西藏金河瓦托水電站壩基巖體與混凝土抗剪試驗(yàn)

楚少義 宋偉健 韓 飛 郭智陽 劉 拓 譚 春

(中水東北勘測設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，吉林 長春 130061)

1 工程概況

瓦托水電站是以發(fā)電為主、兼顧旅游等綜合利用的中型水電樞紐工程，樞紐由右岸混凝土重力壩段、河床部位混凝土溢流壩段、左岸階地混凝土重力壩段、左岸土石壩連接壩段及左岸壩后式廠房等組成，最大壩高69.75 m。壩址區(qū)為高山峽谷地貌，河谷呈“U”字型。試驗(yàn)區(qū)域出露的地層為侏羅系下統(tǒng)查朗嘎組(J1ch)細(xì)砂巖、泥質(zhì)砂巖、泥質(zhì)砂巖與細(xì)砂巖互層。細(xì)砂巖，灰黑色，細(xì)砂狀結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，礦物成分主要為石英、長石、巖屑等，巖質(zhì)較堅(jiān)硬；泥質(zhì)砂巖，灰黑色、泥質(zhì)砂狀結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，礦物成分主要為粉砂屑、泥質(zhì)等，微層理發(fā)育。

2 試驗(yàn)內(nèi)容

壩基巖體與壩體混凝土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)是混凝土重力壩計(jì)算抗滑穩(wěn)定時(shí)最重要的參數(shù)，參數(shù)的確定和選取至關(guān)重要，直接關(guān)系到工程的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性。因此，對西藏金河瓦托電站壩基進(jìn)行巖體與混凝土抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行建基面位置優(yōu)化。由設(shè)計(jì)、地質(zhì)、試驗(yàn)、監(jiān)理、施工共同確定試驗(yàn)位置，確定在左岸壩址區(qū)進(jìn)行兩組巖體與混凝土抗剪試驗(yàn)，每組6個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，工程地質(zhì)示意圖和現(xiàn)場圖如圖1所示。

3 試驗(yàn)方法

在直剪試驗(yàn)中，剪切破壞遵循庫侖準(zhǔn)則，其表達(dá)式為：

τ=σtgφ+C。

其中，τ為施加在剪切面上的剪應(yīng)力，MPa；σ為施加在剪切面上的法向應(yīng)力，MPa；φ為材料的內(nèi)摩擦角；C為材料的粘聚力，MPa。

直剪試驗(yàn)采用平推法，在人工泡水條件下進(jìn)行，剪切荷載方向與工程水流推力方向一致。根據(jù)工程布設(shè)，瓦托水電站工程最大壩高69.75 m，壩基最大工程荷載為1.68 MPa，試驗(yàn)最大法向荷載宜為工程荷載的1.2倍，即試驗(yàn)最大法向?yàn)?.0 MPa，分六級(jí)施加，初步確定各級(jí)應(yīng)力為0.5 MPa,0.8 MPa,1.1 MPa,1.4 MPa,1.7 MPa,2.0 MPa。

4 試驗(yàn)前期工作

4.1 試驗(yàn)場地清理

為了選取具有代表性的試驗(yàn)段及試驗(yàn)點(diǎn)，需對試驗(yàn)場地進(jìn)行覆蓋層開挖、清理，如圖2所示。需要注意的是，開挖清理最好選擇機(jī)械或者人工的方式，若采用爆破，則需在試驗(yàn)面上部預(yù)留50 cm的保護(hù)層，以防止對試驗(yàn)區(qū)域巖體產(chǎn)生震動(dòng)或擾動(dòng)。

4.2 直剪試驗(yàn)試點(diǎn)選擇及加工

試驗(yàn)區(qū)域開挖、清理完成后，由業(yè)主、監(jiān)理、設(shè)計(jì)、地質(zhì)人員共同選擇確定試驗(yàn)點(diǎn)位置，而后由試驗(yàn)人員進(jìn)行試件加工。根據(jù)規(guī)范，試驗(yàn)的剪切面加工尺寸宜大于混凝土試體尺寸10 cm，實(shí)際剪切面面積不小于2 500 cm2，最小邊長不應(yīng)小于50 cm，剪切面表面起伏差宜為試體推力方向邊長的1%～2%，各試體間距不宜小于試體推力方向的邊長。混凝土試體澆筑前，將剪切面巖體表面清洗干凈，混凝土試體高度不應(yīng)小于推力方向邊長的1/2，骨料的最大粒徑不應(yīng)大于試體最小邊長的1/6。

