角木塘水電站工程大壩建基面優(yōu)化設(shè)計(jì)

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(貴州省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，貴陽，550002)

大壩建基巖體的選擇和建基面的確定關(guān)系工程建設(shè)的安全性和經(jīng)濟(jì)性，是壩基工程地質(zhì)研究的重要任務(wù)之一。影響建基面選擇的因素很多，既有壩基巖體工程地質(zhì)因素，又有上部結(jié)構(gòu)因素，既有技術(shù)因素又有經(jīng)濟(jì)因素，故建基巖體的選擇和建基面的確定，是壩址工程地質(zhì)勘察中一項(xiàng)重要的課題。在對(duì)壩基巖體進(jìn)行工程地質(zhì)分類的基礎(chǔ)上，考慮巖體加固處理的效果、壩基承受荷載的大小(壩的高度)等因素，綜合確定壩基巖體的可利用標(biāo)準(zhǔn)，盡量減少壩基巖體開挖量和壩體混凝土澆方量，在保證工程安全的前提下提高經(jīng)濟(jì)效益。影響壩基巖體質(zhì)量和建基面選擇的主要因素有：巖性、巖體結(jié)構(gòu)、巖體完整性、巖體風(fēng)化特征及水文地質(zhì)條件等?？傊?，建基面應(yīng)根據(jù)大壩穩(wěn)定、壩基應(yīng)力、巖體物理力學(xué)性質(zhì)、巖體類別、基礎(chǔ)變形和穩(wěn)定性、上部結(jié)構(gòu)對(duì)基礎(chǔ)要求、基礎(chǔ)加固處理效果及施工工藝、工期和費(fèi)用等經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較確定?？煽紤]通過基礎(chǔ)加固處理和調(diào)整上部結(jié)構(gòu)等措施，在滿足壩的強(qiáng)度和穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，減少開挖量[2、4-7]。

1 工程概況

角木塘水電站工程位于芙蓉江干流下游河段，地處貴州省道真縣忠信鎮(zhèn)聯(lián)江村放牛坪，為芙蓉江水電梯級(jí)開發(fā)中的第10級(jí)，上銜官莊電站，下接浩口電站。角木塘水電站工程任務(wù)主要是發(fā)電。水庫校核洪水位387.034m，總庫容3259萬m3，正常蓄水位為383m。電站額定發(fā)電水頭28.5m，發(fā)電引用流量279m3/s，裝機(jī)容量為2×35MW。

工程主要由擋水建筑物、泄水消能建筑物、發(fā)電引水系統(tǒng)和發(fā)電廠房等組成。擋水建筑物為碾壓混凝土重力壩，壩頂高程388m，最大壩高55m，壩頂寬為6m，壩軸線長154.8m。溢流壩段布置于河床偏左岸，溢流凈寬為62.5m，堰頂高程為364.5m。表孔設(shè)5扇弧形工作閘門及1扇平面檢修鋼閘門，大壩下游消力池長75m。發(fā)電引水系統(tǒng)及廠房布置于右岸，進(jìn)口閘井段長26.84m，單條引水道長38.612m，引水道末端接機(jī)組進(jìn)水管。主、副廠房平行布置，升壓站為戶內(nèi)式。

2 大壩建基面優(yōu)化的緣由和必要性

2.1 建基面優(yōu)化的緣由

大壩原設(shè)計(jì)河床建基面高程為321.6m，河床開挖至337.5m～338.0m高程時(shí)，基坑巖體較完整，強(qiáng)度較高。經(jīng)專家咨詢：開挖揭露的河床壩段基礎(chǔ)巖體質(zhì)量較好，巖體質(zhì)量為BⅢ1，滿足建壩要求，具備抬高建基面的條件。建議壩基全面挖至高程333m時(shí)，再進(jìn)行壩基巖體質(zhì)量認(rèn)定后確定河床壩段建基面高程。河床段大壩基坑總體開挖到333m高程左右時(shí)，揭露基坑巖性主要為棲霞組灰?guī)r(P2q)，開挖后壩基巖體為弱風(fēng)化至微風(fēng)化巖體，巖石層面結(jié)合較好，巖體質(zhì)量總體較好。

可研大壩建基面選擇：根據(jù)《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(DL 5108-1999)，壩高100m～50m，可建在微風(fēng)化至弱風(fēng)化中部基巖上，可研最大壩高66.4m，河床壩段建基面選擇為弱風(fēng)化基巖下部。根據(jù)《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(NB/T 35026-2014)[4]，中壩可建在弱風(fēng)化中部基巖上。河床段壩基開挖揭露壩基巖體強(qiáng)風(fēng)化、弱風(fēng)化較可研資料有明顯抬高。河床部分開挖至333m已處于弱風(fēng)化中部，巖體質(zhì)量較好，滿足建壩要求，河床段具備抬高建基面的條件。

