某水電站施工期河床壩段建基面優化及校核

鄒　浩，晏鄂川，高　旭

(中國地質大學工程學院，湖北武漢430074)

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某水電站施工期河床壩段建基面優化及校核

鄒浩，晏鄂川，高旭

(中國地質大學工程學院，湖北武漢430074)

摘要：依托施工期的某水電站，采取現場地質調查結合聲波測試、變形試驗及大剪試驗等技術手段，在準確分析建基巖體工程地質條件的基礎上，對建基巖體進行評價，據此對勘察階段選定的建基面(河床壩段)進行高程的優化，并利用二維數值分析軟件Phase，對優選的建基面進行變形穩定性校核。分析結果表明，天然及地震工況下，強度折減系數均大于3，優選的建基面滿足混凝土重力壩變形穩定性要求。

關鍵詞：施工期；河床壩段；建基面；優化；校核

0引言

隨著經濟、科技的迅速發展，近年來我國科技工作者結合三峽、拉西瓦、溪洛渡等水電工程，開展了建基面的優選和可利用巖體的研究，取得了大量的研究成果。魯先元、彭啟友、張建清、李張明等采用彈性波檢測技術研究了三峽工程建基巖體的可利用性，為大壩建基面的優選提供了技術支撐[1- 4]；劉世煌通過研究拉西瓦水電站壩基的巖體風化與卸荷特征，基于數值計算，用模糊評判法對建基面進行優化[5]；陳志堅等討論了巖體質量及其影響因素的復雜與不確定性，建立了建基面優選模型[6]；盧建平等提出用有序質量最優分割法進行弱風化巖體亞帶的劃分，從而確定建基面高程[7]；黃楊一、王造銀等總結前人研究成果認為，弱風化下段巖體可作為建基巖體，減少了開挖量[8]；黃春華、葉建群、李應輝等通過超前壩基聲波檢測、現場試驗和地質跟蹤等方式，進行建基面巖體質量預測、預報和復核，最終提出建基面優化方案[9]。

本文考慮多重影響的因素，將現場地質調查與聲波測試、變形試驗、大剪試驗等技術手段相結合，在準確評價河床地段建基巖體的工程地質條件基礎之上，優選建基面。

1建基面優化

1.1壩區基本地質條件

某水電站壩址位于塘壩河河口上游河段，壩段出露的地層主要為侏羅系中統張河組、蛇店組紫紅色薄層狀泥巖及黃綠色厚層～塊狀中粒長石砂巖，還有上第三系灰黃、灰綠色鈣質頁巖、砂質頁巖和第四系地層分布。壩段范圍斷層不發育，構造形跡主要表現為褶皺構造，構造總的方向為N10°～35°E，規模較大的褶皺有干坪子向斜和大平壩背斜。壩段范圍地表未發現Ⅳ級以上斷層，結構面主要以擠壓形式出現。壩段內巖體風化帶厚度不大，并以表層均勻風化為主，由地表向深處風化程度逐漸減弱。

建基面的優化主要通過以下手段實現：① 結構面精細測繪、飽和單軸抗壓強度試驗與巖體結構劃分。② 波速測試(超前聲波孔、鉆爆孔)與巖體質量級別初步劃分。③ 采取大剪試驗與變形試驗進行檢驗，利用Phase進行穩定性校核。優化后的建基面高程為980 m，設計開挖高程為978 m。

1.2建基巖體質量劃分

1.2.1初步劃分

(1)飽和單軸抗壓強度。工程開挖揭露巖性主要為砂巖、粉砂巖、礫巖。河床壩段(17～20號壩段)取樣，試驗統計值平均結果為：砂巖43.99 MPa、礫巖68.94 MPa、粉砂巖37.96 MPa。

(2)RQD。根據現場調查，17號壩段為砂巖，18號壩段為礫巖，19號壩段為粉砂巖、20號壩段為砂巖。鉆孔巖芯結果分析RQD分別為：65%、75%、60%和70%。

(3)巖體結構。礫巖屬堅硬巖，砂巖和粉砂巖屬中硬巖。巖體結構以厚層狀為主。根據巖體強度、RQD值及巖體結構初步確定建基面的巖體質量級別：17、18、19、20號壩段分別為Ⅲa～Ⅱ類、Ⅱ類、Ⅲa類、Ⅲa～Ⅱ類。

