某水电站施工期河床坝段建基面优化及校核

邹　浩，晏鄂川，高　旭

(中国地质大学工程学院，湖北武汉430074)



某水电站施工期河床坝段建基面优化及校核

邹浩，晏鄂川，高旭

(中国地质大学工程学院，湖北武汉430074)

摘要：依托施工期的某水电站，采取现场地质调查结合声波测试、变形试验及大剪试验等技术手段，在准确分析建基岩体工程地质条件的基础上，对建基岩体进行评价，据此对勘察阶段选定的建基面(河床坝段)进行高程的优化，并利用二维数值分析软件Phase，对优选的建基面进行变形稳定性校核。分析结果表明，天然及地震工况下，强度折减系数均大于3，优选的建基面满足混凝土重力坝变形稳定性要求。

关键词：施工期；河床坝段；建基面；优化；校核

0引言

随着经济、科技的迅速发展，近年来我国科技工作者结合三峡、拉西瓦、溪洛渡等水电工程，开展了建基面的优选和可利用岩体的研究，取得了大量的研究成果。鲁先元、彭启友、张建清、李张明等采用弹性波检测技术研究了三峡工程建基岩体的可利用性，为大坝建基面的优选提供了技术支撑[1- 4]；刘世煌通过研究拉西瓦水电站坝基的岩体风化与卸荷特征，基于数值计算，用模糊评判法对建基面进行优化[5]；陈志坚等讨论了岩体质量及其影响因素的复杂与不确定性，建立了建基面优选模型[6]；卢建平等提出用有序质量最优分割法进行弱风化岩体亚带的划分，从而确定建基面高程[7]；黄杨一、王造银等总结前人研究成果认为，弱风化下段岩体可作为建基岩体，减少了开挖量[8]；黄春华、叶建群、李应辉等通过超前坝基声波检测、现场试验和地质跟踪等方式，进行建基面岩体质量预测、预报和复核，最终提出建基面优化方案[9]。

本文考虑多重影响的因素，将现场地质调查与声波测试、变形试验、大剪试验等技术手段相结合，在准确评价河床地段建基岩体的工程地质条件基础之上，优选建基面。

1建基面优化

1.1坝区基本地质条件

某水电站坝址位于塘坝河河口上游河段，坝段出露的地层主要为侏罗系中统张河组、蛇店组紫红色薄层状泥岩及黄绿色厚层～块状中粒长石砂岩，还有上第三系灰黄、灰绿色钙质页岩、砂质页岩和第四系地层分布。坝段范围断层不发育，构造形迹主要表现为褶皱构造，构造总的方向为N10°～35°E，规模较大的褶皱有干坪子向斜和大平坝背斜。坝段范围地表未发现Ⅳ级以上断层，结构面主要以挤压形式出现。坝段内岩体风化带厚度不大，并以表层均匀风化为主，由地表向深处风化程度逐渐减弱。

建基面的优化主要通过以下手段实现：① 结构面精细测绘、饱和单轴抗压强度试验与岩体结构划分。② 波速测试(超前声波孔、钻爆孔)与岩体质量级别初步划分。③ 采取大剪试验与变形试验进行检验，利用Phase进行稳定性校核。优化后的建基面高程为980 m，设计开挖高程为978 m。

1.2建基岩体质量划分

1.2.1初步划分

(1)饱和单轴抗压强度。工程开挖揭露岩性主要为砂岩、粉砂岩、砾岩。河床坝段(17～20号坝段)取样，试验统计值平均结果为：砂岩43.99 MPa、砾岩68.94 MPa、粉砂岩37.96 MPa。

(2)RQD。根据现场调查，17号坝段为砂岩，18号坝段为砾岩，19号坝段为粉砂岩、20号坝段为砂岩。钻孔岩芯结果分析RQD分别为：65%、75%、60%和70%。

(3)岩体结构。砾岩属坚硬岩，砂岩和粉砂岩属中硬岩。岩体结构以厚层状为主。根据岩体强度、RQD值及岩体结构初步确定建基面的岩体质量级别：17、18、19、20号坝段分别为Ⅲa～Ⅱ类、Ⅱ类、Ⅲa类、Ⅲa～Ⅱ类。

1.2.2详细划分

以17号坝段7、8号孔波速统计数据为例，参考GB 50487—2008《水利水电工程地质勘察规范》，砾岩岩体分类标准为：Ⅱ级对应Vp>4 500 m/s，Ⅲa级对应4 000 m/s

