高砂水電站8號(hào)壩段穩(wěn)定性分析

陳 鍇，劉代彬，蘭有磷，張昌隆

（1．中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江省杭州市 311122；2．福建華電高砂水電有限公司，福建省三明市 365050）

1 工程概況

高砂水電站為閩江主要支流沙溪河段水電水運(yùn)梯級(jí)開(kāi)發(fā)的第六級(jí)，為三等（中）型工程，主要建筑物為3級(jí)建筑物，總庫(kù)容0.4億m3，為日調(diào)節(jié)水庫(kù)，總裝機(jī)容量為5萬(wàn)kW。本水電站為河床徑流式水電站，有效庫(kù)容2500萬(wàn)m3，正常蓄水位103.00m，樞紐以發(fā)電為主，兼有通航等效益。樞紐采用河床式布置，由攔河壩、電站廠房和船閘等主要建筑物組成。攔河壩自左至右依次為左岸擋水壩段、船閘壩段、溢流壩段、發(fā)電廠房壩段、右岸擋水壩段。大壩為混凝土實(shí)體重力壩，壩頂長(zhǎng)316m，壩頂高程108m，最大壩高30.47m；泄洪閘壩段共設(shè)9孔溢流孔，堰頂高程89.00m，孔寬16m。

攔河壩溢流8號(hào)壩段是位于樞紐中部的溢流壩段，建基高程83.55～85.26m，壩頂高程108m，由溢流堰體和閘墩組成，溢流堰型為寬頂堰，堰頂高程89m，閘墩寬3m，位于壩段的中部，基礎(chǔ)坐落在弱風(fēng)化薄層狀含礫砂巖夾泥質(zhì)粉砂巖上。

主體工程于1992年9月正式開(kāi)工，1995年6月下閘蓄水，1999年7月通過(guò)工程竣工安全鑒定，2001年6月通過(guò)竣工驗(yàn)收。樞紐區(qū)平面布置見(jiàn)圖1。

圖1 高砂水電站樞紐平面布置圖Figure 1 Layout of Gaosha Hydropower Station

2 8號(hào)壩段地質(zhì)條件及處理

8號(hào)壩段壩基巖性主要為弱風(fēng)化含礫砂巖夾薄層粉砂巖，f3斷層斜穿8號(hào)壩段，延伸至9號(hào)、10號(hào)壩段護(hù)坦，范圍較大，且與f2斷層匯交并通向庫(kù)區(qū)，后期運(yùn)行過(guò)程中有可能形成滲漏通道，是施工期壩基主要工程地質(zhì)問(wèn)題之一。工程地質(zhì)剖面見(jiàn)圖2。

圖2 溢流壩段工程地質(zhì)剖面圖（上游側(cè)）Figure 2 Engineering geology profile of overflow dam section （upstream side）

f3斷層產(chǎn)狀上盤(pán)面 N5°～ 20°E，NW ∠ 15°～ 20°，下盤(pán)面 N5°～ 20°E，NW ∠ 35°～ 45°，在高程 80～ 82m 處破碎寬達(dá)1.8～3.5m。8號(hào)壩段建基面巖性均以f3斷層為界，上盤(pán)為薄層狀含礫砂巖夾泥質(zhì)粉砂巖，下盤(pán)為厚層狀砂礫巖。巖層產(chǎn)狀N35°～45°E，NW∠6°～11°，f3斷層與輝綠巖脈（γπ-1）相交斜穿于壩段下游端，破碎帶寬2～6m，巖石呈全風(fēng)化。采用槽挖鋪鋼筋及增補(bǔ)固結(jié)灌漿處理，槽深1.5～2.5m，最低高程82.50m，槽底部巖石呈弱～微風(fēng)化，巖質(zhì)尚堅(jiān)硬。壩基原設(shè)計(jì)開(kāi)挖高程為85m，在開(kāi)挖過(guò)程中發(fā)現(xiàn)85m高程的泥質(zhì)粉砂巖層間有一層厚為2～5mm，局部10mm的夾泥層。同時(shí)在83.88m高程泥質(zhì)粉砂巖層間又發(fā)現(xiàn)一層夾泥層厚1～4cm，灰綠色，具黏性，呈斷續(xù)分布。

