公伯峡水电站进水口坝段基础水平位移监测值异常原因分析

石广斌,贾 巍,张曼曼

(1.西安建筑科技大学,西安 710054;2.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司,西安 710065;3.西安理工大学,西安 710048)

文章编号：1006—2610(2015)01—0034—04

公伯峡水电站进水口坝段基础水平位移监测值异常原因分析

石广斌1,2,3,贾 巍2,张曼曼2

(1.西安建筑科技大学,西安 710054;2.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司,西安 710065;3.西安理工大学,西安 710048)

公伯峡水电站进水口为挡水建筑物，水库蓄水运行后，发现5号进水口倒垂观测值有异常现象；为了深入分析5号进水口倒垂观测点向下游变位较大的原因，本次从分析进水口坝段基础地质条件着手，并借助数值方法，分析是否存在深层抗滑的可能性和向下游水平变位较大的原因。

公伯峡水电站；进水口；挡水建筑物；水平变形；异常

0 前 言

黄河公伯峡水电站工程位于青海省循化撒拉族自治县和化隆回族自治县交界处，距循化县城25 km，距西宁市153 km。距上游李家峡水电站76 km，该电站是黄河干流上游龙羊峡至青铜峡河段中第4座大型梯级电站。本工程枢纽主要由大坝、引水发电系统和泄水建筑物三大部分组成。枢纽布置格局为：河床钢筋混凝土面板堆石坝(坝高132.20 m)，右岸引水发电系统(由引渠、5个混凝土坝式进水口、5条压力钢管)，左右岸泄洪洞，左岸溢洪道，左右岸灌溉取水口及右岸混凝土面板防渗系统。

2004年8月8日工程下闸蓄水，库水位基本维持在2 003.00 m左右，水库蓄水1年多后，发现5号进水口倒垂观测有异常现象，该观测仪器位于5号进水口灌浆廊道(桩号引左0+094 m、高程1 961.00 m)，经分析观测资料，至2012年5月24日量测到向下游的水平位移分量最大变位7.6 mm。其它倒垂测点向下游变位在2.5～3.5 mm之间，并呈周期性变化。

根据竣工安全鉴定的要求，2007年6月，中国水电顾问集团西北堪测设计研究院根据施工阶段地质揭露的实际断层出露情况，对5号进水口和临近的3、4号进水口坝段基础深层抗滑稳定进行复核，采用安全系数法，计算的抗剪安全系数和抗剪断安全系数均满足规范要求，采用承载能力极限状态法的计算结果也满足规范要求。因此，为了更深入分析5号进水口倒垂观测点向下游变位较大的原因，本次从分析进水口坝段基础地质条件着手，并借助数值方法，分析是否存在深层滑移的可能性和向下游水平变位较大的原因。

1 工程地质概况

发电进水口坝段位于右岸Ⅲ级阶地中下游段，原地面高程2 030.00～2 045.00 m，上覆阶地堆积物具二元结构，其中上部砂壤土层厚25～30 m，下部砂卵砾石层厚20～30 m，覆盖层总厚45～55 m。

下伏基岩主要为花岗岩，局部夹有少量片麻岩捕虏体；岩体中断裂构造较发育。基岩顶部大多呈古全、强风化，古全风化层铅直厚5～20 m，古强风化层厚10～28 m，坝基范围内古强风化下限高程在1 955.00～1 965.00 m之间。

开挖后揭露出的控制3、4和5号进水口坝段的断层型结构面主要是f13、f14、f15和f19，且以缓倾角断层f13、f14为主。尽管各断层的宽度不大，断层带以硬性粗碎屑为主，但其中夹有糜棱质和泥质。5号进水口坝段基础断层型结构面分布如图1。

图1 基础断层型结构面分布图

1号进水口上游齿墙基础高程为1 952.00 m，基础面高程为1 955.00 m，2号进水口上游齿墙基础高程为1 955.00 m，基础面高程为1 958.00 m，3～5号进水口上游齿墙基础高程为1 958.00 m，基础面高程为1 961.00 m。地基允许承载力3.0 MPa。