为了更直观反应建基面不同高程的岩体质量级别，建立三维柱体剖面图。17～20号坝段岩体声波三维柱体图见图1。分析结果为：17号坝段岩体类别为Ⅱ类、18号坝段为Ⅲa～Ⅱ类、19号坝段为Ⅲa～Ⅱ类、20号坝段为Ⅱ类。17～20号坝段可研阶段岩体质量评价总体趋势与施工开挖结果一致，以Ⅲa～Ⅱ类为主。

图1　17～20坝段岩体声波三维柱体示意

1.3建基岩体质量检验

选取17号坝段的变形试验、大剪试验成果进行分析，与1.2节划分结果可作对比。由变形试验统计结果可知，砂岩变形模量为12.8～19 GPa；砾岩为15.6～25 GPa；粉砂岩为5.8～8.3 GPa。变形模量最小值5.8 GPa，最大值25 GPa。采用优定斜率法下限值获得混凝土与坚硬岩体(砂岩、砾岩)的抗剪断强度参数建议值：f′=1.17，c′=1.21 MPa。混凝土与粉砂岩抗剪强度参数建议值：f′=0.98，c′=0.93 MPa。岩体质量类别为Ⅲa类。

同理可知，18、19、20号坝段岩体质量级别分别为Ⅱ类、Ⅲa类、Ⅲa～Ⅱ类。变形试验、大剪试验结果与现场地质调查、波速划分结果保持一致。

2建基面校核

为校核优化后建基面高程980 m是否达到设计要求，采用Phase进行大坝应力应变特性分析。

2.1模型建立

以18号坝段为例，顺河剖面为基本剖面。坝高159 m，坝顶高程1 139 m，蓄水位1 134 m，上游蓄水高度为1 134-980=154 m，下游蓄水高度为1 017.7-980=37.7 m。大坝断面以三维剖切的断面为计算断面，考虑水压力和大坝重力。网格剖分模型见图2。

图2　网格剖分模型

计算工况为蓄水前天然工况、正常蓄水天然工况和正常蓄水地震工况。地震加载大小及方式依据SL 203—97《水工建筑物抗震设计规范》，最大水平加速度值取0.2g，竖向设计地震加速度取水平向设计地震加速度代表值的2/3，为0.133g。

考虑变形试验与剪切试验结果并结合经验值，综合选取岩体力学参数(见表1)。

图3　蓄水前天然工况模拟结果

岩组容重/kN·m-3变形模量/MPa泊松比μ内摩擦角/(°)内聚力/MPa微新岩体30150000.21501.3弱风化下段岩体29101000.23481.16弱风化上段岩体2880000.24450.8混凝土26200000.167552

2.2计算结果

蓄水前天然工况模拟结果见图3。从图3可知，坝踵处最大主应力为1.36 MPa，坝趾处为0.45 MPa，达到建基岩体的要求。最大总位移3 mm出现在坝顶，最大垂直位移2 mm也出现在坝顶，从位移数值上看，该位移对坝基的影响不甚明显。

正常蓄水天然工况和正常蓄水地震工况模拟结果为：

(1)天然工况最大主应力从坝顶往坝基呈增大趋势，坝踵为0.90 MPa，坝趾为1.35 MPa。地震工况坝踵处减小为0.40 MPa，坝趾处增加为3.60 MPa。地震使坝踵处最大主应力值下降，坝趾处较大幅度增加。

(2)地震使坝趾处最小主应力值由0.50 MPa增加到0.90 MPa。

(3)地震工况坝顶最大垂直位移为30.0 mm，相比天然工况，坝踵和坝趾位移均有所增加。

(4)2种工况最大水平位移均出现在坝顶。地震工况水平位移出现明显增加，由30.0 mm增加到130.0 mm；坝踵和坝趾处位移同样出现明显增加，坝踵处水平位移由零增加到80.0 mm，坝趾处由10.0 mm增长到80.0 mm，增幅较大。

