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(長江科學(xué)院 水利部巖土力學(xué)與工程重點實驗室，武漢　430010)

1　研究背景

拱壩屬于高次超靜定的空間殼體結(jié)構(gòu)，具有較強(qiáng)的應(yīng)力調(diào)整能力和巨大的超載能力，其承受的荷載一部分由拱的作用傳至兩岸巖體，另一部分由梁的作用傳至壩基。由于拱壩主要依靠兩岸山體的抗力來維持壩體穩(wěn)定，所以拱壩必須建在與之相應(yīng)的地基條件上，即壩基巖體必須具有足夠的承載能力和穩(wěn)定安全可靠性[1]。

目前國內(nèi)關(guān)于拱壩建基面巖體的選擇依據(jù)主要有3個:①《混凝土拱壩設(shè)計規(guī)范》(SL 282—2003)規(guī)定拱壩應(yīng)根據(jù)荷載、應(yīng)力分布、基巖條件等選擇新鮮、微風(fēng)化或弱風(fēng)化中、下部的基巖作為建基面[2];②《混凝土拱壩設(shè)計規(guī)范》(DL/T 5346—2006)規(guī)定壩基的開挖深度應(yīng)根據(jù)巖體質(zhì)量分級和承載要求等進(jìn)行確定，高壩應(yīng)開挖至Ⅱ類巖體，局部可開挖至Ⅲ類巖體[3];③《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(GB 50487—2008)規(guī)定Ⅰ,Ⅱ級巖體為優(yōu)良、良好的高混凝土壩地基；Ⅲ級巖體應(yīng)對結(jié)構(gòu)面進(jìn)行專門處理后，可作為高混凝土壩地基；IV級巖體能否作為高混凝土壩地基視處理效果而定[4]。

以上3個規(guī)范對拱壩建基面可利用巖體均僅為定性描述，并沒有給出具體的量化指標(biāo)，而且規(guī)范主要適用于壩高200 m以下的拱壩建基面選擇，對于壩高200 m以上的特高拱壩建基面選擇尚無相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)可供參考。

近年來，我國相繼建成了錦屏Ⅰ級、小灣、溪洛渡、拉西瓦等多座超過200 m的特高拱壩，積累了豐富的工程建設(shè)經(jīng)驗，取得了較多的科研成果。對特高拱壩建基面可利用巖體進(jìn)行分析與評價是當(dāng)前水利工程中的重點研究方向之一，具有重要的學(xué)術(shù)和工程意義，建立特高拱壩建基面可利用巖體的選擇標(biāo)準(zhǔn)，可為特高拱壩建基面巖體的選擇和評價提供參考。

2　國內(nèi)特高拱壩建基面巖體利用情況

2.1　錦屏Ⅰ級拱壩

錦屏Ⅰ級拱壩位于雅礱江下游河段，最大壩高305 m。壩址區(qū)河谷深切V形，兩岸地形地質(zhì)不對稱，地應(yīng)力水平較高，巖體卸荷強(qiáng)烈，斷層、層間擠壓錯動帶、節(jié)理裂隙、深度裂縫發(fā)育[5]。錦屏Ⅰ級拱壩的建基面是按照壩體部位及巖體質(zhì)量級別來進(jìn)行選擇的，兩岸低高程壩基，左岸建基巖體為Ⅱ級，右岸受斷層影響，巖體質(zhì)量級別為Ⅲ1級；在拱壩中上部區(qū)域，左岸拱座以Ⅲ1,Ⅲ2級巖體為主，右岸巖體主要為Ⅱ級，部分選用Ⅲ1級巖體[6]。

2.2　小灣拱壩

小灣拱壩位于瀾滄江中游河段，最大壩高294.5 m。壩址區(qū)河谷深切V形，屬于中高地應(yīng)力區(qū)，巖體卸荷作用強(qiáng)烈，結(jié)構(gòu)面較發(fā)育，壩基巖體開挖具有明顯的開挖松弛效應(yīng)。小灣拱壩建基面巖體主要為Ⅰ,Ⅱ級巖體，壩基巖體完整性好，呈整體塊狀結(jié)構(gòu)，屬新鮮和微風(fēng)化；對壩肩抗力巖體范圍內(nèi)及沿建基面分布的地質(zhì)缺陷體采用混凝土置換、挖除、固結(jié)灌漿等工程處理，提高建基面的整體性、強(qiáng)度及剛度[7-8]。

