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        天花板水電站拱壩建基面選擇及優(yōu)化調(diào)整研究

        2011-09-03 10:31:36王毅鳴鄧毅國
        水力發(fā)電 2011年6期
        關(guān)鍵詞:基面拱壩天花板

        王毅鳴,蘇 巖,鄧毅國

        (中國水電顧問集團(tuán)北京勘測設(shè)計研究院,北京 100024)

        1 工程概況

        天花板水電站位于云南省昭通市境內(nèi)牛欄江上,電站總裝機(jī)容量180 MW (2×90 MW混流式水輪發(fā)電機(jī)組),最大壩高107.0 m。水庫正常蓄水位1 071.00 m,總庫容0.787億m3,調(diào)節(jié)庫容0.362億m3,電站為不完全季調(diào)節(jié)電站。工程為三等中型工程,主要建筑物按3級建筑物設(shè)計,攔河壩和泄水建筑物設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇,相應(yīng)洪峰流量為3 530 m3/s,校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為500年一遇,相應(yīng)洪峰流量為5 650 m3/s。

        樞紐建筑物由碾壓混凝土拱壩、右岸岸塔式進(jìn)水口、2.5 km長引水隧洞、阻抗式調(diào)壓井、埋藏式壓力管道、地面廠房等組成。擋水建筑物采用碾壓混凝土雙曲拱壩,水平拱圈拱形采用拋物線型,壩頂高程1 076.80 m,原設(shè)計最大壩高113.0 m,壩頂弧長159.87 m,拱冠壩頂寬度6 m,最大壩高處拱冠梁底厚24.247 m,拱端最大厚度24.438 m,厚高比0.215。壩體設(shè)兩條誘導(dǎo)縫,第一條在1號表孔左側(cè),第二條在排沙孔右側(cè)。誘導(dǎo)縫采用徑向布置,將壩體分成3段,從左至右各壩段間距 (沿上游面弧長)分別為44.86、66.20、48.81 m。采用壩身泄洪方式,表、中孔相間布置。設(shè)置3個溢流表孔,孔口尺寸為 10 m×8.5 m,堰頂高程 1 062.5 m; 2個泄洪中孔,孔口尺寸5 m×6.5 m,進(jìn)口底板高程1 020 m。表孔采用挑、跌流結(jié)合的消能方式,中孔采用窄縫式,下游設(shè)置短護(hù)坦。此外,為保證電站進(jìn)水口 “門前清”,在壩身還設(shè)置了沖沙孔及延伸至進(jìn)水口前的沖沙廊道,排沙孔進(jìn)口底板高程1 025.00 m,孔口尺寸2 m×4 m。

        大壩上游面防滲主要采用二級配富膠凝材料碾壓混凝土,壩體其他部位采用三級配碾壓混凝土。首部樞紐的大壩及下游消能系統(tǒng)混凝土總量約36萬m3,其中碾壓混凝土約18.2萬m3,常態(tài)混凝土約17.8 萬 m3。

        2 壩址區(qū)地形地質(zhì)條件

        壩址區(qū)為典型的峽谷河段,兩岸地形陡峻,見有高度近百米及數(shù)百米的陡壁,山頂高程在1 650 m以上,岸坡平均坡度大于65°,河谷整體斷面呈“V”形。河床高程為989~991 m,河床寬30~40 m,河谷底寬約60 m,壩頂高程處河谷寬110 m。兩岸未見明顯的河流階地。壩址區(qū)基巖為富藻粉晶白云巖,巖層產(chǎn)狀平緩,傾向上游,為一傾向SE的單斜構(gòu)造, 左岸巖層產(chǎn)狀 NE55°~60°SE∠16°, 右岸巖層產(chǎn)狀 NE25°~30°SE∠11°~15°, 巖相較穩(wěn)定, 順江無區(qū)域性斷裂。河流流向為NW300°,與巖層走向近正交,屬橫向谷。

        壩址區(qū)對拱壩壩肩穩(wěn)定有影響的斷層主要有f11、f15、 f26、 f5。 f11斷層走向 331°, 傾向 SW, 寬 10~30 cm,斷面較平直,局部呈微弧狀,岸邊斷層帶寬約50 cm,帶內(nèi)見有壓碎巖、少量斷層泥,有明顯的擦痕。 f15斷層走向 330°~350°, 傾向 SW, 傾角 77°~82°,斷層寬30~50 cm,寬度變化大,斷面起伏不平,主要由壓碎巖、角礫巖組成,斷層面擦痕極為清晰,具有多期走滑性質(zhì),并見有數(shù)條羽狀斷裂。f26斷層走向285°,傾向SW,傾角44°,斷層寬20~50 cm,斷層帶內(nèi)主要為斷層角礫巖、壓碎巖,見有斷層泥,局部糜棱巖化嚴(yán)重,受溶蝕影響再膠結(jié)成蜂窩狀。f5斷層走向 330°~340°, 傾向 NE, 傾角86°,斷層寬10~20 cm,斷層裂面起伏稍粗糙,附泥膜及鈣膜,近水平向擦痕,右行特征,填充斷層角礫巖,局部無填充。

