沙牌水电站拱坝基础处理研究

1、水电站设计D H P S第 19 卷第 4 期2 0 0 3 年 1 2 月沙牌水电站拱坝基础处理研究赵永刚(国家电力公司成都勘测设计研究院 , 四川 成都 610072)摘 要 :针对沙牌拱坝特有的工程和水文地质情况及坝基应力特点 , 采用数值分析和模型试验等手段 , 通过技术经济比较论证 , 设 计出包括河床 RCC 垫座 、混凝土置换处理 、接触灌浆 、固结灌浆 、防渗帷幕和排水系统等基础处理方案 , 其可行性和合理性已在实 践中得到验证。关键词 :碾压砼拱坝; 基础处理; 灌浆; 帷幕; 排水; 坝肩稳定; 沙牌水电站中图法分类号 : TV22313文献标识码 :B文章编号 :1003

2、 - 9805 (2003) 04 - 0064 - 051前言沙牌水电站是岷江支流草坡河上游的一个梯级 龙头电站 , 拦河大坝为三心圆单曲拱坝 , 大坝左 、右 岸水平嵌深分别为 2610m 和 1711m 。坝址区两岸谷坡比较陡峻 , 临河坡高在 200m以上 , 两岸谷坡 30°60°, 大致成对称“V ”型河谷 。 河谷宽高比约为 117 。在牛厂沟下游约 250m 处 , 河 道的流向由 N50°E 急转弯为 S55°E 方向流出 。左岸 为凹型坡 , 右岸为单薄山脊 。拱坝坝基 ( 肩) 岩体主要由晋宁澄江期花岗 岩 、花岗闪长岩及后期侵入的

3、角岩 、片岩组成 。坝址 区坝基岩体地质构造简单 , 无顺河向断层发育 。坝 址区地震基本烈度为 7 度。2主要工程地质问题沙牌坝基 ( 肩) 级 岩体变形模量为 10 12 GPa , 面积约 3 899m2 , 占整个建基面面积的 6714 % ; - 1 级岩体变形模量为 810 GPa , 面积约为1 557 m2 ,占整个建基面面积的 2515 % ; - 2 级岩体变形 模量为 35 GPa , 面积约为 414m2 , 占整个建基面面 积的 711 % 。见图 1 。211主要软弱岩带Sc 片岩透镜体是坝基主要地质缺陷 。Sc 片岩 透镜体一般带宽 013 710m , 片理发育

4、 , 遇水易软 化 , 变形模量很低 , 完整性差 , 透水性较弱 , 因属拱端 持力层 , 对拱坝坝肩稳定 、变形 、渗透均可能产生不 利影响 , 需研究采取工程处理的必要性和可靠的处 理措施 。主要软弱岩带见图 1 。图 1 拱坝建基面地质平面收稿日期 :2003 - 08 - 26作者简介 :赵永刚(1964 - ) , 男 , 四川宜宾人 , 高级工程师 , 主要从事坝工设计工作。212坝基渗漏坝区地下水主要为裂隙潜水 , 由大气降雨及河 水补给 。地下水位平缓 , 与河水位接近 , 两岸地下水 位随高程和水平埋深增加而逐渐抬高 。坝基岩体受 风化卸荷等因素的影响 , 透水性从浅表至深

5、部由强 变弱 。两岸相对不透水层较浅 , 但在河床 90100m 深度内未揭露出 Lu 值小于 1 的相对不透水层 。虽然坝基岩体主要为花岗岩 、花岗闪长岩 , 两岸 相对不透水层埋深较浅 , 但河床部位相对不透水层 大于 100m , 埋深大 。因此 , 为降低渗压 、提高坝肩稳 定安全度 , 必须对坝基渗漏问题进行研究 , 并采取必 要的可行的处理措施 。3处理研究311变形稳定为了全面深入分析坝基不利地质缺陷对坝体应 力 、位移的影响 , 采用拱梁分载法程序 、有限单元法 程序 , 进行了 Sc 软弱岩带对坝体变形 、应力影响的 分析研究 。31111拱梁分载法分析根据拱坝基础地质情况

