the abnormal data which shows the displacement of the monitoring point of the inverted plumb at the power intake No. 5 toward downstream is a little great, whether possibility of deep sliding resistance and causes of the greater displacement toward downstream are analyzed from the geological conditions of the foundation at the power intake dam section and with help of value method as well.

Gongboxia Hydropower Station; power intake; water retaining structure; horizontal deformation; abnormal

2014-06-10

石廣斌(1968- ),男,安徽省蕪湖市人,教授，博士,主要從事地下工程、邊坡工程和混凝土結構工程等方面的教學科研工作.

TV698.1

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2015.01.009