2.2 建基面優(yōu)化的必要性

在保證壩體穩(wěn)定和安全的情況下，河床壩段建基面優(yōu)化抬高對(duì)減少壩基開挖量、壩體混凝土量和節(jié)省工程投資有著直接的影響，同時(shí)，對(duì)改善施工條件和節(jié)約工期也有較大的影響：

(1)大壩建基面優(yōu)化抬高可減少壩基開挖深度和開挖量，并可減少壩體混凝土量；

(2)優(yōu)化抬高建基面可減緩基坑公路的底坡，縮短施工道路長度，減小施工道路布置的難度；

(3)優(yōu)化抬高建基面，可減少基坑的開挖時(shí)間，縮短工期，為基礎(chǔ)局部地質(zhì)缺陷處理和大倉面碾壓混凝土施工創(chuàng)造必要的條件；

(4)優(yōu)化抬高建基面，可緩解由于前期不利因素引起的大壩施工進(jìn)度滯后及工期壓縮產(chǎn)生的矛盾，對(duì)確保如期發(fā)電目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)具有重要意義。

故在保證大壩穩(wěn)定和安全的情況下，優(yōu)化抬高建基面是有必要的。

3 工程地質(zhì)條件評(píng)價(jià)

壩基施工開挖過程中，設(shè)計(jì)單位地質(zhì)人員及時(shí)完成了壩基巖體聲波測(cè)試、開挖地質(zhì)素描圖及相關(guān)補(bǔ)充地質(zhì)勘察工作。

(1)施工開挖揭露F2斷層帶寬2.4m，影響帶2m～5m。壩基巖體主要為二疊系中統(tǒng)棲霞組(P2q)深灰色中厚層灰?guī)r夾薄層炭質(zhì)泥巖；靠右岸局部為二疊系中統(tǒng)茅口組(P2m)薄至中厚層灰?guī)r夾泥巖、炭質(zhì)頁巖。壩基巖體呈弱風(fēng)化至微風(fēng)化狀態(tài)，巖石層面結(jié)合較好；緩傾角裂隙延伸短，規(guī)模小，無軟弱夾層及泥化夾層分布，進(jìn)入弱風(fēng)化

圖1 壩區(qū)開挖地質(zhì)素描

巖體后裂隙弱發(fā)育且膠結(jié)良好，多為方解石脈充填?；觾?nèi)未顯巖溶現(xiàn)象，未見較大沖刷深坑，無地形缺陷問題。

(2)建基面選擇：大壩基坑總體開挖到333m高程時(shí)，壩基巖體已處于弱風(fēng)化狀態(tài)，壩基巖體質(zhì)量較好，具備建基面抬高的條件。河床基坑聲波測(cè)試結(jié)果表明，巖體波速在高程325m以下較為穩(wěn)定，波速值在4000m/s～5100m/s，巖體完整，為最理想的建基面高程。結(jié)合專家咨詢意見，壩基333m～325m高程局部低波速帶通過加強(qiáng)固結(jié)灌漿是可以滿足設(shè)計(jì)建壩要求的。

(3)河床開挖至333m高程時(shí)壩基巖體已處于弱風(fēng)化中部，A區(qū)巖體為棲霞組中厚層灰?guī)r，巖體較完整，呈弱風(fēng)化狀態(tài)，巖體質(zhì)量等級(jí)BⅢ1類；B區(qū)為斷層帶，巖性為炭質(zhì)泥巖，膠結(jié)較好，巖體質(zhì)量等級(jí)為CⅣ類；C區(qū)為茅口組灰?guī)r，完整性較差，層面夾泥，巖體質(zhì)量等級(jí)為BⅢ2類。壩基巖體質(zhì)量BⅢ1類約占77%，BⅢ2類約占15%，CⅣ類約占8%。壩基巖體整體強(qiáng)度較高，完整性好，局部經(jīng)過處理后能滿足建壩的要求，具備建基面抬高的條件。

(4)壩基棲霞組(P2q)灰?guī)r巖體質(zhì)量比可研階段評(píng)價(jià)要好，力學(xué)參數(shù)有所提高；茅口組(P2m)灰?guī)r由于層面夾泥，巖體質(zhì)量比可研階段評(píng)價(jià)稍差，力學(xué)參數(shù)有所降低。巖體物理力學(xué)參數(shù)建議值見表1。

