角木塘水電站工程大壩建基面優化設計

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(貴州省水利水電勘測設計研究院，貴陽，550002)

大壩建基巖體的選擇和建基面的確定關系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。影響建基面選擇的因素很多，既有壩基巖體工程地質因素，又有上部結構因素，既有技術因素又有經濟因素，故建基巖體的選擇和建基面的確定，是壩址工程地質勘察中一項重要的課題。在對壩基巖體進行工程地質分類的基礎上，考慮巖體加固處理的效果、壩基承受荷載的大小(壩的高度)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壩體混凝土澆方量，在保證工程安全的前提下提高經濟效益。影響壩基巖體質量和建基面選擇的主要因素有：巖性、巖體結構、巖體完整性、巖體風化特征及水文地質條件等。總之，建基面應根據大壩穩定、壩基應力、巖體物理力學性質、巖體類別、基礎變形和穩定性、上部結構對基礎要求、基礎加固處理效果及施工工藝、工期和費用等經技術經濟比較確定。可考慮通過基礎加固處理和調整上部結構等措施，在滿足壩的強度和穩定的基礎上，減少開挖量[2、4-7]。

1 工程概況

角木塘水電站工程位于芙蓉江干流下游河段，地處貴州省道真縣忠信鎮聯江村放牛坪，為芙蓉江水電梯級開發中的第10級，上銜官莊電站，下接浩口電站。角木塘水電站工程任務主要是發電。水庫校核洪水位387.034m，總庫容3259萬m3，正常蓄水位為383m。電站額定發電水頭28.5m，發電引用流量279m3/s，裝機容量為2×35MW。

工程主要由擋水建筑物、泄水消能建筑物、發電引水系統和發電廠房等組成。擋水建筑物為碾壓混凝土重力壩，壩頂高程388m，最大壩高55m，壩頂寬為6m，壩軸線長154.8m。溢流壩段布置于河床偏左岸，溢流凈寬為62.5m，堰頂高程為364.5m。表孔設5扇弧形工作閘門及1扇平面檢修鋼閘門，大壩下游消力池長75m。發電引水系統及廠房布置于右岸，進口閘井段長26.84m，單條引水道長38.612m，引水道末端接機組進水管。主、副廠房平行布置，升壓站為戶內式。

2 大壩建基面優化的緣由和必要性

2.1 建基面優化的緣由

大壩原設計河床建基面高程為321.6m，河床開挖至337.5m～338.0m高程時，基坑巖體較完整，強度較高。經專家咨詢：開挖揭露的河床壩段基礎巖體質量較好，巖體質量為BⅢ1，滿足建壩要求，具備抬高建基面的條件。建議壩基全面挖至高程333m時，再進行壩基巖體質量認定后確定河床壩段建基面高程。河床段大壩基坑總體開挖到333m高程左右時，揭露基坑巖性主要為棲霞組灰巖(P2q)，開挖后壩基巖體為弱風化至微風化巖體，巖石層面結合較好，巖體質量總體較好。

可研大壩建基面選擇：根據《混凝土重力壩設計規范》(DL 5108-1999)，壩高100m～50m，可建在微風化至弱風化中部基巖上，可研最大壩高66.4m，河床壩段建基面選擇為弱風化基巖下部。根據《混凝土重力壩設計規范》(NB/T 35026-2014)[4]，中壩可建在弱風化中部基巖上。河床段壩基開挖揭露壩基巖體強風化、弱風化較可研資料有明顯抬高。河床部分開挖至333m已處于弱風化中部，巖體質量較好，滿足建壩要求，河床段具備抬高建基面的條件。

