天花板水電站拱壩建基面選擇及優(yōu)化調(diào)整研究

王毅鳴，蘇 巖，鄧毅國

（中國水電顧問集團北京勘測設計研究院，北京 100024）

1 工程概況

天花板水電站位于云南省昭通市境內(nèi)牛欄江上，電站總裝機容量180 MW （2×90 MW混流式水輪發(fā)電機組），最大壩高107.0 m。水庫正常蓄水位1 071.00 m，總庫容0.787億m3，調(diào)節(jié)庫容0.362億m3，電站為不完全季調(diào)節(jié)電站。工程為三等中型工程，主要建筑物按3級建筑物設計，攔河壩和泄水建筑物設計洪水標準為50年一遇，相應洪峰流量為3 530 m3/s，校核洪水標準為500年一遇，相應洪峰流量為5 650 m3/s。

樞紐建筑物由碾壓混凝土拱壩、右岸岸塔式進水口、2.5 km長引水隧洞、阻抗式調(diào)壓井、埋藏式壓力管道、地面廠房等組成。擋水建筑物采用碾壓混凝土雙曲拱壩，水平拱圈拱形采用拋物線型，壩頂高程1 076.80 m，原設計最大壩高113.0 m，壩頂弧長159.87 m，拱冠壩頂寬度6 m，最大壩高處拱冠梁底厚24.247 m，拱端最大厚度24.438 m，厚高比0.215。壩體設兩條誘導縫，第一條在1號表孔左側(cè)，第二條在排沙孔右側(cè)。誘導縫采用徑向布置，將壩體分成3段，從左至右各壩段間距 (沿上游面弧長)分別為44.86、66.20、48.81 m。采用壩身泄洪方式，表、中孔相間布置。設置3個溢流表孔，孔口尺寸為 10 m×8.5 m，堰頂高程 1 062.5 m； 2個泄洪中孔，孔口尺寸5 m×6.5 m，進口底板高程1 020 m。表孔采用挑、跌流結(jié)合的消能方式，中孔采用窄縫式，下游設置短護坦。此外，為保證電站進水口 “門前清”，在壩身還設置了沖沙孔及延伸至進水口前的沖沙廊道，排沙孔進口底板高程1 025.00 m，孔口尺寸2 m×4 m。

大壩上游面防滲主要采用二級配富膠凝材料碾壓混凝土，壩體其他部位采用三級配碾壓混凝土。首部樞紐的大壩及下游消能系統(tǒng)混凝土總量約36萬m3，其中碾壓混凝土約18.2萬m3，常態(tài)混凝土約17.8 萬 m3。

2 壩址區(qū)地形地質(zhì)條件

壩址區(qū)為典型的峽谷河段，兩岸地形陡峻，見有高度近百米及數(shù)百米的陡壁，山頂高程在1 650 m以上，岸坡平均坡度大于65°，河谷整體斷面呈“V”形。河床高程為989～991 m，河床寬30～40 m，河谷底寬約60 m，壩頂高程處河谷寬110 m。兩岸未見明顯的河流階地。壩址區(qū)基巖為富藻粉晶白云巖，巖層產(chǎn)狀平緩，傾向上游，為一傾向SE的單斜構(gòu)造， 左岸巖層產(chǎn)狀 NE55°～60°SE∠16°， 右岸巖層產(chǎn)狀 NE25°～30°SE∠11°～15°， 巖相較穩(wěn)定， 順江無區(qū)域性斷裂。河流流向為NW300°，與巖層走向近正交，屬橫向谷。

壩址區(qū)對拱壩壩肩穩(wěn)定有影響的斷層主要有f11、f15、 f26、 f5。 f11斷層走向 331°， 傾向 SW， 寬 10～30 cm，斷面較平直，局部呈微弧狀，岸邊斷層帶寬約50 cm，帶內(nèi)見有壓碎巖、少量斷層泥，有明顯的擦痕。 f15斷層走向 330°～350°， 傾向 SW， 傾角 77°～82°，斷層寬30～50 cm，寬度變化大，斷面起伏不平，主要由壓碎巖、角礫巖組成，斷層面擦痕極為清晰，具有多期走滑性質(zhì)，并見有數(shù)條羽狀斷裂。f26斷層走向285°，傾向SW，傾角44°，斷層寬20～50 cm，斷層帶內(nèi)主要為斷層角礫巖、壓碎巖，見有斷層泥，局部糜棱巖化嚴重，受溶蝕影響再膠結(jié)成蜂窩狀。f5斷層走向 330°～340°， 傾向 NE， 傾角86°，斷層寬10～20 cm，斷層裂面起伏稍粗糙，附泥膜及鈣膜，近水平向擦痕，右行特征，填充斷層角礫巖，局部無填充。