2.3　溪洛渡拱壩

溪洛渡拱壩位于金沙江下游河段，最大壩高278 m。壩址區(qū)河道順直，兩岸山體岸坡陡峻，呈對稱窄U形。壩基巖體為多期噴溢的玄武巖，強(qiáng)度高，整體塊狀結(jié)構(gòu)，風(fēng)化卸荷影響深度不大。溪洛渡拱壩建基面的選擇采用“以巖級為基礎(chǔ)，安全為準(zhǔn)則，合理利用弱風(fēng)化巖體作為建基巖體，兼顧拱端推力分高程區(qū)段確定其利用程度”的建基面確定和處理原則，中、下部高程建基面置于弱風(fēng)化下段Ⅲ1級巖體，上部基礎(chǔ)部分利用弱風(fēng)化上端Ⅲ2級巖體[9-10]。

2.4　拉西瓦拱壩

拉西瓦拱壩位于黃河上游，最大壩高250 m。壩址區(qū)河谷兩岸基本對稱，岸坡地形順直完整，呈V形。壩址區(qū)地質(zhì)構(gòu)造以中陡傾角斷層、緩傾角斷層以及隨機(jī)分布的節(jié)理、裂隙為主，弱風(fēng)化帶巖體是近岸坡巖體的主體,卸荷帶發(fā)育深度變化較大，工程區(qū)巖體賦存較高地應(yīng)力。拉西瓦拱壩建基面在高高程選用Ⅲ1級以上巖體，在中、低高程選用Ⅰ,Ⅱ級巖體[11]。

2.5　二灘拱壩

二灘拱壩位于雅礱江下游河段，最大壩高為240 m。壩址區(qū)內(nèi)構(gòu)造破壞微弱，斷裂規(guī)模較小。根據(jù)拱壩對地基的要求及二灘壩基巖體質(zhì)量分級方法，壩基分為6個大級：優(yōu)良巖體(A,B,C級)，可直接作為大壩基礎(chǔ)；一般巖體(D級)經(jīng)過灌漿后可作為大壩基礎(chǔ)；較差及軟弱巖體(E級)，原則上不宜作為壩基，需特殊處理；松散巖體(F級)，不能作為主體建筑物的基礎(chǔ)。二灘拱壩建基面主要選擇為A,B級巖體，部分選擇C級巖體[12]。C級巖體主要為塊狀正長巖，塊狀鑲嵌的各類玄武巖，結(jié)合較緊密，以弱風(fēng)化下段為主，根據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘查規(guī)范》(GB 50487—2008)，二灘C級巖體可大致與Ⅲ1級巖體對應(yīng)。

2.6　構(gòu)皮灘拱壩

構(gòu)皮灘拱壩位于烏江干流，最大壩高230.50 m。壩址區(qū)河谷兩岸基本對稱，為V形峽谷。壩址區(qū)巖體卸荷作用明顯，兩岸拱座均存在明顯的卸荷帶，壩基巖石堅硬、強(qiáng)度高，但壩址區(qū)巖溶強(qiáng)烈發(fā)育。構(gòu)皮灘拱壩中下部建基巖體以質(zhì)量較好的Ⅰ,Ⅱ類巖體為主，Ⅲ類巖體完整性中等-較完整，在拱端推力不大的部位經(jīng)適當(dāng)補(bǔ)強(qiáng)處理后進(jìn)行利用[13]。

2.7　大崗山拱壩

大崗山拱壩位于大渡河下游，最大壩高210 m。壩址河谷狹窄，谷坡陡峻，呈V形。壩址區(qū)地震烈度高，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，以小斷層和巖脈破碎帶為主，裂隙較為發(fā)育，裂面平直粗糙，巖體風(fēng)化卸荷強(qiáng)烈。大崗山拱壩在約1/2壩高高程以上以微新-弱風(fēng)化下段Ⅱ，Ⅲ1類巖體作為建基巖體，其中3/4壩高高程以上可局部利用Ⅲ2類巖體；兩岸中、低高程建基巖體以微新Ⅱ類為主，局部利用弱風(fēng)化下段Ⅲ1巖體；河床低高程壩段建基巖體為微新Ⅱ類巖體[14]。

