三河口碾壓混凝土拱壩河谷段建基面優(yōu)化研究

王 棟，趙 瑋，張建華，蔣 銳，董 鵬

(1.陜西省水利電力勘測設計研究院， 陜西 西安 710001；2.陜西省引漢濟渭工程建設有限公司， 陜西 西安 710010)

陜西省引漢濟渭工程是省內(nèi)重大的跨流域調(diào)水工程，由黃金峽水利樞紐、三河口水利樞紐和秦嶺輸水洞組成。三河口水利樞紐位于陜西省佛坪縣與寧陜縣交界、漢江一級支流子午河中游峽谷段，壩址位于大河壩鎮(zhèn)三河口村下游約2 km處，主要由攔河大壩、泄洪放空系統(tǒng)、供水系統(tǒng)和連接洞等組成。三河口水庫總庫容7.1億m3，碾壓混凝土拋物線拱壩初設階段壩高145 m，碾壓混凝土方量100.3萬m3，為世界第二高碾壓混凝土拱壩，其突出特點是壩頂弧長472.153 m，河谷寬度達405 m，是目前世界上已建和在建碾壓混凝土拱壩中壩頂弧長最長的一座高拱壩。

拱壩建基面優(yōu)化不僅能有效地減少大壩混凝土方量，同時能縮短施工工期，節(jié)省工程造價，這對壩高、壩寬、水推力和壩體碾壓混凝土方量均排在世界前列的三河口碾壓混凝土拱壩更具有特殊意義。

1 地質(zhì)勘查

三河口拱壩建基面地層巖性主要為變質(zhì)砂巖、結(jié)晶灰?guī)r、大理巖，局部發(fā)育有石英巖、偉晶巖等各類巖脈。初設階段大壩建基面底部高程為501 m，大壩壩高145 m。大壩在2016年4月中旬開挖至515 m，根據(jù)現(xiàn)場施工情況，左、右兩壩肩已經(jīng)開挖到位，河床壩基的地質(zhì)條件好于前期的預測，進行大壩河谷段建基面優(yōu)化研究是切實可行的。

三河口壩基巖體建基面選擇標準如表1所示，由表可知建基面應以AⅡ類巖體為主，允許局部的為AⅢ1類，但需要固結(jié)灌漿處理，AⅢ2及以下類別的巖體不能利用，需置換挖除處理。

地質(zhì)勘查工作采用編錄、鉆探、孔內(nèi)波速測試、孔內(nèi)電視、電磁波跨孔CT、跨孔波速等勘探手段綜合完成[1-2]，河谷段壩基11個鉆孔平面位置如圖1所示。

表1 三河口壩基巖體建基面選擇標準

圖1河谷段壩基鉆孔平面位置圖

河床開挖至505.5 m附近時，河床補充進行了15組(H1—H15)跨孔波速測試，圖2為H9—H11跨孔波速與高程曲線圖，其曲線和孔內(nèi)波速測試結(jié)果相似，由圖2可知：各測線上部均存在低波速區(qū)，分析為爆破松動帶，大部分測線下部波速值高且穩(wěn)定，表明壩基下部巖體完整性較好；部分測線下部波速值低于4 000 m/s，分析認為該類測試附近發(fā)育有斷層，受其影響下部巖體完整性較差。

圖2 H9—H11跨孔波速與高程曲線圖

根據(jù)壩基巖體聲波波速與變形模量成果，要求底部建基面變形模量為15 GPa，其對應的縱波波速Vp≥4 300 m/s，考慮到固結(jié)灌漿可提高巖體質(zhì)量的有效性，此次要求建基面波速達到3 400 m/s即可[3-4]。經(jīng)過系統(tǒng)分析，各項指標顯示河谷段建基面可優(yōu)化至504 m高程附近，根據(jù)圖3和圖4，在剔除斷層區(qū)域的壩基巖體中，各波速巖體面積百分比見表2，由表2可知504.5 m高程壩基巖體Vp>3 400 m/s的區(qū)域占比約為底部建基面的81.5%，滿足底部建基面80%達到Vp>3 400 m/s的要求，為相對較好的建基面高程。

