龙江水电站拱坝组合基础综合变形模量分析

刘 洋，夏 辉，金 辉，吕君卓，张建辉

（中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林 长春 130021）

1 工程概况

龙江水电站枢纽工程位于云南省德宏州潞西县境内的龙江干流上。工程是以发电、防洪为主，兼顾灌溉的综合性枢纽工程。水库正常蓄水位872.00 m，总库容为12.17×108m3，总装机240 MW，年发电量10.28×108kW·h。工程规模为大（1）型，大坝及泄洪建筑物为1级建筑物，最大坝高110.00 m。混凝土拱坝及其泄水建筑物校核洪水标准采用2000年一遇（P=0.05%），设计洪水标准采用500年一遇（P=0.2%）。

2 工程地质条件分析

枢纽区河谷呈基本对称的“V”型。枢纽区出露的地层，主要为寒武系的片麻岩和第四系松散堆积层。由于受气候和地质构造、环境及岩石微观结构影响，枢纽区片麻岩风化剧烈，且各部位风化深度差异较大，坝址区岩体完整性综合评价，岩体质量均较差，基本上属于较破碎～完整性差范畴。

工程开工后，随着左岸坝基开挖的进行，发现坝基岩体中有球状风化、囊状风化、条带状风化等不均匀风化现象。为此，先后两次对坝基进行了大量的补充勘察工作，查明了两岸坝肩的工程地质问题。根据坝基开挖实际揭露的地质情况，左、右岸821.0 m高程以上拱座基础及下游侧岩体的变形模量较小，与原可研设计的5 GPa相比，有一定程度降低。同时左岸拱端及下游侧分布有F30、及R01、R02等多条断层、软岩带，右岸拱端及下游侧分布有F8、F37等断层，这些地质缺陷对相应部位坝基的综合变形模量也有一定的影响。

针对以上地质缺陷，对821 m高程以上拱座基础采取了深挖并回填混凝土，使其形成组合基础，并进行了加强固结灌浆等相应工程处理措施，这些工程措施对坝基的综合变形模量也有较大影响。

3 计算方法及基本假定

采用有限元计算程序Ansys10.0，按平面应变理论，分别选取受地质构造影响较大、基岩变模较低的849.00，835.00，821.00 m高程坝肩及两岸重力墩部位，分析坝基的综合变形模量。通过分别考虑基础回填混凝土（重力墩）、岩体、断层、软岩等各自的变形模量，计算坝基综合变形模量。综合变形模量计算根据变位相等理论，即在基础某一特定区域内，考虑各种岩体结构（含软弱结构面和条带）及基础处理措施对坝基变形的影响，将该特定区域内的非均质基础，根据变形等效的原则转换成均质基础的变形模量。计算方法为：计算实际揭露情况下的坝基变位，然后利用变位相等理论，计算出坝基的综合变模。

由于各结构（包括回填混凝土、岩体、地质构造）在拱端及梁向的分布存在不同，拱端拱向及梁向的内力亦不相同，采用平面理论计算的两向综合变形模量存在差异，因此，对各高程分别计算了拱向及梁向综合变形模量，然后根据拱端梁、拱向内力大小，按比例分配计算坝基综合变形模量。

计算考虑了拱端影响范围内的构造及各建筑物的开挖影响，根据地质平切图、剖面图，计算范围取为3～5倍拱端宽度，岩体边界为全约束。

考虑龙江拱坝最大坝高仅110 m，821 m高程以上最大坝高仅54 m，且拱端力系水平较低，单高径向力仅2000 t左右，计算考虑X，Y，Z三向协调，可以满足计算精度要求，未计入其相应三向转角协调，计算公式见式（1）。

式中：k＝HA/G；HA——拱端切向力；G——拱端铅直力——拱梁综合变模；E拱——拱向综合变模；E梁——梁向综合变模。

4 荷载组合

由于静力情况下各工况荷载相差不大，同时经验证荷载对综合变形模量计算的影响并不十分敏感，计算荷载均按正常温降组合计算。由于地震情况下材料的动态变形模量较难确定，不作计算。荷载组合如下：

1）坝肩拱向：拱端剪力+拱端推力+回填混凝土基础承担的上游水压力。

2）坝肩梁向：梁基剪力+梁向铅直力+回填混凝土基础承担的上游水压力。

3）重力墩轴向：拱端推力。

4）重力墩上下游方向：拱端剪力+上游水压力。

5 计算参数

通过补充勘察增加的地质探硐和大量的钻孔，进行跨孔地震波测试、孔内岩体变形模量测试、现场点荷载试验测定、岩石的薄片鉴定和矿物成分分析、孔内电视观测等多手段相互验证，从而确定了比较接近现场实际的地质参数。拱坝基础及下游侧岩体变形模量见表1～3。基础回填混凝土C25变形模量取22GPa，泊松比0.167。

表1 坝基岩体物理力学参数建议值表

表2 坝基下游侧岩体力学参数建议值表

表3 断层、软岩带岩体力学指标建议值表

6 计算结果及分析

由计算结果可知，拱向和梁向坝基岩体综合变模不同，按拱梁内力作用所占比例计算综合变模。由于断层、软岩等地质缺陷在梁向和拱向分布（规模、位置、产状）不同、岩面的变化也不尽相同，加之受回填混凝土范围（宽度、深度、形状）不同的影响，使得梁向和拱向的综合变模有所差异，右岸梁向和拱向综合变模比左岸的差异大一些。左岸二次深挖处理较深，相应回填混凝土范围较大，849 m高程基础及下游侧岩体变模均较小，综合变模较原设计值有所降低；右岸二次深挖相对较浅，但受F8，F37等断层影响，849 m高程综合变模较原设计值有所降低；左右岸重力墩基础及下游侧岩体变模均下降较多，综合变模较原设计值降低较多。

7 结语

尽管地质条件复杂，岩体风化形式多样，通过补充大量的地质勘察工作，基本查清了地质条件。根据两岸坝肩补充的地质勘察工作和揭露的地质条件，对两岸821 m高程以上拱坝基础采用混凝土深槽置换处理，与基础及下游岩体一起形成组合地基，处理后基础综合变形模量基本满足建基要求。同时，通过大量的计算分析和专题研究，坝体应力、组合基础应力、坝肩变形稳定、抗滑稳定均满足要求，说明两岸坝肩经处理后是安全的，该处理方案是合适的。