摘要：塊澤河水電站大壩為現(xiàn)澆混凝土單曲高拱壩，本文針對塊澤河電站大壩基礎(chǔ)工程和水文地質(zhì)情況及壩基應(yīng)力特點，對存在的對壩基不利的地質(zhì)缺陷采用了拱梁分載法程序、有限元法法對大壩進行了抗滑穩(wěn)定安全計算與分析，并根據(jù)計算成果設(shè)計出包括傳力洞、河床墊座、混凝土置換處理、接觸灌漿、固結(jié)灌漿、防滲帷幕、排水系統(tǒng)和邊坡支護等基礎(chǔ)處理方案。
　　關(guān)鍵詞：抗滑穩(wěn)定計算；基礎(chǔ)處理；傳力洞；灌漿；帷幕；排水；支護
　　1引言
　　塊澤河水電站樞紐建筑物位于云南省富源縣富村鎮(zhèn)塊澤河河段內(nèi)，電站裝機3.6萬kw，攔河壩為混凝土單曲拱壩，高94m（1490～1584m），后經(jīng)優(yōu)化設(shè)計降為86m（1498～1584m）。
　　壩區(qū)河谷狹窄，兩岸谷坡陡峻，臨河坡高120m以上，兩岸谷坡70°以上，大致成對稱“U”型河谷，河谷寬高比約為0.3，河流以N51°W流經(jīng)建筑物區(qū)。壩基（肩）巖體主要由二疊系下統(tǒng)茅口組（P1m）巨厚層狀隱晶質(zhì)灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r及薄層炭質(zhì)灰?guī)r組成，產(chǎn)狀N82°E/NW∠10°，傾向下游略偏左岸。地層連續(xù)，巖石致密堅硬，單軸抗壓強度70～90MPa，屬堅硬巖，表層巖體為弱風化。壩肩存在f5～f8四條較大的溶蝕裂隙。節(jié)理裂隙主要發(fā)育有6組：
　　（1）S15～30°E/SW∠65～80°，2～5條/m，密集帶8～13條/m，充填黃色鈣膜、方解石，為閉合微節(jié)理，結(jié)構(gòu)面大部較平滑；密集帶發(fā)育為溶蝕裂隙，分布普遍，產(chǎn)狀穩(wěn)定；
　　（2）N30～45°E/NW∠83～88°，大部分1mm以下，閉合，1～3條/m。
　　（3）S30～40°W/SE∠54～60°，基本傾向河床偏下游，寬2mm，1～3條/m，延伸遠；
　　（4）N13～16°W/NE∠66～69°，寬度1～3mm，間距大于3m；
　　（5）N37～40°E/SE∠86～89°，寬2mm以上，微張～閉合，結(jié)構(gòu)面粗糙；
　　（6）S20～30°E/NE∠8～13°，為巖石層面，垂直面間距50～100cm。
　　2主要工程地質(zhì)問題
　　壩基(肩)巖體Ⅱ級巖體主要分布在壩肩拱座7m以外，巖體呈巨厚層、次塊狀結(jié)構(gòu)，變形模量在18GPa以上，抗滑變形穩(wěn)定性較高；Ⅲ-1級巖體則分布在大壩開挖建基面，巖體呈中厚層～巨厚層結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)面中等發(fā)育～較發(fā)育，變形模量為10～12GPa。基礎(chǔ)面分布有傾向下游的緩傾角結(jié)構(gòu)面，兩壩肩均存在陡傾角張拉裂隙和溶蝕裂隙（斷層）。
　　2.1溶蝕裂隙（斷層）影響帶
　　左壩肩最主要問題是張開裂隙（尤其是f7）的影響，裂隙f7寬15～40cm；右壩肩則是溶蝕斷層（f5）的影響，上部寬（3m）下部窄（15～30cm）。裂隙（斷層）內(nèi)充填角礫巖、鈣質(zhì)、粘土及次生泥，裂隙兩壁巖體堅硬完整，基本無破壞；并有溶洞、鐘乳石等溶蝕痕跡。f7下部發(fā)育到壩肩中部（1530m高程）基本尖滅，形成上寬下窄的現(xiàn)象；f5則一直發(fā)育到河床以下；兩條裂隙都有局部中空的地質(zhì)現(xiàn)象。綜合以上地質(zhì)情況，推斷f7為帶有溶蝕性質(zhì)的卸荷張拉裂隙，f5為溶蝕斷層。f7距拱座僅有9～13m，f5距離拱座26～45m，仍屬拱端持力層，對拱壩壩肩穩(wěn)定、變形、滲透均可能發(fā)生不利影響，需研究采取工程處理的必要性和可靠的處理措施。