上述7座拱壩地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造、巖性條件等雖均有差異，但巖體質(zhì)量分級是對巖體的軟硬程度、風(fēng)化程度、卸荷程度、完整程度及賦存環(huán)境等的綜合定性評價。超高拱壩建基面的選擇仍采用巖體質(zhì)量分級成果為選擇依據(jù)。

將拱壩按壩高30%,40%,30%的比例分為上部、中部、下部3個高度區(qū)[15]，在特高拱壩建基巖體選擇時，按高程分區(qū)進(jìn)行建基面可利用巖體的綜合選擇，特高拱壩建基巖體的利用匯總情況見表1。對于特高拱壩，在拱壩的低高程部位選擇巖體質(zhì)量好的Ⅰ,Ⅱ級巖體，在中、高高程則根據(jù)具體地質(zhì)條件，Ⅲ1,Ⅲ2級巖體有一定應(yīng)用。

表1　特高拱壩建基巖體利用情況

根據(jù)各拱壩建基巖體的利用情況可知，除溪洛渡拱壩經(jīng)專項論證使用Ⅲ1巖體作為建基巖體[16]，其余特高拱壩均選擇了Ⅱ級圍巖作為拱壩下部的建基面巖體，中部建基巖體以Ⅱ級巖體為主，同時考慮Ⅲ1級巖體的充分利用，上部建基巖體以Ⅲ1級為主，局部考慮Ⅲ2級巖體的利用。這表明Ⅱ級巖體作為特高拱壩的建基巖體已具有普遍的認(rèn)同度和豐富成功的工程實踐經(jīng)驗，而在拱端推力不大的中、高高程可有效利用Ⅲ1級、Ⅲ2級巖體作為建基面，減小嵌深。合理地選擇和利用Ⅲ級巖體作為拱壩建基巖體，在確保工程安全的前提下，可以兼顧工程經(jīng)濟(jì)合理性。

3　建基面可利用巖體的選擇因素分析

特高拱壩及壩基在荷載作用下的破壞模式為壓破壞和剪破壞，要求拱壩建基巖體應(yīng)具有足夠的承載能力、抗變形能力、抗剪切能力以及抗滑穩(wěn)定性。

3.1　巖體的承載力

壩基巖體一方面要承受壩體的自重荷載，另一方面又要承受大壩傳遞的外加荷載(水壓力、泥沙壓力等)并傳向深部巖體，對于200 m的特高拱壩，承受總水推力達(dá)千萬噸以上，如小灣拱壩總水推力約1 600萬t(1.6×105MN)，溪洛渡拱壩約1 500萬t(1.5×105MN)，錦屏Ⅰ級約1 300萬t(1.3×105MN)[17]，如此巨大的荷載通過拱壩傳遞到兩岸壩肩巖體，將使建基巖體內(nèi)產(chǎn)生較大的壓應(yīng)力。因此，特高拱壩一般要求巖石堅硬，有足夠的承載力，能夠承受巨大水壓而不產(chǎn)生壓裂破壞。

圖1　特高拱壩拱端推力分布

圖1為部分特高拱壩左岸拱端推力分布圖[15]，自壩頂往下水推力逐漸增大，至壩底偏上區(qū)域水推力達(dá)到最大，壩底水推力與拱壩中部相當(dāng)。通過對各特高拱壩水推力進(jìn)行統(tǒng)計，上部水推力約占總水推力的15%，中部占總水推力的50%～60%；下部占總水推力的30%～40%，各拱壩上部、中部、下部的推力占比基本相同。

拱壩最底部區(qū)域為河床壩段，拱端的承受水推力略有減小，但河床壩段基礎(chǔ)承受的自重荷載作用最大，表2列出了部分特高拱壩下游主壓應(yīng)力分布值[16]，主壓應(yīng)力自壩頂往下呈增大趨勢。拱壩的中、下部區(qū)是主要的承載區(qū)，因此根據(jù)拱壩各高程部位承受的荷載及主壓應(yīng)力大小不同，可對不同高程選擇不同質(zhì)量級別的巖體作為建基巖體。

