尤 林， 張 沖， 龐明亮

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司， 四川 成都 610072)

0 前 言

拱壩是一種空間殼體結構，主要以壓力拱的形式，將作用在壩上的外荷載通過拱梁作用傳遞至兩岸山體，依靠壩體混凝土的強度和兩岸壩肩巖體的支承，以壩——基礎的聯(lián)合作用完成擋水任務。根據(jù)拱壩的受力特點：一是要求基礎巖體應有較高的承載力和抗變形能力；二是要求壩肩巖體在巨大的水荷載作用下必須有足夠的穩(wěn)定性。

1 工程概況

葉巴灘水電站是一座以發(fā)電為主要任務的大型水電樞紐工程；位于四川省白玉縣與西藏貢覺縣交界的金沙江干流降曲河口以下約4.5 km的河段上。電站正常蓄水位2 889.00 m，相應庫容10.80億m3，調(diào)節(jié)庫容5.37億m3，具有不完全年調(diào)節(jié)能力；電站裝機容量2 240 MW(含200 MW生態(tài)流量機組容量)，年發(fā)電量(聯(lián)合運行)102.80億kW·h。

壩址區(qū)地震基本烈度為Ⅶ度，大壩抗震設防類別為甲類，大壩設計地震峰值加速度水平354 gal。

電站樞紐由攔河大壩、泄洪消能及引水發(fā)電建筑物組成。攔河大壩采用混凝土雙曲拱壩，最大壩高217 m；泄洪消能采用“全壩身泄洪、空中無碰撞、壩后水墊塘消能”的設計方案，校核洪水10 100 m3/s；引水發(fā)電采用“右岸首部式廠房+長尾水”的布置方案。

2 工程地質條件

2.1 地形地貌

壩址區(qū)兩岸山體雄厚，河谷狹窄，谷坡陡峻，一坡到頂，緩坡平臺不發(fā)育，為基本對稱的深切“V”型峽谷。左岸坡度一般45°～55°，局部為陡崖地貌；右岸坡度一般40°～45°。壩址區(qū)巖體主要結構面橫河向發(fā)育，河谷呈似橫向谷特征。

2.2 地層巖性

2.3 地質構造

壩址區(qū)無區(qū)域性斷裂通過，小斷層和擠壓破碎帶較發(fā)育，節(jié)理裂隙亦以陡傾裂隙為主，緩傾裂隙不發(fā)育。

2.3.1 斷 層

壩址區(qū)斷層較發(fā)育，其中Ⅱ級斷層結構面主要有F1、F2、F3、F4共4條，Ⅲ級結構面共60條，平洞揭示Ⅳ級結構面共376條。斷層破碎帶主要由角礫巖、碎粒巖及碎粉巖等組成。斷層以中～陡傾為主，斷面上多見擦痕、階步，擦痕的側伏角一般都小于20°，多為平移性質。

壩址區(qū)斷層按走向主要有5組，分別為EW向中陡傾、NE～NNE向陡傾、NW向陡傾、NEE 向陡傾、NNE～NEE緩傾。

2.3.2 擠壓破碎帶

擠壓破碎帶一般由碎粒巖組成，受后期改造程度較弱的部位可見殘留原巖結構的初角礫巖、角礫巖，泥質成分含量低或無，多呈疏松砂糖狀，大多沒有明顯的影響帶。常被EW、NE向斷層限制，有時多條成帶發(fā)育，空間上錯列展布。傾角多中～緩，是影響拱壩抗滑和邊坡穩(wěn)定的重要結構面。

2.3.3 節(jié)理裂隙

壩址區(qū)裂隙以陡傾角為主，其中以傾角61°～80°最發(fā)育，其次為中傾角的裂隙，小于30°的緩傾裂隙在壩區(qū)發(fā)育較弱。裂隙按走向主要發(fā)育5組。J1：N70°～90°E/SE∠55°～75°，橫河中陡傾下游；J2：N30°～60°E/NW(SE)∠60°～85°，斜向陡傾上(下)游；J3：N30°～50°W/NE∠70°～80°，斜向陡傾左岸上游；J4：N10°～30°E/NW∠35°～55°(左岸)或N0°～20°E(W)/SE(NE)∠35°～55°(右岸)，順河中-陡傾左(右)岸。緩傾角節(jié)理裂隙主要有3個方向：N60°～90°E/SE∠10°～30°(J5-1)，橫河向緩傾下游；N0°～30°E/NW∠10°～25°(J5-2)，主要發(fā)育于左岸中低高程，順河緩傾右岸；N0°～20°W/SE∠10°～25°(J5-3)，主要發(fā)育于右岸，順河緩傾左岸。