天花板水電站壩址兩岸未發(fā)現(xiàn)相對隔水層，且兩岸地下水位埋藏較深，存在壩基下承壓水影響問題，壩基防滲設計十分復雜，需對壩基及兩岸山體進行滲控處理。處理方案為垂直防滲，即采用懸掛式帷幕，壩基帷幕不揭穿承壓水層，深度不超過承壓水層頂板巖層，兩岸長度分別按考慮攔截下游清水河方向的滲漏通道、截斷f15等斷層的要求設置。

3 施工圖階段拱壩壩基建基面設計優(yōu)化

3.1 可研階段拱壩建基面高程選擇

天花板壩址處河床高程為989～991 m，覆蓋層厚10～20 m，壩基巖石出露的頂面高程為974～989 m，壩基巖層為富藻粉晶白云巖。壩基底部建基面選擇位于弱風化巖體上部的富藻粉晶白云巖層中，要求壩體建基面巖體最小縱波波速＞4 000 m/s，飽和抗壓強度＞50 MPa，由此選擇壩基建基面最低點高程為963.80 m。對于巖體聲波波速小于2 500 m/s的部位，按照斷層破碎帶處理原則，進行局部加深開挖、置換混凝土和高壓固結(jié)灌漿處理。

3.2 建基面選擇主要遵循的原則

天花板拱壩為百米級高拱壩，根據(jù)工程區(qū)地形地質(zhì)條件和設計規(guī)范的一般要求，以及類似工程經(jīng)驗，施工圖階段建基面選擇主要遵循以下原則：

（1）兩岸壩肩卸荷巖體全部挖除，壩基原則上可置于弱風化巖體的中部偏上，在大壩上部可以進一步放寬要求，接近強風化下線、在弱風化的上部附近。

（2）對通過壩基的f15、f11等斷層，對斷層破碎帶進行局部開挖，開挖深度結(jié)合揭示的斷層寬度確定，并進行混凝土置換和高壓固結(jié)灌漿處理，斷層不作為拱壩建基面開挖的主要控制條件。

（3）要求壩體基礎建基面巖體經(jīng)開挖或固結(jié)灌漿處理后最小縱波波速平均值＞4 000 m/s，飽和抗壓強度＞50 MPa。

在壩肩、壩基開挖過程中，隨著工程地質(zhì)條件的逐步揭露，為進一步節(jié)省工程投資和加快施工進度，對拱壩建基面能否抬高開展了大量的試驗測試和研究計算工作。主要有河床基巖物探聲波測試、建基面基巖質(zhì)量分類、建基面抬高拱壩應力敏感性分析等一系列工作。

3.3 建基面物探聲波測試成果

（1）左、右壩肩建基面物探聲波測試。為了了解左、右壩肩建基面的基巖質(zhì)量，隨著左、右壩肩開挖進度，進行了物探聲波測試。左壩肩1 063～978 m高程布置了11排共65個聲波孔，右壩肩1 038～978 m高程布置了7排共76個聲波孔。聲波測試成果為：左壩肩1 021～1 023 m高程的聲波波速為3 500～3 800 m/s， 其余層為 4 600～5 000 m/s；右壩肩受f15斷層影響，聲波波速值差別較大，斷層帶聲波波速為2 000～3 000 m/s，斷層影響帶為 3 000～3 500 m/s， 其他部位為 3 900～4 500 m/s。