6、, 考虑置换混凝土处理 后的效果计算综合变形模量 。应力分析表明 : 坝体应力 、位移分布规律合理 , 上游主拉应力为 - 0151 - 1122MPa , 下游主压应力 为 31385142MPa , 最大应力均满足应力控制标准 , 坝体应力状态良好; 坝体最大径向位移 2194cm , 坝 体最 大 切 向 位 移 0167cm , 基 础 最 大 径 向 位 移 0186cm , 基础最大切向位移 0161cm , 对比坝体位移 在可接受范围 。根据上述计算成果 , 可初步判断在对建基面出 露的 Sc 软弱岩带采取置换处理和固结灌浆处理后 , 坝基岩体能够满足拱坝应力和变形的要求 。31

7、112线弹性有限元分析 拱梁分载法程序中采用的变形模量是按应变能相等原理计算得出的综合变形模量 , 未能真实反映 地基中 Sc 软弱岩带对坝体应力和变位的影响 。为较好地模拟地基条件 , 合理地考虑整体拱坝 和基础的相互作用 , 采用三维有限元对 Sc 软弱岩带 置换混凝土和河床垫座混凝土进行分析 , 以研究经 基础处理后的坝体应力和位移规律 , 以及垫座的应 力状态 , 为最终基础处理设计方案的确定提供依据 。计算表明 :地基经全面处理后 , 在基本荷载组合 和特殊组合作用下 , 坝体应力分布规律合理 , 应力状 态良好 , 最大主拉应力 、主压应力均满足应力控制要 求 , 说明地基经全面处

8、理后 , 改善了地基刚度的不均匀性 , 拱坝受力性态与同规模的坝体大体一致 , 处理 方案是合理的 。除垫座上游的应力条件稍差外 , 其 余部分均满足要求 , 垫座的设置对改善坝体上游坝 踵的拉应力集中有显著的效果 , 垫座设计是合理的 。312 抗滑稳定沙牌拱坝坝肩稳定是工程设计的关键技术问 题 , 为全面评价坝肩稳定性 , 主要采用三维刚体极限 平衡法和非线性有限元法 , 对坝区地质结构面进行 控制性结构面 、滑动模式和滑块 , 以及敏感性分析 。 31211 刚体极限平衡法坝肩抗滑稳定分析成果表明 :当抗剪 (断) 强度指标取平均值时 , 即使排水 100 %失效 , 左 、右岸最小纯摩

9、安全系数分别 为 1131 和 2103 , 左 、右岸最小剪摩安全系数分别为 4121 和 7138 , 均大于规范要求 ; 当抗剪 ( 断) 强度指 标采用最小值并下浮 20 % 、排水 100 %失效工况 , 只 有左岸纯摩安全系数为 1103 , 小于规范要求值 , 其 它均大于规范要求值 。因此 , 应重视坝基防渗和排 水减压措施 , 施工时左 、右岸中上部抗力体应及时支 护 , 避免大面积开挖和塌滑 。此外 , 应对左 、右岸中 上部采取适当的锚索加固措施 。31212非线性有限元法坝肩抗滑稳定及锚索加固 效果分析分析表明 :在坝基防渗排水系统正常工作的条 件下 , 坝肩稳定安全系

10、数均满足规范要求; 左 、右岸 1820100m 高程以上为坝肩稳定控制高程 ; 左 、右坝 肩上部高程设置预应力锚索加固 , 可使相应高程范 围抗力体区岩体点安全系数提高 01050125 , 其中 左坝肩 18201001840100m 高程范围下游陡岩区改 善程度显著 。313 三维地质力学模型试验试验表明 : 大坝基础刚度及整体性均满足修建 高坝的要求 。综合稳定安全度为 3176 , 超载稳定安 全度为 418 , 满足设计要求 , 但两坝肩必须进行加固 处理 。右岸 1810m 高程以上破坏较重 , 特别是上部 山脊及冲沟尤为明显 ; 左岸在 1820m 高程以上 , 特 别是坝肩

