承德市雙峰寺水庫重力壩建基面優化設計研究

郭建禮，王艷軍

承德市雙峰寺水庫重力壩建基面優化設計研究

郭建禮，王艷軍

（河北省水利水電勘測設計研究院，天津300250）

雙峰寺水庫是解決承德市防洪安全及城市供水的大型水利工程，攔河壩為碾壓混凝土重力壩，基礎坐落于弱風化黑云斜長片麻巖上部，初步設計階段按照進入弱風化巖深度不小于2 m控制。為減少壩基開挖工作量、節省工程投資，施工階段對建基面存在優化設計的可能性進行了研究。

雙峰寺水庫；建基面；優化設計；壩基開挖

承德市是國家著名的歷史文化名城和風景旅游勝地，也是冀東北地區政治、經濟、文化中心。由于流域內無控制性水利工程，突發性大洪水一直是嚴重威脅承德市區及下游防洪安全的一大隱患。隨著城市人口的增加及其它產業的快速發展，城市用水總量也逐漸增加，市區供水日益緊張。為解決承德市存在的防洪安全及水資源供需矛盾、防止生態環境持續惡化等問題，急需修建雙峰寺水庫。

雙峰寺水庫地處承德市區上游12 km，總庫容1.37億m3，正常蓄水位389 m，是以解決武烈河流域防洪為主并結合城市供水及發電等綜合利用的大（2）型水利水電樞紐工程。

水庫攔河壩設計最大壩高50.1 m，壩基坐落在弱風化黑云斜長片麻巖上部，基礎進入弱風化巖深度按不小于2 m控制。水利部在初步設計審查意見中提出應根據壩基開挖情況優化建基面高程。施工階段為減少開挖工作量、節省工程投資，建基面存在優化設計重新確定的可能。

壩址區覆蓋層厚度不足10 m，下伏黑云斜長片麻巖（Arb）。壩基巖體呈弱風化狀態，巖體較完整，強度較高，具有較好的抗滑、抗壓縮變形及抗侵蝕能力。

壩基巖體最大開挖深度約15 m，包括保護層在內共分3層開挖。在首層開挖后的353.0 m高程基巖面上進行了鉆探、壓水試驗、聲波試驗等地質勘察和試驗工作；壩段基本開挖至計劃優化高程后，為復核優化后建基面地質參數，又布置了地質測繪、聲波測試、點荷載試驗、回彈試驗等，為合理優化大壩建基面提供可靠的地質依據。

1 壩基建基面選擇的原則及依據

大壩建基面的選擇和確定關系到工程建設的安全性和經濟性，是壩基工程地質研究的重要任務之一，建基面的選定既要考慮工程地質因素又需滿足經濟可行原則。

在對壩基巖體進行工程地質分類的基礎上，考慮壩基強度、壩高以及壩基加固處理效果等因素，綜合確定壩基巖體的可利用標準，盡量減少壩基巖體開挖量和混凝土澆筑量，在保證工程安全的前提下提高經濟效益。

影響壩基巖體質量及建基面選擇的主要因素為以下幾個方面。

（1）巖體強度。巖體強度是影響壩基巖體質量的基本因素，堅硬巖作為壩基，其強度、剛度和抗剪強度均易于滿足混凝土重力壩的建基要求，因此要充分考慮巖體強度、巖體完整性及耐久性等指標是否滿足重力壩地基應力的要求。

（2）巖體結構。整體狀、塊狀、次塊狀巖體結構是良好的混凝土重力壩壩基，互層狀、薄層狀或鑲嵌狀巖體結構次之，碎裂或散體狀巖體結構不宜作為高混凝土重力壩壩基。

（3）巖體完整性。巖體完整性是壩基巖體質量的重要因素，巖體完整性好或較好的壩基巖體均一性、抗變形能力及抗滲性能也高，易于滿足混凝土大壩對地基的要求。

（4）巖體風化程度。巖體的風化程度也是影響壩基巖體質量的主要因素。淺表部巖體在風化、卸荷等表生作用改造后，巖體風化裂隙發育，其強度和完整性均會有不同程度的降低。風化程度較弱的巖體由于受風化和卸荷改造的影響小，基本上保持了原巖的強度、完整性和緊密程度，是良好的壩基巖體。

（5）水文地質條件。地下水對巖體的作用主要表現在地下水的滲透使巖石軟化，尤其使軟弱結構面產生軟化泥化，降低其原有的強度，或在滲透壓力的作用下產生化學或機械潛蝕作用。同時，由地下水滲透作用形成的揚壓力對混凝土重力壩的抗滑穩定也會產生不利影響。

