特高拱壩建基面巖體選擇的工程類比法研究

　，，，,

(長江科學院 水利部巖土力學與工程重點實驗室，武漢　430010)

1　研究背景

拱壩屬于高次超靜定的空間殼體結構，具有較強的應力調(diào)整能力和巨大的超載能力，其承受的荷載一部分由拱的作用傳至兩岸巖體，另一部分由梁的作用傳至壩基。由于拱壩主要依靠兩岸山體的抗力來維持壩體穩(wěn)定，所以拱壩必須建在與之相應的地基條件上，即壩基巖體必須具有足夠的承載能力和穩(wěn)定安全可靠性[1]。

目前國內(nèi)關于拱壩建基面巖體的選擇依據(jù)主要有3個:①《混凝土拱壩設計規(guī)范》(SL 282—2003)規(guī)定拱壩應根據(jù)荷載、應力分布、基巖條件等選擇新鮮、微風化或弱風化中、下部的基巖作為建基面[2];②《混凝土拱壩設計規(guī)范》(DL/T 5346—2006)規(guī)定壩基的開挖深度應根據(jù)巖體質(zhì)量分級和承載要求等進行確定，高壩應開挖至Ⅱ類巖體，局部可開挖至Ⅲ類巖體[3];③《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(GB 50487—2008)規(guī)定Ⅰ,Ⅱ級巖體為優(yōu)良、良好的高混凝土壩地基；Ⅲ級巖體應對結構面進行專門處理后，可作為高混凝土壩地基；IV級巖體能否作為高混凝土壩地基視處理效果而定[4]。

以上3個規(guī)范對拱壩建基面可利用巖體均僅為定性描述，并沒有給出具體的量化指標，而且規(guī)范主要適用于壩高200 m以下的拱壩建基面選擇，對于壩高200 m以上的特高拱壩建基面選擇尚無相應的標準依據(jù)可供參考。

近年來，我國相繼建成了錦屏Ⅰ級、小灣、溪洛渡、拉西瓦等多座超過200 m的特高拱壩，積累了豐富的工程建設經(jīng)驗，取得了較多的科研成果。對特高拱壩建基面可利用巖體進行分析與評價是當前水利工程中的重點研究方向之一，具有重要的學術和工程意義，建立特高拱壩建基面可利用巖體的選擇標準，可為特高拱壩建基面巖體的選擇和評價提供參考。

2　國內(nèi)特高拱壩建基面巖體利用情況

2.1　錦屏Ⅰ級拱壩

錦屏Ⅰ級拱壩位于雅礱江下游河段，最大壩高305 m。壩址區(qū)河谷深切V形，兩岸地形地質(zhì)不對稱，地應力水平較高，巖體卸荷強烈，斷層、層間擠壓錯動帶、節(jié)理裂隙、深度裂縫發(fā)育[5]。錦屏Ⅰ級拱壩的建基面是按照壩體部位及巖體質(zhì)量級別來進行選擇的，兩岸低高程壩基，左岸建基巖體為Ⅱ級，右岸受斷層影響，巖體質(zhì)量級別為Ⅲ1級；在拱壩中上部區(qū)域，左岸拱座以Ⅲ1,Ⅲ2級巖體為主，右岸巖體主要為Ⅱ級，部分選用Ⅲ1級巖體[6]。

2.2　小灣拱壩

小灣拱壩位于瀾滄江中游河段，最大壩高294.5 m。壩址區(qū)河谷深切V形，屬于中高地應力區(qū)，巖體卸荷作用強烈，結構面較發(fā)育，壩基巖體開挖具有明顯的開挖松弛效應。小灣拱壩建基面巖體主要為Ⅰ,Ⅱ級巖體，壩基巖體完整性好，呈整體塊狀結構，屬新鮮和微風化；對壩肩抗力巖體范圍內(nèi)及沿建基面分布的地質(zhì)缺陷體采用混凝土置換、挖除、固結灌漿等工程處理，提高建基面的整體性、強度及剛度[7-8]。

2.3　溪洛渡拱壩

溪洛渡拱壩位于金沙江下游河段，最大壩高278 m。壩址區(qū)河道順直，兩岸山體岸坡陡峻，呈對稱窄U形。壩基巖體為多期噴溢的玄武巖，強度高，整體塊狀結構，風化卸荷影響深度不大。溪洛渡拱壩建基面的選擇采用“以巖級為基礎，安全為準則，合理利用弱風化巖體作為建基巖體，兼顧拱端推力分高程區(qū)段確定其利用程度”的建基面確定和處理原則，中、下部高程建基面置于弱風化下段Ⅲ1級巖體，上部基礎部分利用弱風化上端Ⅲ2級巖體[9-10]。