（2）拱壩水平建基面物探聲波測試。壩基開挖至980 m高程左右時，為了確定基巖面的具體位置及更好地評價河床壩基巖體質(zhì)量，設計單位在河床壩基均勻布置了4組物探聲波測試孔，每組3個孔，孔深10 m，孔間距1 m。從聲波測試成果來看，A組973～980 m高程聲波速度約為 2 000 m/s，973～970 m高程約為4 500 m/s；B組974～980 m高程聲波速度約為2 200 m/s，974～970 m高程約為3 000 m/s；C組僅測到7 m深， 973～980 m高程聲波速度約為2 000 m/s；D組974～980 m高程聲波速度約為2 000 m/s， 974～970 m 高程約為 4 500 m/s。

從以上物探聲波測試成果分析可知，兩側(cè)的A組孔和D組孔位置970 m高程以下基巖能滿足壩基建基面的要求，河床中間的B組和C組孔尚未抵達滿足設計要求的基巖。

壩基開挖至973 m高程左右時，設計單位再一次布置了15組物探聲波測試孔，每組3個孔，孔深10 m，孔間距 1 m。此次物探成果顯示，河床壩基965～970 m高程聲波波速約為3 000 m/s，960～965 m高程為4 000～5 000 m/s。隨后設計單位對開挖修整完成后的大壩建基面又進行了物探檢測，在上次15組范圍外再布置6組物探聲波孔。物探成果顯示，河床壩基968～970 m高程聲波波速約為2 200 m/s， 968～960 m 高程為 4 500～5 500 m/s。

3.4 建基面基巖質(zhì)量分類及壩基建基面的確定

根據(jù)已有的壩基開挖揭露的情況，地質(zhì)工程師編制了技施階段設計建基面的基巖質(zhì)量分類分布圖，左壩肩拱肩槽巖體除了1 021 m高程左右受L13裂隙影響局部發(fā)育Ⅲ1類巖體外，其余基本都是Ⅱ類巖體；而右壩肩巖體工程地質(zhì)條件相對差一些，受f15斷層的影響，f15斷層及影響帶為Ⅳ～Ⅲ2類巖體，其他都為Ⅲ1類巖體；河床建基面f11斷層和f15斷層影響帶為Ⅲ2類巖體，靠左側(cè)有少量的Ⅱ類巖體外，其余大部分為Ⅲ1類巖體。Ⅱ、Ⅲ1、Ⅲ2類巖體的變形模量分別為10～12、8～10、5～8 GPa。天花板水電站拱壩左、右岸壩基巖體質(zhì)量情況見表1。拱壩基礎面970 m高程基巖質(zhì)量情況為：Ⅲ1類基巖1 872.3 m2，占壩基總面積的94%；Ⅲ2類基巖12.8 m2，占總面積的1%；Ⅳ類基巖102.4 m2，占總面積的5%。

總體分析，天花板水電站拱壩壩基不同高程各類巖體質(zhì)量統(tǒng)計情況與設計單位前期地質(zhì)勘察分析成果相差不大。從施工階段969.8 m高程附近壩基面出露的地質(zhì)條件來看，河床壩基巖體質(zhì)量較好，接近969.8 m高程1～3 m范圍的一些聲波測試孔波速較先前測試的波速有所降低，分析認為是施工爆破和開挖卸荷所致，即使進一步開挖，這種現(xiàn)象依然存在。綜合分析認為，969.8 m高程壩基巖體質(zhì)量較好，滿足建設百米級拱壩的條件，一些小范圍的薄弱地質(zhì)巖體，經(jīng)過壩基固結(jié)灌漿等工程處理后也滿足要求，可以作為拱壩壩基的建基面。

4 拱壩壩體應力復核設計計算

4.1 主要計算參數(shù)

在進行天花板水電站拱壩壩體抬高應力復核分析時，拱壩兩岸壩肩基礎開挖施工已完成，若過多地調(diào)整拱壩體形，會對壩肩開挖帶來影響，因此要求拱壩上部體形最好沒有變化。故拱壩壩體應力復核是在拱壩體形不調(diào)整的前提下進行的。

施工圖設計階段，根據(jù)地質(zhì)工程師提出的壩基巖體變形模量，結(jié)合壩基基礎灌漿對提高變形模量的影響的工程經(jīng)驗和試驗，對壩基巖體的變形模量進行了分析，提出了壩基基礎Ⅱ、Ⅲ1、Ⅲ2類巖體的變形模量分別為10.5～12.5、9～11、6～9 GPa。壩體應力、應變復核時，按照左右岸壩肩不同類別巖體所占面積的比例，采用平均的變形模量 （見表2）計算。