2.2 建基面優化的必要性

在保證壩體穩定和安全的情況下，河床壩段建基面優化抬高對減少壩基開挖量、壩體混凝土量和節省工程投資有著直接的影響，同時，對改善施工條件和節約工期也有較大的影響：

(1)大壩建基面優化抬高可減少壩基開挖深度和開挖量，并可減少壩體混凝土量；

(2)優化抬高建基面可減緩基坑公路的底坡，縮短施工道路長度，減小施工道路布置的難度；

(3)優化抬高建基面，可減少基坑的開挖時間，縮短工期，為基礎局部地質缺陷處理和大倉面碾壓混凝土施工創造必要的條件；

(4)優化抬高建基面，可緩解由于前期不利因素引起的大壩施工進度滯后及工期壓縮產生的矛盾，對確保如期發電目標的實現具有重要意義。

故在保證大壩穩定和安全的情況下，優化抬高建基面是有必要的。

3 工程地質條件評價

壩基施工開挖過程中，設計單位地質人員及時完成了壩基巖體聲波測試、開挖地質素描圖及相關補充地質勘察工作。

(1)施工開挖揭露F2斷層帶寬2.4m，影響帶2m～5m。壩基巖體主要為二疊系中統棲霞組(P2q)深灰色中厚層灰巖夾薄層炭質泥巖；靠右岸局部為二疊系中統茅口組(P2m)薄至中厚層灰巖夾泥巖、炭質頁巖。壩基巖體呈弱風化至微風化狀態，巖石層面結合較好；緩傾角裂隙延伸短，規模小，無軟弱夾層及泥化夾層分布，進入弱風化

圖1 壩區開挖地質素描

巖體后裂隙弱發育且膠結良好，多為方解石脈充填。基坑內未顯巖溶現象，未見較大沖刷深坑，無地形缺陷問題。

(2)建基面選擇：大壩基坑總體開挖到333m高程時，壩基巖體已處于弱風化狀態，壩基巖體質量較好，具備建基面抬高的條件。河床基坑聲波測試結果表明，巖體波速在高程325m以下較為穩定，波速值在4000m/s～5100m/s，巖體完整，為最理想的建基面高程。結合專家咨詢意見，壩基333m～325m高程局部低波速帶通過加強固結灌漿是可以滿足設計建壩要求的。

(3)河床開挖至333m高程時壩基巖體已處于弱風化中部，A區巖體為棲霞組中厚層灰巖，巖體較完整，呈弱風化狀態，巖體質量等級BⅢ1類；B區為斷層帶，巖性為炭質泥巖，膠結較好，巖體質量等級為CⅣ類；C區為茅口組灰巖，完整性較差，層面夾泥，巖體質量等級為BⅢ2類。壩基巖體質量BⅢ1類約占77%，BⅢ2類約占15%，CⅣ類約占8%。壩基巖體整體強度較高，完整性好，局部經過處理后能滿足建壩的要求，具備建基面抬高的條件。

(4)壩基棲霞組(P2q)灰巖巖體質量比可研階段評價要好，力學參數有所提高；茅口組(P2m)灰巖由于層面夾泥，巖體質量比可研階段評價稍差，力學參數有所降低。巖體物理力學參數建議值見表1。

(5)河床段壩基抗滑穩定評價：河谷形式為縱向谷，施工開挖過程中，未發現規模較大、貫通性好的緩傾結構面發育，對局部地質缺陷處理后，壩基穩定性好。

4 大壩建基面優化

根據河床段壩基施工地質條件評價及建議，對局部地質缺陷采取工程措施處理，并結合大壩穩定及應力復核計算結果，對大壩建基面進行優化抬高。大壩建基面優化的項目和內容：河床壩段原設計建基面高程為321.6m，優化抬高后A區(F2斷層左側)建基面高程為333.0m，B區(F2斷層)建基面高程為329.5m，C區(F2斷層右側)建基面高程為332.0m；大壩基礎處理措施有所調整；壩體斷面和構造設計相應有所調整；河床壩段灌漿排水廊道及壩基排水系統布置相應調整。

4.1 大壩平面布置

河床壩段建基面優化前、后大壩平面布置無變化，大壩平面布置見圖2。

圖2 大壩平面布置

4.2 河床壩段建基面優化抬高

根據開挖揭露的地質情況，對壩基巖體的物理力學參數進行了復核，并結合大壩穩定及應力復核，對河床溢流壩段建基面高程進行了優化抬高。

建基面優化后A區建基面高程為333m，較原設計抬高11.4m；C區建基面高程為332m，較原設計抬高10.4m；B區為F2斷層破碎帶，刻槽深挖后作混凝土塞進行處理，混凝土塞建基面高程為329.5m，較原設計抬高11.1m。河床壩段建基面優化抬高后大壩下游立視見圖3。

