鄒　浩，晏鄂川，高　旭

(中國(guó)地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院，湖北武漢430074)

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某水電站施工期河床壩段建基面優(yōu)化及校核

鄒浩，晏鄂川，高旭

(中國(guó)地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院，湖北武漢430074)

摘要：依托施工期的某水電站，采取現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查結(jié)合聲波測(cè)試、變形試驗(yàn)及大剪試驗(yàn)等技術(shù)手段，在準(zhǔn)確分析建基巖體工程地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，對(duì)建基巖體進(jìn)行評(píng)價(jià)，據(jù)此對(duì)勘察階段選定的建基面(河床壩段)進(jìn)行高程的優(yōu)化，并利用二維數(shù)值分析軟件Phase，對(duì)優(yōu)選的建基面進(jìn)行變形穩(wěn)定性校核。分析結(jié)果表明，天然及地震工況下，強(qiáng)度折減系數(shù)均大于3，優(yōu)選的建基面滿足混凝土重力壩變形穩(wěn)定性要求。

關(guān)鍵詞：施工期；河床壩段；建基面；優(yōu)化；校核

0引言

隨著經(jīng)濟(jì)、科技的迅速發(fā)展，近年來(lái)我國(guó)科技工作者結(jié)合三峽、拉西瓦、溪洛渡等水電工程，開(kāi)展了建基面的優(yōu)選和可利用巖體的研究，取得了大量的研究成果。魯先元、彭啟友、張建清、李張明等采用彈性波檢測(cè)技術(shù)研究了三峽工程建基巖體的可利用性，為大壩建基面的優(yōu)選提供了技術(shù)支撐[1- 4]；劉世煌通過(guò)研究拉西瓦水電站壩基的巖體風(fēng)化與卸荷特征，基于數(shù)值計(jì)算，用模糊評(píng)判法對(duì)建基面進(jìn)行優(yōu)化[5]；陳志堅(jiān)等討論了巖體質(zhì)量及其影響因素的復(fù)雜與不確定性，建立了建基面優(yōu)選模型[6]；盧建平等提出用有序質(zhì)量最優(yōu)分割法進(jìn)行弱風(fēng)化巖體亞帶的劃分，從而確定建基面高程[7]；黃楊一、王造銀等總結(jié)前人研究成果認(rèn)為，弱風(fēng)化下段巖體可作為建基巖體，減少了開(kāi)挖量[8]；黃春華、葉建群、李應(yīng)輝等通過(guò)超前壩基聲波檢測(cè)、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和地質(zhì)跟蹤等方式，進(jìn)行建基面巖體質(zhì)量預(yù)測(cè)、預(yù)報(bào)和復(fù)核，最終提出建基面優(yōu)化方案[9]。

本文考慮多重影響的因素，將現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查與聲波測(cè)試、變形試驗(yàn)、大剪試驗(yàn)等技術(shù)手段相結(jié)合，在準(zhǔn)確評(píng)價(jià)河床地段建基巖體的工程地質(zhì)條件基礎(chǔ)之上，優(yōu)選建基面。

1建基面優(yōu)化

1.1壩區(qū)基本地質(zhì)條件

某水電站壩址位于塘壩河河口上游河段，壩段出露的地層主要為侏羅系中統(tǒng)張河組、蛇店組紫紅色薄層狀泥巖及黃綠色厚層～塊狀中粒長(zhǎng)石砂巖，還有上第三系灰黃、灰綠色鈣質(zhì)頁(yè)巖、砂質(zhì)頁(yè)巖和第四系地層分布。壩段范圍斷層不發(fā)育，構(gòu)造形跡主要表現(xiàn)為褶皺構(gòu)造，構(gòu)造總的方向?yàn)镹10°～35°E，規(guī)模較大的褶皺有干坪子向斜和大平壩背斜。壩段范圍地表未發(fā)現(xiàn)Ⅳ級(jí)以上斷層，結(jié)構(gòu)面主要以擠壓形式出現(xiàn)。壩段內(nèi)巖體風(fēng)化帶厚度不大，并以表層均勻風(fēng)化為主，由地表向深處風(fēng)化程度逐漸減弱。

建基面的優(yōu)化主要通過(guò)以下手段實(shí)現(xiàn)：① 結(jié)構(gòu)面精細(xì)測(cè)繪、飽和單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)與巖體結(jié)構(gòu)劃分。② 波速測(cè)試(超前聲波孔、鉆爆孔)與巖體質(zhì)量級(jí)別初步劃分。③ 采取大剪試驗(yàn)與變形試驗(yàn)進(jìn)行檢驗(yàn)，利用Phase進(jìn)行穩(wěn)定性校核。優(yōu)化后的建基面高程為980 m，設(shè)計(jì)開(kāi)挖高程為978 m。