(5)河床段壩基抗滑穩(wěn)定評(píng)價(jià)：河谷形式為縱向谷，施工開挖過程中，未發(fā)現(xiàn)規(guī)模較大、貫通性好的緩傾結(jié)構(gòu)面發(fā)育，對(duì)局部地質(zhì)缺陷處理后，壩基穩(wěn)定性好。

4 大壩建基面優(yōu)化

根據(jù)河床段壩基施工地質(zhì)條件評(píng)價(jià)及建議，對(duì)局部地質(zhì)缺陷采取工程措施處理，并結(jié)合大壩穩(wěn)定及應(yīng)力復(fù)核計(jì)算結(jié)果，對(duì)大壩建基面進(jìn)行優(yōu)化抬高。大壩建基面優(yōu)化的項(xiàng)目和內(nèi)容：河床壩段原設(shè)計(jì)建基面高程為321.6m，優(yōu)化抬高后A區(qū)(F2斷層左側(cè))建基面高程為333.0m，B區(qū)(F2斷層)建基面高程為329.5m，C區(qū)(F2斷層右側(cè))建基面高程為332.0m；大壩基礎(chǔ)處理措施有所調(diào)整；壩體斷面和構(gòu)造設(shè)計(jì)相應(yīng)有所調(diào)整；河床壩段灌漿排水廊道及壩基排水系統(tǒng)布置相應(yīng)調(diào)整。

4.1 大壩平面布置

河床壩段建基面優(yōu)化前、后大壩平面布置無變化，大壩平面布置見圖2。

圖2 大壩平面布置

4.2 河床壩段建基面優(yōu)化抬高

根據(jù)開挖揭露的地質(zhì)情況，對(duì)壩基巖體的物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行了復(fù)核，并結(jié)合大壩穩(wěn)定及應(yīng)力復(fù)核，對(duì)河床溢流壩段建基面高程進(jìn)行了優(yōu)化抬高。

建基面優(yōu)化后A區(qū)建基面高程為333m，較原設(shè)計(jì)抬高11.4m；C區(qū)建基面高程為332m，較原設(shè)計(jì)抬高10.4m；B區(qū)為F2斷層破碎帶，刻槽深挖后作混凝土塞進(jìn)行處理，混凝土塞建基面高程為329.5m，較原設(shè)計(jì)抬高11.1m。河床壩段建基面優(yōu)化抬高后大壩下游立視見圖3。

圖3 河床壩段建基面優(yōu)化后下游立視

4.3 壩體斷面和構(gòu)造設(shè)計(jì)調(diào)整

大壩建基面優(yōu)化后，河床壩段結(jié)構(gòu)相應(yīng)進(jìn)行了調(diào)整，壩體分區(qū)及材料設(shè)計(jì)無變化，壩體分縫及止水設(shè)計(jì)無變化，壩體底部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)根據(jù)實(shí)際地質(zhì)條件進(jìn)行了調(diào)整，壩內(nèi)灌漿排水廊道布置進(jìn)行了調(diào)整，壩體及壩基排水系統(tǒng)布置相應(yīng)進(jìn)行了調(diào)整。優(yōu)化后河床壩段大壩標(biāo)準(zhǔn)斷面見圖4。

4.3.1 壩體混凝土分區(qū)設(shè)計(jì)

大壩建基面優(yōu)化抬高后，壩體混凝土分區(qū)設(shè)計(jì)不變，各區(qū)結(jié)構(gòu)底部高程較原設(shè)計(jì)相應(yīng)抬高，工程量較原設(shè)計(jì)有所減小。下游壩體Ⅲ區(qū)相應(yīng)取消。

4.3.2 壩體分縫及止水設(shè)計(jì)

河床溢流壩段建基面優(yōu)化抬高后，壩體分縫及止水設(shè)計(jì)無變化，止水量有所減少。

4.3.3 壩底結(jié)構(gòu)

河床壩段建基面優(yōu)化抬高后，因基礎(chǔ)局部地質(zhì)條件較差，壩底結(jié)構(gòu)較原設(shè)計(jì)有所變化。為確保壩體穩(wěn)定，考慮在壩基下游側(cè)增設(shè)齒墻，上、下游側(cè)梯形齒墻底寬為2.5m，挖深2.5m，局部加深(上游側(cè)壩橫0+084～0+098段及下游側(cè)壩橫0+084～0+105段齒墻加深至4m)，上游齒墻上游側(cè)坡比1∶0.5，下游側(cè)坡比1∶1；下游齒墻上游側(cè)坡比1∶1，下游側(cè)鉛直。

4.3.4 壩體與壩基排水設(shè)計(jì)

