强震区软岩坝基上重力坝的可行性研究与设计

2018-07-03巩绪威张芳勇华鹏飞

水电站设计 2018年2期

巩绪威，张芳勇，华鹏飞

(上海勘测设计研究院有限公司，上海 200434)

1 工程概况

拟建的玛尔水电站为巴基斯坦东北部吉拉姆河(Jhelum River)上5级开发中的第2个梯级，坝址处多年平均流量796 m3/s，频率0.05 %、0.2 %、2 %洪峰流量分别为23 200 m3/s、18 500 m3/s和11 000 m3/s。水库正常蓄水位585.00 m，校核洪水位587.66 m，总库容1.52亿m3，电站总装机容量640 MW。

枢纽工程主要由挡水、泄洪消能、引水发电等建筑物组成。挡水坝为碾压混凝土重力坝，坝顶高程592.40 m，最大坝高88.4 m，坝顶全长372.5 m，从左到右由左岸非溢流坝段、厂房进水口坝段，泄洪排沙孔(中孔)坝段、溢流坝段、右岸非溢流坝段组成(见图1)。

图1 枢纽布置示意(单位：m)

坝址河段为一纵向谷，大坝位于背斜的核部，坝基由中厚层中细粒砂岩，泥岩、泥质粉砂岩和粉砂岩构成，岩体软硬相间分布，中陡倾角产状，带宽分布不均，两岸卸荷深度较大，消能区岩体抗冲能力低。场区内50年超越概率10%的基岩地震动峰值加速度为0.3 g，地震基本烈度为Ⅷ度，坝址最大可信地震MCE值为0.58 g。

2 坝址地形地质条件

坝址段河谷两岸山体雄厚，近似呈“V”型，左岸高程540～575 m为残留阶地，高程575 m以上为自然山坡，主河槽偏右岸，宽约50 m，右岸610 m高程以下边坡较陡，以上边坡稍缓。全风化带零星分布，强风化带厚度一般5～12 m，弱风化带厚度大于50 m。坝基Ⅲ类岩体约占50.4%，主要由中细粒砂岩和粉砂岩构成，强度较高，完整性较好；Ⅳ类岩体约占44.8%，主要为泥岩和泥质粉砂岩，为软质岩，部分泥岩水稳定性差，具浸水崩解、失水干裂缺陷特点；Ⅴ类岩体约占4.8%，主要为断层破碎带、层间错动及其影响带，抗剪强度较低。坝基岩体允许承载力：Ⅲ类4～7.5 MPa，Ⅳ类2～4 MPa，Ⅴ类0.5～1 MPa，变形模量为2～6 GPa。左岸地下水位埋深13～58 m，右岸地下水位埋深11～53.5 m，地下水位变幅2.8～6.3 m。坝基岩体透水率q小于5 Lu，界线埋深左岸80～100 m，河床段20～30 m，右岸40～70 m。

3 坝型选择

本工程具有河谷狭窄、泄水量大、泥沙问题突出等特点，坝址河道顺直、两岸山体雄厚，无布置岸边溢洪道地形条件，岩体内布置泄洪隧洞成洞条件差，且枢纽开挖料不宜作为坝体主堆石料，因此不考虑堆石坝坝型；混凝土重力坝可利用坝身布置表孔溢洪道及泄洪排沙孔，国内已有不少软岩坝基修建混凝土重力坝工程实例(见表1)。国内工程有修建碾压混凝土大坝的成功经验，为便于通过合理分缝提高大坝整体性，充分发挥碾压混凝土施工速度快的优势，采用碾压混凝土重力坝坝型。

表1 国内软岩坝基上混凝土重力坝部分工程实例

4 主要技术问题及设计思路

经坝址工程地质条件研究分析，主要存在以下几方面问题：坝基岩层抗剪和抗压强度低，可能因为滑移失稳或承载力不足而破坏；坝基软硬岩层相间，可能产生较大不均匀变形和应力集中；局部软化的泥岩及错动带软弱夹层可能发生渗透破坏或产生较大渗漏；消能区岩体抗冲刷能力低，可能发生冲刷破坏；在地震作用下可能发生失稳或超过允许的变形。针对上述问题，主要设计思路如下：

(1)坝体布置结合枢纽布置全面考虑，泄洪消能防冲型式的选择应避免下泄水流对坝基、下游河床及岸坡的冲刷破坏，并通过水工模型试验验证；

(2)综合考虑地基与上部结构之间的相互关系，调整上部结构型式，使上部结构与地基工作条件协调，合理分缝，以满足抗震、温控及适应变形要求；

(3)设置有效和完善的防渗和排水系统，降低滑移面上的扬压力，避免或减轻渗透破坏和减少渗漏量；

(4)选择合适的建基面和开挖方式，建基面采用保护措施，坝基采用全面固结灌浆，根据地质条件和坝基应力分布情况加强处理；

(5)由于地基条件复杂，采用材料力学法和刚体极限平衡法计算成果作为确定坝体断面的依据，并以有限元法计算分析结果进行验证。

5 坝体结构设计

5.1 坝体断面设计

传统的实体混凝土重力坝断面上游坝坡1 ∶0～1 ∶0.2，下游坝坡1 ∶0.6～1 ∶0.8，坝底宽约为坝高的0.7～0.9倍。由于岩基较为软弱，经初步计算，稳定和坝基应力不满足规范要求。拟对上部结构进行调整，初选以下四种断面型式：

(1)加大坝体断面型式。扩大基岩的接触面，提高抗剪能力，分散基底应力。坝顶宽度10 m，上游面535.00 m高程以上垂直，以下1 ∶0.25；下游坡比1 ∶0.9。

