方竹水电站拱坝坝肩稳定分析

小水电 2 0 1 3 年第2 期 总第 1 7 0 期 技术交流 方 竹 水 电 站 拱 坝 J 3 r l 肩 稳 定 分 析 徐江燕 遵义水利水电勘测设计研 究院 贵州遵义5 6 3 0 0 2 摘要 方竹水电站大坝因修建时未按设计要求对两坝肩作防渗处理 经多年运行 两坝肩岸坡及接触带的渗水长 期浸泡软化坝肩岩层及层间的软弱夹层 加之右坝肩抗滑岩体较为单薄 大坝坝肩的运行存在安全隐患 在对坝肩及坝体 与基岩接触带采取 了防渗措施的基础上 结合原设计资料 坝址区工程地质条件及 电站建设过程中基础处理措施等 进一 步复核坝肩稳定计算参数 分析计算坝肩抗滑稳定安全系数 对大坝坝肩稳定作出了科学评价 关键词 拱坝 坝肩渗漏 坝肩稳定滑动面抗滑稳定安全系数 1 工程概况 方竹水电站地处贵州省余庆县龙溪镇苏羊管理 区境内 坝址位于乌江右岸一级支流余庆河中下 游 为余庆河的第 2座梯级电站 电站坝址 以上流 域面积1 3 2 3 k m 2 水库总库容5 6 6 0万 m 3 校核洪水 位5 5 4 1 7 IT I 正常蓄水位5 5 2 0 0 m 死水位5 3 5 0 0 IT I 电站为坝后式 安装有 3台机组 总装机8 2 0 0 k W 2 2 5 0 0 k W 1 3 2 0 0 k W 方竹水电站枢纽建筑物主要 由大坝 重力墩 溢洪道 发电引水系统 冲砂兼放空底孔 发电厂 房 升压站等组成 大坝为 1 5 0号细石混凝土砌块 石双曲拱坝 坝顶高程5 5 5 0 0 m 最大坝高6 6 0 I 1 坝顶 轴 线 弧 长 1 5 8 3 4 m 坝 顶 宽 5 0 0 m 坝 底 宽 1 4 4 0 1T I 重力墩设于大坝右坝肩 高1 1 0 m 为 1 5 0 号细石混凝土砌块石结构 顶宽 1 7 1 m 长 1 9 2 2 5 5 m 底 宽2 2 6 m 长2 6 0 m 溢洪道位 于大坝 右 岸 与大坝右岸重 力墩相连 溢 流堰堰形为实 用 堰 堰顶高程5 4 6 0 0 1T I 溢洪道总长2 1 3 9 2 m 电站 发电引水系统布置于大坝中部坝身 取水 口型式采 用直立岸塔式 冲砂兼 放空底孔 布置在大坝左 坝 段 呈径向布置 主 副厂房布置在大坝下游侧 工程于 1 9 8 9年 1 月 3 0 E t 开工建设 1 9 9 4年 7 月 7日下 闸蓄水 同年 1 2月首台机组 发 电 1 9 9 5 收稿 E l 期 2 0 1 2 1 0 2 9 作者简介 徐江燕 1 9 8 2一 男 工程师 主要从事水利水 电工程设计及管理工作 E m a i l e a w j l 1 6 3 c 一 年 l 0月 1日 1 2号 机组 正式运 行 3号机组 于 9 9 9年 1 月动工安装 同年 5 月 2 5日完工并投入运 行 2 0 0 0 年 8 月 8日工程全部完工并通过竣工验收 因工程修建时受资金 技术等限制 大坝左 右岸帷幕灌浆未能按设计要求实施 坝体与岩体接 触带灌浆施工质量差 钻孑 L 揭露 拱端与岩基 陡 坡接触带也未作接触防渗处理 导致大坝坝肩接触 带及左右岸坡产生渗漏 根据收集的基础资料及现 场勘测数据 大坝左 右坝肩和坝体与基岩接触带 均有渗漏现象 两坝肩下游岸坡岩层存在大面积明 显渗水现象 且两坝肩的渗漏量随库水位的升高逐 步增大 另根据坝肩钻孔取样及压水试验分析 发 现坝址处白云岩 因微细隐节理发育 岩体呈互层镶 嵌块裂结构特征 钻孔压水试验 多段岩体透水率 17 2 6 L u 两坝 肩与 基岩接 触带存 在 明显渗 漏现 象 渗漏给坝肩的抗滑稳定带来 