　　2.2壩基滲漏
　　壩區(qū)地下水類型為巖溶水和裂隙水，地下水補給河水，巖溶發(fā)育受塊澤河最低侵蝕基準面控制，巖溶發(fā)育較深。壩區(qū)灰?guī)r地層為一個含水層單元，構(gòu)造裂隙有利于巖溶發(fā)育，壩基巖溶裂隙水多沿構(gòu)造溶蝕裂隙涌出；壩肩則主要在巖溶裂隙及構(gòu)造裂隙中運動，其次是沿斷層破碎帶的溶蝕裂隙涌出。鉆孔壓水成果表明巖體透水性由于巖溶及構(gòu)造影響具有不均一性，在強透水帶內(nèi)因局部巖層完整而呈弱透水巖段，弱透水帶內(nèi)因局部有斷層及巖溶分布而現(xiàn)強透水巖段。地下水隨高程和水平埋深增加而逐漸抬高，但因巖溶的不規(guī)則分布，使壩區(qū)巖體滲透變得復(fù)雜化，左壩肩在距拱座140～150m與45～55m及9～13m處有溶蝕大裂隙、溶洞和右壩肩在距拱座26～50m處出現(xiàn)f5，水力坡度出現(xiàn)凹槽現(xiàn)象。兩壩肩最主要的滲漏問題是溶蝕裂隙f5～f8與溶洞形成的滲水通道；壩基淺部巖體裂隙較發(fā)育，在河床中、左岸128m內(nèi)找不到連續(xù)小于1Lu的相對抗水層；第（1）組順河節(jié)理密集帶與第（6）組水平層面是壩基滲漏主要通道。為降低滲壓、提高壩肩穩(wěn)定安全度，須對壩基滲漏問題進行研究，并采取可行的處理措施。
　　3壩肩抗滑穩(wěn)定計算
　　針對存在的對壩基不利的地質(zhì)缺陷，采用拱梁分載法程序、有限元法法對f5與f7進行了抗滑穩(wěn)定安全分析，地質(zhì)參數(shù)取值為摩擦系數(shù)f=0.4，粘結(jié)力C=150KPa，水平狀結(jié)構(gòu)面f=0.6，C=200KPa，但在計算中應(yīng)適當把參數(shù)放小。
　　3.1拱梁分載法
　　3.1.1抗滑穩(wěn)定模型建立
　　f7產(chǎn)狀為N10～40°W/SW∠72～83°，計算時取f7走向與壩軸線切線方向交角48.2°，距離拱座5m，傾角78°，摩擦系數(shù)f=0.17，粘結(jié)力C=18KPa。f5產(chǎn)狀為N85°W/NE∠85°。計算時取f5走向與壩軸線切線方向交角64.7°，距離拱座12m，傾角85°，摩擦系數(shù)f=0.14，粘結(jié)力C=15KPa。根據(jù)以上情況,利用ANSYS中三維CAD構(gòu)建出的壩肩滑移體，見圖1。
　　
　　圖1左右岸壩肩滑移體形圖
　　滑移體設(shè)定為由斷層、壩軸線切線切割面、開挖面、岸坡面、1510m高程水平面和1590m高程水平面構(gòu)成。1590m高程水平面以上的巖體對以下巖體的作用不予考慮，作為安全儲備，因為后面的計算不考慮揚壓力對滑移面的作用。壩軸線切線切割面認為是自由面，無荷載作用。f7斷層對應(yīng)的滑移體體積為60741m3，f5斷層對應(yīng)的滑移體體積為69830m3。
　　3.1.2計算工況及計算原理
　　考慮到溫升對穩(wěn)定不利，溫降對穩(wěn)定有利，選取設(shè)計+溫升和校核+溫升兩個工況計算。計算公式如下：
　　
　　
　　3.1.3抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)K值的計算成果及分析
　　表1設(shè)計+溫升工況下左岸壩肩K值計算表
　　

　　表2設(shè)計+溫升工況下右岸壩肩K值計算表

　　表3校核+溫升工況下左岸壩肩K值計算表
　　

　　表4校核+溫升工況下右岸壩肩K值計算表