施工時(shí)對(duì)風(fēng)化夾層進(jìn)行掏挖處理，掏深0.60～0.80m，槽底端風(fēng)化夾層厚度變小僅5～13cm。風(fēng)化夾層結(jié)構(gòu)尚致密，用鋼釬掏挖時(shí)難掘進(jìn)，在槽內(nèi)鋪設(shè)鋼筋并回填混凝土和進(jìn)行接觸灌漿處理。并在溢流頂面布置12根深度14m垂直錨桿，伸入完整的基巖中，同時(shí)布置38個(gè)固結(jié)灌漿孔處理，提高了基礎(chǔ)的整體性。在8號(hào)壩段的上、下游還有縱向混凝土導(dǎo)墻的作用，特別是下游側(cè)導(dǎo)墻，基礎(chǔ)巖石新鮮完整，一定程度上有助于提升壩基的穩(wěn)定性。

8號(hào)壩段的下游側(cè)雖經(jīng)處理后有所改善、其下游的縱向混凝土導(dǎo)墻位于新鮮完整的巖石上，但仍是所有壩段中地質(zhì)條件最復(fù)雜、巖性最差的壩段。根據(jù)相應(yīng)規(guī)范[1]壩基巖體工程地質(zhì)分類(lèi)，8號(hào)壩段的巖體分類(lèi)為Ⅳ1B。從壩基存在的泥化夾層情況分析，電站運(yùn)行20多年，壩基巖可能存在基巖軟化、泥化夾層泡水軟化及滲透破壞的可能性，對(duì)壩基穩(wěn)定不利。

3 8號(hào)壩段運(yùn)行性態(tài)分析

3．1 壩頂變形

在大壩壩頂下游側(cè)布設(shè)一條視準(zhǔn)線，每壩段布置1個(gè)視準(zhǔn)線觀測(cè)墩，并在每個(gè)觀測(cè)墩旁布置1個(gè)水準(zhǔn)點(diǎn)。溢流7～9號(hào)壩段壩頂水平、垂直位移實(shí)測(cè)過(guò)程線見(jiàn)圖3和圖4，由圖可見(jiàn)：

圖3 7～9號(hào)壩段壩頂累積水平位移測(cè)值過(guò)程線Figure 3 The accumulated horizontal displacement process line of of 7 ～ 9 dam crest

圖4 7～9號(hào)壩段壩頂累積沉降測(cè)值過(guò)程線Figure 4 The accumulated settlement displacement process line of of 7 ～ 9 dam crest

（1）7～9號(hào)壩段壩頂水平位移變化與氣溫呈一定正相關(guān)關(guān)系，即隨氣溫升高而向下游位移、隨氣溫降低而向上游位移，這主要是由于泄洪閘結(jié)構(gòu)為順河向閘墻，邊界溫度存在差異的范圍較小，閘墻大部分區(qū)域均與空氣接觸，溫度升高時(shí)閘墻整體發(fā)生膨脹變形，又由于視準(zhǔn)線位于壩頂下游側(cè)，因此閘墻整體膨脹的結(jié)果是使得位于壩頂下游的視準(zhǔn)線測(cè)點(diǎn)向下游位移，總體符合混凝土壩的一般變形規(guī)律。

總體上，7～9號(hào)壩段壩頂水平位移變化均無(wú)明顯的趨勢(shì)性，向下游最大位移量在4.49～5.68mm之間，向上游最大位移量在5.37～7.07mm之間，最大年變幅在8.75～9.87mm之間，多年平均變幅在6.76～7.44mm之間，總體較穩(wěn)定。雖然各測(cè)點(diǎn)測(cè)值受觀測(cè)誤差干擾較大，但從各測(cè)值過(guò)程線的變化趨勢(shì)及變幅等仍可判斷大壩各壩段水平位移穩(wěn)定、無(wú)異常。

（2）7～9號(hào)壩段壩頂垂直位移呈現(xiàn)較好的年周期變化規(guī)律，與氣溫呈較明顯的相關(guān)性，表現(xiàn)為壩頂隨氣溫升高時(shí)而上抬、隨氣溫降低時(shí)而下沉，符合混凝土壩熱脹冷縮的基本特性和壩頂垂直位移的變形規(guī)律。各壩段下沉最大值發(fā)生在氣溫較低時(shí)、在2.6～3.8mm之間，上抬最大值均發(fā)生在氣溫較高時(shí)（8月）、在2～2.9mm之間，滯后環(huán)境氣溫極值出現(xiàn)時(shí)間約1～2個(gè)月。最大年變幅在5.2～5.7mm之間，多年平均變幅在4.23～4.48mm之間，總體穩(wěn)定、且各壩段變形協(xié)調(diào)，無(wú)明顯趨勢(shì)性，由此可判斷各壩段壩頂垂直位移變化無(wú)異常。