了较多不利影响 2 坝肩地质基本资料 2 1 地质基本资料 1 坝区河谷地形 坝址位于余庆河与其支流 苏江河汇口下游地形缩窄处 总体为横 向河谷 岩 层缓倾下游偏右岸 倾角 2 0 2 5 坝址横断面呈 u 型 左岸地形宽厚 右岸有 1 个低垭 口 地 形较单薄 2 地层岩性 坝址地层为寒武系中统高台组 2 g 主要岩性为薄至中厚层 白云岩夹角砾状 白 云岩 泥质白云岩 3 地质构造 坝址为单斜构造 横向河谷 1 7 技术交流 S M A I I H Y D R O P O W E R 2 0 1 3 N o 2 T o ta l N o l 7 0 岩体中细微节理发育 在左 右坝肩岩体 内分别发 育有 2组共 轭裂 隙 左坝 肩 为 N 2 6 E S E 7 5 和 N 7 5 W N E 7 0 右坝肩 为 N 2 3 E S E 8 0 和 N 8 3 W N E 7 0 裂隙宽约为0 2 2 c m 不等 强风化带 内裂隙多张开 大部充填次生粘土及岩屑 局部为 方解石脉胶结 弱风化带 内裂隙闭合 局部为方解 石脉胶结 贯通性差 裂隙密度一般 2 3条 m 裂隙 连通 率 强 风 化 带 6 0 一7 0 弱 风 化 带 40 5 0 4 软弱 夹层 在左 右 坝肩 的下 部层 问有 R R R 软弱夹层顺层稳定分布 夹层在 地表强风化 带可见厚度 Rl 0 2 2 5 e m R 2 0 2 0 4 e m R 0 2 1 5 c m 为泥夹岩屑型夹层 根据坝肩开挖揭露 软弱夹层在弱风化带内已不明 显 尤其在开挖的建基面上已见不到粘土 为白云 质泥岩夹层 其在弱风化带内的性状较好 2 2 坝肩开挖及 处理资料 据施工验收记录 施工地质编录和施工资料整 理 左坝肩开挖深 度 8 2 0 m 水 平深度 开挖 高程 4 9 0 5 5 5 m 下部开挖宽度1 6 m 上部开挖宽度 6 m 右坝肩开挖深度 1 5 2 0 m 水平 深度 高程 4 9 0 5 4 2 m 下部开挖宽度1 6 m 上部开挖宽度6 m 岩性均为薄夹 中厚层白云岩 角砾状 白云岩夹少量 泥质白云岩 岩体呈弱 微风化状态 裂 隙中等发 育 多闭合 岩体呈互层状结构 嵌合力较好 贯 穿性结构面不发育 岩体较坚硬较完整 地表所见 的软弱夹层 尺 2 R 在开挖 出的建基 面上 呈起伏状 厚度 0 0 3 c m 其成分为泥质 白云岩 性状及强度与弱风化泥质白云岩类似 坝肩开挖时 对两岸软弱夹层 尺 尺 尺 3 作深挖回填混凝土处 理 两坝肩基础设0 5 1 1 3 厚 1 5 0号 昆 凝土垫层 3 渗漏对坝肩抗滑稳定的不利影响 1 坝肩岩体为薄至中厚层 白云岩夹角砾状 白 云岩 泥质白云岩 呈层状结构 岩石软化系数较 低 在渗水的长时间作用下 岩体承载力和抗滑稳 定能力将降低 2 坝肩岩体层面及裂隙十分发育 在左右坝 肩均存在有软弱夹层 R 2 R 3 岩层层面及层 间的软弱夹层长期在渗透水的浸泡下 逐渐软化 1 8 影响坝肩抗滑能力 3 坝肩岩层倾 向下 游 倾角 2 0 2 5 且受 地形条件及溢洪道布置影响 大坝右坝肩抗滑岩体 较为单薄 在较高的地下水位长期作用下 坝肩存 在较高的扬压力 对坝肩抗滑稳定不利 4 大坝坝肩基岩 层面 裂隙面在渗水长时间 作用下软化 相关力学参数与原设 计值变化较大 对坝体应力不利 同时影响坝肩抗滑稳定能力 4 坝肩抗滑稳定分析主要参数复核 根据大坝左 右坝肩及坝体与基岩接触带的渗 漏情况及勘察资料 对左 右坝肩及坝体与基岩接 触带进行帷幕灌浆处理 在对坝肩及坝体与基岩接 触带采取 了防渗措施 的基础上 结合原设计资料 