西藏金河瓦托水电站坝基优化浅谈

田江伟 泽旺曲扎

摘  要：坝基优化是节省水电工程投资的有效措施之一，对研究兼顾经济效益和大坝安全稳定性的坝基设计方案具有重要意义。在瓦托水电站工程中，结合坝址实际情况，对河床取样7组岩芯进行了物理力学性质试验，对左岸基座阶地进行了原位直剪试验，并对河床开展了岩石声波测试，论证了坝基岩体的力学强度指标，提出了坝基岩体物理力学参数地质建议值，为坝基优化设计提供数据支撑。根据取得参数对溢流坝段、厂房坝段和左岸重力坝段的建基高程进行了优化设计，在减少工程量和节省工程投资方面取得了明显效果。

关键词：瓦托水电站  坝基优化  工程投资  优化效果

中图分类号：TM62          文献标识码：A                   文章编号：1674-098X（2021）03（a）-0044-07

Discussion on Optimization of Dam Foundation of Jinhe Watuo Hydropower Station in Tibet

TIAN Jiangwei  ZE Wangquzha

（Jinhe River Basin Hydropower Development Co.， Ltd. Tibet Development & Investment Croup， Changdu， Tibet Autonomous Region， 854000 China）

Abstract： Dam foundation optimization is one of the effective measures to save hydropower project investment. It is of great significance to study the dam foundation design scheme which takes into account economic benefits and dam safety and stability. In the project of Watuo Hydropower Station， Combining actual conditions of dam site， the physical and mechanical properties tests were conducted on 7 sets of rock cores sampled from the riverbed， in-situ direct shear tests were conducted on the terrace of the left bank base， and rock acoustic tests were carried out on the riverbed. These tests demonstrated the mechanical strength index of the dam foundation rock mass and put forward the suggested geological values of the physical mechanical parameters of the dam foundation rock mass to provide data support for the optimal design of the dam foundation. According to the obtained parameters， the foundation elevation of the overflow dam section， the powerhouse dam section and the gravity dam section on the left bank is optimized， and obvious results are obtained in terms of reducing the amount of works and saving the project investment.

Key Words： Watuo Hydropower Station; Dam foundation optimization; Project investment; Oplimization effect

水電工程建设往往建设周期长，投资成本大。因此在保证工程安全可靠的前提下，通过优化设计降低工程量，是节省工程投资的有效措施。西藏金河瓦托水电站工程在澜沧江一级支流金河下游河段上，是金河水电规划中的第五个梯级电站，坝址位于昌都市卡若区列巴村金河下游约2.5km处，在已建金河大坝上游约5.0km处，水库总库容0.1383×108m3，电站装机容量50MW，是一座以发电为主的中型水电枢纽工程。枢纽建筑物从左至右依次为左岸砂砾石坝连接坝段及其坝头回车场、左岸混凝土重力坝段、发电厂房的坝式进水口坝段、溢流坝段、门库坝段、右岸混凝土重力坝段及其坝头回车场。本文以实际地质条件为依据，根据坝基地质勘探复核成果，复核大坝抗滑稳定，通过现场试验及抗滑稳定计算来进行优化设计以实现坝基抬高，进而节省工程投资。

1  工程地质和力学实验

1.1 基岩

坝轴线出露的基岩为侏罗系下统查朗嘎组（J1ch）细砂岩、泥质砂岩、泥质砂岩与细砂岩互层。按层厚和岩性所占比例可划分为3个岩组，分别为泥质砂岩与细砂岩互层岩组（J1ch1）、细砂岩夹泥质砂岩岩组（J1ch2）、泥质砂岩夹细砂岩岩组（J1ch3）。泥质砂岩与细砂岩互层（J1ch1）：细砂岩占5%～10%，泥质砂岩与细砂岩互层占90%～95%，坝址区出露宽度大于390m。细砂岩夹泥质砂岩（J1ch2）：细砂岩占70%～75%，泥质砂岩占25%～30%，坝址区出露宽度约40m。泥质砂岩夹细砂岩（J1ch3）：细砂岩占20%～25%，泥质砂岩占55%～60%，泥质砂与细砂岩互层占15%～20%，坝址区出露宽度大于610m[1]。