11、下游的陡岩破坏较重 , 是进行坝肩加固处 理的重点部位 。314 三维渗流分析研究坝基设置防渗帷幕及排水后 , 左 、右岸和坝基帷 幕下游侧区域渗透压力大大降低 , 坝基扬压力系数 明显下降 , 左 、右岸坝肩渗润区大大减小 , 防渗降压 效果显著 , 现有防渗设计方案合理 。4 坝基基础处理设计65411Sc 软弱岩带处理坝基中有 9 条绿片岩和绿片岩夹碎裂花岗岩 、 角岩条带分布 , 因绿片岩岩性软 , 遇水易软化 , 变形模量相对较低 , 计算分析表明对大坝的变形稳定有 较大影响 , 设计采用全部挖除置换混凝土处理是合 理可行的 (见图 2) 。41111河床垫座处理图 2 坝基置换混凝

12、土平面两岸软弱岩带采用槽挖置换混凝土处理 。置换河床 Sc 软弱岩带为一楔形深槽 , 出现在河床中 部 17381840m 高程 , 主要由片岩组成 , 片理发育 , 遇水易软化 , 完整性差 , 变形模量低 。若拱坝河床建 基面置于 1738100m 高程 , 将大大增加坝体混凝土量 和坝基开挖量 , 且将增大水推力 , 不利于坝肩稳定 , 是不经济和不合理的 。因此 , 结合地形地质情况 , 并 借鉴东风拱坝河床深槽 MgO 微膨胀混凝土置换的 成功经验 , 设计采用 R282010MPa 的 MgO 微膨胀碾 压混凝土置换 , 垫座底部开挖高程为 1738100m , 置 换块尺寸为 4

13、4100m ( 纵河向) ×2010040100m ( 横 河向) ×14150m ( 高度) , 横河向为倒梯形的混凝土 垫座 , 底部基岩固结灌浆深度为 14100m 。混凝土浇筑分区 :为满足抗渗要求 , 上游迎水面510015130m 范围采用 1m 厚掺 MgO 二级配常态 混凝土找平基础 , 再采用掺 MgO 二级配碾压混凝 土; 下游侧采用 1m 厚掺 MgO 三级配常态混凝土找 平基础 , 再采用掺 MgO 三级配碾压混凝土 。41112两岸置换处理 左岸建基面的主要软弱岩体为片岩类花岗岩角02岩 Sc +4 的 - 2 类岩 , 延伸大于 10m , 宽

14、37m , 出露在 18241001867150m 高程间上游坝踵附近 , 主要由片岩组成 , 局部夹有透镜体状碎裂的花岗岩 , 片理较发育 , 弱风化 。右岸建基面的主要软弱岩体为千枚岩夹片岩 Smx4 + Sc 的 - 4 类岩 , 延伸 9315m , 宽 3135m , 出 露在 17741001867150m 高程间上游坝踵附近 , 主 要由片岩组成 , 局部夹有透镜体状碎裂的花岗岩及 石英条带 , 片理极发育 , 弱风化 。66深度一般为软弱岩带宽度的 1152 倍 , 并铺设一层<25 25mm ×25mm 的钢筋网 。412坝基固结灌浆灌浆的目的是解决坝基浅层因

15、开挖爆破和应力 松弛造成的岩体损伤 。整个建基面均进行固结灌浆处理 , 除垫座部位 和帷幕部位采用孔深为 14100m 的灌浆孔外 , 其它 部位均采用孔深为 7100m 灌浆孔 。413防渗排水设计41311防渗设计(1) 帷幕的布置 。在大坝基础范围内 , 帷幕中 心线近似平行拱坝轴线 。左 、右岸在不同高程分别 伸入拱座山体内 , 形成防渗帷幕 。见图 3 。(2) 帷幕控制标准及排数 。根据坝高 , 按照拱坝 规范确定帷幕控制标准 : 高程 1810100m 以上 , 坝高 为 57150m , 要求 3L u , 帷幕采用单排孔 , 孔距为 210m ; 高程 1810100m 以下