圖3 河床壩段建基面優化后下游立視

4.3 壩體斷面和構造設計調整

大壩建基面優化后，河床壩段結構相應進行了調整，壩體分區及材料設計無變化，壩體分縫及止水設計無變化，壩體底部結構設計根據實際地質條件進行了調整，壩內灌漿排水廊道布置進行了調整，壩體及壩基排水系統布置相應進行了調整。優化后河床壩段大壩標準斷面見圖4。

4.3.1 壩體混凝土分區設計

大壩建基面優化抬高后，壩體混凝土分區設計不變，各區結構底部高程較原設計相應抬高，工程量較原設計有所減小。下游壩體Ⅲ區相應取消。

4.3.2 壩體分縫及止水設計

河床溢流壩段建基面優化抬高后，壩體分縫及止水設計無變化，止水量有所減少。

4.3.3 壩底結構

河床壩段建基面優化抬高后，因基礎局部地質條件較差，壩底結構較原設計有所變化。為確保壩體穩定，考慮在壩基下游側增設齒墻，上、下游側梯形齒墻底寬為2.5m，挖深2.5m，局部加深(上游側壩橫0+084～0+098段及下游側壩橫0+084～0+105段齒墻加深至4m)，上游齒墻上游側坡比1∶0.5，下游側坡比1∶1；下游齒墻上游側坡比1∶1，下游側鉛直。

4.3.4 壩體與壩基排水設計

河床溢流壩段建基面優化抬高后，壩體排水設計不變，壩體排水工程量有所減少；壩基排水設計基本相同，壩基排水系統布置相應調整，水泵布置高程由原來的328m抬高至339.4m高程。

4.3.5 壩內廊道布置設計

河床壩段建基面優化抬高后，河床段水平灌漿排水廊道高程抬高，兩岸坡廊道布置相應調整，原設計水平廊道底高程為328m，水平廊道長23.35m；調整后水平廊道底高程為339.4m，水平廊道長52.15m，兩岸坡斜坡廊道相應縮短。

圖4 河床壩段建基面優化后標準斷面

4.4 壩基地質缺陷處理

重力壩對基礎的要求：要有足夠的強度、整體性、均勻性、抗滲性及耐久性。故為滿足大壩對承載力、整體性、抗滑和防滲等要求，對建基面不滿足壩基巖體質量要求的地質缺陷需采取工程措施進行處理[1-4]。

4.4.1 斷層、破碎帶等地質缺陷處理

河床段建基面優化調整后，斷層及破碎帶處理方案基本同原設計，河床壩段壩基增設了錨筋。考慮將F2斷層破碎帶全部挖出，底部挖至329.5m高程，兩側開挖坡比為1∶0.5，然后做C15混凝土梯形塞置換處理，斷層帶及影響帶范圍設φ25基礎錨筋(L=9m)，錨筋孔結合固結灌漿孔進行。梯形混凝土塞底寬為2.4m，混凝土塞的深度為3.5m，混凝土塞沿斷層方向延伸至上游壩體外5m。

對A區局部存在的巖體破碎，裂隙面部分泥質充填地質缺陷，通過清除破碎巖體及裂隙面的泥質成分并清洗干凈，同時在基底設置φ25基礎錨筋(L=6m)。F2斷層右側C區茅口組灰巖區裂隙發育，裂隙面及層面夾泥，基坑深挖1.0m，對夾有炭質泥巖的部位進行刻槽深挖，將建基面清洗干凈，并設φ25基礎錨筋(L=6m)，錨筋孔結合固結灌漿孔進行。