1.2 力学试验

1.2.1 河床岩体物理力学性质试验

坝址河床区弱风化状态岩体按岩组不同共取岩样7组进行了物理力学性质试验，岩石的物理力学性质试验成果详见表1及图1、图2。

据表1：ZK19-1、ZK19-2、ZK19-1-1所处岩组为泥质砂岩与细砂岩互层（J1ch1）岩组，所取岩样均为泥质砂岩，各级轴向压力下的剪切应力不做加权，直接进行平均。直剪试验成果如图1所示，c=5.07MPa，φ=75.28°。ZK16-1、ZK18-1、ZK18-2、ZK18-3所处岩组为细砂岩夹泥质砂岩（J1ch2）岩组，该细砂岩比例为70%，泥质砂岩比例为30%，同种岩性在各级轴向压力下的剪切应力进行平均后，按权重进行加和。直剪试验成果如图2所示，c=12.29MPa，φ=64.17°。

1.2.2 左岸基座阶地岩台原位直剪试验

本次试验在坝轴线左岸Ⅰ级阶地部位进行泥质砂岩与细砂岩互层岩组（J1ch1）（下游侧基坑、试验区域1）、细砂岩夹泥质砂岩岩组（J1ch2）（上游侧基坑、试验区域2）2组岩体与混凝土接触面直剪试验，每组试验加工6个试验点。为模拟坝基的实际工作条件，试验前需将试件浸水7～10d，使试件饱水，确保试件始终处于饱和状态[2]。

泥质砂岩与细砂岩互层岩组（J1ch1）（下游侧基坑、试验区域1）抗剪断（抗剪）试验成果见表2，抗剪断（抗剪）正应力-剪应力曲线见图3、图4。细砂岩夹泥质砂岩岩组（J1ch2）（上游侧基坑、试验区域2）抗剪断（抗剪）试验成果见表3，抗剪断（抗剪）正应力-剪应力曲线见图5、图6。

综上所述，原位抗剪试验成果如下：

（1）泥质砂岩与细砂岩互层岩组（J1ch1）（试验区域1）：

①峰值强度：tan φ=1.571，C=0.983MPa;tan φ=0.758，C=0.474MPa;②相关系数：抗剪断R2=0.905;抗剪R2=0.940。

（2）细砂岩夹泥质砂岩岩组（J1ch2）（试验区域2）：

①峰值强度：tan φ=1.539，C=0.730MPa;tan φ=0.696，C=0.507MPa;②相关系数：抗剪断R2=0.921;抗剪R2=0.926。

1.2.3 河床钻孔声波测试

在河床部位ZK16、ZK18钻孔进行了声波测试，钻孔声波测试曲线图见图7、图8。

2  参数确定和抗滑稳定计算

2.1 坝基岩体物理力学参数地质建议值

根据岩石物理力学性质试验及原位直剪试验成果，结合坝址区岩石声波测试数据的分析整理，综合考虑给出坝址区4#、5#、6#坝段岩体相关的力学参数地质建议值见表4。

2.2 坝基抗滑稳定计算

2.2.1 计算公式

（1）根据《混凝土重力坝设计规范》（NB/T35026-2014），混凝土重力坝稳定应满足下列承载能力极限状态设计表达式：

对基本组合，采用下列极限状态设计表达式

（1）

或

（2）

对偶然组合，采用下列极限状态设计表达式

（3）

或

（4）

式中：—结构重要性系数，对于结构安全级别为Ⅱ级的结构及构件，采用1.05;

—设计状况系数，对应于持久状况、短暂状况、偶然状况，分别取1.0、0.95、0.85;

S（·）—作用效应函数;

R（·）—结构及构件抗力函数;

—永久作用的分项系数;

—可变作用的分项系数;

GK—永久作用标准值;

—可变作用标准值;

AK—偶然作用代表值;

aK—几何参数的标准值（可作为定值处理）;

fK—材料性能的标准值;

—材料性能的分项系数;

—结构系数;

η—抗力作用比系数。

（2）承载能力极限状态坝体混凝土与基岩接触面的抗滑稳定设计标准。

分别计算基本组合和偶然组合，应满足：

（5）

作用效应函数：

（6）

抗滑稳定抗力函数：

（7）

式中：壩基面上全部切向作用之和，KN;

坝基面抗剪断摩擦系数;