2.4　拉西瓦拱壩

拉西瓦拱壩位于黃河上游，最大壩高250 m。壩址區(qū)河谷兩岸基本對稱，岸坡地形順直完整，呈V形。壩址區(qū)地質(zhì)構造以中陡傾角斷層、緩傾角斷層以及隨機分布的節(jié)理、裂隙為主，弱風化帶巖體是近岸坡巖體的主體,卸荷帶發(fā)育深度變化較大，工程區(qū)巖體賦存較高地應力。拉西瓦拱壩建基面在高高程選用Ⅲ1級以上巖體，在中、低高程選用Ⅰ,Ⅱ級巖體[11]。

2.5　二灘拱壩

二灘拱壩位于雅礱江下游河段，最大壩高為240 m。壩址區(qū)內(nèi)構造破壞微弱，斷裂規(guī)模較小。根據(jù)拱壩對地基的要求及二灘壩基巖體質(zhì)量分級方法，壩基分為6個大級：優(yōu)良巖體(A,B,C級)，可直接作為大壩基礎；一般巖體(D級)經(jīng)過灌漿后可作為大壩基礎；較差及軟弱巖體(E級)，原則上不宜作為壩基，需特殊處理；松散巖體(F級)，不能作為主體建筑物的基礎。二灘拱壩建基面主要選擇為A,B級巖體，部分選擇C級巖體[12]。C級巖體主要為塊狀正長巖，塊狀鑲嵌的各類玄武巖，結合較緊密，以弱風化下段為主，根據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘查規(guī)范》(GB 50487—2008)，二灘C級巖體可大致與Ⅲ1級巖體對應。

2.6　構皮灘拱壩

構皮灘拱壩位于烏江干流，最大壩高230.50 m。壩址區(qū)河谷兩岸基本對稱，為V形峽谷。壩址區(qū)巖體卸荷作用明顯，兩岸拱座均存在明顯的卸荷帶，壩基巖石堅硬、強度高，但壩址區(qū)巖溶強烈發(fā)育。構皮灘拱壩中下部建基巖體以質(zhì)量較好的Ⅰ,Ⅱ類巖體為主，Ⅲ類巖體完整性中等-較完整，在拱端推力不大的部位經(jīng)適當補強處理后進行利用[13]。

2.7　大崗山拱壩

大崗山拱壩位于大渡河下游，最大壩高210 m。壩址河谷狹窄，谷坡陡峻，呈V形。壩址區(qū)地震烈度高，地質(zhì)構造復雜，以小斷層和巖脈破碎帶為主，裂隙較為發(fā)育，裂面平直粗糙，巖體風化卸荷強烈。大崗山拱壩在約1/2壩高高程以上以微新-弱風化下段Ⅱ，Ⅲ1類巖體作為建基巖體，其中3/4壩高高程以上可局部利用Ⅲ2類巖體；兩岸中、低高程建基巖體以微新Ⅱ類為主，局部利用弱風化下段Ⅲ1巖體；河床低高程壩段建基巖體為微新Ⅱ類巖體[14]。

上述7座拱壩地形地貌、地質(zhì)構造、巖性條件等雖均有差異，但巖體質(zhì)量分級是對巖體的軟硬程度、風化程度、卸荷程度、完整程度及賦存環(huán)境等的綜合定性評價。超高拱壩建基面的選擇仍采用巖體質(zhì)量分級成果為選擇依據(jù)。

將拱壩按壩高30%,40%,30%的比例分為上部、中部、下部3個高度區(qū)[15]，在特高拱壩建基巖體選擇時，按高程分區(qū)進行建基面可利用巖體的綜合選擇，特高拱壩建基巖體的利用匯總情況見表1。對于特高拱壩，在拱壩的低高程部位選擇巖體質(zhì)量好的Ⅰ,Ⅱ級巖體，在中、高高程則根據(jù)具體地質(zhì)條件，Ⅲ1,Ⅲ2級巖體有一定應用。

表1　特高拱壩建基巖體利用情況

根據(jù)各拱壩建基巖體的利用情況可知，除溪洛渡拱壩經(jīng)專項論證使用Ⅲ1巖體作為建基巖體[16]，其余特高拱壩均選擇了Ⅱ級圍巖作為拱壩下部的建基面巖體，中部建基巖體以Ⅱ級巖體為主，同時考慮Ⅲ1級巖體的充分利用，上部建基巖體以Ⅲ1級為主，局部考慮Ⅲ2級巖體的利用。這表明Ⅱ級巖體作為特高拱壩的建基巖體已具有普遍的認同度和豐富成功的工程實踐經(jīng)驗，而在拱端推力不大的中、高高程可有效利用Ⅲ1級、Ⅲ2級巖體作為建基面，減小嵌深。合理地選擇和利用Ⅲ級巖體作為拱壩建基巖體，在確保工程安全的前提下，可以兼顧工程經(jīng)濟合理性。

