龍江水電站拱壩組合基礎(chǔ)綜合變形模量分析

劉 洋，夏 輝，金 輝，呂君卓，張建輝

（中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，吉林 長(zhǎng)春 130021）

1 工程概況

龍江水電站樞紐工程位于云南省德宏州潞西縣境內(nèi)的龍江干流上。工程是以發(fā)電、防洪為主，兼顧灌溉的綜合性樞紐工程。水庫正常蓄水位872.00 m，總庫容為12.17×108m3，總裝機(jī)240 MW，年發(fā)電量10.28×108kW·h。工程規(guī)模為大（1）型，大壩及泄洪建筑物為1級(jí)建筑物，最大壩高110.00 m?；炷凉皦渭捌湫顾ㄖ镄：撕樗畼?biāo)準(zhǔn)采用2000年一遇（P=0.05%），設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)采用500年一遇（P=0.2%）。

2 工程地質(zhì)條件分析

樞紐區(qū)河谷呈基本對(duì)稱的“V”型。樞紐區(qū)出露的地層，主要為寒武系的片麻巖和第四系松散堆積層。由于受氣候和地質(zhì)構(gòu)造、環(huán)境及巖石微觀結(jié)構(gòu)影響，樞紐區(qū)片麻巖風(fēng)化劇烈，且各部位風(fēng)化深度差異較大，壩址區(qū)巖體完整性綜合評(píng)價(jià)，巖體質(zhì)量均較差，基本上屬于較破碎～完整性差范疇。

工程開工后，隨著左岸壩基開挖的進(jìn)行，發(fā)現(xiàn)壩基巖體中有球狀風(fēng)化、囊狀風(fēng)化、條帶狀風(fēng)化等不均勻風(fēng)化現(xiàn)象。為此，先后兩次對(duì)壩基進(jìn)行了大量的補(bǔ)充勘察工作，查明了兩岸壩肩的工程地質(zhì)問題。根據(jù)壩基開挖實(shí)際揭露的地質(zhì)情況，左、右岸821.0 m高程以上拱座基礎(chǔ)及下游側(cè)巖體的變形模量較小，與原可研設(shè)計(jì)的5 GPa相比，有一定程度降低。同時(shí)左岸拱端及下游側(cè)分布有F30、及R01、R02等多條斷層、軟巖帶，右岸拱端及下游側(cè)分布有F8、F37等斷層，這些地質(zhì)缺陷對(duì)相應(yīng)部位壩基的綜合變形模量也有一定的影響。

針對(duì)以上地質(zhì)缺陷，對(duì)821 m高程以上拱座基礎(chǔ)采取了深挖并回填混凝土，使其形成組合基礎(chǔ)，并進(jìn)行了加強(qiáng)固結(jié)灌漿等相應(yīng)工程處理措施，這些工程措施對(duì)壩基的綜合變形模量也有較大影響。

3 計(jì)算方法及基本假定

采用有限元計(jì)算程序Ansys10.0，按平面應(yīng)變理論，分別選取受地質(zhì)構(gòu)造影響較大、基巖變模較低的849.00，835.00，821.00 m高程壩肩及兩岸重力墩部位，分析壩基的綜合變形模量。通過分別考慮基礎(chǔ)回填混凝土（重力墩）、巖體、斷層、軟巖等各自的變形模量，計(jì)算壩基綜合變形模量。綜合變形模量計(jì)算根據(jù)變位相等理論，即在基礎(chǔ)某一特定區(qū)域內(nèi)，考慮各種巖體結(jié)構(gòu)（含軟弱結(jié)構(gòu)面和條帶）及基礎(chǔ)處理措施對(duì)壩基變形的影響，將該特定區(qū)域內(nèi)的非均質(zhì)基礎(chǔ)，根據(jù)變形等效的原則轉(zhuǎn)換成均質(zhì)基礎(chǔ)的變形模量。計(jì)算方法為：計(jì)算實(shí)際揭露情況下的壩基變位，然后利用變位相等理論，計(jì)算出壩基的綜合變模。

由于各結(jié)構(gòu)（包括回填混凝土、巖體、地質(zhì)構(gòu)造）在拱端及梁向的分布存在不同，拱端拱向及梁向的內(nèi)力亦不相同，采用平面理論計(jì)算的兩向綜合變形模量存在差異，因此，對(duì)各高程分別計(jì)算了拱向及梁向綜合變形模量，然后根據(jù)拱端梁、拱向內(nèi)力大小，按比例分配計(jì)算壩基綜合變形模量。

