西藏金河瓦托水電站壩基優(yōu)化淺談

田江偉 澤旺曲扎

摘? 要：壩基優(yōu)化是節(jié)省水電工程投資的有效措施之一，對研究兼顧經濟效益和大壩安全穩(wěn)定性的壩基設計方案具有重要意義。在瓦托水電站工程中，結合壩址實際情況，對河床取樣7組巖芯進行了物理力學性質試驗，對左岸基座階地進行了原位直剪試驗，并對河床開展了巖石聲波測試，論證了壩基巖體的力學強度指標，提出了壩基巖體物理力學參數地質建議值，為壩基優(yōu)化設計提供數據支撐。根據取得參數對溢流壩段、廠房壩段和左岸重力壩段的建基高程進行了優(yōu)化設計，在減少工程量和節(jié)省工程投資方面取得了明顯效果。

關鍵詞：瓦托水電站? 壩基優(yōu)化? 工程投資? 優(yōu)化效果

中圖分類號：TM62 ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2021）03（a）-0044-07

Discussion on Optimization of Dam Foundation of Jinhe Watuo Hydropower Station in Tibet

TIAN Jiangwei? ZE Wangquzha

（Jinhe River Basin Hydropower Development Co.， Ltd. Tibet Development & Investment Croup， Changdu， Tibet Autonomous Region， 854000 China）

Abstract： Dam foundation optimization is one of the effective measures to save hydropower project investment. It is of great significance to study the dam foundation design scheme which takes into account economic benefits and dam safety and stability. In the project of Watuo Hydropower Station， Combining actual conditions of dam site， the physical and mechanical properties tests were conducted on 7 sets of rock cores sampled from the riverbed， in-situ direct shear tests were conducted on the terrace of the left bank base， and rock acoustic tests were carried out on the riverbed. These tests demonstrated the mechanical strength index of the dam foundation rock mass and put forward the suggested geological values of the physical mechanical parameters of the dam foundation rock mass to provide data support for the optimal design of the dam foundation. According to the obtained parameters， the foundation elevation of the overflow dam section， the powerhouse dam section and the gravity dam section on the left bank is optimized， and obvious results are obtained in terms of reducing the amount of works and saving the project investment.

Key Words： Watuo Hydropower Station; Dam foundation optimization; Project investment; Oplimization effect

水電工程建設往往建設周期長，投資成本大。因此在保證工程安全可靠的前提下，通過優(yōu)化設計降低工程量，是節(jié)省工程投資的有效措施。西藏金河瓦托水電站工程在瀾滄江一級支流金河下游河段上，是金河水電規(guī)劃中的第五個梯級電站，壩址位于昌都市卡若區(qū)列巴村金河下游約2.5km處，在已建金河大壩上游約5.0km處，水庫總庫容0.1383×108m3，電站裝機容量50MW，是一座以發(fā)電為主的中型水電樞紐工程。樞紐建筑物從左至右依次為左岸砂礫石壩連接壩段及其壩頭回車場、左岸混凝土重力壩段、發(fā)電廠房的壩式進水口壩段、溢流壩段、門庫壩段、右岸混凝土重力壩段及其壩頭回車場。本文以實際地質條件為依據，根據壩基地質勘探復核成果，復核大壩抗滑穩(wěn)定，通過現場試驗及抗滑穩(wěn)定計算來進行優(yōu)化設計以實現壩基抬高，進而節(jié)省工程投資。

1? 工程地質和力學實驗

1.1 基巖

壩軸線出露的基巖為侏羅系下統(tǒng)查朗嘎組（J1ch）細砂巖、泥質砂巖、泥質砂巖與細砂巖互層。按層厚和巖性所占比例可劃分為3個巖組，分別為泥質砂巖與細砂巖互層巖組（J1ch1）、細砂巖夾泥質砂巖巖組（J1ch2）、泥質砂巖夾細砂巖巖組（J1ch3）。泥質砂巖與細砂巖互層（J1ch1）：細砂巖占5%～10%，泥質砂巖與細砂巖互層占90%～95%，壩址區(qū)出露寬度大于390m。細砂巖夾泥質砂巖（J1ch2）：細砂巖占70%～75%，泥質砂巖占25%～30%，壩址區(qū)出露寬度約40m。泥質砂巖夾細砂巖（J1ch3）：細砂巖占20%～25%，泥質砂巖占55%～60%，泥質砂與細砂巖互層占15%～20%，壩址區(qū)出露寬度大于610m[1]。