3　建基面可利用巖體的選擇因素分析

特高拱壩及壩基在荷載作用下的破壞模式為壓破壞和剪破壞，要求拱壩建基巖體應具有足夠的承載能力、抗變形能力、抗剪切能力以及抗滑穩(wěn)定性。

3.1　巖體的承載力

壩基巖體一方面要承受壩體的自重荷載，另一方面又要承受大壩傳遞的外加荷載(水壓力、泥沙壓力等)并傳向深部巖體，對于200 m的特高拱壩，承受總水推力達千萬噸以上，如小灣拱壩總水推力約1 600萬t(1.6×105MN)，溪洛渡拱壩約1 500萬t(1.5×105MN)，錦屏Ⅰ級約1 300萬t(1.3×105MN)[17]，如此巨大的荷載通過拱壩傳遞到兩岸壩肩巖體，將使建基巖體內(nèi)產(chǎn)生較大的壓應力。因此，特高拱壩一般要求巖石堅硬，有足夠的承載力，能夠承受巨大水壓而不產(chǎn)生壓裂破壞。

圖1　特高拱壩拱端推力分布

圖1為部分特高拱壩左岸拱端推力分布圖[15]，自壩頂往下水推力逐漸增大，至壩底偏上區(qū)域水推力達到最大，壩底水推力與拱壩中部相當。通過對各特高拱壩水推力進行統(tǒng)計，上部水推力約占總水推力的15%，中部占總水推力的50%～60%；下部占總水推力的30%～40%，各拱壩上部、中部、下部的推力占比基本相同。

拱壩最底部區(qū)域為河床壩段，拱端的承受水推力略有減小，但河床壩段基礎承受的自重荷載作用最大，表2列出了部分特高拱壩下游主壓應力分布值[16]，主壓應力自壩頂往下呈增大趨勢。拱壩的中、下部區(qū)是主要的承載區(qū)，因此根據(jù)拱壩各高程部位承受的荷載及主壓應力大小不同，可對不同高程選擇不同質(zhì)量級別的巖體作為建基巖體。

表2　特高拱壩下游周邊主壓應力分布

巖體的承載力與巖石的抗壓強度及結構面的發(fā)育程度有關，巖石的強度是承載力的基礎。根據(jù)《水利發(fā)電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(GB 50287—2006)，在無巖體承載力試驗數(shù)據(jù)時，可利用巖石飽和抗壓強度，結合巖體結構，取適當?shù)恼蹨p系數(shù)進行巖體承載力的估算[3]，計算方法見式(1)，折減系數(shù)見表3。

fa=kRc。

(1)

式中:fa為巖體承載力;Rc為巖石飽和單軸抗壓強度;k為折減系數(shù)。

表3　壩基巖體承載力折減系數(shù)經(jīng)驗取值

特高拱壩可利用巖體要求巖體完整-較完整，因此可取巖石飽和單軸抗壓強度的1/10～1/7作為建基巖體的承載力。

由于特高拱壩的壩基巖體不同、河谷寬度不同、拱壩體型不同，拱端壓應力值會有所差別，但目前已建特高拱壩壩基巖體的最大壓應力多為7～10 MPa，最大壓應力一般只發(fā)生在拱壩的中下部區(qū)域，其他部位則相對較低，至近壩頂高程，壓應力大幅度降低[11]。因此巖石抗壓強度最低要達50～60 MPa，才能滿足拱壩的承載力要求。

3.2　巖體的變形模量

壩肩巖體在受到拱座傳來的巨大壓力時，會產(chǎn)生較大變形，變形量過大對拱壩應力影響較大，不利于拱壩的整體穩(wěn)定性。此外，拱壩的壓應力和拉應力隨變形模量的增大有一定減小，因此，特高拱壩要求建基巖體具有較高的變形模量。

通常情況下，拱壩中下部建基面巖體是拱壩的主要承力區(qū)，巖體變形模量須>大壩混凝土變形模量的1/3以上。特高拱壩對壩肩巖體產(chǎn)生的荷載從中下部往上是逐漸減小的，所以拱壩上部建基面巖體的變形模量可較中、下部基礎小。但是，為避免變形協(xié)調(diào)引起的應力重分布使拱壩基礎局部部位產(chǎn)生應力集中發(fā)生屈服破壞，建基面巖體應盡量均勻，避免巖體軟硬突變。

表4統(tǒng)計了部分特高拱壩的主要巖體的變形模量，并列出了《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(GB 50487—2008)建議值。

表4　特高拱壩的巖體變形模量

特高拱壩建基巖體主要選擇的Ⅱ級、Ⅲ1級巖體，變形模量基本為10～20 GPa，甚至更高，略大于規(guī)范建議的同級別巖體的變形模量值，這是因為目前規(guī)范主要是針對壩高<200 m的拱壩，對于超過200 m的特高拱壩，變形模量值要求更高。通常能達到這樣高模量值的巖體，主要為巖漿巖、變質(zhì)巖、粗碎屑沉積巖構成的質(zhì)地堅硬、風化較弱、完整性較好的塊狀結構巖體。