　　由壩肩滑移體圖1看，直觀感覺右岸滑移體的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)應(yīng)比左岸滑移體的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)小，但計算結(jié)果卻相反。仔細分析，計算結(jié)果是合理的。一方面右岸拱端推力與斷層f5走向交角較大（為64.7°，左岸為48.2°），導致斷層面上的滑動力投影小；更重要的方面是f5距壩肩遠（12m）、傾角大（85°），它構(gòu)成的滑移體體積大，水平巖層抗剪面也大。而f7距壩肩近（5m）、傾角小（78°），它構(gòu)成的滑移體體積小，水平巖層抗剪面也小。
　　由表中計算成果可知，對于壩體強度，最大拉應(yīng)力相對接近于控制標準，而最大壓應(yīng)力距控制標準較遠；壩體強度和壩肩抗滑穩(wěn)定滿足規(guī)范要求，針對計算工況，壩體是安全的。
　　3.2有限元法
　　計算的滑移體模型、抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)K值的計算公式和參數(shù)取值與拱梁分載法相同。區(qū)別在于拱梁分載法的阻滑力和滑動力采用拱梁分載法計算的拱梁端力投影得到，有限元法則直接采用有限元計算的滑動面上的正應(yīng)力和剪應(yīng)力求和得到。計算工況與拱梁分載法一樣選取設(shè)計+溫升和校核+溫升兩工況計算。
　　3.2.1計算方法
　　利用ANSYS中后處理的路徑功能和局部坐標輸出功能，在滑移體的豎向斷層面和水平滑動面上分別作幾條路徑。將路徑上的法向正應(yīng)力和剪應(yīng)力映射上去，并分別求其均值，與作用面積相乘，得到作用在滑動面上的總法向力和剪力，根據(jù)抗滑穩(wěn)定計算公式求得安全系數(shù)。
　　3.2.2計算成果及分析
　　表5設(shè)計+溫升工況下左右岸壩肩K值計算表(應(yīng)力單位：KPa)
　　

　　表6校核+溫升工況下左右岸壩肩K值計算表(應(yīng)力單位：KPa)

　　由計算結(jié)果可看出，利用有限元法求出的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)與拱梁分載法求得的相差不大，均滿足規(guī)范要求。但兩裂隙都有局部中空或充填粘土的地質(zhì)現(xiàn)象，仍存在壓縮變形的可能，為加大安全系數(shù)，并解決兩裂隙與拱座間巖體節(jié)理密集帶的壓縮變形，研究采取了傳力洞的加固措施。
　　4處理研究與方案
　　4.1壩肩處理
　　根據(jù)計算成果并結(jié)合壩肩斷層特點，并考慮壩肩卸荷的影響，確定在兩壩肩拱座對稱開挖傳力洞并回填混凝土。傳力洞深度不一，以穿過斷層2～5m為原則，傳力洞斷面均為城門洞形。并對傳力洞先進行混凝土澆筑，再進行回填灌漿和固結(jié)灌漿，以固結(jié)爆破引起的松動巖體。共布置10條傳力洞，左右壩肩各5條，傳力洞配筋。
　　4.2壩基基礎(chǔ)處理
　　4.2.1河床墊座處理
　　古河床為一楔形深槽，高程為1495～1507m，若拱壩河床建基面置于原設(shè)計圖紙1490m高程上，將大大增加壩體混凝土量和壩基開挖量，且將增大水推力，不利于壩肩穩(wěn)定，是不經(jīng)濟和不合理的。經(jīng)過相關(guān)地質(zhì)與水工專家論證與工況計算，并結(jié)合地形地質(zhì)情況，采用開挖到基巖后即可作為建基面，抬高基礎(chǔ)建基面，加大縱向基礎(chǔ)寬度，對加寬的河床深槽使用混凝土回填。
　　4.2.2壩基固結(jié)灌漿處理
　　固結(jié)灌漿的目的是解決壩基淺層因開挖爆破和應(yīng)力松馳造成的巖體損傷。壩基巖體類型大部為Ⅲ類，微風化上限，結(jié)構(gòu)面中等發(fā)育～較發(fā)育，且薄層結(jié)構(gòu)面充填泥質(zhì)。在整個大壩建基面均進行固結(jié)灌漿處理，各壩段內(nèi)固結(jié)灌漿孔按徑向梅花形布置，在壩體基礎(chǔ)部位孔距和排距均為2米，孔深度為8～10m；下游墊座部份孔距和排距均為3米，深度為5米。為保證壩內(nèi)冷卻水管不被破壞，壩內(nèi)固結(jié)灌漿均采用埋管的方式。