2 数值分析模型

2.1 数值分析模型的建立依据

由开挖揭露基础断层型结构面分布分析，f14的产状为NE6°SE∠24°，进水塔的走向为NW71°，其下游斜坡的产状为NW90°E∠24°，f14可从在进水塔下游开挖的斜坡上出露；f15的产状为SNE∠48°，在进水塔下游开挖的斜坡上不可能出露。因此，基础由可能从f14发生深层滑动。

从整个基础面开挖揭露断层、节理分布情况来看，基础面上没有贯穿上下游的不连续岩体结构面，但在考虑岩体裂隙有一定的连通率后，可以假定f14断层在4号与5号进水塔之间被一个垂直的结构面切开，这样的假定具有一定的偏安全性。

根据以上分析，建立的5号进水塔整体稳定分析数值单元离散模型如图2，图3是f14在基础上斜切展示图。塔体、地基均用块体单元模拟，地基接触面和f14断层用接触单元模拟。计算模型取下游、

图2 模型单元离散图

图3 f14斜切图

左右及深度方向约为2倍塔高范围的无质量地基，以反映地基弹性影响。模型中的x轴指向下游，y轴指向竖直向上，z轴指向右岸。

2.2 进水塔基础和结构面物理力学指标

根据塔基开挖揭露的地质条件，岩体类别为Ⅱ2类，综合变形模量取4.0 GPa，软化系数取0.75。f14断层的宽度不大，断层带以硬性粗碎屑为主，但其中局部夹有糜棱岩和泥质，坝基开挖后表面岩体卸荷回弹松弛，结构面强度参数较天然状态会有变化。但考虑到施工期基础固结灌浆的补强和电站运行多年来坝体自重的压密等因素，经综合考虑，f14断层结构面抗剪断综合强度参数为：f=0.40，c=0 MPa；f′=0.50，c′=0.025 MPa；坝基面混凝土/岩体f=0.65，f′=0.70，c′=0.3 MPa。

3 数值分析结果

3.1 塔基、塔体变形

数值计算分析工况为完建工况、正常运行工况和检修工况，3种工况下塔基面顺水流方向最大变形分别为1.40、8.02、8.16 mm；竖向最大沉降变形分别为10.66、17.27、16.13 mm。正常运行工况塔基顺水流方向变形分布如图4。3种工况竖向最大变形均位于下游，正常运行工况和检修工况基面顺水流方向的最大值位于断层f14附近，并且靠左边，这和在塔体重力作用下断层f14接触面滑动趋势是一致的。正常运行工况和检修工况塔基面靠上游(灌浆廊道附近)的顺水流方向最大变形约6.9 mm。截至2012年5月24日，5号倒垂测点最大变位7.6 mm，与计算值相差0.7 mm，基本一致。

图4 正常运行工况塔基顺水流方向变形图 单位：m

3种工况下塔顶面顺水流方向最大变形分别为2.54、17.9、16.89 mm；竖向最大沉降变形别为9.01、13.50、12.58 mm。正常运行工况塔体顺水流方向变形分布如图5。截至2012年5月24日，5号正垂测点最大变位15.7 mm，与计算值相差2.2 mm，基本一致。

由上述计算值的分布以及其与监测值之间的比较分析可得，数值计算值与监测值变化趋势一致，数值也基本接近。初步分析认为，5号测点测得的向下游水平方向变形可能与f14的切割体离下游边坡临空面较近和切割体单薄存在一定的关联。切割体的最大厚度约9.0 m。

图5 正常运行工况塔体顺水流方向变形图 单位：m

塔体浇筑完成后，上游灌浆廊道处顺水流方向的变形为0.6～1.4 mm，正常运行工况即蓄水后上游灌浆廊道处顺水流方向的变形约为6.9 mm，而倒垂测点值为7.6 mm；正常运行工况即蓄水后塔顶顺水流方向的变形为15.4～17.9 mm，减去蓄水前的变形2.4 mm,而正垂测点2012年5月24日最大变位15.7 mm，在水库蓄水初期即到2006年4月测点变位达到11.7 mm，两者相比，数值计算值与监测值变化趋势一致，数值也基本接近。因此，初步分析认为，5号测点测得的向下游水平方向变形可能与f14的切割体离下游边坡临空面较近和切割体单薄存在一定的关联。