16、 , 要求 1L u , 帷幕采用 双排孔 , 孔距为 210m , 排距为 110m , 交错布置 。(3) 孔深确定 。孔深根据渗透地质剖面并按经 验公式 H/ 3 + (825) 确定 ( 式中 H 为上游水深) 。 拱冠剖面主帷幕在基岩内最大深度为 82150m , 副帷 幕按 2/ 3 倍主帷幕孔深确定。(4) 帷幕连接 。左 、右岸帷幕均分别在 1750100 、 1810100 和 1867150m 高程灌浆排水平洞内进行 , 其 上 、下层帷幕的连接采用在平洞上游侧设置四排交 错布 置 的 浅 孔 , 浅 孔 深 度 7100m , 灌 浆 压 力 为 110MPa 。(5)

17、灌浆压力 。根据地质情况和承受水头的大 小综合考虑 , 分区设计 , 设计压力在 110510MPa 。 41312排水设计图 3 坝基防渗排水布置平面灌浆 的部 位 , 先 进 行 2100m 基 岩 以 下 固 结 灌 浆 ,(1) 布置 。基础排水按工程部位分为大坝基础 排水系统和抗力体排水系统两部分 。大坝基础排水系统由两道排水幕 、坝内集水井 和深井泵房组成 。第一道排水幕在灌浆及排水平洞 内进行 ; 第二道排水 位 于 坝 趾 处 高 程 1770100 1850100m 范围内 。抗力体排水系统利用原 7 、8 、9 、10 和 14 号勘探平洞扩挖而成 , 采用自流式排水 。(

18、2) 孔深 、孔距及孔径 。坝基下排水孔深度取为 015 倍主帷幕深度 , 孔距为 3100m ; 坝趾排水孔孔深 均为 3010m , 孔距为 5100m ; 抗力体排水孔孔深为 30100m , 孔距为 5100m 。排水孔孔径均为 110mm 。414坝基接触灌浆设计41411部位(1) 拱坝建基面 。左 、右岸建基面在 1750100m 高程以上 , 平均岸坡角分别为 65°和 54°, 灌浆面积分 别约 4 940m2 和 8 550m2 。(2) 置换混凝土塞开挖边坡 。左 、右岸建基面 级岩体的置换混凝土开挖边坡 , 由于建基面岸坡角 较大 , 为了尽量减小对

19、岩体扰动 、减少开挖和混凝土 量 , 采用接近建基面岸坡角的坡度开挖 。41412方式(1) 结合固结灌浆 。具体方法是在需进行接触2100m 以上的固结灌浆在浇筑坝体混凝土前 , 采用 预埋 1 英寸钢管引管至下游贴角 ( 见图 4) , 待坝体 混凝土浇筑到一定高度 , 且当混凝土或置换混凝土 冷却到稳定温度后 , 按固结灌浆压力或稍大于固结 灌浆压力进行浅层固结灌浆和接触灌浆 。图 4 接触灌浆引管示意(2) 结合帷幕灌浆 。具体方法是在需进行接触 灌浆部位的帷幕灌浆轴线上 , 待坝体基础廊道形成 后 ,上部坝体混凝土浇筑一定高度且混凝土冷却到 稳定温度后 , 在基础廊道实施帷幕灌浆 。

20、其浅表段 可作为接触灌浆 , 灌浆压力按帷幕灌浆压力即可 。 帷幕轴线部位的固结灌浆孔可不采用引管灌浆 。415 预应力锚索和边坡支护设计41511坝肩预应力锚索 为有效提高坝肩抗滑稳定安全度 , 在左 、右岸岸坡共布置 200t 锚索 99 根 , 造孔直径为 165mm , 共计67造孔长度为 3 793m , 总锚索工作吨位为 19 800t 。 左岸预应力锚索设置在紧靠下游拱端的下游开挖坡上 , 布置在高程 1815100 1850100m 间 , 共 8 排 ,每排 8 根 , 高程和水平间距均为 5100m , 锚索孔 向与水平方向夹角为 15°, 单根长度采用 5010