1.2 力學試驗

1.2.1 河床巖體物理力學性質試驗

壩址河床區(qū)弱風化狀態(tài)巖體按巖組不同共取巖樣7組進行了物理力學性質試驗，巖石的物理力學性質試驗成果詳見表1及圖1、圖2。

據表1：ZK19-1、ZK19-2、ZK19-1-1所處巖組為泥質砂巖與細砂巖互層（J1ch1）巖組，所取巖樣均為泥質砂巖，各級軸向壓力下的剪切應力不做加權，直接進行平均。直剪試驗成果如圖1所示，c=5.07MPa，φ=75.28°。ZK16-1、ZK18-1、ZK18-2、ZK18-3所處巖組為細砂巖夾泥質砂巖（J1ch2）巖組，該細砂巖比例為70%，泥質砂巖比例為30%，同種巖性在各級軸向壓力下的剪切應力進行平均后，按權重進行加和。直剪試驗成果如圖2所示，c=12.29MPa，φ=64.17°。

1.2.2 左岸基座階地巖臺原位直剪試驗

本次試驗在壩軸線左岸Ⅰ級階地部位進行泥質砂巖與細砂巖互層巖組（J1ch1）（下游側基坑、試驗區(qū)域1）、細砂巖夾泥質砂巖巖組（J1ch2）（上游側基坑、試驗區(qū)域2）2組巖體與混凝土接觸面直剪試驗，每組試驗加工6個試驗點。為模擬壩基的實際工作條件，試驗前需將試件浸水7～10d，使試件飽水，確保試件始終處于飽和狀態(tài)[2]。

泥質砂巖與細砂巖互層巖組（J1ch1）（下游側基坑、試驗區(qū)域1）抗剪斷（抗剪）試驗成果見表2，抗剪斷（抗剪）正應力-剪應力曲線見圖3、圖4。細砂巖夾泥質砂巖巖組（J1ch2）（上游側基坑、試驗區(qū)域2）抗剪斷（抗剪）試驗成果見表3，抗剪斷（抗剪）正應力-剪應力曲線見圖5、圖6。

綜上所述，原位抗剪試驗成果如下：

（1）泥質砂巖與細砂巖互層巖組（J1ch1）（試驗區(qū)域1）：

①峰值強度：tan φ=1.571，C=0.983MPa;tan φ=0.758，C=0.474MPa;②相關系數：抗剪斷R2=0.905;抗剪R2=0.940。

（2）細砂巖夾泥質砂巖巖組（J1ch2）（試驗區(qū)域2）：

①峰值強度：tan φ=1.539，C=0.730MPa;tan φ=0.696，C=0.507MPa;②相關系數：抗剪斷R2=0.921;抗剪R2=0.926。

1.2.3 河床鉆孔聲波測試

在河床部位ZK16、ZK18鉆孔進行了聲波測試，鉆孔聲波測試曲線圖見圖7、圖8。

2? 參數確定和抗滑穩(wěn)定計算

2.1 壩基巖體物理力學參數地質建議值

根據巖石物理力學性質試驗及原位直剪試驗成果，結合壩址區(qū)巖石聲波測試數據的分析整理，綜合考慮給出壩址區(qū)4#、5#、6#壩段巖體相關的力學參數地質建議值見表4。

2.2 壩基抗滑穩(wěn)定計算

2.2.1 計算公式

（1）根據《混凝土重力壩設計規(guī)范》（NB/T35026-2014），混凝土重力壩穩(wěn)定應滿足下列承載能力極限狀態(tài)設計表達式：

對基本組合，采用下列極限狀態(tài)設計表達式

（1）

或

（2）

對偶然組合，采用下列極限狀態(tài)設計表達式

（3）

或

（4）

式中：—結構重要性系數，對于結構安全級別為Ⅱ級的結構及構件，采用1.05;

—設計狀況系數，對應于持久狀況、短暫狀況、偶然狀況，分別取1.0、0.95、0.85;

S（·）—作用效應函數;

R（·）—結構及構件抗力函數;

—永久作用的分項系數;

—可變作用的分項系數;

GK—永久作用標準值;

—可變作用標準值;

AK—偶然作用代表值;

aK—幾何參數的標準值（可作為定值處理）;

fK—材料性能的標準值;

—材料性能的分項系數;

—結構系數;