2.4 風化、卸荷

2.4.1 巖體風化

壩址區(qū)巖體風化自表及里劃分為：強風化、弱上風化、弱下風化和微新四種。具有以下特征：

(1)總體風化不強，強風化零星分布，弱上風化帶厚度不大，弱下風化一般比弱卸荷淺。

(2)風化程度在水平方向上自表及里、由強變?nèi)酰诟叱躺嫌筛叩降?、由強變?nèi)酢?/p>

(3)受構造及地下水活動影響，斷層破碎帶及影響帶、構造擠壓帶及個別長大裂隙集中發(fā)育段，局部加劇風化形成強、弱風化夾層。

(4)低高程與中高程兩岸弱上風化、弱下風化深度相當，高高程右岸巖體弱風化深度比左岸深。

(5)低高程兩岸弱風化上段水平深度自上游向下游逐漸變深，中高程水平深度相當，高高程受局部地形影響向下游逐漸變淺。

(6)同一高程弱下風化水平深度自上游向下游的變化規(guī)律不明顯，與局部的地形有關，總體是溝槽部位略淺。

(7)河床少見弱上風化，普遍發(fā)育弱下風化，垂直深度一般5～15 m。

2.4.2 淺表卸荷

壩址區(qū)巖體淺表卸荷呈現(xiàn)以下特征：

(1)岸坡巖體卸荷較強，卸荷由表及里逐漸減弱，卸荷帶寬度由高到低逐漸變薄。

(2)河床無強卸荷分布，弱卸荷深度一般15～30 m。

(3)巖體強卸荷基本與弱上風化下限深度一致，弱卸荷深度比弱下風化下限深。

(4)兩岸低高程強、弱卸荷深度基本相當；中、高高程左岸巖體卸荷深度比右岸略淺。

(5)同一高程弱卸荷水平深度自上游向下游的變化規(guī)律不明顯。

2.4.3 深卸荷

壩址區(qū)兩岸的深卸荷分布于常規(guī)卸荷帶以里，埋深80～140 m，帶寬在0～30 m之間。結構面傾角以中～陡傾為主，走向與壩址區(qū)斷層或邊坡走向近于平行，受控斷層、長大裂隙或緩傾角錯動帶。主要優(yōu)勢方向可分為3組：N50°E/NW∠80°、N25°E/NW∠55°、N25°E/SE∠60°。

深卸荷根據(jù)巖體緊密程度、巖體完整性、巖體質量的影響，劃分為輕微松弛、中等松弛和強烈松弛3個級別。

(1)輕微松弛帶巖體較完整，局部完整性差，總體較緊密、部分中等緊密，次塊狀為主，局部鑲嵌結構，為Ⅲ1類巖體。

(2)中等松弛帶，鑲嵌～松弛次塊結構，為Ⅲ2s類巖體，受卸荷影響，均一性差。

(3)強烈松弛帶呈不連續(xù)透鏡狀分布，完整性差，松弛，塊裂結構，為Ⅳs類巖體，巖體強度較低，抗變形能力較差。壩基范圍內(nèi)主要為輕微和中等松弛型，強烈松弛型主要分布在拱壩的上游和下游。

淺表卸荷以里、深卸荷以外的巖體緊密巖帶厚度，緊密巖帶厚度隨高程升高的變化規(guī)律不明顯，但總體是高高程最厚，中高程最薄。壩址區(qū)分布的深卸荷帶為葉巴灘壩址典型地質特征。

2.5 地應力

壩址區(qū)河床第一段餅芯集中段最高高程為2 676.00 m，最低可至2 482.55 m仍見發(fā)育，Ⅲ線至Ⅰ′ 線之間第一段餅芯集中段最高高程為2 672.00 m。河床及兩岸低高程第一段餅芯集中段出現(xiàn)的深度淺，向深部發(fā)育分布范圍較大。

在壩址區(qū)兩岸水平埋深200.00 m以外，隨埋藏深度的增加而增大，應力場是構造應力和自重應力疊加的應力場，而構造應力是壩區(qū)應力場的主要組成部分，邊坡淺表回彈變形后地應力明顯降低。