計算采用的混凝土材料主要參數(shù)為：容重24.0 kN/m3，彈性模量22.0 GPa，泊松比0.167，線脹系數(shù) 0.935×10-5/℃， 導溫系數(shù) 3.0 m2/月。

4.2 拱壩應力、應變復核成果

天花板拱壩體形采用河床建基面高程抬高到969.8 m高程后的拱壩上部體形，封拱溫度采用設計封拱溫度，計算壩體徑向位移最大值為2.301 cm，發(fā)生在正常+溫降工況1 021 m高程處。各計算設計工況復核壩體最大主應力見表3。

表1 天花板水電站拱壩左、右岸壩基巖體質(zhì)量情況統(tǒng)計

表2 天花板拱壩壩基各高程巖體變形模量

表3 拋物線拱壩不同工況的上下游面最大主應力

從表3中可以看出，在荷載基本組合情況下，最大拉應力為1.19 MPa，未超過1.2 MPa，發(fā)生在正常+溫降工況的下游面；最大壓應力為4.99 MPa，未超過5.0 MPa，發(fā)生在正常＋溫升工況的下游面。在荷載特殊組合下，當不考慮地震時，最大拉應力為1.24 MPa，未超過1.5 MPa，發(fā)生在壩體上游面；最大壓應力為4.86 MPa，未超過5.88 MPa，發(fā)生在壩體下游面。在荷載特殊組合下，當考慮地震時，最大拉應力為2.63 MPa，未超過2.91 MPa，發(fā)生在地震+正常+溫升工況的上游面；最大壓應力為6.21 MPa，未超過15.69 MPa，發(fā)生在地震+正常+溫升工況的下游面。

綜上所述，7種工況的最大主應力都小于允許應力，應力數(shù)值均滿足設計規(guī)范要求。

根據(jù)國內(nèi)外拱壩工程建設的實踐分析，天花板拱壩體形滿足工程安全要求，對一些影響壩體應力的外界因素有較好的適應性。綜合地質(zhì)分析和壩體應力、應變及壩肩穩(wěn)定分析計算成果，確定壩基建基面高程由原設計的963.8 m調(diào)整到969.8 m，壩基建基面抬高了6.0 m。

5 結(jié)語

（1）通過對壩基建面高程的調(diào)整，天花板拱壩減少壩基開挖量約7 000 m3，節(jié)省混凝土量約5 000 m3，提前工期約3個月，取得了較好的經(jīng)濟效益。

（2）水利水電工程壩基開挖后，揭露的基礎地質(zhì)情況與前期勘探分析的地質(zhì)情況會有所不同，故在壩肩、壩基開挖過程中，特別是將要開挖至大壩建基面附近時，要密切注意基巖質(zhì)量情況，水工設計人員與地質(zhì)工程師應密切配合，隨時追蹤，及時調(diào)整設計參數(shù)，及時向有關(guān)各方反饋意見，以確定合理的建基面高程。

（3）目前，拱壩體形設計主要依靠各類拱壩計算程序開展，計算采用的方法主要有拱梁分載法、線彈性有限元法、非線性有限元法、有限元仿真分析計算等，有的重要工程還采用地質(zhì)力學模型等加以驗證。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展應用，計算方法由簡單的結(jié)構(gòu)力學近似計算方法，發(fā)展為越來越接近施工實際的計算理論和方法。而壩體體形的計算和確定，由于受計算程序和計算者個人認識和水平等的影響，尤其是受計算資料如水文氣象資料、地質(zhì)情況、筑壩材料、溫控措施的影響，與實際必然存在差異，因此在設計時應當重視拱壩壩體體形的適應性，即不敏感性，使設計的拱壩體形對外界條件變化的適應性強，且壩體應力變化小。天花板拱壩采用拋物線雙曲拱壩，在可研階段確定的拱壩體形參數(shù)適應性強，為施工圖階段壩基抬高、調(diào)整拱壩體形創(chuàng)造了有利條件。