        天花板水電站壩址兩岸未發(fā)現(xiàn)相對隔水層,且兩岸地下水位埋藏較深,存在壩基下承壓水影響問題,壩基防滲設(shè)計十分復(fù)雜,需對壩基及兩岸山體進(jìn)行滲控處理。處理方案為垂直防滲,即采用懸掛式帷幕,壩基帷幕不揭穿承壓水層,深度不超過承壓水層頂板巖層,兩岸長度分別按考慮攔截下游清水河方向的滲漏通道、截斷f15等斷層的要求設(shè)置。

        3 施工圖階段拱壩壩基建基面設(shè)計優(yōu)化

        3.1 可研階段拱壩建基面高程選擇

        天花板壩址處河床高程為989~991 m,覆蓋層厚10~20 m,壩基巖石出露的頂面高程為974~989 m,壩基巖層為富藻粉晶白云巖。壩基底部建基面選擇位于弱風(fēng)化巖體上部的富藻粉晶白云巖層中,要求壩體建基面巖體最小縱波波速>4 000 m/s,飽和抗壓強(qiáng)度>50 MPa,由此選擇壩基建基面最低點(diǎn)高程為963.80 m。對于巖體聲波波速小于2 500 m/s的部位,按照斷層破碎帶處理原則,進(jìn)行局部加深開挖、置換混凝土和高壓固結(jié)灌漿處理。

        3.2 建基面選擇主要遵循的原則

        天花板拱壩為百米級高拱壩,根據(jù)工程區(qū)地形地質(zhì)條件和設(shè)計規(guī)范的一般要求,以及類似工程經(jīng)驗,施工圖階段建基面選擇主要遵循以下原則:

        (1)兩岸壩肩卸荷巖體全部挖除,壩基原則上可置于弱風(fēng)化巖體的中部偏上,在大壩上部可以進(jìn)一步放寬要求,接近強(qiáng)風(fēng)化下線、在弱風(fēng)化的上部附近。

        (2)對通過壩基的f15、f11等斷層,對斷層破碎帶進(jìn)行局部開挖,開挖深度結(jié)合揭示的斷層寬度確定,并進(jìn)行混凝土置換和高壓固結(jié)灌漿處理,斷層不作為拱壩建基面開挖的主要控制條件。

        (3)要求壩體基礎(chǔ)建基面巖體經(jīng)開挖或固結(jié)灌漿處理后最小縱波波速平均值>4 000 m/s,飽和抗壓強(qiáng)度>50 MPa。

        在壩肩、壩基開挖過程中,隨著工程地質(zhì)條件的逐步揭露,為進(jìn)一步節(jié)省工程投資和加快施工進(jìn)度,對拱壩建基面能否抬高開展了大量的試驗測試和研究計算工作。主要有河床基巖物探聲波測試、建基面基巖質(zhì)量分類、建基面抬高拱壩應(yīng)力敏感性分析等一系列工作。

        3.3 建基面物探聲波測試成果

        (1)左、右壩肩建基面物探聲波測試。為了了解左、右壩肩建基面的基巖質(zhì)量,隨著左、右壩肩開挖進(jìn)度,進(jìn)行了物探聲波測試。左壩肩1 063~978 m高程布置了11排共65個聲波孔,右壩肩1 038~978 m高程布置了7排共76個聲波孔。聲波測試成果為:左壩肩1 021~1 023 m高程的聲波波速為3 500~3 800 m/s, 其余層為 4 600~5 000 m/s;右壩肩受f15斷層影響,聲波波速值差別較大,斷層帶聲波波速為2 000~3 000 m/s,斷層影響帶為 3 000~3 500 m/s, 其他部位為 3 900~4 500 m/s。