3.3　巖體的抗剪強度

特高拱壩壩肩巖體的應力水平可達7～10 MPa，為防止壩基巖體在拱端壓力作用下產(chǎn)生剪切破壞甚至滑動，要求建基巖體具有較高的抗剪強度。

巖體的抗剪強度一方面取決于巖石本身的強度，另一方面取決于巖體結構及賦存條件，通常介于巖石強度和結構面強度之間。對于結構完整、結構面不發(fā)育的巖體，巖體強度主要由巖石強度控制；對于結構面發(fā)育的巖體，其強度主要由結構面的強度、結構面的發(fā)育程度及特征控制。由于結構面的抗剪強度遠低于巖石的抗剪強度，巖體的失穩(wěn)破壞主要是沿結構面的剪切破壞，對于可能引起失穩(wěn)破壞的軟弱結構面或平行于岸坡的中緩傾角結構面需要進行必要的工程處理，提高強度參數(shù)，以滿足強度的要求。

表5、表6統(tǒng)計了部分特高拱壩較完整巖體的抗剪強度參數(shù)，并列出了《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(GB 50487—2008)建議值。

特高拱壩建基巖體主要利用的Ⅱ，Ⅲ1級巖體摩擦系數(shù)f多為1.0～1.5，黏聚力c多為1～2 MPa，規(guī)范建議的各級別巖體的摩擦系數(shù)值與各特高拱壩實際壩基巖體參數(shù)基本相當，但黏聚力建議值要略低于特高拱壩實際利用巖體的黏聚力。

表5　特高拱壩的巖體摩擦系數(shù)

表6　特高拱壩的巖體黏聚力參數(shù)

4　建基面可利用巖體的選擇標準

特高拱壩建基面可利用巖體的選擇是多因素綜合考慮的結果，巖體本身的力學特性是基礎，拱壩的應力條件和周邊地形地質(zhì)環(huán)境是重要影響因素。

拱壩在不同壩高部位，承受的荷載和應力水平不同，對基礎巖體的基本要求不同，國內(nèi)特高拱壩在建基面巖體利用時，基本也是按照拱壩部位在不同高程選擇不同建基巖體。根據(jù)國內(nèi)特高拱壩建基面巖體的利用情況，可根據(jù)拱壩的拱端荷載分布按壩高30%,40%,30%的比例將拱壩分為上部、中部、下部3個高度區(qū)，建基巖體的選擇是以拱壩結構所承受的荷載及應力水平為基礎條件，以巖體能滿足承載穩(wěn)定性、抗滑穩(wěn)定性為基本前提，以巖體承載力、變形模量、抗剪強度指標等為量化標準，以巖體質(zhì)量級別為選擇判據(jù)的綜合選擇過程。

雖然各拱壩建設區(qū)的地形地質(zhì)巖性等均具有差異性，但綜合國內(nèi)典型特高拱壩建基巖體的利用情況，可以提出特高拱壩建基面可利用巖體選擇的基本標準，供類似工程參考，見表7。特高拱壩根據(jù)建基面所處部位不同合理選擇利用不同的巖體作為建基巖體，可在確保安全穩(wěn)定性的條件下，兼顧工程經(jīng)濟性，優(yōu)化工程建設。

表7　特高拱壩建基面可利用巖體選擇標準

5　結　論

(1)國內(nèi)特高拱壩建基面可利用巖體選擇主要是以巖體質(zhì)量分級為綜合評價指標，不同壩基部位選擇不同質(zhì)量級別的巖體。

(2)Ⅱ級巖體是特高拱壩的優(yōu)良的建基巖體，特高拱壩中部建基面可以有效地利用部分Ⅲ1級巖體，上部區(qū)域可適當利用Ⅲ2級巖體，在確保工程安全的前提下，可以兼顧經(jīng)濟合理性。

(3)現(xiàn)階段規(guī)范主要適用于壩高<200 m的拱壩，特高拱壩因其高度更高、荷載更大，作為特高拱壩壩基的Ⅱ級、Ⅲ1級巖體的變形模量和黏聚力略大于規(guī)范建議值。

(4)特高拱壩建基面利用巖體應以荷載及應力水平為基礎，以拱壩穩(wěn)定為前提，以變形、強度等力學參數(shù)為依據(jù)，以巖體質(zhì)量級別為具體表征，可按不同高度分區(qū)域進行綜合論證和選擇。

由于特高拱壩的地質(zhì)條件、壩型結構等均不相同，荷載及應力水平會存在差異，特高拱壩在進行建基巖體選擇時需結合實際工程條件進行論證。