承德市雙峰寺水庫重力壩建基面優(yōu)化設(shè)計研究

郭建禮，王艷軍

承德市雙峰寺水庫重力壩建基面優(yōu)化設(shè)計研究

郭建禮，王艷軍

（河北省水利水電勘測設(shè)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(chǔ)坐落于弱風化黑云斜長片麻巖上部，初步設(shè)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(jié)省工程投資，施工階段對建基面存在優(yōu)化設(shè)計的可能性進行了研究。

雙峰寺水庫；建基面；優(yōu)化設(shè)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(qū)政治、經(jīng)濟、文化中心。由于流域內(nèi)無控制性水利工程，突發(fā)性大洪水一直是嚴重威脅承德市區(qū)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(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，城市用水總量也逐漸增加，市區(qū)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(tài)環(huán)境持續(xù)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(qū)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(jié)合城市供水及發(fā)電等綜合利用的大（2）型水利水電樞紐工程。

水庫攔河壩設(shè)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(chǔ)進入弱風化巖深度按不小于2 m控制。水利部在初步設(shè)計審查意見中提出應(yīng)根據(jù)壩基開挖情況優(yōu)化建基面高程。施工階段為減少開挖工作量、節(jié)省工程投資，建基面存在優(yōu)化設(shè)計重新確定的可能。

壩址區(qū)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(tài)，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(nèi)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(zhì)勘察和試驗工作；壩段基本開挖至計劃優(yōu)化高程后，為復(fù)核優(yōu)化后建基面地質(zhì)參數(shù)，又布置了地質(zhì)測繪、聲波測試、點荷載試驗、回彈試驗等，為合理優(yōu)化大壩建基面提供可靠的地質(zhì)依據(jù)。

1 壩基建基面選擇的原則及依據(jù)

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

在對壩基巖體進行工程地質(zhì)分類的基礎(chǔ)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(jīng)濟效益。

影響壩基巖體質(zhì)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(zhì)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(yīng)力的要求。

（2）巖體結(jié)構(gòu)。整體狀、塊狀、次塊狀巖體結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)次之，碎裂或散體狀巖體結(jié)構(gòu)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(zhì)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?jié)B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(zhì)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(fā)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(zhì)條件。地下水對巖體的作用主要表現(xiàn)在地下水的滲透使巖石軟化，尤其使軟弱結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生軟化泥化，降低其原有的強度，或在滲透壓力的作用下產(chǎn)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(wěn)定也會產(chǎn)生不利影響。

總之，建基面位置的選擇，應(yīng)根據(jù)壩基巖體力學強度、抗滑穩(wěn)定安全性、抗變形性能及抗?jié)B性能確定，并有足夠的耐久性，防止巖體性質(zhì)在高壓水頭的長期作用下發(fā)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(shè)計抗滑穩(wěn)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(chǔ)可以坐落于強風化巖體上。

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

（4）抗滑穩(wěn)定性。壩基應(yīng)無大的構(gòu)造分布，無不利于壩基穩(wěn)定的緩傾角軟弱結(jié)構(gòu)面及軟弱夾層、斷層破碎帶分布，滿足設(shè)計對于抗滑穩(wěn)定性的要求。

（5）抗?jié)B透性。壩址區(qū)巖性為黑云斜長片麻巖，為淺變質(zhì)巖類，巖石穩(wěn)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(jīng)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(shè)計確定的建基面高程的基礎(chǔ)上，存在優(yōu)化調(diào)整的可能，既能滿足大壩安全穩(wěn)定的要求，又能節(jié)省投資和縮短工期，具有良好的經(jīng)濟效益和社會效益。

2 建基面優(yōu)化勘察成果分析

建基面優(yōu)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(zhì)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(shè)計階段風化線走勢基本吻合，聲波測試成果與巖芯呈現(xiàn)的風化類型、破碎程度也基本吻合。

2.2 地質(zhì)測繪成果分析

開挖至高程353.0～354.0 m后，地質(zhì)測繪未發(fā)現(xiàn)較大規(guī)模的地質(zhì)構(gòu)造，未發(fā)現(xiàn)不利于壩基穩(wěn)定的緩傾角軟弱結(jié)構(gòu)面及軟弱夾層、斷層破碎帶等，有2組節(jié)理比較發(fā)育，大部分傾向上游，傾角大都大于45°，地質(zhì)測繪成果與初步設(shè)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(nèi)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(shè)計階段試驗成果基本一致。根據(jù)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(fā)生在弱風化帶上部。弱風化巖（巖芯試樣）的室內(nèi)聲波測試縱波波速平均值為5 300 m/s，巖體完整性系數(shù)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(shù)小于0.3，巖體較破碎甚至破碎。

