強震區軟巖壩基上重力壩的可行性研究與設計

鞏緒威， 張芳勇， 華鵬飛

(上海勘測設計研究院有限公司， 上海 200434)

1 工程概況

擬建的瑪爾水電站為巴基斯坦東北部吉拉姆河(Jhelum River)上5級開發中的第2個梯級，壩址處多年平均流量796 m3/s，頻率0.05 %、0.2 %、2 %洪峰流量分別為23 200 m3/s、18 500 m3/s和11 000 m3/s。水庫正常蓄水位585.00 m，校核洪水位587.66 m，總庫容1.52億m3，電站總裝機容量640 MW。

樞紐工程主要由擋水、泄洪消能、引水發電等建筑物組成。擋水壩為碾壓混凝土重力壩，壩頂高程592.40 m，最大壩高88.4 m，壩頂全長372.5 m，從左到右由左岸非溢流壩段、廠房進水口壩段，泄洪排沙孔(中孔)壩段、溢流壩段、右岸非溢流壩段組成(見圖1)。

圖1 樞紐布置示意(單位：m)

壩址河段為一縱向谷，大壩位于背斜的核部，壩基由中厚層中細粒砂巖，泥巖、泥質粉砂巖和粉砂巖構成，巖體軟硬相間分布，中陡傾角產狀，帶寬分布不均，兩岸卸荷深度較大，消能區巖體抗沖能力低。場區內50年超越概率10%的基巖地震動峰值加速度為0.3 g，地震基本烈度為Ⅷ度，壩址最大可信地震MCE值為0.58 g。

2 壩址地形地質條件

壩址段河谷兩岸山體雄厚，近似呈“V”型，左岸高程540～575 m為殘留階地，高程575 m以上為自然山坡，主河槽偏右岸，寬約50 m，右岸610 m高程以下邊坡較陡，以上邊坡稍緩。全風化帶零星分布，強風化帶厚度一般5～12 m，弱風化帶厚度大于50 m。壩基Ⅲ類巖體約占50.4%，主要由中細粒砂巖和粉砂巖構成，強度較高，完整性較好；Ⅳ類巖體約占44.8%，主要為泥巖和泥質粉砂巖，為軟質巖，部分泥巖水穩定性差，具浸水崩解、失水干裂缺陷特點；Ⅴ類巖體約占4.8%，主要為斷層破碎帶、層間錯動及其影響帶，抗剪強度較低。壩基巖體允許承載力：Ⅲ類4～7.5 MPa，Ⅳ類2～4 MPa，Ⅴ類0.5～1 MPa，變形模量為2～6 GPa。左岸地下水位埋深13～58 m，右岸地下水位埋深11～53.5 m，地下水位變幅2.8～6.3 m。壩基巖體透水率q小于5 Lu，界線埋深左岸80～100 m，河床段20～30 m，右岸40～70 m。

3 壩型選擇

本工程具有河谷狹窄、泄水量大、泥沙問題突出等特點，壩址河道順直、兩岸山體雄厚，無布置岸邊溢洪道地形條件，巖體內布置泄洪隧洞成洞條件差，且樞紐開挖料不宜作為壩體主堆石料，因此不考慮堆石壩壩型；混凝土重力壩可利用壩身布置表孔溢洪道及泄洪排沙孔，國內已有不少軟巖壩基修建混凝土重力壩工程實例(見表1)。國內工程有修建碾壓混凝土大壩的成功經驗，為便于通過合理分縫提高大壩整體性，充分發揮碾壓混凝土施工速度快的優勢，采用碾壓混凝土重力壩壩型。

表1 國內軟巖壩基上混凝土重力壩部分工程實例

4 主要技術問題及設計思路

經壩址工程地質條件研究分析，主要存在以下幾方面問題：壩基巖層抗剪和抗壓強度低，可能因為滑移失穩或承載力不足而破壞；壩基軟硬巖層相間，可能產生較大不均勻變形和應力集中；局部軟化的泥巖及錯動帶軟弱夾層可能發生滲透破壞或產生較大滲漏；消能區巖體抗沖刷能力低，可能發生沖刷破壞；在地震作用下可能發生失穩或超過允許的變形。針對上述問題，主要設計思路如下：