坝址区工程地质条件 大坝工程特性以及电站建设 过程中基础处理措施等 进一步复核坝肩稳定计算 参数 4 1 渗透压力折减 大坝存在坝肩及绕坝渗漏 渗漏不仅影响水库 的正常运行 且渗水长期浸泡坝肩岩层及层间的软 弱夹层 对坝肩稳定不利 本次设计对未按原设计 要求进行帷幕灌浆的左 右坝肩作帷幕灌浆处理 帷幕灌浆不仅可降低渗水对坝肩岩体 软弱夹层软 化的威胁 且可降低坝肩抗滑岩体的渗透压力 对 提高坝肩抗滑岩体 的稳定性有一定作用 根据相关 规范要求并结合工程实际综合考虑 取渗透压力折 减系数为 0 6 4 2 裂隙面抗剪断力学参数 在原设计资料 中 坝肩裂隙面抗剪断力学参数 取值未考虑裂隙连通率值的影响 加之裂隙面多年 受渗水影响 需重新分析裂隙面抗剪断力学参数 本设计结合工程已有勘测资料 施工情况及检测试 验资料 通过对裂隙的分布 性状及裂隙面物理力 学参数的分析 考虑裂隙连通率对裂隙面抗剪断力 学参数取值的影响 参照同类工程 根据裂隙连通 率值 强 风 化带 5 0 6 0 弱 风化 带 3 0 一 4 0 对裂隙面的抗剪断力学参数进行加权平均 取值 经计算分析 坝肩裂隙面抗剪断力学参数取 值为 f 0 5 0 0 7 0 c 0 2 0 0 4 5 M P a 4 3 软弱夹层抗剪断力学参数 根据勘探资料及收集 的大坝坝肩开挖基础资料 小水电 2 0 1 3 年第2 期 总第 1 7 0 期 技术交流 分析 考虑 到坝肩 软弱夹层在 弱风化带 内 已不 明 显 在开挖的建基面上已见不到粘土 为白云质泥 岩夹层 在强风化带内软弱夹层充填粘土较薄 岩 层之间有一定 的起伏差 相互问的咬合作用对抗滑 稳定有利 且坝肩 开挖 后对软弱夹层 作 了嵌 固处 理 同时 考虑到坝肩 的渗漏情况 对软弱夹层有 一 定的影响 故取值时在该结构面类型的范围内作 了折减 本设计根据软弱夹层的性状 参考相关规 范推荐值 参照同类工程取值 软弱夹层面抗剪断 力学参 数 取值 为 0 3 5 0 4 5 c 0 0 8 0 1 2 MP a 5 坝肩抗滑稳定分析 根据大坝坝肩防渗帷幕灌浆后的工程特性 复 核后的坝肩抗滑物理力学参数值等 对大坝坝肩及 坝肩 3层软弱夹层作抗滑稳定计算 5 1 拱 端力 系 采用反力参数法计算的基本荷载组合和特殊荷 载组合时的拱端力系为计算依据 坝肩考虑帷幕灌 浆的处理 渗透压力折减系数取 0 6 5 2可能滑动面分析 两坝肩基岩裸露 岸坡岩体稳定性较好 未发 现大的不稳定岩体及潜在滑移体 但两坝肩拱端多 置于岩体弱风化上层和强风化层下部 岩石强风化 层 内裂隙较发育 且存在软弱夹层 裂隙主要分布 为 右坝肩 N 2 3 E S E 8 0 N 8 3 w s wZ7 5 左坝 肩 N 2 6 E S E 7 5 N 7 5 W S W 8 0 在 左 右坝肩均存在顺层发育的 3层软弱夹层 软弱 夹层之间有一定的起伏差 相互间的咬合左右对抗 滑稳定有利 而且坝肩开挖后对软弱夹层作 了嵌 固 处 理 根据左 右坝肩 3条裂隙的分布和对坝肩抗滑 岩体 的分析 确定大 坝 右坝肩 以裂 隙 N 8 3 W S W 7 5 o 大坝左坝肩以裂隙 N 7 5 w s wZ8 0 来初拟 侧滑面 左 右坝肩均采用层面作为底滑面 软弱 夹层其层面顺岩层倾向下游 在软弱夹层分布高程 坝肩抗滑体采用夹层为底滑面 采用裂隙面作为侧 滑面 5 3 坝肩稳定计算 坝肩稳定按刚体极限平衡法计算 根据 砌石 坝设计规范 S L 2 5 2 0 0 6 采用抗剪断公式进行 核算 K X f c A 按规范要求 的 抗剪断安全系数 值 基本组合 13 0 特 