圖3 504.5 m高程壩基巖體波速分區(qū)圖

綜合上述條件，當建基高程選擇504.5 m高程時，建基面以下巖體整體較完整，以厚層狀結(jié)構(gòu)為主；壩基巖體Vp>3 400 m/s的區(qū)域占比約為底部建基面的81.5%，巖體透水率<5 Lu，鉆孔巖石質(zhì)量指標RQD在56%～83%，巖體大部分為AⅡ類，且大部分位于目前開挖爆破影響范圍以外，最終建議建基面高程選擇在504.5 m。受爆破松動影響、斷層構(gòu)造及局部裂隙密集發(fā)育的影響，504.5 m高程的建基巖體表面存在AⅢ1類及以下類別的巖體，尤其是斷層構(gòu)造附近的巖體類別普遍在Ⅳ類及以下，因此大壩澆筑前應對AⅢ1類巖體進行加強固結(jié)灌漿處理，對AⅢ2類及以下類別的巖體進行開挖回填混凝土處理，尤其要加強對斷層構(gòu)造的置換處理。

圖4 504.0 m高程壩基巖體波速分區(qū)圖

2 拱壩體形優(yōu)化

2.1 體形分析

三河口拱壩的突出特點是壩高谷寬，壩頂弧長472.153 m，河谷寬達405 m。在寬河谷地形條件下修建拱壩，由于懸臂作用的增加與拱作用的削弱同時發(fā)生，其梁向拉應力必然增大，從而導致相應部分的主拉應力很容易超過設計允許標準；同時考慮筑壩材料碾壓混凝土的施工特點，不能采用較大的倒懸度。

在施工圖階段，鑒于大壩左、右兩壩肩已經(jīng)開挖到位，對整個拱壩體形進行調(diào)整的可能性不大(前期已進行過兩岸602 m～646 m高程的體形收進優(yōu)化)，此階段僅進行河谷段建基面優(yōu)化。簡單方便的方法是保持大壩各控制高程幾何參數(shù)不變，把壩底高程從501.0 m抬高至504.5 m，這樣三河口拱壩壩高降為141.5 m。一般拱冠梁剖面如圖5所示[5]，要求上游曲線最凸點H0=(0.55～0.80)H，Au=(0.12～0.20)H[6-7]。建基面抬高后，三河口拱壩H0=0.66H，Au=0.16H，說明拱冠梁剖面特性是合適的；大壩最大中心角92.04°，位于602 m高程即0.69H處(規(guī)范推薦0.4H～0.7H處，H為最大壩高)，拱效應最大的位置基本為大壩中面形心的高程，說明其體形極大地發(fā)揮了拱的作用。大壩部分控制高程幾何參數(shù)見表3，大壩三維體形見圖6。

圖5 拱冠梁剖面圖

圖6 大壩三維體形圖

2.2 壩體應力及拱端推力變化

經(jīng)拱梁分載法復核，拱壩建基面優(yōu)化前、后各工況的最大變位及最大拉壓應力對比見表4，壩體應力滿足規(guī)范要求[8-11]。

表4 拱壩壩體位移及應力最大值對比表

注：拱梁分載法正值為壓應力，負值為拉應力

在基本荷載正常蓄水位+溫降工況下壩體的徑向位移最大，優(yōu)化后位移由原7.90 cm減小為6.76 cm，具體見圖7；基本荷載正常蓄水位+溫升工況為壓應力控制工況，最大壓應力由5.60 MPa增大為5.94 MPa；基本荷載設計洪水位+溫升工況為拉應力控制工況，而拉應力由-1.20 MPa減小為-1.16 MPa，優(yōu)化后在該工況下，上游面主拉應力等值線見圖8，可見其應力分布是比較對稱的。特殊荷載工況下，地震+溫降為壓應力控制工況，最大壓應力7.56 MPa增大為7.58 MPa，地震+溫升為拉應力控制工況，拉應力由-2.61 MPa減小到-2.45 MPa，壩體應力變幅均較小，且在規(guī)范控制之內(nèi)。

