天花板水电站拱坝建基面选择及优化调整研究

王毅鸣，苏 岩，邓毅国

（中国水电顾问集团北京勘测设计研究院，北京 100024）

1 工程概况

天花板水电站位于云南省昭通市境内牛栏江上，电站总装机容量180 MW （2×90 MW混流式水轮发电机组），最大坝高107.0 m。水库正常蓄水位1 071.00 m，总库容0.787亿m3，调节库容0.362亿m3，电站为不完全季调节电站。工程为三等中型工程，主要建筑物按3级建筑物设计，拦河坝和泄水建筑物设计洪水标准为50年一遇，相应洪峰流量为3 530 m3/s，校核洪水标准为500年一遇，相应洪峰流量为5 650 m3/s。

枢纽建筑物由碾压混凝土拱坝、右岸岸塔式进水口、2.5 km长引水隧洞、阻抗式调压井、埋藏式压力管道、地面厂房等组成。挡水建筑物采用碾压混凝土双曲拱坝，水平拱圈拱形采用抛物线型，坝顶高程1 076.80 m，原设计最大坝高113.0 m，坝顶弧长159.87 m，拱冠坝顶宽度6 m，最大坝高处拱冠梁底厚24.247 m，拱端最大厚度24.438 m，厚高比0.215。坝体设两条诱导缝，第一条在1号表孔左侧，第二条在排沙孔右侧。诱导缝采用径向布置，将坝体分成3段，从左至右各坝段间距 (沿上游面弧长)分别为44.86、66.20、48.81 m。采用坝身泄洪方式，表、中孔相间布置。设置3个溢流表孔，孔口尺寸为 10 m×8.5 m，堰顶高程 1 062.5 m； 2个泄洪中孔，孔口尺寸5 m×6.5 m，进口底板高程1 020 m。表孔采用挑、跌流结合的消能方式，中孔采用窄缝式，下游设置短护坦。此外，为保证电站进水口 “门前清”，在坝身还设置了冲沙孔及延伸至进水口前的冲沙廊道，排沙孔进口底板高程1 025.00 m，孔口尺寸2 m×4 m。

大坝上游面防渗主要采用二级配富胶凝材料碾压混凝土，坝体其他部位采用三级配碾压混凝土。首部枢纽的大坝及下游消能系统混凝土总量约36万m3，其中碾压混凝土约18.2万m3，常态混凝土约17.8 万 m3。

2 坝址区地形地质条件

坝址区为典型的峡谷河段，两岸地形陡峻，见有高度近百米及数百米的陡壁，山顶高程在1 650 m以上，岸坡平均坡度大于65°，河谷整体断面呈“V”形。河床高程为989～991 m，河床宽30～40 m，河谷底宽约60 m，坝顶高程处河谷宽110 m。两岸未见明显的河流阶地。坝址区基岩为富藻粉晶白云岩，岩层产状平缓，倾向上游，为一倾向SE的单斜构造， 左岸岩层产状 NE55°～60°SE∠16°， 右岸岩层产状 NE25°～30°SE∠11°～15°， 岩相较稳定， 顺江无区域性断裂。河流流向为NW300°，与岩层走向近正交，属横向谷。

坝址区对拱坝坝肩稳定有影响的断层主要有f11、f15、 f26、 f5。 f11断层走向 331°， 倾向 SW， 宽 10～30 cm，断面较平直，局部呈微弧状，岸边断层带宽约50 cm，带内见有压碎岩、少量断层泥，有明显的擦痕。 f15断层走向 330°～350°， 倾向 SW， 倾角 77°～82°，断层宽30～50 cm，宽度变化大，断面起伏不平，主要由压碎岩、角砾岩组成，断层面擦痕极为清晰，具有多期走滑性质，并见有数条羽状断裂。f26断层走向285°，倾向SW，倾角44°，断层宽20～50 cm，断层带内主要为断层角砾岩、压碎岩，见有断层泥，局部糜棱岩化严重，受溶蚀影响再胶结成蜂窝状。f5断层走向 330°～340°， 倾向 NE， 倾角86°，断层宽10～20 cm，断层裂面起伏稍粗糙，附泥膜及钙膜，近水平向擦痕，右行特征，填充断层角砾岩，局部无填充。

天花板水电站坝址两岸未发现相对隔水层，且两岸地下水位埋藏较深，存在坝基下承压水影响问题，坝基防渗设计十分复杂，需对坝基及两岸山体进行渗控处理。处理方案为垂直防渗，即采用悬挂式帷幕，坝基帷幕不揭穿承压水层，深度不超过承压水层顶板岩层，两岸长度分别按考虑拦截下游清水河方向的渗漏通道、截断f15等断层的要求设置。