4.4.2 壩基固結灌漿

河床壩段建基面優化后，加強F2斷層左側影響帶及其右側C區固結灌漿，灌漿孔深由5m調整為8m，其余區域壩基固結灌漿同原設計。

4.5 壩體穩定及應力復核

河床壩段建基面優化抬高，根據《混凝土重力壩設計規范》(NB/T 35026-2014)規定，進行了壩體穩定及應力復核[4]。

4.5.1 計算參數

地質專業根據開挖揭露的情況，對壩基巖體的力學參數進行了復核，主要復核成果見表1。

表1 壩基巖體物理力學參數建議值(弱風化)

注：(P2q)強風化、弱風化基巖允許承載力建議值分別為：[R]=1000kPa～1500kPa；[R]=3000kPa；(P2m)強風化、弱風化基巖允許承載力建議值分別為：[R]=800kPa～1000kPa；[R]=2000kPa～2500kPa。

河床壩段建基面優化時，對河床F2斷層帶已考慮深挖，然后做梯形混凝土塞進行置換處理，并在斷層帶及影響帶范圍設置φ25基礎錨筋(L=9m)，同時加強該區域固結灌漿，F2斷層處理滿足相關規范要求，處理后其力學參數考慮按其右側的茅口組灰巖取值。F2順河斷層左側棲霞組灰巖區，裂隙較為發育，對裂隙采取工程措施處理，為安全起見，該區巖體物理力學參數按F2斷層右側的茅口組灰巖取值。即大壩穩定及應力復核計算時，壩基巖體的力學參數統一取抗剪斷強度f′=0.8，C=0.7MPa；壩基巖體呈弱至微風化狀態，基礎允許承載力：[R]=2000kPa～2500kPa。

4.5.2 計算斷面

根據河床壩段建基面優化抬高情況，選取一個典型斷面進行計算，見圖5。

4.5.3 計算方法

采用剛體極限平衡法進行壩基面抗滑穩定計算，采用材料力學方法進行大壩建基面的應力計算，并分別計算基本組合和偶然組合。

圖5 溢流壩段典型剖面計算簡圖

4.5.4 復核計算結果

經計算，壩基抗滑穩定復核計算成果見表2，壩體最大主壓應力(壩趾應力)復核計算成果見表3，壩踵垂直正應力復核計算成果見表4。

表2 壩基抗滑穩定復核計算成果 單位：kN

表3 壩趾應力復核計算成果 單位：kN/m2

表4 壩踵垂直正應力復核計算成果 單位：kN/m2

由表2-表4可知，壩基面的抗滑穩定、壩趾應力均滿足規范要求；壩踵垂直正應力大于0，未出現拉應力，滿足規范要求；壩基最大垂直正應力587.41kPa

4.6 建基面優化前后投資比較

河床壩段建基面優化后建基面抬高10.4m～11.4m，工程量較原設計方案小，大壩建基面優化后節省工程投資883.04萬元。

5 結語

(1)河床段原設計建基面高程321.6m，在壩基開挖至333m高程時，根據施工地質成果資料分析，整個建基面巖體呈弱至微風化狀態，巖體完整性好，強度較高。A區巖體為棲霞組中厚層灰巖(P2q)，巖體質量等級BⅢ1類，B區F2斷層帶，巖性為炭質泥巖，膠結較好，巖體質量等級為CⅣ類；C區為茅口組灰巖(P2m)，完整性較差，巖體質量等級為BⅢ2類。壩基局部地質缺陷采取工程措施處理后滿足建壩要求，具備建基面抬高的地質條件。

(2)根據河床壩段開挖揭露的地質情況，對壩基巖體的物理力學參數進行了復核，并進行了大壩穩定和應力復核。經復核，壩體穩定及應力滿足規范要求。河床段建基面優化抬高后建基面高程A區為333m，B區為329.5m，C區為332m。建基面優化后，河床段灌漿排水廊道、壩基排水系統布置及基礎處理措施等相應進行了調整。

(3)河床壩段建基面優化后，節省了工程量，節省投資883.04萬元。建基面優化抬高為大倉面碾壓混凝土施工創造了必要的條件，縮短了大壩混凝土施工工期，搶回了因廠房右岸高邊坡地質條件較差耽誤的3個月工期，最后較計劃提前4個月發電，取得了顯著的經濟效益。