3 拱壩建基面選擇

3.1 影響建基面選擇的主要因素

3.1.1 深卸荷帶

葉巴灘拱壩建基面內(nèi)普遍分布的深卸荷巖體，其具有明顯張性裂縫，變形模量較低；在深卸荷帶以外是Ⅱ2類緊密巖帶，以里為微新弱卸荷的Ⅱ1類巖體。拱壩建基面選擇時，如果建基面過于深嵌，將越過深卸荷帶，則必然導致壩體工程量增加，并加大壩體承受的總水推力，加重壩肩抗滑穩(wěn)定的負擔，而且還可能帶來壩肩開挖高邊坡的穩(wěn)定性問題；如果過于淺嵌，則無法避免建基面中下部高程大量出現(xiàn)Ⅲ2級巖體，嚴重影響建基面的巖體質量。

因此，如何結合深卸荷帶的分布，在盡量避讓的基礎上，充分利用深卸荷帶外側的緊密巖帶，成為了葉巴灘拱壩兩岸建基面選擇的關鍵。

3.1.2 斷層破碎帶

葉巴灘拱壩基巖由于各類斷層發(fā)育，影響壩基的均勻性，尤其是F1、F2斷層在河床壩段壩踵附近出露，切割帷幕，亦影響了河床壩段建基巖體質量；另外，多條小斷層密集發(fā)育于壩基，將導致基巖質量變差，也影響壩基的均勻性，導致壩體變形不對稱。

因此，在建基面選擇時，盡量避讓F1、F2斷層及其影響帶的影響，亦是河床建基面選擇的關鍵；同時，應加強小斷層集中區(qū)處理措施。

3.1.3 地應力

河床區(qū)域鉆孔巖芯餅芯現(xiàn)象突出，表現(xiàn)出了明顯的中等地應力特征。在保證建基巖體質量的基礎上，盡量遠離餅芯集中發(fā)育區(qū)，同樣是河床建基面選擇的關鍵。

3.2 建基面擬定

3.2.1 建基面擬定原則

葉巴灘拱壩壩高217.0 m，承受的總水推力約600萬t，建基面擬定原則為：建基巖體具有較好的完整性，滿足基礎承載力的要求；壩肩抗力體具有較好的穩(wěn)定性，滿足拱座抗滑穩(wěn)定要求；建基面平順，避免壩體應力集中的不利影響；在盡量避讓深卸荷巖帶、保證建基面平順的基礎上，充分利用緊密巖帶及弱下風化Ⅲ級巖體作為大壩基礎，并分區(qū)段確定利用程度。

3.2.2 河床建基面選擇

由于Ⅲ線至Ⅰ′ 線之間第一段餅芯集中段最高高程為2 672.00 m，故此高程以下不利于河床建基面開挖；又由于高程2 679.00 m大范圍出露弱下風化弱卸荷Ⅲ2類巖體，不滿足建基巖體利用要求，而高程2 673.00～2 677.00 m，建基面Ⅱ類巖體占比相當；同時，考慮建基面盡量遠離斷層F1、F2及其影響帶的影響。

葉巴灘拱壩河床建基面確定高程為2 677.00 m。

3.2.3 兩岸建基面選擇

初擬三個建基面方案：EX1、EX2和EX3。

(1)EX1方案。按照規(guī)范要求，左右岸中下部高程及河床建基面采用Ⅱ類巖，上部高程建基面采用Ⅲ1～Ⅱ類巖，建基面上盡量不出現(xiàn)Ⅲ2類巖。

(2)EX2方案。按照規(guī)范要求，并結合弱下風化Ⅲ級巖體合理利用的研究成果，左右岸中下部高程建基面采用Ⅲ1～Ⅱ類巖，上部高程建基面局部利用Ⅲ2類巖。

(3)E3方案。對EX2方案的建基面進一步減少嵌深，左岸中下部高程建基面盡可能利用Ⅲ1類巖，上部高程建基面局部利用Ⅲ2類巖；右岸中下部高程建基面主要采用Ⅲ1類巖，部分利用Ⅲ2類巖石，上部高程建基面主要采用Ⅲ2類巖。

各建基面方案拱壩體形參數(shù)特征值、壩體應力成果及壩肩抗滑穩(wěn)定成果見表1～3，各建基面方案下游拱端嵌深及巖體質量比較見圖1。

表1 各建基面方案拱壩體形參數(shù)特征值比較

表2 各建基面方案壩體應力成果比較

表3 各建基面方案壩肩抗滑穩(wěn)定成果比較

圖1 各建基面方案下游拱端嵌深示意

從工程地質、拱壩布置及相關計算等綜合比較分析來看，三方案均能滿足拱壩壩體應力控制標準和拱座的穩(wěn)定控制條件。相比較而言，EX1方案增加了拱圈的跨度及壩肩嵌深，增加了壩體混凝土及壩肩開挖工程量以及壩面承受的總水推力；EX2、EX3方案將拱壩建基面適當調(diào)整，上部高程拱圈局部利用Ⅲ2類巖體，下部高程拱圈基本上利用Ⅲ1、Ⅱ類巖體，有利于減小拱圈跨度，降低壩面承受的總水推力，便于拱壩體形設計，減少壩體混凝土及壩基開挖的工程量；EX3方案增加了建基面處理措施，增大了施工難度，不利于施工工期控制。