3 施工图阶段拱坝坝基建基面设计优化

3.1 可研阶段拱坝建基面高程选择

天花板坝址处河床高程为989～991 m，覆盖层厚10～20 m，坝基岩石出露的顶面高程为974～989 m，坝基岩层为富藻粉晶白云岩。坝基底部建基面选择位于弱风化岩体上部的富藻粉晶白云岩层中，要求坝体建基面岩体最小纵波波速＞4 000 m/s，饱和抗压强度＞50 MPa，由此选择坝基建基面最低点高程为963.80 m。对于岩体声波波速小于2 500 m/s的部位，按照断层破碎带处理原则，进行局部加深开挖、置换混凝土和高压固结灌浆处理。

3.2 建基面选择主要遵循的原则

天花板拱坝为百米级高拱坝，根据工程区地形地质条件和设计规范的一般要求，以及类似工程经验，施工图阶段建基面选择主要遵循以下原则：

（1）两岸坝肩卸荷岩体全部挖除，坝基原则上可置于弱风化岩体的中部偏上，在大坝上部可以进一步放宽要求，接近强风化下线、在弱风化的上部附近。

（2）对通过坝基的f15、f11等断层，对断层破碎带进行局部开挖，开挖深度结合揭示的断层宽度确定，并进行混凝土置换和高压固结灌浆处理，断层不作为拱坝建基面开挖的主要控制条件。

（3）要求坝体基础建基面岩体经开挖或固结灌浆处理后最小纵波波速平均值＞4 000 m/s，饱和抗压强度＞50 MPa。

在坝肩、坝基开挖过程中，随着工程地质条件的逐步揭露，为进一步节省工程投资和加快施工进度，对拱坝建基面能否抬高开展了大量的试验测试和研究计算工作。主要有河床基岩物探声波测试、建基面基岩质量分类、建基面抬高拱坝应力敏感性分析等一系列工作。

3.3 建基面物探声波测试成果

（1）左、右坝肩建基面物探声波测试。为了了解左、右坝肩建基面的基岩质量，随着左、右坝肩开挖进度，进行了物探声波测试。左坝肩1 063～978 m高程布置了11排共65个声波孔，右坝肩1 038～978 m高程布置了7排共76个声波孔。声波测试成果为：左坝肩1 021～1 023 m高程的声波波速为3 500～3 800 m/s， 其余层为 4 600～5 000 m/s；右坝肩受f15断层影响，声波波速值差别较大，断层带声波波速为2 000～3 000 m/s，断层影响带为 3 000～3 500 m/s， 其他部位为 3 900～4 500 m/s。

（2）拱坝水平建基面物探声波测试。坝基开挖至980 m高程左右时，为了确定基岩面的具体位置及更好地评价河床坝基岩体质量，设计单位在河床坝基均匀布置了4组物探声波测试孔，每组3个孔，孔深10 m，孔间距1 m。从声波测试成果来看，A组973～980 m高程声波速度约为 2 000 m/s，973～970 m高程约为4 500 m/s；B组974～980 m高程声波速度约为2 200 m/s，974～970 m高程约为3 000 m/s；C组仅测到7 m深， 973～980 m高程声波速度约为2 000 m/s；D组974～980 m高程声波速度约为2 000 m/s， 974～970 m 高程约为 4 500 m/s。

从以上物探声波测试成果分析可知，两侧的A组孔和D组孔位置970 m高程以下基岩能满足坝基建基面的要求，河床中间的B组和C组孔尚未抵达满足设计要求的基岩。

坝基开挖至973 m高程左右时，设计单位再一次布置了15组物探声波测试孔，每组3个孔，孔深10 m，孔间距 1 m。此次物探成果显示，河床坝基965～970 m高程声波波速约为3 000 m/s，960～965 m高程为4 000～5 000 m/s。随后设计单位对开挖修整完成后的大坝建基面又进行了物探检测，在上次15组范围外再布置6组物探声波孔。物探成果显示，河床坝基968～970 m高程声波波速约为2 200 m/s， 968～960 m 高程为 4 500～5 500 m/s。

3.4 建基面基岩质量分类及坝基建基面的确定

根据已有的坝基开挖揭露的情况，地质工程师编制了技施阶段设计建基面的基岩质量分类分布图，左坝肩拱肩槽岩体除了1 021 m高程左右受L13裂隙影响局部发育Ⅲ1类岩体外，其余基本都是Ⅱ类岩体；而右坝肩岩体工程地质条件相对差一些，受f15断层的影响，f15断层及影响带为Ⅳ～Ⅲ2类岩体，其他都为Ⅲ1类岩体；河床建基面f11断层和f15断层影响带为Ⅲ2类岩体，靠左侧有少量的Ⅱ类岩体外，其余大部分为Ⅲ1类岩体。Ⅱ、Ⅲ1、Ⅲ2类岩体的变形模量分别为10～12、8～10、5～8 GPa。天花板水电站拱坝左、右岸坝基岩体质量情况见表1。拱坝基础面970 m高程基岩质量情况为：Ⅲ1类基岩1 872.3 m2，占坝基总面积的94%；Ⅲ2类基岩12.8 m2，占总面积的1%；Ⅳ类基岩102.4 m2，占总面积的5%。