3.2 塔基稳定分析

3.2.1 塔基面抗滑稳定分析

3种工况下塔基面竖向最大压应力分别为1.30、1.47、1.54 MPa，没有超过地基承载力允许值3.0 MPa，基面上的法向应力即竖向应力均为压应力，正常运行工况竖向应力分布如图6。正常运行工况和检修工况基面竖向压应力的最大值靠近下游。

图6 正常运行工况塔基面法向应力图 单位：MPa

塔基接触面处于受压状态，几乎没有张开，滑动变形很小，最大只有3.0 mm，绝大部分区域在1.0 mm以下，塔基接触面状态如图7。

由塔基面法向应力分布和塔基接触面状态情况可知，塔基面抗滑稳定是满足要求的。

3.2.2 深层即f14结构面抗滑稳定分析

3种工况下f14结构面处于受压状态，几乎没有

图7 正常运行工况塔基接触面状态图

张开，滑动变形很小，最大只有6.8 mm，主要位于进水塔的后缘即坝踵处附近，而上下游的顶底端基本为0，这主要是荷载作用下的挤压变形，接触面状态如图8。由f14结构面法向应力分布和接触面状态情况可知，深层即f14结构面抗滑稳定是满足要求的。同时从计算过程来看，计算不仅收敛，而且速度还是较快的，如图9，这也同样说明深层即f14结构面抗滑是稳定的。

图8 正常运行工况f14结构面主要滑动变形发生位置图

图9 收敛过程图

4 结 语

(1) 通过数值分析，塔基和f14不连续结构面均处于受压状态，滑移变形很小，基本上是荷载作用下结构体本身变形所引起的，收敛计算也很快，由此说明塔基面和f14断层的深层抗滑稳定均满足要求。

(2) 通过数值计算值与监测值变化趋势分析，认为5号进水口倒垂观测值出现偏大可能与f14的切割体离下游边坡临空面较近，也可能与切割体单薄存在一定的关联。

[1] 西北勘测设计研究院有限公司.黄河公伯峡水电站枢纽工程右岸进水口闸基工程地质报告[R].2006,12.

[2] 西北勘测设计研究院有限公司.黄河公伯峡水电站右岸进水口坝段工程地质勘察报告[R].2012,3.

[3] 西北勘测设计研究院有限公司.黄河公伯峡水电站进水口坝段基础深层抗滑稳定复核专题报告[R].2012,10.

[4] 石广斌.黄河公伯峡水电站进水口坝段基础深层抗滑稳定数值分析报告[R].2012,12.

Analysis on Causes of Abnormal Monitoring Data of Horizontal Displacement of Foundation at Power Intake Section, Gongboxia Hydropower Station

SHI Guang-bin1,2,3, JIA Wei2, ZHANG Man-man2

(1. Xi'an University of Architecture and Technology, Xi'an 710054,China; 2. POWERCHINA Xibei Engineering Corporation Limited,Xi'an 710065,China; 3. Xi'an University of Technology, Xi'an 710048,China

The power intake of Gongboxia Hydropower Station is of the water-retaining structure. After the reservoir is impounded and operates, the monitoring data of the inverted plumb of the power intake No. 5 are found abnormal. To analyze deeply the abnormal data which shows the displacement of the monitoring point of the inverted plumb at the power intake No. 5 toward downstream is a little great, whether possibility of deep sliding resistance and causes of the greater displacement toward downstream are analyzed from the geological conditions of the foundation at the power intake dam section and with help of value method as well.

Gongboxia Hydropower Station; power intake; water retaining structure; horizontal deformation; abnormal

2014-06-10

石广斌(1968- ),男,安徽省芜湖市人,教授，博士,主要从事地下工程、边坡工程和混凝土结构工程等方面的教学科研工作.

TV698.1

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10.3969/j.issn.1006-2610.2015.01.009