21、0m 和 44100m 两种 , 均为 32 根 , 共计 64 根 。右岸预应力锚索设置在紧靠下游拱端的下游开 挖坡上 , 布置在高程 1820100 1840100m 间 , 共 5 排 ,每排 7 根 , 高程和水平间距均为 5100m , 锚索孔 向与水平方向夹角为 15°, 单根长度采用 25100m 和 19100m 两种 , 相应根数为 20 和 15 根 , 共计 35 根 。41512 拱肩槽边坡支护楔块稳定分析表明 , 为确保开挖边坡局部稳定 ,必须进行锚固处理 。左岸拱肩槽上游边坡坡高 37112m , 平均坡比 0125 ; 下游边坡坡高 1436m 左右 ,

22、 坡比 0135 。右岸 拱肩槽上游边坡高度为 25107m , 平均坡比 0125 ; 下游边坡坡高为 2051m 左右 , 坡比 0135 。主要采取系统支护 , 锚杆长度 5100m , 间距为 2100m ×2100m , 梅花形布置 , 喷混凝土厚度 10mm 。 在支 护 中 , 辅 以 排 水 , 排 水 孔 孔 径 50mm , 孔 深 3100m , 按 5100m ×5100m 梅花形布置 。5 结束语(1) 从事坝工基础处理设计的工程师们不仅应 具备丰富的工程实践经验 , 而且更应全面掌握和运 用新的计算分析手段和方法以及施工技术 , 只有这 样才能针

23、对具体工程地质缺陷 , 设计出可靠的 、合理 的 、经济的基础处理工程方案 , 以满足大坝尤其是高 坝对基础的要求 。(2) 笔者认为要作好大坝基础处理设计至少应 做好以下三个方面的工作 : 一是深入充分地分析研 究坝址区的工程地质条件和有关试验资料 ; 二是广 泛收集国内外高混凝土拱坝基础处理设计和施工经 验 , 尤其是观测反馈资料 , 并了解各种基础处理措施 和基础处理最新手段和方法 ; 三是针对坝基特有的 不良地质缺陷 , 初拟各种可能的基础处理方案 , 在此 基础上 , 进一步通过数值分析 、模型试验等多种方法 和手段 , 进行应力 、变形 、整体稳定和渗流的分析 , 最 终评价基础处

24、理方案的合理性 。参考文献 : 1 中华人民共和国水利电力部 1 混凝土拱坝设计规范 (SD 145 - 84) S . 北京 :水利电力出版社 ,1985. 2 潘家铮主编 1 水工建筑物设计丛书 1 工程地质计算和基础处 理 M 1 北京 :水利电力出版社 ,1985. 3 李茂芳 , 孙钊 1 大坝基础灌浆 (第二版) M 1 北京 :水利电力出 版社 ,1987.(上接第 63 页)多点式动压管的外型做成鱼式 , 通过 5 个水流流速 传感器和 1 个动水压力传感器组成鱼式流速仪 , 测 得底部及以上各点的垂线流速 , 同时施测该断面的 水深 , 则可分析计算出口断面的平均流速 , 以

25、估算泄 洪洞总的消能率 。通气量的监测 , 采用风速仪实测 通气管的风速 , 然后计算出该断面的平均通气速度 , 再乘上该断面的面积 , 即得通气管的进气量 。整个 原型观测系统采用预埋仪器底座和电缆 , 并接入计 算机进行自动化观测 。6 结束语沙牌竖井泄洪洞的设计研究 , 在借鉴国内外已 有工程经验的基础上 , 做了大量的 、系统的和全面的 模型试验 , 结合工程地质 、地貌条件和枢纽布置条 件 ,设计和布置了漩流竖井泄洪洞 。它以陡坡急流 式短压力进水口区别于世界上其它缓流进水的竖井 泄洪洞 , 使泄洪流量大大增加 , 既降低洞内流速 、减 少工程造价 , 又能适应高水头的特点 。同时做好原 型观测设计 , 以获取新型竖井泄洪设施运行资料 , 为 推广该项技术以及为后续大型工程提供第一手原始 资料 , 并为漩流竖井泄洪技术的发展提供工程实践 经验 。Application of Votex Flo w Shaft Spill way in Shapa i Hydroelectric P