(1)壩體布置結合樞紐布置全面考慮，泄洪消能防沖型式的選擇應避免下泄水流對壩基、下游河床及岸坡的沖刷破壞，并通過水工模型試驗驗證；

(2)綜合考慮地基與上部結構之間的相互關系，調整上部結構型式，使上部結構與地基工作條件協調，合理分縫，以滿足抗震、溫控及適應變形要求；

(3)設置有效和完善的防滲和排水系統，降低滑移面上的揚壓力，避免或減輕滲透破壞和減少滲漏量；

(4)選擇合適的建基面和開挖方式，建基面采用保護措施，壩基采用全面固結灌漿，根據地質條件和壩基應力分布情況加強處理；

(5)由于地基條件復雜，采用材料力學法和剛體極限平衡法計算成果作為確定壩體斷面的依據，并以有限元法計算分析結果進行驗證。

5 壩體結構設計

5.1 壩體斷面設計

傳統的實體混凝土重力壩斷面上游壩坡1 ∶0～1 ∶0.2，下游壩坡1 ∶0.6～1 ∶0.8，壩底寬約為壩高的0.7～0.9倍。由于巖基較為軟弱，經初步計算，穩定和壩基應力不滿足規范要求。擬對上部結構進行調整，初選以下四種斷面型式：

(1)加大壩體斷面型式。擴大基巖的接觸面，提高抗剪能力，分散基底應力。壩頂寬度10 m，上游面535.00 m高程以上垂直，以下1 ∶0.25；下游坡比1 ∶0.9。

(2)設置壩趾齒墻型式。下游開挖深10 m、底寬10 m、坡比1 ∶1的齒槽，并回填混凝土形成壩趾齒墻，利用尾巖抗力提高抗剪能力。壩頂寬度10 m，上游面535.00 m高程以上垂直，以下1 ∶0.2；下游坡比為1 ∶0.7。

(3)設置混凝土基座型式。在基巖面上設置厚度15～20 m基座，以分散應力，增大抗剪力，伸出上游面10 m，下游根據計算確定。壩頂寬度10 m，上游面垂直，下游坡比為1 ∶0.7。

(4)壩池連接型式。壩體和消力池之間僅設施工縫，將消力池在一定長度范圍內深挖加厚，利用下游消力池自重和巖體抗力以提高壩體抗滑穩定性。

斷面型式(1)在傳統重力壩斷面基礎上，對上下游坡適度放緩，壩體略顯肥大，壩體布置相對較為簡單；斷面型式(2)是重力壩設計中常用的處理措施，但開挖齒槽施工困難，影響工期，回填混凝土受周圍基巖約束，需加強溫度控制，且壩基巖體軟硬相間，開挖可能影響到上游壩基；斷面型式(3)通過調整底板基座的長度可保證抗滑穩定性和適應基礎巖層變化，減少河床的挖方，但底板混凝土工程量大；斷面型式(4)通過壩池之間內力平衡來提高壩體抗滑穩定性，是經濟有效的處理方式，但壩基應力改善甚微，消力池本身的穩定性及水流沖刷給大壩帶來風險。經綜合經濟技術分析，采用斷面型式(1)。

5.2 壩體分縫及溫度控制

根據《混凝土重力壩設計規范》，常態混凝土重力壩的橫縫間距可為15～20 m，碾壓混凝土重力壩橫縫間距可適當加大。國內近期完建的碾壓混凝土重力壩，橫縫間距一般為20～30 m，如：大朝山為18～20 m、龍灘為22 m、景洪為30 m、功果橋為21 m、魯地拉為20 m，金安橋為30 m。本工程從大壩抗震、壩基抗滑穩定及適應地基變形出發，橫縫間距越大越好；但壩體較肥大，從溫控防裂要求出發，橫縫間距不宜太大，初擬橫縫(誘導縫)間距在15～25 m之間。大壩共分20個壩段，設置19條橫縫。參照國內工程實踐經驗，橫縫采用切縫機具切制，每碾壓澆筑層厚約30 cm，切制深度20 cm，順水流方向間隔切制2/3長度，切縫填無紡布，橫縫具有誘導縫的性質。

壩體防裂及溫度控制設計以13號溢流壩段為例，壩段順河向方向長83.4 m，寬20 m，材料分區見圖2。澆筑分層常態混凝土墊層1.5 m，基礎約束區2 m，非約束區3 m，層間間歇7 d，第4年5月澆筑碾壓混凝土。初擬采用HDPE塑料管進行通水冷卻，外徑32 mm，內徑28 mm，間距1.5 m×1.5 m(水平×垂直)，通水流量1.2 m3/h，每12 h交換一次通水方向。澆筑溫度18℃，通當月河水冷卻，通水時間20 d。

圖2 大壩混凝土材料分區

經采用有限元法進行溫度場、溫度應力分析，墊層混凝土的后期拉應力較大，穩定后為1.19 MPa，小于該齡期的容許拉應力1.37 MPa。壩體內部點溫度拉應力均很小，壩體表面點的溫度應力隨時間的推移逐漸增大，但應力峰值均在容許拉應力范圍內，壩體混凝土能夠滿足混凝土允許抗拉要求。