1.2建基巖體質(zhì)量劃分

1.2.1初步劃分

(1)飽和單軸抗壓強(qiáng)度。工程開(kāi)挖揭露巖性主要為砂巖、粉砂巖、礫巖。河床壩段(17～20號(hào)壩段)取樣，試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)值平均結(jié)果為：砂巖43.99 MPa、礫巖68.94 MPa、粉砂巖37.96 MPa。

(2)RQD。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，17號(hào)壩段為砂巖，18號(hào)壩段為礫巖，19號(hào)壩段為粉砂巖、20號(hào)壩段為砂巖。鉆孔巖芯結(jié)果分析RQD分別為：65%、75%、60%和70%。

(3)巖體結(jié)構(gòu)。礫巖屬堅(jiān)硬巖，砂巖和粉砂巖屬中硬巖。巖體結(jié)構(gòu)以厚層狀為主。根據(jù)巖體強(qiáng)度、RQD值及巖體結(jié)構(gòu)初步確定建基面的巖體質(zhì)量級(jí)別：17、18、19、20號(hào)壩段分別為Ⅲa～Ⅱ類、Ⅱ類、Ⅲa類、Ⅲa～Ⅱ類。

1.2.2詳細(xì)劃分

以17號(hào)壩段7、8號(hào)孔波速統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為例，參考GB 50487—2008《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》，礫巖巖體分類標(biāo)準(zhǔn)為：Ⅱ級(jí)對(duì)應(yīng)Vp>4 500 m/s，Ⅲa級(jí)對(duì)應(yīng)4 000 m/s

為了更直觀反應(yīng)建基面不同高程的巖體質(zhì)量級(jí)別，建立三維柱體剖面圖。17～20號(hào)壩段巖體聲波三維柱體圖見(jiàn)圖1。分析結(jié)果為：17號(hào)壩段巖體類別為Ⅱ類、18號(hào)壩段為Ⅲa～Ⅱ類、19號(hào)壩段為Ⅲa～Ⅱ類、20號(hào)壩段為Ⅱ類。17～20號(hào)壩段可研階段巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)總體趨勢(shì)與施工開(kāi)挖結(jié)果一致，以Ⅲa～Ⅱ類為主。

圖1　17～20壩段巖體聲波三維柱體示意

1.3建基巖體質(zhì)量檢驗(yàn)

選取17號(hào)壩段的變形試驗(yàn)、大剪試驗(yàn)成果進(jìn)行分析，與1.2節(jié)劃分結(jié)果可作對(duì)比。由變形試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，砂巖變形模量為12.8～19 GPa；礫巖為15.6～25 GPa；粉砂巖為5.8～8.3 GPa。變形模量最小值5.8 GPa，最大值25 GPa。采用優(yōu)定斜率法下限值獲得混凝土與堅(jiān)硬巖體(砂巖、礫巖)的抗剪斷強(qiáng)度參數(shù)建議值：f′=1.17，c′=1.21 MPa?；炷僚c粉砂巖抗剪強(qiáng)度參數(shù)建議值：f′=0.98，c′=0.93 MPa。巖體質(zhì)量類別為Ⅲa類。

同理可知，18、19、20號(hào)壩段巖體質(zhì)量級(jí)別分別為Ⅱ類、Ⅲa類、Ⅲa～Ⅱ類。變形試驗(yàn)、大剪試驗(yàn)結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查、波速劃分結(jié)果保持一致。

2建基面校核

為校核優(yōu)化后建基面高程980 m是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求，采用Phase進(jìn)行大壩應(yīng)力應(yīng)變特性分析。

2.1模型建立

以18號(hào)壩段為例，順河剖面為基本剖面。壩高159 m，壩頂高程1 139 m，蓄水位1 134 m，上游蓄水高度為1 134-980=154 m，下游蓄水高度為1 017.7-980=37.7 m。大壩斷面以三維剖切的斷面為計(jì)算斷面，考慮水壓力和大壩重力。網(wǎng)格剖分模型見(jiàn)圖2。

圖2　網(wǎng)格剖分模型

計(jì)算工況為蓄水前天然工況、正常蓄水天然工況和正常蓄水地震工況。地震加載大小及方式依據(jù)SL 203—97《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》，最大水平加速度值取0.2g，豎向設(shè)計(jì)地震加速度取水平向設(shè)計(jì)地震加速度代表值的2/3，為0.133g。

考慮變形試驗(yàn)與剪切試驗(yàn)結(jié)果并結(jié)合經(jīng)驗(yàn)值，綜合選取巖體力學(xué)參數(shù)(見(jiàn)表1)。