η—抗力作用比系數。

（2）承載能力極限狀態(tài)壩體混凝土與基巖接觸面的抗滑穩(wěn)定設計標準。

分別計算基本組合和偶然組合，應滿足：

（5）

作用效應函數：

（6）

抗滑穩(wěn)定抗力函數：

（7）

式中：壩基面上全部切向作用之和，KN;

壩基面抗剪斷摩擦系數;

壩基面抗剪粘聚力，kPa。

2.2.2 作用及其組合

作用在壩體上的荷載有靜水壓力、自重、揚壓力、泥沙壓力、浪壓力、土壓力[3]。壩基揚壓力計算時，在壩基排水孔處進行折減，揚壓力折減系數α取0.25。

其余荷載按《水工建筑物荷載設計規(guī)范》DL5077-1997規(guī)定進行計算[4-5]。

①基本組合一（正常蓄水位情況，下游采用最小發(fā)電流量相應水位）：

自重+正常蓄水位時靜水壓力+揚壓力+泥沙壓力+浪壓力+土壓力

②基本組合二（設計洪水情況）：

自重+設計洪水位時靜水壓力+揚壓力+泥沙壓力+浪壓力+土壓力

③基本組合三（施工期）：

自重

④偶然組合一（校核洪水情況）：

自重+校核洪水位時靜水壓力+揚壓力+泥沙壓力+浪壓力+土壓力

⑤偶然組合二（正常蓄水位情況遇地震，下游采用最小發(fā)電流量相應水位）：

自重+正常蓄水位時靜水壓力+揚壓力+泥沙壓力+浪壓力+土壓力+地震作用

2.2.3 計算結果

（1）溢流壩段（4#）建基面。

經計算，正常蓄水位工況為抗滑穩(wěn)定的控制工況，上游建基高程為3262.00m時，壩基抗滑穩(wěn)定抗力作用比系數η=1.088;上游建基高程為3264.00m時，壩基抗滑穩(wěn)定抗力作用比系數η=1.087。由此可知，上游建基高程抬高至3262.00～3264.00m，壩基抗滑穩(wěn)定均滿足要求[6]。

（2）發(fā)電廠房的壩式進水口壩段（5#）建基面。

經計算，設計洪水位工況為抗滑穩(wěn)定的控制工況，上游建基高程為3262.00m時，壩基抗滑穩(wěn)定抗力作用比系數η=1.46;上游建基高程為3264.00m時，壩基抗滑穩(wěn)定抗力作用比系數η=1.43。由此可知，上游建基高程抬高至3262.00m -3264.00m，壩基抗滑穩(wěn)定均滿足要求。

（3）發(fā)電廠房壩式進水口壩段（6#）建基面。

經計算，設計洪水位工況為抗滑穩(wěn)定的控制工況，壩基抗滑穩(wěn)定抗力作用比系數η=1.32。壩基抗滑穩(wěn)定滿足要求[7-8]。

（4）左、右岸混凝土重力壩段建基面。

根據左岸基座階地巖臺基坑聲波測試成果，結合樞紐建筑物布置，左岸重力壩7#、8#、9#建基高程由3262m抬高至3268m，比可研階段抬高6m;10#建基高程由3262m抬高至3266.5m，比可研階段抬高4.5m。右岸3#門庫壩段最低建基高程3262m，比可研階段抬高5.5m（見圖9）。建基面抬高后壩體下游壩坡未改變，壩基巖體抗剪斷參數未改變，壩基穩(wěn)定應力均能滿足規(guī)范要求，且有一定安全儲備[9-10]。

3? 優(yōu)化效果

溢流壩4#壩段壩基上游部分建基高程抬高8.50～10.50m，壩基下游部分建基高程不變。

發(fā)電廠房的壩式進水口5#壩段壩基上游部分建基高程抬高8.50～10.50m;壩基下游部分建基高程抬高2.5m。

發(fā)電廠房的壩式進水口6#壩段上游建基高程抬高6m，下游建基高程抬高2.5m。

左岸重力壩7#、8#、9#建基高程抬高6m;左岸重力壩10#建基高程抬高4.5m。

壩基優(yōu)化減少混凝土4.04萬m3、石方開挖4.52萬m3（見表5），節(jié)省工程投資2397萬元。

4? 結語

西藏金河瓦托水電站成功進行了壩基優(yōu)化，各個壩段壩基高程均進行了不同程度的抬高，減少了壩基開挖和混凝土澆筑量，經濟效益顯著，縮短了工期，為瓦托水電站提前投產發(fā)電做出了巨大貢獻，也為混凝土重力壩壩基優(yōu)化積累了工程經驗。

參考文獻

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