對于拱端推力，在基本組合正常蓄水位+溫升下原體形與優(yōu)化后體形拱端推力及推力角變化見表5(其它工況結(jié)果類似)，從表5中可以看出，拱端總推力在體形優(yōu)化后與原體形成果相比變小，對壩體應力影響不大，且有利于壩肩穩(wěn)定。

圖7在正常蓄水位+溫降工況下徑向位移圖

圖8在設計洪水位+溫升工況下，上游面主拉應力等值線圖(MPa)

表5 拱壩左右拱端推力及夾角對比表

注：表中夾角指合力與拱壩中心線交角。

2.3 壩體有限元應力復核

建基面最終優(yōu)化后，對壩體進行了有限元應力復核，計算成果分析表明：壩體應力分布合理，滿足相應規(guī)范的應力控制標準。以下僅列舉設計洪水位+溫升工況下壩體上游面有限元主拉應力云圖，見圖9，經(jīng)過和圖8對比可知，有限元法和拱梁分載法的應力分布趨勢基本一致。拱壩上游面主拉應力大于1.5 MPa的區(qū)域分布在上游面與地基交接部位，分布范圍為高程504.5 m～584.0 m，但經(jīng)過應力等效處理后，滿足規(guī)范要求[12-14]。

2.4 基巖參數(shù)敏感性分析

備注：有限元法正值為拉應力，負值為壓應力。

圖9在設計洪水位+溫升工況下，上游面有限元主拉應力云圖(MPa)

為了測試建基面優(yōu)化后拱壩體形對底部基巖的適應能力，進行了壩基巖體參數(shù)敏感性分析[15]，把壩基504.5 m變形模量從原來的15 GPa降低為12 GPa，同時在壩肩開挖過程中，在右岸623 m～646 m高程發(fā)現(xiàn)局部破碎帶，其影響相應部分基巖質(zhì)量，因此把此段巖體變形模量從原來的9 GPa降低為5 GPa。敏感性分析只列舉組合(1)正常蓄水位+溫降和組合(2)正常蓄水位+溫升兩種工況的應力計算結(jié)果，由表6可知，在敏感分析中，由于大壩內(nèi)力重新調(diào)整，壩體各主應力除上游面主壓應力略變大外，其余主應力均呈下降趨勢，分析結(jié)果充分說明：拱壩體形的設計是比較合理的，其適應壩基巖體變化的能力比較強。

表6 壩體應力敏感性分析表 單位：MPa

3 結(jié) 論

(1) 本次河谷段建基面優(yōu)化研究地質(zhì)勘查工作采用編錄、鉆探、孔內(nèi)波速測試、孔內(nèi)電視、電磁波跨孔CT、跨孔波速等勘探手段綜合完成；最終根據(jù)地質(zhì)條件系統(tǒng)分析，河谷段建基面高程可選擇在 504.5 m。

(2) 經(jīng)拱梁分載法和有限元法復核，優(yōu)化后的壩體應力滿足規(guī)范要求。拱端總推力在體形優(yōu)化后與原體形成果相比變小，對壩體應力影響不大，且壩肩穩(wěn)定條件更為有利，優(yōu)化后體形適應壩基巖體變化的能力比較強。

(3) 將拱壩河谷段建基面優(yōu)化后，壩體高度從145 m降低為141.5 m，壩體碾壓混凝土方量從100.3萬m3減少為99.0萬m3，大壩開挖量從152.4萬m3減少為150.9萬m3，可直接節(jié)省投資510萬元，縮短工期2個月，具有顯著的經(jīng)濟、社會效益。

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