(5)地震导致坝踵、坝趾、坝顶水平位移均增加。天然和地震工况水平位移均出现从坝顶到坝基减小的趋势。

(6)2种工况仅在坝踵处存在拉张破坏。地震工况坝踵屈服区域宽度明显增加，宽度所占比例由5%增加到10%。但是拉应力的影响范围不大，不会产生整体的拉张破坏。

2.3建基岩体安全系数

参考SL 319—2005《混凝土重力坝设计规范》的安全系数k′标准：基本组合k′≥3.0；特殊组合k′≥2.5(校核洪水工况)，k′≥2.3(地震工况)。选用强度折减法评价坝体稳定性。强度折减系数(SRF)与总位移最大值的关系曲线见图4。由图4可知，天然工况、地震工况下总位移最大值分别为4 cm和7.2 cm，安全系数分别为6.84和3.4，达到大坝设计要求。

图4　强度折减系数(SRF)与总位移最大值关系

3结语

本文在对水电站坝址工程地质条件调查分析的基础上，对河床坝段建基岩体质量级别进行划分，利用变形、大剪试验进行检验，采用phase进行校核。主要结论如下：

(1)河床坝段的建基岩体结构以厚层状为主，岩性为砂岩、砾岩、粉砂岩。

(2)利用波速-岩级对应关系，河床坝段岩级以Ⅲa～Ⅱ类为主；分析变形试验、大剪试验结果可知，优化后的建基面满足建基岩体的要求。

(3)坝趾处最大主应力、最小主应力增加幅度较大；坝顶、坝踵、坝趾总位移、水平位移明显增加；垂直位移增加幅度较小；坝踵塑性分布区宽度和深度均增加。

(4)强度折减系数均大于3(天然、地震)，满足重力坝变形稳定性要求。

(5)河床坝段选择的Ⅲa～Ⅱ类岩体作为建基岩体满足大坝对建基岩体变形和抗滑稳定性的要求，大坝是安全的。

参考文献：

[1]鲁先元， 高鹏飞， 肖国强， 等. 三峡坝基建基面岩体质量验收标准[J]. 岩石力学与工程报， 1996， 15(增)： 599- 604.

[2]彭启友， 欧阳代俊. 三峡工程大坝建基面弹性波检测方法[J]. 大坝与安全， 2004(4)： 52- 56.

[3]张建清. 三峡工程建基面岩体弹性波检测技术[J]. 物探化探计算技术， 2003， 25(4)： 340- 347.

[4]李张明. 三峡工程建基面弹性波检测技术[J]. 中国三峡建设， 1999(3)： 13- 15.

[5]刘世煌. 拉西瓦拱坝建基面的优化[J]. 水力发电， 1996(12)： 17- 20.

[6]陈志坚， 朱代洪， 张雄文. 围岩质量综合评判模型和大坝建基面优选模型的建立[J]. 河海大学学报： 自然科学版， 2002， 7(4)： 88- 91.

[7]卢建平， 陆兆溱， 钟肖青， 等. 水电工程中弱风化岩体可利用性探讨[J]. 岩土力学， 1996， 17(1)： 41- 47.

[8]黄杨一， 王造银， 等. 关于弱风化岩体利用的认识与实践[J]. 人民长江， 1995， 26(6)： 33- 36.

[9]黄春华， 叶建群， 李应辉， 等. 龙开口水电站大坝建基面优化研究[J]. 水力发电， 2013， 39(2)： 36- 38．

(责任编辑杨健)

Optimization and Check for the Foundation Surface on Riverbed Dam Section of a Hydropower Station during Construction Period

ZOU Hao, YAN Echuan, GAO Xu

(Faculty of Engineering, China University of Geosciences, Wuhan 430074, Hubei, China)

Abstract:By field geological survey combining with sound wave test, deformation test and large shear test to accurately analyze the engineering geological conditions of rock mass, the rock mass under foundation surface in a hydropower station during construction period is evaluated, and then the elevation of foundation surface (riverbed dam section) determined in investigation stage is optimized. The deformation stability of optimized foundation surface is checked by 2D numerical analysis software Phase. The results show that the strength reduction factors are bigger than 3 under natural and earthquake conditions and the optimized foundation surface meets the requirement of concrete gravity dam deformation stability．

Key Words:construction period; riverbed dam section; foundation surface; optimization; check

中图分类号：TU459

文献标识码：A

文章编号：0559- 9342(2016)01- 0045- 04

作者简介：邹浩(1983—)，男，湖北公安人，博士研究生，主要研究方向为岩土体稳定性评价与利用；晏鄂川(通讯作者)．

收稿日期：2015- 05- 25