因此，葉巴灘拱壩兩岸建基面選定EX2方案。

3.3 葉巴灘拱壩建基面

根據(jù)以上研究成果，葉巴灘拱壩河床建基面高程2 677.00 m，左右岸中下部高程建基面采用Ⅲ1～Ⅱ類巖，上部高程建基面可局部利用Ⅲ2類巖。建基面巖體質量見圖2。

圖2 建基面巖體質量示意

4 拱壩體形設計

葉巴灘拱壩具有“河谷窄、拱壩高、泄量大、地質條件復雜、地震烈度高”等諸多特點。拱壩體形設計時，立足現(xiàn)有設計分析技術水平，結合工程特點，進行多種方案比較、多種方法分析、多種手段論證，達到設計方案安全可靠，技術可行，經(jīng)濟合理。

葉巴灘拱壩體形設計遵循以下原則：壩體具有足夠的強度，滿足應力控制標準，應力分布狀態(tài)良好；壩體具有適宜的拱向剛度，充分發(fā)揮兩岸壩肩的抗力作用；在滿足壩體強度要求的前提下，采用扁平拱布置，盡量使拱推力指向山體內(nèi)部，有利于壩肩穩(wěn)定；要求建基面規(guī)則、平順，避免拱壩周邊突變帶來不利結構應力；盡量使體形簡單，方便施工；要求大壩具有較強的適應壩基變形的能力。

4.1 拱圈線型選擇

近二十年我國已建的200 m級高拱壩統(tǒng)計見表4。通過對拋物線、對數(shù)螺旋線、統(tǒng)一二次曲線、三心圓等拱圈線型進行計算分析得出：不同拱圈線型均能適應葉巴灘壩址地形、地質條件，工程量、應力、穩(wěn)定及大壩變形也基本相當，各項主要設計指標總體差異不大。

考慮拋物線型拱壩具有更多的成熟設計、施工經(jīng)驗。因此，葉巴灘拱壩水平拱圈采用拋物線型式。

表4 我國已建高拱壩水平拱圈線型統(tǒng)計

4.2 厚高比選擇

葉巴灘拱壩壩高217.0 m，屬于高拱壩之列；采用全壩身泄洪，壩身布置5個表孔和4個深孔，局部削弱了結構的整體性和剛度；壩址區(qū)地震基本烈度為Ⅶ度，大壩抗震設防類別為甲類。根據(jù)工程經(jīng)驗，葉巴灘拱壩厚高比宜采用不低于0.2的中厚拱壩。

4.3 最大中心角選擇

《混凝土拱壩設計規(guī)范》中關于拱圈最大中心角合理值為75°～110°；同時，根據(jù)雙曲拱壩特點，減小中心角，有利于減小大壩混凝土方量，降低工程投資。參考已建高拱壩工程，根據(jù)葉巴灘地形特點，拱圈最大中心角控制在75°～95°。

4.4 上游壩面倒懸度控制

在滿足應力控制標準及壩身泄洪孔口布置要求的前提下，合理選擇拱壩豎向曲率，倒懸度不宜大于0.3；同時，壩體自重是抵消拱壩壩踵拉應力的主要因素，增加壩體上游面底部的倒懸度，對減小壩踵拉應力作用很大。但倒懸度選擇必須合理，以便有利于施工及泄洪設施布置。參考我國已建高拱壩工程最大倒懸度情況，葉巴灘拱壩上游倒懸度控制在0.2左右。

4.5 葉巴灘拱壩體形

葉巴灘拱壩體形依據(jù)上述分析，并通過多個設計方案調(diào)試，靜力、動力、抗滑穩(wěn)定及整體穩(wěn)定等計算分析后確定。其體形特征值參數(shù)見表5。為了減少大壩建基面開挖量，葉巴灘拱壩上游拱端進行了切角設計：高程2 730.00 m以上切角15°，高程2 700.00 m以下不切角，高程2 730.00～2 700.00 m拱端切角呈線性變化。

表5 葉巴灘拱壩體形特征值參數(shù)