表2　特高拱壩下游周邊主壓應(yīng)力分布

巖體的承載力與巖石的抗壓強(qiáng)度及結(jié)構(gòu)面的發(fā)育程度有關(guān)，巖石的強(qiáng)度是承載力的基礎(chǔ)。根據(jù)《水利發(fā)電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(GB 50287—2006)，在無巖體承載力試驗數(shù)據(jù)時，可利用巖石飽和抗壓強(qiáng)度，結(jié)合巖體結(jié)構(gòu)，取適當(dāng)?shù)恼蹨p系數(shù)進(jìn)行巖體承載力的估算[3]，計算方法見式(1)，折減系數(shù)見表3。

fa=kRc。

(1)

式中:fa為巖體承載力;Rc為巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度;k為折減系數(shù)。

表3　壩基巖體承載力折減系數(shù)經(jīng)驗取值

特高拱壩可利用巖體要求巖體完整-較完整，因此可取巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度的1/10～1/7作為建基巖體的承載力。

由于特高拱壩的壩基巖體不同、河谷寬度不同、拱壩體型不同，拱端壓應(yīng)力值會有所差別，但目前已建特高拱壩壩基巖體的最大壓應(yīng)力多為7～10 MPa，最大壓應(yīng)力一般只發(fā)生在拱壩的中下部區(qū)域，其他部位則相對較低，至近壩頂高程，壓應(yīng)力大幅度降低[11]。因此巖石抗壓強(qiáng)度最低要達(dá)50～60 MPa，才能滿足拱壩的承載力要求。

3.2　巖體的變形模量

壩肩巖體在受到拱座傳來的巨大壓力時，會產(chǎn)生較大變形，變形量過大對拱壩應(yīng)力影響較大，不利于拱壩的整體穩(wěn)定性。此外，拱壩的壓應(yīng)力和拉應(yīng)力隨變形模量的增大有一定減小，因此，特高拱壩要求建基巖體具有較高的變形模量。

通常情況下，拱壩中下部建基面巖體是拱壩的主要承力區(qū)，巖體變形模量須>大壩混凝土變形模量的1/3以上。特高拱壩對壩肩巖體產(chǎn)生的荷載從中下部往上是逐漸減小的，所以拱壩上部建基面巖體的變形模量可較中、下部基礎(chǔ)小。但是，為避免變形協(xié)調(diào)引起的應(yīng)力重分布使拱壩基礎(chǔ)局部部位產(chǎn)生應(yīng)力集中發(fā)生屈服破壞，建基面巖體應(yīng)盡量均勻，避免巖體軟硬突變。

表4統(tǒng)計了部分特高拱壩的主要巖體的變形模量，并列出了《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(GB 50487—2008)建議值。

表4　特高拱壩的巖體變形模量

特高拱壩建基巖體主要選擇的Ⅱ級、Ⅲ1級巖體，變形模量基本為10～20 GPa，甚至更高，略大于規(guī)范建議的同級別巖體的變形模量值，這是因為目前規(guī)范主要是針對壩高<200 m的拱壩，對于超過200 m的特高拱壩，變形模量值要求更高。通常能達(dá)到這樣高模量值的巖體，主要為巖漿巖、變質(zhì)巖、粗碎屑沉積巖構(gòu)成的質(zhì)地堅硬、風(fēng)化較弱、完整性較好的塊狀結(jié)構(gòu)巖體。

3.3　巖體的抗剪強(qiáng)度

特高拱壩壩肩巖體的應(yīng)力水平可達(dá)7～10 MPa，為防止壩基巖體在拱端壓力作用下產(chǎn)生剪切破壞甚至滑動，要求建基巖體具有較高的抗剪強(qiáng)度。

巖體的抗剪強(qiáng)度一方面取決于巖石本身的強(qiáng)度，另一方面取決于巖體結(jié)構(gòu)及賦存條件，通常介于巖石強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度之間。對于結(jié)構(gòu)完整、結(jié)構(gòu)面不發(fā)育的巖體，巖體強(qiáng)度主要由巖石強(qiáng)度控制；對于結(jié)構(gòu)面發(fā)育的巖體，其強(qiáng)度主要由結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)面的發(fā)育程度及特征控制。由于結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度遠(yuǎn)低于巖石的抗剪強(qiáng)度，巖體的失穩(wěn)破壞主要是沿結(jié)構(gòu)面的剪切破壞，對于可能引起失穩(wěn)破壞的軟弱結(jié)構(gòu)面或平行于岸坡的中緩傾角結(jié)構(gòu)面需要進(jìn)行必要的工程處理，提高強(qiáng)度參數(shù)，以滿足強(qiáng)度的要求。