总体分析，天花板水电站拱坝坝基不同高程各类岩体质量统计情况与设计单位前期地质勘察分析成果相差不大。从施工阶段969.8 m高程附近坝基面出露的地质条件来看，河床坝基岩体质量较好，接近969.8 m高程1～3 m范围的一些声波测试孔波速较先前测试的波速有所降低，分析认为是施工爆破和开挖卸荷所致，即使进一步开挖，这种现象依然存在。综合分析认为，969.8 m高程坝基岩体质量较好，满足建设百米级拱坝的条件，一些小范围的薄弱地质岩体，经过坝基固结灌浆等工程处理后也满足要求，可以作为拱坝坝基的建基面。

4 拱坝坝体应力复核设计计算

4.1 主要计算参数

在进行天花板水电站拱坝坝体抬高应力复核分析时，拱坝两岸坝肩基础开挖施工已完成，若过多地调整拱坝体形，会对坝肩开挖带来影响，因此要求拱坝上部体形最好没有变化。故拱坝坝体应力复核是在拱坝体形不调整的前提下进行的。

施工图设计阶段，根据地质工程师提出的坝基岩体变形模量，结合坝基基础灌浆对提高变形模量的影响的工程经验和试验，对坝基岩体的变形模量进行了分析，提出了坝基基础Ⅱ、Ⅲ1、Ⅲ2类岩体的变形模量分别为10.5～12.5、9～11、6～9 GPa。坝体应力、应变复核时，按照左右岸坝肩不同类别岩体所占面积的比例，采用平均的变形模量 （见表2）计算。

计算采用的混凝土材料主要参数为：容重24.0 kN/m3，弹性模量22.0 GPa，泊松比0.167，线胀系数 0.935×10-5/℃， 导温系数 3.0 m2/月。

4.2 拱坝应力、应变复核成果

天花板拱坝体形采用河床建基面高程抬高到969.8 m高程后的拱坝上部体形，封拱温度采用设计封拱温度，计算坝体径向位移最大值为2.301 cm，发生在正常+温降工况1 021 m高程处。各计算设计工况复核坝体最大主应力见表3。

表1 天花板水电站拱坝左、右岸坝基岩体质量情况统计

表2 天花板拱坝坝基各高程岩体变形模量

表3 抛物线拱坝不同工况的上下游面最大主应力

从表3中可以看出，在荷载基本组合情况下，最大拉应力为1.19 MPa，未超过1.2 MPa，发生在正常+温降工况的下游面；最大压应力为4.99 MPa，未超过5.0 MPa，发生在正常＋温升工况的下游面。在荷载特殊组合下，当不考虑地震时，最大拉应力为1.24 MPa，未超过1.5 MPa，发生在坝体上游面；最大压应力为4.86 MPa，未超过5.88 MPa，发生在坝体下游面。在荷载特殊组合下，当考虑地震时，最大拉应力为2.63 MPa，未超过2.91 MPa，发生在地震+正常+温升工况的上游面；最大压应力为6.21 MPa，未超过15.69 MPa，发生在地震+正常+温升工况的下游面。

综上所述，7种工况的最大主应力都小于允许应力，应力数值均满足设计规范要求。

根据国内外拱坝工程建设的实践分析，天花板拱坝体形满足工程安全要求，对一些影响坝体应力的外界因素有较好的适应性。综合地质分析和坝体应力、应变及坝肩稳定分析计算成果，确定坝基建基面高程由原设计的963.8 m调整到969.8 m，坝基建基面抬高了6.0 m。

5 结语

（1）通过对坝基建面高程的调整，天花板拱坝减少坝基开挖量约7 000 m3，节省混凝土量约5 000 m3，提前工期约3个月，取得了较好的经济效益。

（2）水利水电工程坝基开挖后，揭露的基础地质情况与前期勘探分析的地质情况会有所不同，故在坝肩、坝基开挖过程中，特别是将要开挖至大坝建基面附近时，要密切注意基岩质量情况，水工设计人员与地质工程师应密切配合，随时追踪，及时调整设计参数，及时向有关各方反馈意见，以确定合理的建基面高程。

（3）目前，拱坝体形设计主要依靠各类拱坝计算程序开展，计算采用的方法主要有拱梁分载法、线弹性有限元法、非线性有限元法、有限元仿真分析计算等，有的重要工程还采用地质力学模型等加以验证。随着计算机技术的发展应用，计算方法由简单的结构力学近似计算方法，发展为越来越接近施工实际的计算理论和方法。而坝体体形的计算和确定，由于受计算程序和计算者个人认识和水平等的影响，尤其是受计算资料如水文气象资料、地质情况、筑坝材料、温控措施的影响，与实际必然存在差异，因此在设计时应当重视拱坝坝体体形的适应性，即不敏感性，使设计的拱坝体形对外界条件变化的适应性强，且坝体应力变化小。天花板拱坝采用抛物线双曲拱坝，在可研阶段确定的拱坝体形参数适应性强，为施工图阶段坝基抬高、调整拱坝体形创造了有利条件。