巖體室內(nèi)物理力學試驗成果與初步設(shè)計階段基本一致，不同風化程度的巖體抗剪斷指標較為穩(wěn)定，巖體/混凝土抗剪斷及抗剪強度建議值不做調(diào)整，仍然沿用初步設(shè)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(shù)據(jù)基本一致。

2.5 建基面優(yōu)化設(shè)計初步分析

通過以上綜合分析，建基面優(yōu)化勘察成果與初步設(shè)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(shè)計成果呈現(xiàn)某些差異。軸線下游20 m線初步設(shè)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(yōu)化與否還應(yīng)結(jié)合巖體完整性、強度及滿足壩基安全穩(wěn)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(yōu)化段建基面高程不高于348.0 m。

通過本次勘察資料并結(jié)合初步設(shè)計成果，初步分析建基面優(yōu)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(shè)計抬高2.0 m，由346.0 m調(diào)整為348.0 m；優(yōu)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(yōu)化設(shè)計方案，建基面開挖到預(yù)定優(yōu)化深度后，對壩基巖體又進行了聲波測試、工程地質(zhì)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(shù)值穩(wěn)定，顯示巖體完整性及強度較高，與初步設(shè)計及建基面優(yōu)化階段測試成果基本一致。

建基面以下0.6 m范圍內(nèi)聲波波速相對較低，一般為4 000～4 500 m/s，初步設(shè)計及建基面優(yōu)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(jié)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(jīng)分析認為對壩基穩(wěn)定性無明顯影響。

3.2 工程地質(zhì)測繪及編錄

建基面有3組節(jié)理比較發(fā)育，不同的節(jié)理面組合對巖體進行切割，對巖體穩(wěn)定性造成影響。節(jié)理統(tǒng)計玫瑰花圖，如圖1所示。

圖1 壩基節(jié)理統(tǒng)計玫瑰花圖

基坑開挖后，不同產(chǎn)狀的節(jié)理裂隙對邊坡穩(wěn)定有較大影響，根據(jù)壩基節(jié)理產(chǎn)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(jié)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(jié)理傾角，那么開挖邊坡可能處于不穩(wěn)定狀態(tài)，對邊坡穩(wěn)定影響較大。另外，不同的節(jié)理組合對巖體切割可能造成不穩(wěn)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(jié)理面赤平投影

3.3 點荷載試驗

不同壩段的巖體點荷載數(shù)據(jù)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(guān)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(shù)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(wěn)固巖體進行回彈測試，13—15#壩段回彈數(shù)值相對較小，一般為50～60 MPa，低于室內(nèi)巖石單軸飽和抗壓強度建議值65 MPa。其它壩段回彈數(shù)值一般為55～65 MPa，略低于室內(nèi)巖石單軸飽和抗壓強度建議值65 MPa?；貜棞y試數(shù)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(jié)理裂隙的相對密度也是影響巖體回彈數(shù)值的因素，現(xiàn)場巖體飽和程度差異較大，節(jié)理密度具有差異性，也是造成回彈數(shù)值相對離散的原因，回彈數(shù)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(jù)雙峰寺水庫建基面選擇的原則及依據(jù)，對優(yōu)化后達到驗收條件的壩段進行綜合分析，結(jié)果如下。

10—15#壩段壩基巖體呈現(xiàn)弱風化狀態(tài)、次塊狀結(jié)構(gòu)，完整性系數(shù)一般高于0.6，屬于較完整或完整。壩基巖體工程地質(zhì)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?；炷?巖體抗剪斷強度f′＝0.95，c′＝0.80 MPa，抗滑穩(wěn)定性較高。巖體透水率一般為3～10 Lu，為弱透水層。

根據(jù)壩基巖體強度、風化程度、完整性、滲透性等指標，并結(jié)合壩基建基面優(yōu)化以及開挖后壩基勘察成果，最終分析認為：10—12、15#壩段優(yōu)化后建基面高程確定為348.0 m，比原設(shè)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(shè)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(jù)，是良好的混凝土重力壩壩基。

5 結(jié)語

建基面優(yōu)化設(shè)計后，壩基條件仍能滿足重力壩基技術(shù)要求，建基面高程優(yōu)化設(shè)計具備可行性。驗收階段勘察成果與初步設(shè)計階段基本吻合，但也揭露了一些新的工程地質(zhì)問題，主要是局部地段風化界線走勢與初步設(shè)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(yīng)隨著壩基進一步開挖及重新揭露地質(zhì)問題，隨時修正完善地質(zhì)資料。

隨著壩基其它壩段的開挖，不排除揭露隱伏地質(zhì)問題的可能性，應(yīng)加大施工地質(zhì)工作力度，適時開展相應(yīng)的工程地質(zhì)勘察工作，并結(jié)合壩基開挖程序，適時適度調(diào)整優(yōu)化方案，出現(xiàn)地質(zhì)缺陷及時處理，確保建基面優(yōu)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(zhì)勘察工作。