總之，建基面位置的選擇，應根據壩基巖體力學強度、抗滑穩定安全性、抗變形性能及抗滲性能確定，并有足夠的耐久性，防止巖體性質在高壓水頭的長期作用下發生惡化。

具體到雙峰寺水庫，壩基建基面選擇主要考慮以下因素。

（1）巖體強度。巖體飽和單軸抗壓強度不低于65 MPa，承載力建議值不低于3 500 kPa，抗剪斷強度滿足設計抗滑穩定要求。

（2）巖體風化程度。壩基巖體為弱風化巖體，局部低壩段基礎可以坐落于強風化巖體上。

（3）巖體完整性。巖體結構分類優于次塊狀結構，壩基巖體工程地質分類不低于III1類，縱波波速不低于4 000 m/s。

（4）抗滑穩定性。壩基應無大的構造分布，無不利于壩基穩定的緩傾角軟弱結構面及軟弱夾層、斷層破碎帶分布，滿足設計對于抗滑穩定性的要求。

（5）抗滲透性。壩址區巖性為黑云斜長片麻巖，為淺變質巖類，巖石穩定性較高，具有較高的抗侵蝕及抗軟化能力。巖體透水率以小于3 Lu為宜，不存在強滲漏通道，或者經過防滲處理能滿足壩基對于滲透性的要求。

如果壩基巖體能達到上述要求，那么在初步設計確定的建基面高程的基礎上，存在優化調整的可能，既能滿足大壩安全穩定的要求，又能節省投資和縮短工期，具有良好的經濟效益和社會效益。

2 建基面優化勘察成果分析

建基面優化階段，在首層開挖后的353.0 m高程左右進行了鉆探、聲波測試、地質測繪、巖體物理力學試驗、壓水試驗等勘察研究工作。

2.1 鉆探及聲波測試成果分析

開挖及鉆探揭露巖性為黑云斜長片麻巖（Arb），弱風化上限高程一般為348.0～351.7 m，總體起伏不大。

壩軸線揭露片麻巖弱風化上限為351.7～350.5m；聲波測試按照3 500 m/s劃分強、弱風化界線，揭露的弱風化上限為348.56～352.80 m，風化界線與初步設計階段風化線走勢基本吻合，聲波測試成果與巖芯呈現的風化類型、破碎程度也基本吻合。

2.2 地質測繪成果分析

開挖至高程353.0～354.0 m后，地質測繪未發現較大規模的地質構造，未發現不利于壩基穩定的緩傾角軟弱結構面及軟弱夾層、斷層破碎帶等，有2組節理比較發育，大部分傾向上游，傾角大都大于45°，地質測繪成果與初步設計測繪成果基本一致。

2.3 巖石物理力學試驗

取不同風化程度黑云斜長片麻巖進行室內物理力學試驗，強風化片麻巖飽和抗壓強度平均值為42.5 MPa，弱風化片麻巖飽和抗壓強度平均值為85.2 MPa，與初步設計階段試驗成果基本一致。根據巖石物理力學特性折減后提出強風化巖抗壓強度建議值為25 MPa，承載力建議值為1 000 kPa；弱風化巖抗壓強度建議值為65 MPa，承載力建議值為3 500 kPa。

弱風化巖體縱波波速一般為3 500～5 500 m/s，部分低于3 500 m/s的試點多發生在弱風化帶上部。弱風化巖（巖芯試樣）的室內聲波測試縱波波速平均值為5 300 m/s，巖體完整性系數Kv一般為0.46～0.89，巖體大部分完整或較完整，少部分完整性差，局部地段完整性系數小于0.3，巖體較破碎甚至破碎。

巖體室內物理力學試驗成果與初步設計階段基本一致，不同風化程度的巖體抗剪斷指標較為穩定，巖體/混凝土抗剪斷及抗剪強度建議值不做調整，仍然沿用初步設計階段成果。

強風化片麻巖：混凝土/巖體抗剪斷f′＝0.70，c′＝0.35 MPa；混凝土/巖體抗剪f＝0.50。弱風化片麻巖：混凝土/巖體抗剪斷f′＝0.95，c′＝0.80 MPa；混凝土/巖體抗剪f＝0.60。

2.4 壓水試驗

強風化巖體透水率一般為7～12.6 Lu，為弱—中等透水層；弱風化巖體透水率一般為3～10 Lu，為弱透水層。壓水試驗成果與前期試驗數據基本一致。

2.5 建基面優化設計初步分析

通過以上綜合分析，建基面優化勘察成果與初步設計資料基本吻合，局部地段由于勘察間距加密，勘察成果與初步設計成果呈現某些差異。軸線下游20 m線初步設計階段未做勘察，本階段弱風化界限為348.0 m左右，比壩軸線明顯降低1.5～2.0 m，若以該高程作為建基面控制高程，則建基面優化與否還應結合巖體完整性、強度及滿足壩基安全穩定來確定。建議建基面位于聲波波速不低于4 000 m/s的弱風化巖體上，優化段建基面高程不高于348.0 m。

通過本次勘察資料并結合初步設計成果，初步分析建基面優化可能性最大的壩段為10、11#壩段，其次為12、15、16、17、18#壩段，建議建基面高程比原設計抬高2.0 m，由346.0 m調整為348.0 m；優化可能性較小的壩段為13、14#壩段，建議建基面高程仍維持346.0 m高程。