5 多方法、多手段分析論證

5.1 靜力法

5.1.1 拱梁分載法

葉巴灘拱壩拱梁分載法(靜力)采用中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司開發(fā)的ADSC-CK拱梁分載法程序，對拱壩體形在各種單項荷載、荷載組合作用、施工期、混凝土變形模量及基礎適應性等方面進行計算分析，并與二灘、大崗山等拱壩工程進行類比。結果表明：葉巴灘拱壩壩體應力、位移分布規(guī)律與已建拱壩基本一致，應力滿足規(guī)范要求，且對地基具有較強適應能力。

5.1.2 線彈性有限元法

葉巴灘拱壩線彈性有限元采用ANSYS商業(yè)軟件，對拱壩及壩址區(qū)巖體進行模擬，分析壩體應力、位移及分布規(guī)律，并進行工程類比。結果表明：壩體應力、位移分布規(guī)律與已建拱壩基本一致，除小部分區(qū)域存在一定的應力集中外，壩體拉壓應力滿足應力控制標準。

5.2 動力法

5.2.1 拱梁分載法

葉巴灘拱壩拱梁分載法(動力)采用中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司開發(fā)的程序進行計算，并進行工程類比。結果顯示：大壩在動力作用下，不管是正常蓄水位還是死水位，動力反應以及靜動綜合反應在規(guī)律上基本一致，極值出現(xiàn)的部位一致。這與已建拱壩規(guī)律基本一致。

5.2.2 非線性有限元法

葉巴灘拱壩非線性有限元采用商業(yè)軟件進行計算，考慮地基非線性、壩體橫縫、壩體材料非線性，在設計地震波作用下，葉巴灘拱壩動力響應較小，大壩抗震是安全的。

5.3 壩肩抗滑穩(wěn)定

根據(jù)葉巴灘壩基的地質條件，對左右岸各可能滑塊組合及滑移面計算產(chǎn)狀進行分析，采用剛體極限平衡法進行計算。計算表明：

(1)左右岸控制性滑動模式均為一陡一緩模式。

(2)左岸控制性滑塊的抗力與作用效應比均大于1.00，滿足規(guī)范控制標準的要求。

(3)右岸控制性滑塊R4抗力與作用效應比大于1.00，滿足規(guī)范控制標準的要求。R2、R3、R3′均以f29斷層為側裂面、J5為底滑面，其抗力與作用效應比略小于1.00；通過敏感性分析表明：隨著底滑面J5抬高，滑塊體積變小，抗滑穩(wěn)定抗力與作用效應比值越大，同時考慮對側裂面f29斷層采取置換處理措施后，滿足規(guī)范控制標準的要求。

(4)總體而言，葉巴灘拱壩壩肩穩(wěn)定滿足設計要求。

5.4 拱壩整體穩(wěn)定評價

5.4.1 三維非線性有限元整體穩(wěn)定分析

采用超水容重的超載法計算表明，整體穩(wěn)定超載安全系數(shù)K1=1.8～2.0，K2=3.5～4.0，K3=7.5；通過與國內(nèi)外同類大壩各項指標比較，葉巴灘拱壩整體變形、應力分布滿足規(guī)范，整體安全有保障。

5.4.2 整體地質力學模型試驗

葉巴灘整體地質力學模型范圍：向上游1倍壩高、向下游的2倍壩高、兩岸各2倍壩高左右、建基面向下1倍壩高，壩頂以上100 m范圍控制，模型幾何比CL=200。模型試驗表明：整體穩(wěn)定超載安全系數(shù)K1=1.6～1.8，K2=3.6～4.0，K3=6.6在控制性指標范圍之內(nèi)；與類似拱壩工程的超載安全系數(shù)相當，葉巴灘拱壩整體穩(wěn)定性較好。

通過以上方法和手段分析論證，說明葉巴灘拱壩建基面選擇是合理的，拱壩體形設計能夠適應壩址區(qū)地形、地質條件的，拱壩-地基整體是安全、可靠的。

6 結 語

拱壩設計中合理選擇建基面以及合適的拱壩體形，既可大大減少基礎開挖和大壩混凝土工程量，又能節(jié)省工程工期，具有顯著的社會經(jīng)濟效益。

本文向廣大拱壩設計者介紹金沙江上游葉巴灘拱壩建基面選擇采用“以巖級為基礎，以安全為準則；合理利用弱風化Ⅲ級巖體、充分利用深卸荷帶以外的緊密巖帶作為大壩基礎巖體，并分區(qū)段確定利用程度”的設計原則、拱壩體形設計運用“多種方法、多種手段進行分析及安全評價”的方法，希望以此促進拱壩設計向更加安全、經(jīng)濟和合理的方向發(fā)展。