        (2)拱壩水平建基面物探聲波測試。壩基開挖至980 m高程左右時,為了確定基巖面的具體位置及更好地評價河床壩基巖體質(zhì)量,設(shè)計單位在河床壩基均勻布置了4組物探聲波測試孔,每組3個孔,孔深10 m,孔間距1 m。從聲波測試成果來看,A組973~980 m高程聲波速度約為 2 000 m/s,973~970 m高程約為4 500 m/s;B組974~980 m高程聲波速度約為2 200 m/s,974~970 m高程約為3 000 m/s;C組僅測到7 m深, 973~980 m高程聲波速度約為2 000 m/s;D組974~980 m高程聲波速度約為2 000 m/s, 974~970 m 高程約為 4 500 m/s。

        從以上物探聲波測試成果分析可知,兩側(cè)的A組孔和D組孔位置970 m高程以下基巖能滿足壩基建基面的要求,河床中間的B組和C組孔尚未抵達(dá)滿足設(shè)計要求的基巖。

        壩基開挖至973 m高程左右時,設(shè)計單位再一次布置了15組物探聲波測試孔,每組3個孔,孔深10 m,孔間距 1 m。此次物探成果顯示,河床壩基965~970 m高程聲波波速約為3 000 m/s,960~965 m高程為4 000~5 000 m/s。隨后設(shè)計單位對開挖修整完成后的大壩建基面又進(jìn)行了物探檢測,在上次15組范圍外再布置6組物探聲波孔。物探成果顯示,河床壩基968~970 m高程聲波波速約為2 200 m/s, 968~960 m 高程為 4 500~5 500 m/s。

        3.4 建基面基巖質(zhì)量分類及壩基建基面的確定

        根據(jù)已有的壩基開挖揭露的情況,地質(zhì)工程師編制了技施階段設(shè)計建基面的基巖質(zhì)量分類分布圖,左壩肩拱肩槽巖體除了1 021 m高程左右受L13裂隙影響局部發(fā)育Ⅲ1類巖體外,其余基本都是Ⅱ類巖體;而右壩肩巖體工程地質(zhì)條件相對差一些,受f15斷層的影響,f15斷層及影響帶為Ⅳ~Ⅲ2類巖體,其他都為Ⅲ1類巖體;河床建基面f11斷層和f15斷層影響帶為Ⅲ2類巖體,靠左側(cè)有少量的Ⅱ類巖體外,其余大部分為Ⅲ1類巖體。Ⅱ、Ⅲ1、Ⅲ2類巖體的變形模量分別為10~12、8~10、5~8 GPa。天花板水電站拱壩左、右岸壩基巖體質(zhì)量情況見表1。拱壩基礎(chǔ)面970 m高程基巖質(zhì)量情況為:Ⅲ1類基巖1 872.3 m2,占壩基總面積的94%;Ⅲ2類基巖12.8 m2,占總面積的1%;Ⅳ類基巖102.4 m2,占總面積的5%。

        總體分析,天花板水電站拱壩壩基不同高程各類巖體質(zhì)量統(tǒng)計情況與設(shè)計單位前期地質(zhì)勘察分析成果相差不大。從施工階段969.8 m高程附近壩基面出露的地質(zhì)條件來看,河床壩基巖體質(zhì)量較好,接近969.8 m高程1~3 m范圍的一些聲波測試孔波速較先前測試的波速有所降低,分析認(rèn)為是施工爆破和開挖卸荷所致,即使進(jìn)一步開挖,這種現(xiàn)象依然存在。綜合分析認(rèn)為,969.8 m高程壩基巖體質(zhì)量較好,滿足建設(shè)百米級拱壩的條件,一些小范圍的薄弱地質(zhì)巖體,經(jīng)過壩基固結(jié)灌漿等工程處理后也滿足要求,可以作為拱壩壩基的建基面。

        4 拱壩壩體應(yīng)力復(fù)核設(shè)計計算

        4.1 主要計算參數(shù)

        在進(jìn)行天花板水電站拱壩壩體抬高應(yīng)力復(fù)核分析時,拱壩兩岸壩肩基礎(chǔ)開挖施工已完成,若過多地調(diào)整拱壩體形,會對壩肩開挖帶來影響,因此要求拱壩上部體形最好沒有變化。故拱壩壩體應(yīng)力復(fù)核是在拱壩體形不調(diào)整的前提下進(jìn)行的。

        施工圖設(shè)計階段,根據(jù)地質(zhì)工程師提出的壩基巖體變形模量,結(jié)合壩基基礎(chǔ)灌漿對提高變形模量的影響的工程經(jīng)驗和試驗,對壩基巖體的變形模量進(jìn)行了分析,提出了壩基基礎(chǔ)Ⅱ、Ⅲ1、Ⅲ2類巖體的變形模量分別為10.5~12.5、9~11、6~9 GPa。壩體應(yīng)力、應(yīng)變復(fù)核時,按照左右岸壩肩不同類別巖體所占面積的比例,采用平均的變形模量 (見表2)計算。