5.3 壩體結構計算

按剛體極限平衡法和材料力學法計算穩定及應力，計算壩段選取： 18號擋水壩段、13號溢流壩段、11號中孔壩段、9號進水口壩段。18號壩段建基面約45%坐落于ⅣC2巖層，55%坐落于Ⅲ1B巖層，抗剪斷強度參數取加權平均值，f=0.75，C=0.65 MPa；13號壩段建基面坐落于Ⅲ1B巖層，抗剪斷強度參數取f=0.85，C=0.8 MPa； 11號壩段建基面約83%坐落于ⅣC2巖層，17%坐落于Ⅲ1B巖層，抗剪斷參數取加權平均值，f=0.69，C=0.56 MPa；9號壩段建基面約25%坐落于Ⅲ1B巖層，11%坐落于ⅣC1巖層，64%坐落于ⅣC2巖層，抗剪斷參數取加權平均值，f=0.72，C=0.6 MPa。對11、13號壩段，考慮壩基采用抽排措施，壩基浮托力降低，浮托力折減系數采用0.8。計算結果表明，壩基面抗滑穩定滿足規范要求，各工況下基底應力均小于地基允許承載力最小值2 MPa，壩踵未出現拉應力，擋水壩段完建期壩址拉應力為-0.015 MPa，大于-0.1 MPa，滿足規范要求。

壩體沿碾壓混凝土層面穩定及應力計算選取18號擋水壩段530.00 m、560.00 m、581.39 m及13號溢流壩段520.00 m、535.00 m高程進行，混凝土層間抗剪斷參數采用f′=1.0、C′=1.3 MPa，壩體排水管處滲透壓力強度系數為0.2，計算結果表明層面抗滑穩定及應力滿足規范要求。

為全面了解建壩以后整個壩基的變形情況，采用整體三維有限元模型對正常蓄水位工況下的應力應變進行計算分析，計算模型見圖3。壩基范圍：壩踵上游、壩趾下游及兩岸各延伸120 m，壩基深度90 m。考慮橫縫內設置鍵槽，非連續切縫具有誘導縫性質，計算分析了壩體-地基系統在橫縫有接觸模型(考慮整體作用)和橫縫無接觸模型(不考慮整體作用)兩種工況下的地基變形。

圖3 壩體和壩基整體三維計算模型

在考慮橫縫接觸和不考慮橫縫接觸兩種工況下，壩基最大沉降分別為1.17 cm和1.42 cm，壩基沉降較小；地基變形的梯度很小，相鄰壩段的沉降差值在2 mm以內，不影響大壩正常運行；考慮橫縫間的作用即部分考慮大壩的整體作用，均化了壩基的不均勻沉降。壩基變形情況見圖4。

圖4 壩基變形示意

5.4 大壩抗震設計專題研究

抗震分析除采用擬靜力法分析外，還進行了材料力學法地震反應分析、反應譜法三維有限元地震分析及時程法三維有限元地震分析。計算壩段仍為18號、13號、11號、9號壩段。

采用擬靜力法對各計算壩段沿建基面進行抗滑穩定及應力計算，對18號壩段530.00 m、560.00 m、581.39 m高程及13號壩段520.00 m、535.00 m高程進行壩體層面抗滑穩定及應力計算。計算結果表明，壩基面及壩體層面抗滑穩定、應力滿足規范要求。

采用材料力學法進行靜、動態分析，大壩各壩段基頻在1.20～2 Hz之間，第5階頻率均已達到15 Hz以上；在靜荷載作用下，壩面基本無拉應力出現。在設計地震規范標準反應譜作用下，壩體靜動綜合應力水平總體不高，最大靜動綜合拉應力數值在1.76 MPa，混凝土的抗拉、抗壓強度安全、沿各高程層面的動力抗滑穩定、沿建基面抗滑穩定安全均滿足規范要求。

采用三維線性有限元進行振型分解反應譜法，各壩段基頻計算結果與材料力學法結果基本接近。在正常蓄水位靜態荷載作用下，各壩段在壩踵存在一定程度的拉應力集中；各壩段在靜動荷載作用下，較大拉應力發生在各壩段壩踵和下游面中上部的折坡位置，壩踵拉應力分布范圍很小，應力梯度大；壩踵、壩趾及結構上的折角、孔口等區域存在應力集中現象，通過采取體型優化、適當配筋等工程措施可確保大壩抗震安全；各壩段建基面靜動力穩定均能滿足要求。