3．2 壩基揚(yáng)壓力

在溢流8號(hào)壩段（帷幕后）布置1個(gè)測(cè)壓管，鉆孔深入建基面以下，以監(jiān)測(cè)相應(yīng)壩段的壩基揚(yáng)壓力。

大壩防滲采用常規(guī)帷幕灌漿處理，在上游側(cè)壩基設(shè)置一排單排帷幕灌漿孔，孔深7～15m，帷幕兩岸側(cè)與大壩左右岸相接，該帷幕的作用是減少來(lái)自上游水庫(kù)的滲透壓力，大壩下游側(cè)無(wú)帷幕。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，壩基滲壓系數(shù)取0.5。壩基揚(yáng)壓力是壩體和基巖結(jié)合面的浮托力和滲透壓力之和，影響壩基揚(yáng)壓力大小的主要因素有上游和下游水位、帷幕防滲效果及壩前淤積情況等。壩基滲壓系數(shù)計(jì)算公式[2]如下：

（1）當(dāng)HX≥HC時(shí)：

（2）當(dāng)HX＜HC時(shí)：

式中：HP——測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)揚(yáng)壓水位，m；

HS——上游水位，m；

HX——下游水位，m；

HC——測(cè)點(diǎn)處基巖高程，m。

上下游水位、降水量、氣溫以及溢流8號(hào)壩段壩基揚(yáng)壓水位測(cè)值過(guò)程線見(jiàn)圖5和圖6，溢流8號(hào)壩段壩基滲壓系數(shù)計(jì)算值過(guò)程線見(jiàn)圖7。由圖可見(jiàn)：

圖5 壩址降水量、氣溫測(cè)值過(guò)程線Figure 5 Precipitation and temperature measurement process line of dam site

圖6 8號(hào)壩段壩基揚(yáng)壓水位及水位測(cè)值過(guò)程線Figure 6 Dam foundation elevation pressure water level and water level measurement process line

圖7 8號(hào)壩段壩基滲壓系數(shù)計(jì)算值過(guò)程線Figure 7 The calculation value process line of seepage pressure coefficient of 8 dam foundation

（1）8號(hào)壩段壩基揚(yáng)壓力有一定年周期變化規(guī)律，與基礎(chǔ)水溫呈現(xiàn)一定相關(guān)性，初步分析判斷是由于外界溫度變化影響壩基基巖裂隙開(kāi)合度大小，氣溫升高巖體及混凝土膨脹，壩基裂隙壓緊，滲透減小，壩基防滲性能提高，該壩段壩基揚(yáng)壓水位相應(yīng)降低，反之則導(dǎo)致該壩段壩基揚(yáng)壓水位升高，且揚(yáng)壓水位變化明顯滯后于外界氣溫變化。

（2）多年實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，8號(hào)壩段壩基揚(yáng)壓水位在91.6～95.79m之間，多年平均值為93.83m，明顯小于上游庫(kù)水位（基本維持在103.00m），變化無(wú)趨勢(shì)性且變幅一直較穩(wěn)定（最大為3.48m），表明該壩段壩基帷幕后揚(yáng)壓水位處于穩(wěn)定狀態(tài)，壩基帷幕的防滲效果無(wú)明顯下降跡象。

（3）8號(hào)壩段壩基滲壓系數(shù)在運(yùn)行期間一直小于0.4，在設(shè)計(jì)控制指標(biāo)（0.5）范圍內(nèi)，說(shuō)明溢流壩段基礎(chǔ)的帷幕防滲效果較好、防滲系統(tǒng)運(yùn)行正常，且近些年防滲效果沒(méi)有削弱現(xiàn)象。

3．3 統(tǒng)計(jì)模型分析

為進(jìn)一步確定各種因素對(duì)壩頂水平位移、壩基揚(yáng)壓力的影響程度，現(xiàn)采用統(tǒng)計(jì)回歸模型法來(lái)分析壩頂水平位移/壩基揚(yáng)壓力與水壓、降水、溫度和時(shí)效之間的關(guān)系。經(jīng)計(jì)算，各分量的分解及統(tǒng)計(jì)成果見(jiàn)表1和表2，由表可見(jiàn)：

表1 7～9號(hào)壩段壩頂垂直位移回歸方程分量解析成果統(tǒng)計(jì)一覽表Table 1 Table of statistical results of component analysis of regression equation for vertical displacement of 7 ～ 9 dam crest

表2 8號(hào)壩段壩基揚(yáng)壓力回歸方程分量解析成果統(tǒng)計(jì)一覽表Table 2 Table of statistical results of component analysis of uplift pressure regression equation of 7 ～ 9 dam foundation