為滿足試驗(yàn)要求，減少巖體的擾動(dòng)，試驗(yàn)采用逐級(jí)加工的方式，加工設(shè)備分為三級(jí)，一級(jí)為速率快、擾動(dòng)大的風(fēng)鎬、巖體切割機(jī)，二級(jí)為速率中等、擾動(dòng)較小的電錘、電鉆，三級(jí)為速率慢、擾動(dòng)小的角磨機(jī)、鋼釬。首先采用電錘、巖體切割機(jī)在預(yù)定試驗(yàn)位置清除大塊基巖，然后采用風(fēng)鎬、電錘清理小塊基巖，最后采用角磨機(jī)、鋼釬進(jìn)行剪切面加工。剪切面加工完成后進(jìn)行混凝土試件澆筑。現(xiàn)場工作圖如圖3所示。

4.3 反力裝置

試驗(yàn)需要施加垂直、水平向荷載，采用錨桿提供反力荷載，現(xiàn)場圖如圖4所示。

垂直反力裝置是由4根反力錨桿、1根傳力工字鋼、2塊反力鋼板組成。錨桿采用φ32 mm螺紋鋼，每根錨桿長度600 cm，入巖深度400 cm，外露200 cm，錨桿孔直徑為75 mm。反力鋼板尺寸為70 cm×70 cm×8 cm，鋼板的2個(gè)端點(diǎn)處加工φ35孔。工字鋼尺寸為300 mm×200 mm，長4.0 m，工字鋼兩側(cè)腰部焊接30 mm厚肋板。水平反力裝置由巖坎、錨桿、工字鋼等組成。在距試件90 cm，施加推力的一側(cè)挖深40 cm，長90 cm，寬50 cm的巖槽，在相對試件一側(cè)巖坎布置工字鋼和4根錨桿，作為反力支撐。工字鋼長度150 cm，翼寬150 mm。錨桿采用φ32 mm螺紋鋼，每根錨桿長度400 cm，錨桿埋入基巖深度350 cm，錨桿孔直徑為75 mm，外露部分用混凝土包封成反力座。

現(xiàn)場試驗(yàn)圖如圖5所示，最終的試點(diǎn)示意圖如圖6所示。

5 試驗(yàn)結(jié)果

本次巖體與混凝土抗剪試驗(yàn)在左岸壩址區(qū)進(jìn)行2組12個(gè)抗剪試驗(yàn)。總體上看，各組規(guī)律較好，試驗(yàn)成果如下：

試驗(yàn)區(qū)域1：tgφ′=1.571，C′=0.983；tgφ=0.758，C=0.474 MPa。

試驗(yàn)區(qū)域2：tgφ′=1.539，C′=0.730；tgφ=0.696，C=0.507 MPa。

試驗(yàn)區(qū)域1的試驗(yàn)結(jié)果如表1所示，應(yīng)力曲線如圖7所示，試驗(yàn)區(qū)域2的試驗(yàn)結(jié)果如表2所示，應(yīng)力曲線如圖8所示。

表1 試驗(yàn)區(qū)域1抗剪斷(抗剪)試驗(yàn)成果

表2 試驗(yàn)區(qū)域2抗剪斷(抗剪)試驗(yàn)成果

6 結(jié)語

混凝土重力壩的抗滑穩(wěn)定性計(jì)算是設(shè)計(jì)的重中之重。目前，壩基巖體與混凝土抗剪強(qiáng)度參數(shù)的選定主要有兩種方法：其一是工程類比法，一般用于中小型工程或大型工程的規(guī)劃、可行性研究階段試驗(yàn)資料不足的情況下。其二是現(xiàn)場原位試驗(yàn)法，主要用于大型工程，在地質(zhì)勘探洞內(nèi)或壩基建基面上進(jìn)行。通過國內(nèi)有關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，比如長江三峽水利樞紐工程、吉林豐滿重建工程、廣西大藤峽水利樞紐工程，采取在壩基建基面上進(jìn)行抗剪試驗(yàn)，試驗(yàn)方法是可行的，試驗(yàn)成果科學(xué)合理，符合工程實(shí)際，使提供的抗剪強(qiáng)度與變形模量參數(shù)既保證大壩安全，又經(jīng)濟(jì)合理。