河床溢流壩段建基面優(yōu)化抬高后，壩體排水設(shè)計(jì)不變，壩體排水工程量有所減少；壩基排水設(shè)計(jì)基本相同，壩基排水系統(tǒng)布置相應(yīng)調(diào)整，水泵布置高程由原來的328m抬高至339.4m高程。

4.3.5 壩內(nèi)廊道布置設(shè)計(jì)

河床壩段建基面優(yōu)化抬高后，河床段水平灌漿排水廊道高程抬高，兩岸坡廊道布置相應(yīng)調(diào)整，原設(shè)計(jì)水平廊道底高程為328m，水平廊道長23.35m；調(diào)整后水平廊道底高程為339.4m，水平廊道長52.15m，兩岸坡斜坡廊道相應(yīng)縮短。

圖4 河床壩段建基面優(yōu)化后標(biāo)準(zhǔn)斷面

4.4 壩基地質(zhì)缺陷處理

重力壩對(duì)基礎(chǔ)的要求：要有足夠的強(qiáng)度、整體性、均勻性、抗?jié)B性及耐久性。故為滿足大壩對(duì)承載力、整體性、抗滑和防滲等要求，對(duì)建基面不滿足壩基巖體質(zhì)量要求的地質(zhì)缺陷需采取工程措施進(jìn)行處理[1-4]。

4.4.1 斷層、破碎帶等地質(zhì)缺陷處理

河床段建基面優(yōu)化調(diào)整后，斷層及破碎帶處理方案基本同原設(shè)計(jì)，河床壩段壩基增設(shè)了錨筋?？紤]將F2斷層破碎帶全部挖出，底部挖至329.5m高程，兩側(cè)開挖坡比為1∶0.5，然后做C15混凝土梯形塞置換處理，斷層帶及影響帶范圍設(shè)φ25基礎(chǔ)錨筋(L=9m)，錨筋孔結(jié)合固結(jié)灌漿孔進(jìn)行。梯形混凝土塞底寬為2.4m，混凝土塞的深度為3.5m，混凝土塞沿?cái)鄬臃较蜓由熘辽嫌螇误w外5m。

對(duì)A區(qū)局部存在的巖體破碎，裂隙面部分泥質(zhì)充填地質(zhì)缺陷，通過清除破碎巖體及裂隙面的泥質(zhì)成分并清洗干凈，同時(shí)在基底設(shè)置φ25基礎(chǔ)錨筋(L=6m)。F2斷層右側(cè)C區(qū)茅口組灰?guī)r區(qū)裂隙發(fā)育，裂隙面及層面夾泥，基坑深挖1.0m，對(duì)夾有炭質(zhì)泥巖的部位進(jìn)行刻槽深挖，將建基面清洗干凈，并設(shè)φ25基礎(chǔ)錨筋(L=6m)，錨筋孔結(jié)合固結(jié)灌漿孔進(jìn)行。

4.4.2 壩基固結(jié)灌漿

河床壩段建基面優(yōu)化后，加強(qiáng)F2斷層左側(cè)影響帶及其右側(cè)C區(qū)固結(jié)灌漿，灌漿孔深由5m調(diào)整為8m，其余區(qū)域壩基固結(jié)灌漿同原設(shè)計(jì)。

4.5 壩體穩(wěn)定及應(yīng)力復(fù)核

河床壩段建基面優(yōu)化抬高，根據(jù)《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(NB/T 35026-2014)規(guī)定，進(jìn)行了壩體穩(wěn)定及應(yīng)力復(fù)核[4]。

4.5.1 計(jì)算參數(shù)

地質(zhì)專業(yè)根據(jù)開挖揭露的情況，對(duì)壩基巖體的力學(xué)參數(shù)進(jìn)行了復(fù)核，主要復(fù)核成果見表1。

表1 壩基巖體物理力學(xué)參數(shù)建議值(弱風(fēng)化)

注：(P2q)強(qiáng)風(fēng)化、弱風(fēng)化基巖允許承載力建議值分別為：[R]=1000kPa～1500kPa；[R]=3000kPa；(P2m)強(qiáng)風(fēng)化、弱風(fēng)化基巖允許承載力建議值分別為：[R]=800kPa～1000kPa；[R]=2000kPa～2500kPa。