（1）對(duì)7～9號(hào)壩段壩頂垂直位移的影響分析：

溫度分量：測(cè)點(diǎn)的回歸方程有溫度因子入選，并且多為近期和前期溫度因子的組合，說(shuō)明溫度變化對(duì)壩頂垂直位移具有普遍性影響，且垂直位移年周期性變化相位滯后于氣溫約在60天以?xún)?nèi)，這與定性分析結(jié)論相吻合。分量變幅為4.79mm，占100%，說(shuō)明溫度是影響壩頂垂直位移最主要的因素。

從溫度分量的變化規(guī)律來(lái)看，壩頂垂直位移與溫度因子呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，即位移隨氣溫升高而上抬、隨氣溫降低而下沉，符合混凝土壩的變形規(guī)律。

水壓、時(shí)效分量占比很小，表明時(shí)效對(duì)該壩段壩頂垂直位移的影響已基本穩(wěn)定，并且上游水位變化較小、對(duì)大壩水平位移基本無(wú)影響。

（2）對(duì)8號(hào)壩段壩基揚(yáng)壓力的影響分析：

水壓分量：占比52.38%，表明上、下游水位是影響該壩段壩基揚(yáng)壓力最主要的因素。該壩段壩基揚(yáng)壓力受上游水位影響較小，這主要是下游水位變幅較上游水位要大，且大壩下游側(cè)無(wú)防滲帷幕。整體呈現(xiàn)“水位升高，揚(yáng)壓力增大；水位降低，揚(yáng)壓力減小”的規(guī)律。

溫度分量：占比47.62%，表明溫度對(duì)該壩段壩基揚(yáng)壓力的影響較大且明顯，僅次于上下游水位。

降水、時(shí)效分量占比很小，表明時(shí)效對(duì)該壩段壩基揚(yáng)壓力的影響已穩(wěn)定，降水對(duì)其基本無(wú)影響。

3．4 穩(wěn)定復(fù)核計(jì)算

前期地勘資料顯示，斜穿8號(hào)壩段建基面的斷層為f3斷層，該斷層在護(hù)坦部位，與夾層出露位置不相交，不會(huì)形成組合滑動(dòng)面。8號(hào)壩段結(jié)構(gòu)及基礎(chǔ)剖面圖見(jiàn)圖8。

圖8 8號(hào)壩段結(jié)構(gòu)及基礎(chǔ)剖面圖Figure 8 Structure and foundation profile of No.8 dam section r

前期復(fù)核計(jì)算成果[4]顯示，8號(hào)壩段基礎(chǔ)高程84m，壩頂寬27m，基礎(chǔ)底寬31.5m，帷幕距壩踵2.35m。技施階段壩體穩(wěn)定計(jì)算采用的參數(shù)為f′=0.9，c′=0.9MPa。建基面抗剪斷摩擦系數(shù)和抗剪斷凝聚力分別采用地質(zhì)建議值的小值f′RK=0.6和c′RK=0.5MPa。對(duì)8號(hào)壩段根據(jù)不同運(yùn)行工況分別進(jìn)行建基面抗滑穩(wěn)定計(jì)算，取整個(gè)壩段寬計(jì)算，滲壓系數(shù)取0.25。按照《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 319），建基面抗滑穩(wěn)定及應(yīng)力計(jì)算成果見(jiàn)表3。

表3 8號(hào)壩段沿壩基抗滑穩(wěn)定計(jì)算成果Table 3 Calculation results of anti-sliding stability along foundation plane of No．8 dam section

按照《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 319）[3]要求，本工程攔河壩為3級(jí)建筑物，其壩基抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)基本組合K≥1.25，特殊組合計(jì)算的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)K≥1.1。由以上計(jì)算分析成果可見(jiàn)，在各運(yùn)行工況下，溢流8號(hào)壩段沿建基面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。

另外，考慮到溢流8號(hào)壩段的上下游均設(shè)有縱向圍堰導(dǎo)墻，其實(shí)際的安全系數(shù)應(yīng)高于計(jì)算成果。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）近些年監(jiān)測(cè)成果顯示，壩體水平、垂直位移及壩基揚(yáng)壓力變化穩(wěn)定，壩基滲壓系數(shù)在合理范圍內(nèi)，均無(wú)異常，該壩段沿建基面的抗滑穩(wěn)定均滿足規(guī)范要求，可判斷該壩段壩體穩(wěn)定性無(wú)異常。

（2）在運(yùn)行管理過(guò)程中應(yīng)繼續(xù)關(guān)注該壩段的監(jiān)測(cè)成果變化情況，并加強(qiáng)相應(yīng)的巡視檢查。