3 建基面驗收測試成果分析

按照建基面優化設計方案，建基面開挖到預定優化深度后，對壩基巖體又進行了聲波測試、工程地質測繪、點荷載測試及回彈測試等驗收測試。

3.1 聲波測試

建基面以下壩基弱風化巖體聲波波速大部分為5 400～6 000 m/s，波速較高，數值穩定，顯示巖體完整性及強度較高，與初步設計及建基面優化階段測試成果基本一致。

建基面以下0.6 m范圍內聲波波速相對較低，一般為4 000～4 500 m/s，初步設計及建基面優化階段該高程聲波波速一般為5 000～6 000 m/s，分析原因是巖體卸荷造成隱性節理張開及機械開挖振動影響所致。由于波速超過弱風化巖體劃分標準3 500 m/s且影響深度一般不超過0.6 m，經分析認為對壩基穩定性無明顯影響。

3.2 工程地質測繪及編錄

建基面有3組節理比較發育，不同的節理面組合對巖體進行切割，對巖體穩定性造成影響。節理統計玫瑰花圖，如圖1所示。

圖1 壩基節理統計玫瑰花圖

基坑開挖后，不同產狀的節理裂隙對邊坡穩定有較大影響，根據壩基節理產狀及開挖坡向畫出赤平投影，如圖2所示。通過圖2可以看出，有1組節理傾向與基坑開挖坡向基本一致，如果開挖坡比大于或等于節理傾角，那么開挖邊坡可能處于不穩定狀態，對邊坡穩定影響較大。另外，不同的節理組合對巖體切割可能造成不穩定楔體，形成局部塌落，建議采取防護措施。

圖2 壩基開挖坡向及節理面赤平投影

3.3 點荷載試驗

不同壩段的巖體點荷載數據IS(50)一般為6.6～9.6 MPa，基本達到堅硬巖石標準，巖石強度較高。若按照點荷載與巖石單軸飽和抗壓強度換算關系Rc=22.82I0.75s（50），則不同壩段巖石單軸抗壓強度超過60 MPa，也超過堅硬巖石標準。13—15#壩段點荷載數值普遍低于其它壩段，反映出該3個壩段表層巖體強度普遍低于后者。

3.4 回彈測試

對每個壩段建基面穩固巖體進行回彈測試，13—15#壩段回彈數值相對較小，一般為50～60 MPa，低于室內巖石單軸飽和抗壓強度建議值65 MPa。其它壩段回彈數值一般為55～65 MPa，略低于室內巖石單軸飽和抗壓強度建議值65 MPa?；貜棞y試數值普遍低于單軸飽和抗壓強度的原因是：表層巖體由于受卸荷及爆破開挖影響，其完整性及強度均受到影響，回彈測試值相對偏低。另外，巖體的飽水程度和節理裂隙的相對密度也是影響巖體回彈數值的因素，現場巖體飽和程度差異較大，節理密度具有差異性，也是造成回彈數值相對離散的原因，回彈數值只是作為判斷巖體強度的輔助指標。

4 建基面確定綜合分析

根據雙峰寺水庫建基面選擇的原則及依據，對優化后達到驗收條件的壩段進行綜合分析，結果如下。

10—15#壩段壩基巖體呈現弱風化狀態、次塊狀結構，完整性系數一般高于0.6，屬于較完整或完整。壩基巖體工程地質分類為III1類，縱波波速一般為5 000～6 000 m/s。巖體飽和單軸抗壓強度65 MPa，承載力建議值3 500 kPa，強度較高。混凝土/巖體抗剪斷強度f′＝0.95，c′＝0.80 MPa，抗滑穩定性較高。巖體透水率一般為3～10 Lu，為弱透水層。

根據壩基巖體強度、風化程度、完整性、滲透性等指標，并結合壩基建基面優化以及開挖后壩基勘察成果，最終分析認為：10—12、15#壩段優化后建基面高程確定為348.0 m，比原設計高程提高2.0 m，各項指標仍能滿足壩基對于重力壩的要求。13、14#壩段建基面仍維持原設計高程346.0 m。各壩段壩基均符合對建基面選擇的原則及依據，是良好的混凝土重力壩壩基。

5 結語

建基面優化設計后，壩基條件仍能滿足重力壩基技術要求，建基面高程優化設計具備可行性。驗收階段勘察成果與初步設計階段基本吻合，但也揭露了一些新的工程地質問題，主要是局部地段風化界線走勢與初步設計資料有差異，個別地段變化比較明顯，原因是本階段加大了勘察精度，資料準確度及可靠性有所提高。應隨著壩基進一步開挖及重新揭露地質問題，隨時修正完善地質資料。

隨著壩基其它壩段的開挖，不排除揭露隱伏地質問題的可能性，應加大施工地質工作力度，適時開展相應的工程地質勘察工作，并結合壩基開挖程序，適時適度調整優化方案，出現地質缺陷及時處理，確保建基面優化及驗收的實施。

TV62+2；TV222

A

1004-7328（2017）03-0053-04

10.3969/j.issn.1004-7328.2017.03.017

2017—02—14

郭建禮（1970—），男，高級工程師，主要從事水利水電工程地質勘察工作。