河床壩段建基面優(yōu)化時(shí)，對(duì)河床F2斷層帶已考慮深挖，然后做梯形混凝土塞進(jìn)行置換處理，并在斷層帶及影響帶范圍設(shè)置φ25基礎(chǔ)錨筋(L=9m)，同時(shí)加強(qiáng)該區(qū)域固結(jié)灌漿，F(xiàn)2斷層處理滿足相關(guān)規(guī)范要求，處理后其力學(xué)參數(shù)考慮按其右側(cè)的茅口組灰?guī)r取值。F2順河斷層左側(cè)棲霞組灰?guī)r區(qū)，裂隙較為發(fā)育，對(duì)裂隙采取工程措施處理，為安全起見，該區(qū)巖體物理力學(xué)參數(shù)按F2斷層右側(cè)的茅口組灰?guī)r取值。即大壩穩(wěn)定及應(yīng)力復(fù)核計(jì)算時(shí)，壩基巖體的力學(xué)參數(shù)統(tǒng)一取抗剪斷強(qiáng)度f′=0.8，C=0.7MPa；壩基巖體呈弱至微風(fēng)化狀態(tài)，基礎(chǔ)允許承載力：[R]=2000kPa～2500kPa。

4.5.2 計(jì)算斷面

根據(jù)河床壩段建基面優(yōu)化抬高情況，選取一個(gè)典型斷面進(jìn)行計(jì)算，見圖5。

4.5.3 計(jì)算方法

采用剛體極限平衡法進(jìn)行壩基面抗滑穩(wěn)定計(jì)算，采用材料力學(xué)方法進(jìn)行大壩建基面的應(yīng)力計(jì)算，并分別計(jì)算基本組合和偶然組合。

圖5 溢流壩段典型剖面計(jì)算簡圖

4.5.4 復(fù)核計(jì)算結(jié)果

經(jīng)計(jì)算，壩基抗滑穩(wěn)定復(fù)核計(jì)算成果見表2，壩體最大主壓應(yīng)力(壩趾應(yīng)力)復(fù)核計(jì)算成果見表3，壩踵垂直正應(yīng)力復(fù)核計(jì)算成果見表4。

表2 壩基抗滑穩(wěn)定復(fù)核計(jì)算成果 單位：kN

表3 壩趾應(yīng)力復(fù)核計(jì)算成果 單位：kN/m2

表4 壩踵垂直正應(yīng)力復(fù)核計(jì)算成果 單位：kN/m2

由表2-表4可知，壩基面的抗滑穩(wěn)定、壩趾應(yīng)力均滿足規(guī)范要求；壩踵垂直正應(yīng)力大于0，未出現(xiàn)拉應(yīng)力，滿足規(guī)范要求；壩基最大垂直正應(yīng)力587.41kPa

4.6 建基面優(yōu)化前后投資比較

河床壩段建基面優(yōu)化后建基面抬高10.4m～11.4m，工程量較原設(shè)計(jì)方案小，大壩建基面優(yōu)化后節(jié)省工程投資883.04萬元。

5 結(jié)語

(1)河床段原設(shè)計(jì)建基面高程321.6m，在壩基開挖至333m高程時(shí)，根據(jù)施工地質(zhì)成果資料分析，整個(gè)建基面巖體呈弱至微風(fēng)化狀態(tài)，巖體完整性好，強(qiáng)度較高。A區(qū)巖體為棲霞組中厚層灰?guī)r(P2q)，巖體質(zhì)量等級(jí)BⅢ1類，B區(qū)F2斷層帶，巖性為炭質(zhì)泥巖，膠結(jié)較好，巖體質(zhì)量等級(jí)為CⅣ類；C區(qū)為茅口組灰?guī)r(P2m)，完整性較差，巖體質(zhì)量等級(jí)為BⅢ2類。壩基局部地質(zhì)缺陷采取工程措施處理后滿足建壩要求，具備建基面抬高的地質(zhì)條件。

(2)根據(jù)河床壩段開挖揭露的地質(zhì)情況，對(duì)壩基巖體的物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行了復(fù)核，并進(jìn)行了大壩穩(wěn)定和應(yīng)力復(fù)核。經(jīng)復(fù)核，壩體穩(wěn)定及應(yīng)力滿足規(guī)范要求。河床段建基面優(yōu)化抬高后建基面高程A區(qū)為333m，B區(qū)為329.5m，C區(qū)為332m。建基面優(yōu)化后，河床段灌漿排水廊道、壩基排水系統(tǒng)布置及基礎(chǔ)處理措施等相應(yīng)進(jìn)行了調(diào)整。

(3)河床壩段建基面優(yōu)化后，節(jié)省了工程量，節(jié)省投資883.04萬元。建基面優(yōu)化抬高為大倉面碾壓混凝土施工創(chuàng)造了必要的條件，縮短了大壩混凝土施工工期，搶回了因廠房右岸高邊坡地質(zhì)條件較差耽誤的3個(gè)月工期，最后較計(jì)劃提前4個(gè)月發(fā)電，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。