6 泄洪消能專題研究

針對 “泄流量大、泥沙量大、消能區巖體抗沖能力較低”的特點，采用壩身表孔泄洪為主、中孔為輔的泄洪方式，中孔兼顧排沙。溢流壩段長109 m，布置5個表孔-15 m×22 m(寬×高)，堰頂高程563.00 m，設弧形閘門控制，堰頂WES曲線，后接1 ∶0.9切線段，反弧段半徑為20 m；兩個中孔壩段長度均為23 m，各設2孔有壓壩身泄水孔，底檻高程545.00 m，出口斷面尺寸5.5 m×8 m(寬×高)。經水力學計算及水工模型試驗驗證，泄流能力滿足設計要求。

底流消能方式具有流態穩定、消能效果較好、對地質條件和尾水水位變化適應性較強、泄洪霧化輕微等優勢，能夠適應不同水頭，在國內外重力壩工程得到廣泛應用，如：俄羅斯的薩楊·舒申斯克，印度的巴拉克，美國的夏斯太，日本丸山；中國的向家壩、百色、五強溪、官地等。結合同類工程經驗及計算結果，溢流表孔采用寬尾墩+底流消能方式，中孔采用傳統底流消能方式。

溢流表孔根據地形走勢，靠河床的3個表孔下游消力池底板頂高程512.00 m，右岸2個表孔下游消力池底板頂高程525.00 m，區間采用隔墻分開。經水工模型試驗比選，推薦靠河床3表孔采用Y型寬尾墩，收縮比β=0.50；右側2表孔X型寬尾墩非對稱布置，左側孔收縮比0.304，右側孔收縮比0.416。

7 基礎處理及滲控工程

7.1 建基面選擇

壩基Ⅲ類巖體直接或經局部處理后加以利用，Ⅳ類巖體為避免地基抗滑和變形方面的不足，采取加大斷面擴大建基面的措施，Ⅴ類巖體需要進行專門地基處理；壩基置于弱風化、弱卸荷帶相對完整的巖體上，岸坡壩段局部強卸荷帶巖體經處理后可作為壩基；對斷層、錯動帶、擠壓破碎帶等薄弱部位，沿其延伸方向加大開挖并回填混凝土；建基面采用預裂爆破成型，對泥巖、粉砂巖預留一定厚度保護層，挖除保護層后澆筑混凝土封閉；兩岸非溢流壩段在壩軸線方向上采用臺階開挖形式，高差10～15 m，水平段寬度不小于壩段橫向寬度的1/2。

7.2 基礎固結灌漿

為提高基巖的完整性、均勻性和提高基巖與壩體混凝土接觸面的抗剪強度，減少壩基承載后的不均勻變形，并增加表層基巖的防滲能力，對壩基進行全面積固結灌漿處理。灌漿入巖深度一般為8 m或12 m，Ⅳ類、Ⅴ類巖體、卸荷發育、巖層錯動帶、斷層破碎帶等以及河床壩段壩趾基底應力較大區域為15 m，灌漿孔按梅花形布置，間排距均為3 m，必要時適當加密。壩基局部泥巖、粉砂質泥巖透水率一般q小于10 Lu，呈弱透水性，一般水泥漿液可灌性差，參考類似工程經驗，可采用細水泥漿液，配合比及灌注方法通過室內漿材試驗和現場灌漿試驗確定。

7.3 滲流控制設計

考慮大壩上游泥沙淤積能起到一定的防滲作用，綜合水文地質條件和工程特點，帷幕設計防滲標準如下：

(1)帷幕底線一般深入到基巖透水率q不大于5 Lu界限以下5 m；

(2)或帷幕深度H大于(1/3)h+5，h為幕前水深，單位為m；

(3)穿越規模較大的斷層及其影響帶時，局部適當加深；

(4)兩岸延伸至正常蓄水位與地下穩定水位相交處。

考慮地質條件復雜，且下游水位較高，河床溢流和中孔壩段、消力池及尾坎分兩區采取封閉抽排措施，其余壩段及延伸段帷幕下游設置一排排水孔。排水孔穿過泥巖、軟弱夾層或破碎帶等不良地層時，采用復合PVC濾水管外裹反濾土工布進行孔內保護。

8 結 語

針對強震區軟弱基巖上修建混凝土重力壩，對泄洪消能、抗震設計、溫控設計等進行了專題研究，目前該工程可行性研究報告已通過相關部門專家咨詢和評審，限于篇幅，本文對有限元計算分析和水工模型成果未作詳細論述。

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