1.2.2詳細劃分

以17號壩段7、8號孔波速統計數據為例，參考GB 50487—2008《水利水電工程地質勘察規范》，礫巖巖體分類標準為：Ⅱ級對應Vp>4 500 m/s，Ⅲa級對應4 000 m/s

為了更直觀反應建基面不同高程的巖體質量級別，建立三維柱體剖面圖。17～20號壩段巖體聲波三維柱體圖見圖1。分析結果為：17號壩段巖體類別為Ⅱ類、18號壩段為Ⅲa～Ⅱ類、19號壩段為Ⅲa～Ⅱ類、20號壩段為Ⅱ類。17～20號壩段可研階段巖體質量評價總體趨勢與施工開挖結果一致，以Ⅲa～Ⅱ類為主。

圖1　17～20壩段巖體聲波三維柱體示意

1.3建基巖體質量檢驗

選取17號壩段的變形試驗、大剪試驗成果進行分析，與1.2節劃分結果可作對比。由變形試驗統計結果可知，砂巖變形模量為12.8～19 GPa；礫巖為15.6～25 GPa；粉砂巖為5.8～8.3 GPa。變形模量最小值5.8 GPa，最大值25 GPa。采用優定斜率法下限值獲得混凝土與堅硬巖體(砂巖、礫巖)的抗剪斷強度參數建議值：f′=1.17，c′=1.21 MPa。混凝土與粉砂巖抗剪強度參數建議值：f′=0.98，c′=0.93 MPa。巖體質量類別為Ⅲa類。

同理可知，18、19、20號壩段巖體質量級別分別為Ⅱ類、Ⅲa類、Ⅲa～Ⅱ類。變形試驗、大剪試驗結果與現場地質調查、波速劃分結果保持一致。

2建基面校核

為校核優化后建基面高程980 m是否達到設計要求，采用Phase進行大壩應力應變特性分析。

2.1模型建立

以18號壩段為例，順河剖面為基本剖面。壩高159 m，壩頂高程1 139 m，蓄水位1 134 m，上游蓄水高度為1 134-980=154 m，下游蓄水高度為1 017.7-980=37.7 m。大壩斷面以三維剖切的斷面為計算斷面，考慮水壓力和大壩重力。網格剖分模型見圖2。

圖2　網格剖分模型

計算工況為蓄水前天然工況、正常蓄水天然工況和正常蓄水地震工況。地震加載大小及方式依據SL 203—97《水工建筑物抗震設計規范》，最大水平加速度值取0.2g，豎向設計地震加速度取水平向設計地震加速度代表值的2/3，為0.133g。

考慮變形試驗與剪切試驗結果并結合經驗值，綜合選取巖體力學參數(見表1)。

圖3　蓄水前天然工況模擬結果

巖組容重/kN·m-3變形模量/MPa泊松比μ內摩擦角/(°)內聚力/MPa微新巖體30150000.21501.3弱風化下段巖體29101000.23481.16弱風化上段巖體2880000.24450.8混凝土26200000.167552

2.2計算結果

蓄水前天然工況模擬結果見圖3。從圖3可知，壩踵處最大主應力為1.36 MPa，壩趾處為0.45 MPa，達到建基巖體的要求。最大總位移3 mm出現在壩頂，最大垂直位移2 mm也出現在壩頂，從位移數值上看，該位移對壩基的影響不甚明顯。

正常蓄水天然工況和正常蓄水地震工況模擬結果為：

(1)天然工況最大主應力從壩頂往壩基呈增大趨勢，壩踵為0.90 MPa，壩趾為1.35 MPa。地震工況壩踵處減小為0.40 MPa，壩趾處增加為3.60 MPa。地震使壩踵處最大主應力值下降，壩趾處較大幅度增加。

(2)地震使壩趾處最小主應力值由0.50 MPa增加到0.90 MPa。

(3)地震工況壩頂最大垂直位移為30.0 mm，相比天然工況，壩踵和壩趾位移均有所增加。

(4)2種工況最大水平位移均出現在壩頂。地震工況水平位移出現明顯增加，由30.0 mm增加到130.0 mm；壩踵和壩趾處位移同樣出現明顯增加，壩踵處水平位移由零增加到80.0 mm，壩趾處由10.0 mm增長到80.0 mm，增幅較大。