        計算采用的混凝土材料主要參數(shù)為:容重24.0 kN/m3,彈性模量22.0 GPa,泊松比0.167,線脹系數(shù) 0.935×10-5/℃, 導(dǎo)溫系數(shù) 3.0 m2/月。

        4.2 拱壩應(yīng)力、應(yīng)變復(fù)核成果

        天花板拱壩體形采用河床建基面高程抬高到969.8 m高程后的拱壩上部體形,封拱溫度采用設(shè)計封拱溫度,計算壩體徑向位移最大值為2.301 cm,發(fā)生在正常+溫降工況1 021 m高程處。各計算設(shè)計工況復(fù)核壩體最大主應(yīng)力見表3。

        表1 天花板水電站拱壩左、右岸壩基巖體質(zhì)量情況統(tǒng)計

        表2 天花板拱壩壩基各高程巖體變形模量

        表3 拋物線拱壩不同工況的上下游面最大主應(yīng)力

        從表3中可以看出,在荷載基本組合情況下,最大拉應(yīng)力為1.19 MPa,未超過1.2 MPa,發(fā)生在正常+溫降工況的下游面;最大壓應(yīng)力為4.99 MPa,未超過5.0 MPa,發(fā)生在正常+溫升工況的下游面。在荷載特殊組合下,當(dāng)不考慮地震時,最大拉應(yīng)力為1.24 MPa,未超過1.5 MPa,發(fā)生在壩體上游面;最大壓應(yīng)力為4.86 MPa,未超過5.88 MPa,發(fā)生在壩體下游面。在荷載特殊組合下,當(dāng)考慮地震時,最大拉應(yīng)力為2.63 MPa,未超過2.91 MPa,發(fā)生在地震+正常+溫升工況的上游面;最大壓應(yīng)力為6.21 MPa,未超過15.69 MPa,發(fā)生在地震+正常+溫升工況的下游面。

        綜上所述,7種工況的最大主應(yīng)力都小于允許應(yīng)力,應(yīng)力數(shù)值均滿足設(shè)計規(guī)范要求。

        根據(jù)國內(nèi)外拱壩工程建設(shè)的實踐分析,天花板拱壩體形滿足工程安全要求,對一些影響壩體應(yīng)力的外界因素有較好的適應(yīng)性。綜合地質(zhì)分析和壩體應(yīng)力、應(yīng)變及壩肩穩(wěn)定分析計算成果,確定壩基建基面高程由原設(shè)計的963.8 m調(diào)整到969.8 m,壩基建基面抬高了6.0 m。

        5 結(jié)語

        (1)通過對壩基建面高程的調(diào)整,天花板拱壩減少壩基開挖量約7 000 m3,節(jié)省混凝土量約5 000 m3,提前工期約3個月,取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。

        (2)水利水電工程壩基開挖后,揭露的基礎(chǔ)地質(zhì)情況與前期勘探分析的地質(zhì)情況會有所不同,故在壩肩、壩基開挖過程中,特別是將要開挖至大壩建基面附近時,要密切注意基巖質(zhì)量情況,水工設(shè)計人員與地質(zhì)工程師應(yīng)密切配合,隨時追蹤,及時調(diào)整設(shè)計參數(shù),及時向有關(guān)各方反饋意見,以確定合理的建基面高程。

        (3)目前,拱壩體形設(shè)計主要依靠各類拱壩計算程序開展,計算采用的方法主要有拱梁分載法、線彈性有限元法、非線性有限元法、有限元仿真分析計算等,有的重要工程還采用地質(zhì)力學(xué)模型等加以驗證。隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用,計算方法由簡單的結(jié)構(gòu)力學(xué)近似計算方法,發(fā)展為越來越接近施工實際的計算理論和方法。而壩體體形的計算和確定,由于受計算程序和計算者個人認(rèn)識和水平等的影響,尤其是受計算資料如水文氣象資料、地質(zhì)情況、筑壩材料、溫控措施的影響,與實際必然存在差異,因此在設(shè)計時應(yīng)當(dāng)重視拱壩壩體體形的適應(yīng)性,即不敏感性,使設(shè)計的拱壩體形對外界條件變化的適應(yīng)性強(qiáng),且壩體應(yīng)力變化小。天花板拱壩采用拋物線雙曲拱壩,在可研階段確定的拱壩體形參數(shù)適應(yīng)性強(qiáng),為施工圖階段壩基抬高、調(diào)整拱壩體形創(chuàng)造了有利條件。

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