表5、表6統(tǒng)計了部分特高拱壩較完整巖體的抗剪強(qiáng)度參數(shù)，并列出了《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(GB 50487—2008)建議值。

特高拱壩建基巖體主要利用的Ⅱ，Ⅲ1級巖體摩擦系數(shù)f多為1.0～1.5，黏聚力c多為1～2 MPa，規(guī)范建議的各級別巖體的摩擦系數(shù)值與各特高拱壩實際壩基巖體參數(shù)基本相當(dāng)，但黏聚力建議值要略低于特高拱壩實際利用巖體的黏聚力。

表5　特高拱壩的巖體摩擦系數(shù)

表6　特高拱壩的巖體黏聚力參數(shù)

4　建基面可利用巖體的選擇標(biāo)準(zhǔn)

特高拱壩建基面可利用巖體的選擇是多因素綜合考慮的結(jié)果，巖體本身的力學(xué)特性是基礎(chǔ)，拱壩的應(yīng)力條件和周邊地形地質(zhì)環(huán)境是重要影響因素。

拱壩在不同壩高部位，承受的荷載和應(yīng)力水平不同，對基礎(chǔ)巖體的基本要求不同，國內(nèi)特高拱壩在建基面巖體利用時，基本也是按照拱壩部位在不同高程選擇不同建基巖體。根據(jù)國內(nèi)特高拱壩建基面巖體的利用情況，可根據(jù)拱壩的拱端荷載分布按壩高30%,40%,30%的比例將拱壩分為上部、中部、下部3個高度區(qū)，建基巖體的選擇是以拱壩結(jié)構(gòu)所承受的荷載及應(yīng)力水平為基礎(chǔ)條件，以巖體能滿足承載穩(wěn)定性、抗滑穩(wěn)定性為基本前提，以巖體承載力、變形模量、抗剪強(qiáng)度指標(biāo)等為量化標(biāo)準(zhǔn)，以巖體質(zhì)量級別為選擇判據(jù)的綜合選擇過程。

雖然各拱壩建設(shè)區(qū)的地形地質(zhì)巖性等均具有差異性，但綜合國內(nèi)典型特高拱壩建基巖體的利用情況，可以提出特高拱壩建基面可利用巖體選擇的基本標(biāo)準(zhǔn)，供類似工程參考，見表7。特高拱壩根據(jù)建基面所處部位不同合理選擇利用不同的巖體作為建基巖體，可在確保安全穩(wěn)定性的條件下，兼顧工程經(jīng)濟(jì)性，優(yōu)化工程建設(shè)。

表7　特高拱壩建基面可利用巖體選擇標(biāo)準(zhǔn)

5　結(jié)　論

(1)國內(nèi)特高拱壩建基面可利用巖體選擇主要是以巖體質(zhì)量分級為綜合評價指標(biāo)，不同壩基部位選擇不同質(zhì)量級別的巖體。

(2)Ⅱ級巖體是特高拱壩的優(yōu)良的建基巖體，特高拱壩中部建基面可以有效地利用部分Ⅲ1級巖體，上部區(qū)域可適當(dāng)利用Ⅲ2級巖體，在確保工程安全的前提下，可以兼顧經(jīng)濟(jì)合理性。

(3)現(xiàn)階段規(guī)范主要適用于壩高<200 m的拱壩，特高拱壩因其高度更高、荷載更大，作為特高拱壩壩基的Ⅱ級、Ⅲ1級巖體的變形模量和黏聚力略大于規(guī)范建議值。

(4)特高拱壩建基面利用巖體應(yīng)以荷載及應(yīng)力水平為基礎(chǔ)，以拱壩穩(wěn)定為前提，以變形、強(qiáng)度等力學(xué)參數(shù)為依據(jù)，以巖體質(zhì)量級別為具體表征，可按不同高度分區(qū)域進(jìn)行綜合論證和選擇。

由于特高拱壩的地質(zhì)條件、壩型結(jié)構(gòu)等均不相同，荷載及應(yīng)力水平會存在差異，特高拱壩在進(jìn)行建基巖體選擇時需結(jié)合實際工程條件進(jìn)行論證。