坝基面抗剪粘聚力，kPa。

2.2.2 作用及其组合

作用在坝体上的荷载有静水压力、自重、扬压力、泥沙压力、浪压力、土压力[3]。坝基扬压力计算时，在坝基排水孔处进行折减，扬压力折减系数α取0.25。

其余荷载按《水工建筑物荷载设计规范》DL5077-1997规定进行计算[4-5]。

①基本组合一（正常蓄水位情况，下游采用最小发电流量相应水位）：

自重+正常蓄水位时静水压力+扬压力+泥沙压力+浪压力+土压力

②基本组合二（设计洪水情况）：

自重+设计洪水位时静水压力+扬压力+泥沙压力+浪压力+土压力

③基本组合三（施工期）：

自重

④偶然组合一（校核洪水情况）：

自重+校核洪水位时静水压力+扬压力+泥沙压力+浪压力+土压力

⑤偶然组合二（正常蓄水位情况遇地震，下游采用最小发电流量相应水位）：

自重+正常蓄水位时静水压力+扬压力+泥沙压力+浪压力+土压力+地震作用

2.2.3 计算结果

（1）溢流坝段（4#）建基面。

经计算，正常蓄水位工况为抗滑稳定的控制工况，上游建基高程为3262.00m时，坝基抗滑稳定抗力作用比系数η=1.088;上游建基高程为3264.00m时，坝基抗滑稳定抗力作用比系数η=1.087。由此可知，上游建基高程抬高至3262.00～3264.00m，坝基抗滑稳定均满足要求[6]。

（2）发电厂房的坝式进水口坝段（5#）建基面。

经计算，设计洪水位工况为抗滑稳定的控制工况，上游建基高程为3262.00m時，坝基抗滑稳定抗力作用比系数η=1.46;上游建基高程为3264.00m时，坝基抗滑稳定抗力作用比系数η=1.43。由此可知，上游建基高程抬高至3262.00m -3264.00m，坝基抗滑稳定均满足要求。

（3）发电厂房坝式进水口坝段（6#）建基面。

经计算，设计洪水位工况为抗滑稳定的控制工况，坝基抗滑稳定抗力作用比系数η=1.32。坝基抗滑稳定满足要求[7-8]。

（4）左、右岸混凝土重力坝段建基面。

根据左岸基座阶地岩台基坑声波测试成果，结合枢纽建筑物布置，左岸重力坝7#、8#、9#建基高程由3262m抬高至3268m，比可研阶段抬高6m;10#建基高程由3262m抬高至3266.5m，比可研阶段抬高4.5m。右岸3#门库坝段最低建基高程3262m，比可研阶段抬高5.5m（见图9）。建基面抬高后坝体下游坝坡未改变，坝基岩体抗剪断参数未改变，坝基稳定应力均能满足规范要求，且有一定安全储备[9-10]。

3  优化效果

溢流坝4#坝段坝基上游部分建基高程抬高8.50～10.50m，坝基下游部分建基高程不变。

发电厂房的坝式进水口5#坝段坝基上游部分建基高程抬高8.50～10.50m;坝基下游部分建基高程抬高2.5m。

发电厂房的坝式进水口6#坝段上游建基高程抬高6m，下游建基高程抬高2.5m。

左岸重力坝7#、8#、9#建基高程抬高6m;左岸重力坝10#建基高程抬高4.5m。

坝基优化减少混凝土4.04万m3、石方开挖4.52万m3（见表5），节省工程投资2397万元。

4  结语

西藏金河瓦托水电站成功进行了坝基优化，各个坝段坝基高程均进行了不同程度的抬高，减少了坝基开挖和混凝土浇筑量，经济效益显著，缩短了工期，为瓦托水电站提前投产发电做出了巨大贡献，也为混凝土重力坝坝基优化积累了工程经验。

参考文献

[1] 中水东北勘测设计研究有限责任公司.西藏金河瓦托水电站可行性研究报告[Z].长春，2016.

[2] 邢丁家，邢一豪.引汉济渭工程三河口水库拱坝坝基岩体质量特征与建基面优化选择[J].地球科学与环境学报，2018，40（6）：806-812.

[3] 程庭凤.金安桥水电站坝基优化选择及主要地质缺陷处理[J].云南水力发电，2015，31（1）：67-70.

[4] 李天鹏，魏伟，杨莉，等.复杂层状建基岩体可利用性及开挖深度优化研究[J].人民长江，2019，50（3）：166-171.

[5] 沈晓明，黄永.岩体纵波波速与抗剪强度相关关系研究[J].中国水运，2019（12）：224-225.

[6] 张兴安，曾国洪，党建涛，等.三河口水库拱坝建基面选择及优化效果验证[J].长江科学院院报，2020，37（3）：114-117，124.

[7] 宋彦辉，巨广宏，孙苗.岩体波速与坝基岩体变形模量关系[J].岩土力学，2011，32（5）：1507-1512.

[8] 原野，王志修，于世波.基于声波钻孔测试技术的岩体完整性分析[J].中国矿业，2019，28（S1）：85-87.

[9] 宋彦辉，巨广宏，孙苗.岩体波速与坝基岩体变形模量关系[J].岩土力学，2011，32（5）：1507-1512.

[10] 徐言志.箐头水库自密实混凝土重力坝优化设计研究[J].河南科技，2020（14）：67-68.