(5)地震導致壩踵、壩趾、壩頂水平位移均增加。天然和地震工況水平位移均出現從壩頂到壩基減小的趨勢。

(6)2種工況僅在壩踵處存在拉張破壞。地震工況壩踵屈服區域寬度明顯增加，寬度所占比例由5%增加到10%。但是拉應力的影響范圍不大，不會產生整體的拉張破壞。

2.3建基巖體安全系數

參考SL 319—2005《混凝土重力壩設計規范》的安全系數k′標準：基本組合k′≥3.0；特殊組合k′≥2.5(校核洪水工況)，k′≥2.3(地震工況)。選用強度折減法評價壩體穩定性。強度折減系數(SRF)與總位移最大值的關系曲線見圖4。由圖4可知，天然工況、地震工況下總位移最大值分別為4 cm和7.2 cm，安全系數分別為6.84和3.4，達到大壩設計要求。

圖4　強度折減系數(SRF)與總位移最大值關系

3結語

本文在對水電站壩址工程地質條件調查分析的基礎上，對河床壩段建基巖體質量級別進行劃分，利用變形、大剪試驗進行檢驗，采用phase進行校核。主要結論如下：

(1)河床壩段的建基巖體結構以厚層狀為主，巖性為砂巖、礫巖、粉砂巖。

(2)利用波速-巖級對應關系，河床壩段巖級以Ⅲa～Ⅱ類為主；分析變形試驗、大剪試驗結果可知，優化后的建基面滿足建基巖體的要求。

(3)壩趾處最大主應力、最小主應力增加幅度較大；壩頂、壩踵、壩趾總位移、水平位移明顯增加；垂直位移增加幅度較小；壩踵塑性分布區寬度和深度均增加。

(4)強度折減系數均大于3(天然、地震)，滿足重力壩變形穩定性要求。

(5)河床壩段選擇的Ⅲa～Ⅱ類巖體作為建基巖體滿足大壩對建基巖體變形和抗滑穩定性的要求，大壩是安全的。

參考文獻：

[1]魯先元， 高鵬飛， 肖國強， 等. 三峽壩基建基面巖體質量驗收標準[J]. 巖石力學與工程報， 1996， 15(增)： 599- 604.

[2]彭啟友， 歐陽代俊. 三峽工程大壩建基面彈性波檢測方法[J]. 大壩與安全， 2004(4)： 52- 56.

[3]張建清. 三峽工程建基面巖體彈性波檢測技術[J]. 物探化探計算技術， 2003， 25(4)： 340- 347.

[4]李張明. 三峽工程建基面彈性波檢測技術[J]. 中國三峽建設， 1999(3)： 13- 15.

[5]劉世煌. 拉西瓦拱壩建基面的優化[J]. 水力發電， 1996(12)： 17- 20.

[6]陳志堅， 朱代洪， 張雄文. 圍巖質量綜合評判模型和大壩建基面優選模型的建立[J]. 河海大學學報： 自然科學版， 2002， 7(4)： 88- 91.

[7]盧建平， 陸兆溱， 鐘肖青， 等. 水電工程中弱風化巖體可利用性探討[J]. 巖土力學， 1996， 17(1)： 41- 47.

[8]黃楊一， 王造銀， 等. 關于弱風化巖體利用的認識與實踐[J]. 人民長江， 1995， 26(6)： 33- 36.

[9]黃春華， 葉建群， 李應輝， 等. 龍開口水電站大壩建基面優化研究[J]. 水力發電， 2013， 39(2)： 36- 38．

(責任編輯楊健)

Optimization and Check for the Foundation Surface on Riverbed Dam Section of a Hydropower Station during Construction Period

ZOU Hao, YAN Echuan, GAO Xu

(Faculty of Engineering, China University of Geosciences, Wuhan 430074, Hubei, China)

Abstract:By field geological survey combining with sound wave test, deformation test and large shear test to accurately analyze the engineering geological conditions of rock mass, the rock mass under foundation surface in a hydropower station during construction period is evaluated, and then the elevation of foundation surface (riverbed dam section) determined in investigation stage is optimized. The deformation stability of optimized foundation surface is checked by 2D numerical analysis software Phase. The results show that the strength reduction factors are bigger than 3 under natural and earthquake conditions and the optimized foundation surface meets the requirement of concrete gravity dam deformation stability．

Key Words:construction period; riverbed dam section; foundation surface; optimization; check

中圖分類號：TU459

文獻標識碼：A

文章編號：0559- 9342(2016)01- 0045- 04

作者簡介：鄒浩(1983—)，男，湖北公安人，博士研究生，主要研究方向為巖土體穩定性評價與利用；晏鄂川(通訊作者)．

收稿日期：2015- 05- 25