圖3　蓄水前天然工況模擬結(jié)果

巖組容重/kN·m-3變形模量/MPa泊松比μ內(nèi)摩擦角/(°)內(nèi)聚力/MPa微新巖體30150000.21501.3弱風(fēng)化下段巖體29101000.23481.16弱風(fēng)化上段巖體2880000.24450.8混凝土26200000.167552

2.2計(jì)算結(jié)果

蓄水前天然工況模擬結(jié)果見(jiàn)圖3。從圖3可知，壩踵處最大主應(yīng)力為1.36 MPa，壩趾處為0.45 MPa，達(dá)到建基巖體的要求。最大總位移3 mm出現(xiàn)在壩頂，最大垂直位移2 mm也出現(xiàn)在壩頂，從位移數(shù)值上看，該位移對(duì)壩基的影響不甚明顯。

正常蓄水天然工況和正常蓄水地震工況模擬結(jié)果為：

(1)天然工況最大主應(yīng)力從壩頂往壩基呈增大趨勢(shì)，壩踵為0.90 MPa，壩趾為1.35 MPa。地震工況壩踵處減小為0.40 MPa，壩趾處增加為3.60 MPa。地震使壩踵處最大主應(yīng)力值下降，壩趾處較大幅度增加。

(2)地震使壩趾處最小主應(yīng)力值由0.50 MPa增加到0.90 MPa。

(3)地震工況壩頂最大垂直位移為30.0 mm，相比天然工況，壩踵和壩趾位移均有所增加。

(4)2種工況最大水平位移均出現(xiàn)在壩頂。地震工況水平位移出現(xiàn)明顯增加，由30.0 mm增加到130.0 mm；壩踵和壩趾處位移同樣出現(xiàn)明顯增加，壩踵處水平位移由零增加到80.0 mm，壩趾處由10.0 mm增長(zhǎng)到80.0 mm，增幅較大。

(5)地震導(dǎo)致壩踵、壩趾、壩頂水平位移均增加。天然和地震工況水平位移均出現(xiàn)從壩頂?shù)綁位鶞p小的趨勢(shì)。

(6)2種工況僅在壩踵處存在拉張破壞。地震工況壩踵屈服區(qū)域?qū)挾让黠@增加，寬度所占比例由5%增加到10%。但是拉應(yīng)力的影響范圍不大，不會(huì)產(chǎn)生整體的拉張破壞。

2.3建基巖體安全系數(shù)

參考SL 319—2005《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》的安全系數(shù)k′標(biāo)準(zhǔn)：基本組合k′≥3.0；特殊組合k′≥2.5(校核洪水工況)，k′≥2.3(地震工況)。選用強(qiáng)度折減法評(píng)價(jià)壩體穩(wěn)定性。強(qiáng)度折減系數(shù)(SRF)與總位移最大值的關(guān)系曲線見(jiàn)圖4。由圖4可知，天然工況、地震工況下總位移最大值分別為4 cm和7.2 cm，安全系數(shù)分別為6.84和3.4，達(dá)到大壩設(shè)計(jì)要求。

圖4　強(qiáng)度折減系數(shù)(SRF)與總位移最大值關(guān)系

3結(jié)語(yǔ)

本文在對(duì)水電站壩址工程地質(zhì)條件調(diào)查分析的基礎(chǔ)上，對(duì)河床壩段建基巖體質(zhì)量級(jí)別進(jìn)行劃分，利用變形、大剪試驗(yàn)進(jìn)行檢驗(yàn)，采用phase進(jìn)行校核。主要結(jié)論如下：

(1)河床壩段的建基巖體結(jié)構(gòu)以厚層狀為主，巖性為砂巖、礫巖、粉砂巖。

(2)利用波速-巖級(jí)對(duì)應(yīng)關(guān)系，河床壩段巖級(jí)以Ⅲa～Ⅱ類為主；分析變形試驗(yàn)、大剪試驗(yàn)結(jié)果可知，優(yōu)化后的建基面滿足建基巖體的要求。

(3)壩趾處最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力增加幅度較大；壩頂、壩踵、壩趾總位移、水平位移明顯增加；垂直位移增加幅度較?。粔熙嗨苄苑植紖^(qū)寬度和深度均增加。

(4)強(qiáng)度折減系數(shù)均大于3(天然、地震)，滿足重力壩變形穩(wěn)定性要求。

(5)河床壩段選擇的Ⅲa～Ⅱ類巖體作為建基巖體滿足大壩對(duì)建基巖體變形和抗滑穩(wěn)定性的要求，大壩是安全的。

參考文獻(xiàn)：

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(責(zé)任編輯楊健)

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

中圖分類號(hào)：TU459

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：0559- 9342(2016)01- 0045- 04

作者簡(jiǎn)介：鄒浩(1983—)，男，湖北公安人，博士研究生，主要研究方向?yàn)閹r土體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)與利用；晏鄂川(通訊作者)．

收稿日期：2015- 05- 25