計(jì)算考慮了拱端影響范圍內(nèi)的構(gòu)造及各建筑物的開挖影響，根據(jù)地質(zhì)平切圖、剖面圖，計(jì)算范圍取為3～5倍拱端寬度，巖體邊界為全約束。

考慮龍江拱壩最大壩高僅110 m，821 m高程以上最大壩高僅54 m，且拱端力系水平較低，單高徑向力僅2000 t左右，計(jì)算考慮X，Y，Z三向協(xié)調(diào)，可以滿足計(jì)算精度要求，未計(jì)入其相應(yīng)三向轉(zhuǎn)角協(xié)調(diào)，計(jì)算公式見式（1）。

式中：k＝HA/G；HA——拱端切向力；G——拱端鉛直力——拱梁綜合變模；E拱——拱向綜合變模；E梁——梁向綜合變模。

4 荷載組合

由于靜力情況下各工況荷載相差不大，同時(shí)經(jīng)驗(yàn)證荷載對(duì)綜合變形模量計(jì)算的影響并不十分敏感，計(jì)算荷載均按正常溫降組合計(jì)算。由于地震情況下材料的動(dòng)態(tài)變形模量較難確定，不作計(jì)算。荷載組合如下：

1）壩肩拱向：拱端剪力+拱端推力+回填混凝土基礎(chǔ)承擔(dān)的上游水壓力。

2）壩肩梁向：梁基剪力+梁向鉛直力+回填混凝土基礎(chǔ)承擔(dān)的上游水壓力。

3）重力墩軸向：拱端推力。

4）重力墩上下游方向：拱端剪力+上游水壓力。

5 計(jì)算參數(shù)

通過補(bǔ)充勘察增加的地質(zhì)探硐和大量的鉆孔，進(jìn)行跨孔地震波測(cè)試、孔內(nèi)巖體變形模量測(cè)試、現(xiàn)場(chǎng)點(diǎn)荷載試驗(yàn)測(cè)定、巖石的薄片鑒定和礦物成分分析、孔內(nèi)電視觀測(cè)等多手段相互驗(yàn)證，從而確定了比較接近現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的地質(zhì)參數(shù)。拱壩基礎(chǔ)及下游側(cè)巖體變形模量見表1～3?；A(chǔ)回填混凝土C25變形模量取22GPa，泊松比0.167。

表1 壩基巖體物理力學(xué)參數(shù)建議值表

表2 壩基下游側(cè)巖體力學(xué)參數(shù)建議值表

表3 斷層、軟巖帶巖體力學(xué)指標(biāo)建議值表

6 計(jì)算結(jié)果及分析

由計(jì)算結(jié)果可知，拱向和梁向壩基巖體綜合變模不同，按拱梁內(nèi)力作用所占比例計(jì)算綜合變模。由于斷層、軟巖等地質(zhì)缺陷在梁向和拱向分布（規(guī)模、位置、產(chǎn)狀）不同、巖面的變化也不盡相同，加之受回填混凝土范圍（寬度、深度、形狀）不同的影響，使得梁向和拱向的綜合變模有所差異，右岸梁向和拱向綜合變模比左岸的差異大一些。左岸二次深挖處理較深，相應(yīng)回填混凝土范圍較大，849 m高程基礎(chǔ)及下游側(cè)巖體變模均較小，綜合變模較原設(shè)計(jì)值有所降低；右岸二次深挖相對(duì)較淺，但受F8，F(xiàn)37等斷層影響，849 m高程綜合變模較原設(shè)計(jì)值有所降低；左右岸重力墩基礎(chǔ)及下游側(cè)巖體變模均下降較多，綜合變模較原設(shè)計(jì)值降低較多。

7 結(jié)語

盡管地質(zhì)條件復(fù)雜，巖體風(fēng)化形式多樣，通過補(bǔ)充大量的地質(zhì)勘察工作，基本查清了地質(zhì)條件。根據(jù)兩岸壩肩補(bǔ)充的地質(zhì)勘察工作和揭露的地質(zhì)條件，對(duì)兩岸821 m高程以上拱壩基礎(chǔ)采用混凝土深槽置換處理，與基礎(chǔ)及下游巖體一起形成組合地基，處理后基礎(chǔ)綜合變形模量基本滿足建基要求。同時(shí)，通過大量的計(jì)算分析和專題研究，壩體應(yīng)力、組合基礎(chǔ)應(yīng)力、壩肩變形穩(wěn)定、抗滑穩(wěn)定均滿足要求，說明兩岸壩肩經(jīng)處理后是安全的，該處理方案是合適的。