　　4.2.3防滲處理
　　1.帷幕的布置。在大壩基礎(chǔ)范圍內(nèi)，帷幕中心線基本平行拱壩軸線，左、右岸在不同高程分別伸入拱座山體內(nèi)，形成防滲帷幕。帷幕中心線即為基礎(chǔ)廊道或灌漿平洞的中心線，灌漿孔為傾向上游87°的斜孔，孔位距壩體橫縫不小于0.5米。
　　2.帷幕控制標準及排數(shù)。根據(jù)壩高，按照拱壩規(guī)范確定帷幕控制標準：帷幕采用單排孔，孔距為2m，溶蝕裂隙f5～f8與溶洞及節(jié)理密集帶做加密布孔或增加帷幕排數(shù)，如灌砂漿封堵不住，可擴大孔徑直接灌入混凝土后再進行灌漿。透水率要求ω≤3Lu。
　　3.孔深確定。孔深根據(jù)滲透地質(zhì)剖面并按經(jīng)驗公式H/3+（8～25）確定（式中H為上游水深）。拱冠剖面帷幕在基巖內(nèi)最大深度為65m。
　　4.帷幕銜接。左、右岸帷幕均分別在1584、1535、1520m高程灌漿廊道內(nèi)進行，其上、下層帷幕的連接采用在廊道上游側(cè)設(shè)置淺孔，淺孔深度11m，孔距2m；且在上層帷幕下部孔與下層帷幕上部孔重疊5m，灌漿壓力為1.5～2.0MPa。
　　5.帷幕次序。灌漿帷幕分三序鉆孔并按次序進行灌漿：Ⅰ序孔孔距8m，Ⅱ序孔孔距4m，Ⅲ序孔孔距2m。
　　6.灌漿壓力。根據(jù)地質(zhì)情況和承受水頭的大小綜合考慮，分區(qū)設(shè)計，各次序各灌漿段的設(shè)計灌漿壓力在1～3MPa；對斷層破碎帶及結(jié)構(gòu)面發(fā)育的地方如灌性不好，可采用高壓或打斜孔灌漿，灌漿壓力為5MPa左右。
　　4.2.4排水處理
　　基礎(chǔ)排水按工程部位分大壩基礎(chǔ)排水系統(tǒng)和抗力體排水系統(tǒng)兩部分組成。大壩基礎(chǔ)排水系統(tǒng)由排水幕、壩內(nèi)集水井和深井泵組成；抗力體排水系統(tǒng)利用灌漿廊道支洞，采用自流式排水。
　　4.2.5接觸灌漿處理
　　在拱壩橫縫及建基面岸坡由于混凝土有一定程度的收縮而產(chǎn)生縫隙，須通過接觸灌漿進行封閉。
　　（1）結(jié)合固結(jié)灌漿。在需要進行接觸灌漿的部位，先進行2.0m基巖以下固結(jié)灌漿，2.0m以上的固結(jié)灌漿在澆筑壩體混凝土前，采用預(yù)埋1英寸鋼管引至下游貼角，待混凝土澆筑到一定高程，且當混凝土冷卻到穩(wěn)定溫度后，按固結(jié)灌漿壓力或稍大于固結(jié)灌漿壓力進行淺層固結(jié)灌漿和接觸灌漿。
　　（2）結(jié)合帷幕灌漿。在需要進行接觸灌漿部位的帷幕灌漿軸線上，待壩體基礎(chǔ)廊道形成后，上部壩體混凝土澆筑到一定高度且混凝土冷卻到穩(wěn)定溫度后，在基礎(chǔ)廊道實施帷幕灌漿。其淺表段可作為接觸灌漿，灌漿壓力按帷幕灌漿壓力即可。
　　5結(jié)束語
　　通過塊澤河電站大壩基礎(chǔ)處理的工作，筆者認為要做好大壩基礎(chǔ)處理，須深入分析研究壩址地區(qū)的工程地質(zhì)和有關(guān)試驗資料；廣泛收集其他高拱壩基礎(chǔ)處理的經(jīng)驗，尤其是觀測反饋資料。并針對壩基特有的不良地質(zhì)缺陷，初擬各種可能的基礎(chǔ)處理方案，在此基礎(chǔ)上，進一步通過數(shù)值分析、模型試驗等手段，進行應(yīng)力、變形、整體穩(wěn)定和滲流的分析，最終確定合理、經(jīng)濟的處理方案。
　　
　　參考文獻
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　　[2]沙牌水電站拱壩基礎(chǔ)處理研究趙永剛水電站設(shè)計第19卷第4期2003年12月
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　　[4]工程地質(zhì)計算和處理潘家錚主編水利電力出版社1985年