殊组合 i 2 5 计算假定取裂隙面为侧滑面 层面和顺层发育 的软弱夹层为底滑面 岩层倾 向下游 倾角 2 0 2 5 侧滑 面 裂 隙面 抗 剪断强 度物 理力 学参 数 0 5 0 0 7 0 c 0 2 0 0 4 5 MP a 底滑面 层面 软弱夹层面 的抗剪断强度物理力学参数 层面 厂 0 7 0 c 0 2 5 M P a 软弱夹层 厂 0 3 5 0 4 5 c 0 0 8 0 1 2 M P a 根据工程实 际 情况 设计主要选取基本组合 特殊组合最不利 的 两种荷载组合进行计算 基本组合的正常蓄水位情 况 自重 静水压力 扬压力 泥砂压力 浪压力 冰压力 设计正常温降 特殊组合的校核洪水位 情况 自重 静水压力 扬压力 泥砂压力 浪压 力 动水压力 设计正常温升 经计算 在基本组合 特殊组合情况下 大坝 坝肩分层 整体抗滑稳定 安全系数均满 足规范要 求 两坝肩软弱夹层面抗滑稳定安全系数满足规范 要求 6 成果分析及评价 本次在对坝肩稳定进行分析计算时 根据相关 规范要求并结合工程实际情况 考虑坝肩实施帷幕 灌浆后 对坝肩抗滑岩体渗透压力作了折减 同时 考虑裂隙连通率对裂隙面 侧滑面 抗剪断力学参 数取值的影响 参照同类工程 对裂隙面 侧滑 面 的抗剪断力学参数进行加权平均取值 另外根 据软弱夹层 的性状 参考相关规范推荐值 参照 同 类工程取值 对软弱夹层面的抗剪断力学参数进行 了复核取值 经计算 坝肩抗滑稳定安全系数满足 规范要求 且从大坝多年来运行的实际情况和收集 的资料看 水库基本在设计水位下运行 运行最高 水位5 5 2 1 3 m 大坝 坝肩至今未 发现有 异常现象 大坝运行良好 本次坝肩稳定计算成果合理 下转第 2 3页 1 9 小水电 2 0 1 3 年第2 期 总 第1 7 0 期 技术交流 备注 1 月 2 9 13 2月 1 8日三级电站小转轮机组投运后的第一个2 1 d 二 四 五级电站 13平均电量 比 1 月 7日一1 月 2 7 13三级电站未更换小转轮前减少 证明后2 1 d 玛河水量少于前2 l d 但在水量减少的情况下 三级电站由于小转轮机组运 行 日均发电量却显著增加 其中二级电站13均电量减少 8 7 2 四级电站减少 3 9 9 五级电站减少 O 9 5 三级电站 13 均增发电量 2 8 8 万 k W h 增加 3 6 9 4 通过对比计算充分说明三级电站小转轮机组效率大大高于大转轮机组运行 小转轮机组从投产试运行 增发电量效果显 著 在相 同水 量情 况 下 比大 转 轮 机组 多 带 负荷 1 0 0 0 1 5 0 0 k W 通过对 比计算 在相 同水量情况 下 小转轮机组运行 比大转轮机组 1 3 均增发电量 3 4万 k W h 效率提高 4 o 冬季运行 5个月可 增加发电量 5 0 0万 k W h 按照天富热 电股份公 司 2 0 0 6年平均 电价0 3 9 9 7 k W h计 算 每年可为 公司增加销售收入 2 0 0万元 经济效益十分显著 4 结论 1 水电站冬季运行机组转轮应用技术是红 山 嘴电厂灵活应用水力发 电水能设计基本理论 根据 不同季节河流来水流量不同 配置不同容量转轮 使电站在不同流量范围内均高效运行 在水能利用 方面的科技创新项 目 该项 目理论成熟 应用技术 址 址 S S 屯 止 S 止 t S 止 S 屯 S s 屯 t 系统 完善 实施工艺简单 投资少 见效快 推 广应用前景十分广阔 2 在西北高寒地区季节性较强河流 枯水期 河流来水量小 于机组 单机设计流量 4 0 以下河流 的已建电站 推广应用该技术可以使电站冬季发