(2)设置坝趾齿墙型式。下游开挖深10 m、底宽10 m、坡比1 ∶1的齿槽，并回填混凝土形成坝趾齿墙，利用尾岩抗力提高抗剪能力。坝顶宽度10 m，上游面535.00 m高程以上垂直，以下1 ∶0.2；下游坡比为1 ∶0.7。

(3)设置混凝土基座型式。在基岩面上设置厚度15～20 m基座，以分散应力，增大抗剪力，伸出上游面10 m，下游根据计算确定。坝顶宽度10 m，上游面垂直，下游坡比为1 ∶0.7。

(4)坝池连接型式。坝体和消力池之间仅设施工缝，将消力池在一定长度范围内深挖加厚，利用下游消力池自重和岩体抗力以提高坝体抗滑稳定性。

断面型式(1)在传统重力坝断面基础上，对上下游坡适度放缓，坝体略显肥大，坝体布置相对较为简单；断面型式(2)是重力坝设计中常用的处理措施，但开挖齿槽施工困难，影响工期，回填混凝土受周围基岩约束，需加强温度控制，且坝基岩体软硬相间，开挖可能影响到上游坝基；断面型式(3)通过调整底板基座的长度可保证抗滑稳定性和适应基础岩层变化，减少河床的挖方，但底板混凝土工程量大；断面型式(4)通过坝池之间内力平衡来提高坝体抗滑稳定性，是经济有效的处理方式，但坝基应力改善甚微，消力池本身的稳定性及水流冲刷给大坝带来风险。经综合经济技术分析，采用断面型式(1)。

5.2 坝体分缝及温度控制

根据《混凝土重力坝设计规范》，常态混凝土重力坝的横缝间距可为15～20 m，碾压混凝土重力坝横缝间距可适当加大。国内近期完建的碾压混凝土重力坝，横缝间距一般为20～30 m，如：大朝山为18～20 m、龙滩为22 m、景洪为30 m、功果桥为21 m、鲁地拉为20 m，金安桥为30 m。本工程从大坝抗震、坝基抗滑稳定及适应地基变形出发，横缝间距越大越好；但坝体较肥大，从温控防裂要求出发，横缝间距不宜太大，初拟横缝(诱导缝)间距在15～25 m之间。大坝共分20个坝段，设置19条横缝。参照国内工程实践经验，横缝采用切缝机具切制，每碾压浇筑层厚约30 cm，切制深度20 cm，顺水流方向间隔切制2/3长度，切缝填无纺布，横缝具有诱导缝的性质。

坝体防裂及温度控制设计以13号溢流坝段为例，坝段顺河向方向长83.4 m，宽20 m，材料分区见图2。浇筑分层常态混凝土垫层1.5 m，基础约束区2 m，非约束区3 m，层间间歇7 d，第4年5月浇筑碾压混凝土。初拟采用HDPE塑料管进行通水冷却，外径32 mm，内径28 mm，间距1.5 m×1.5 m(水平×垂直)，通水流量1.2 m3/h，每12 h交换一次通水方向。浇筑温度18℃，通当月河水冷却，通水时间20 d。

图2 大坝混凝土材料分区

经采用有限元法进行温度场、温度应力分析，垫层混凝土的后期拉应力较大，稳定后为1.19 MPa，小于该龄期的容许拉应力1.37 MPa。坝体内部点温度拉应力均很小，坝体表面点的温度应力随时间的推移逐渐增大，但应力峰值均在容许拉应力范围内，坝体混凝土能够满足混凝土允许抗拉要求。

5.3 坝体结构计算

按刚体极限平衡法和材料力学法计算稳定及应力，计算坝段选取： 18号挡水坝段、13号溢流坝段、11号中孔坝段、9号进水口坝段。18号坝段建基面约45%坐落于ⅣC2岩层，55%坐落于Ⅲ1B岩层，抗剪断强度参数取加权平均值，f=0.75，C=0.65 MPa；13号坝段建基面坐落于Ⅲ1B岩层，抗剪断强度参数取f=0.85，C=0.8 MPa； 11号坝段建基面约83%坐落于ⅣC2岩层，17%坐落于Ⅲ1B岩层，抗剪断参数取加权平均值，f=0.69，C=0.56 MPa；9号坝段建基面约25%坐落于Ⅲ1B岩层，11%坐落于ⅣC1岩层，64%坐落于ⅣC2岩层，抗剪断参数取加权平均值，f=0.72，C=0.6 MPa。对11、13号坝段，考虑坝基采用抽排措施，坝基浮托力降低，浮托力折减系数采用0.8。计算结果表明，坝基面抗滑稳定满足规范要求，各工况下基底应力均小于地基允许承载力最小值2 MPa，坝踵未出现拉应力，挡水坝段完建期坝址拉应力为-0.015 MPa，大于-0.1 MPa，满足规范要求。

坝体沿碾压混凝土层面稳定及应力计算选取18号挡水坝段530.00 m、560.00 m、581.39 m及13号溢流坝段520.00 m、535.00 m高程进行，混凝土层间抗剪断参数采用f′=1.0、C′=1.3 MPa，坝体排水管处渗透压力强度系数为0.2，计算结果表明层面抗滑稳定及应力满足规范要求。

为全面了解建坝以后整个坝基的变形情况，采用整体三维有限元模型对正常蓄水位工况下的应力应变进行计算分析，计算模型见图3。坝基范围：坝踵上游、坝趾下游及两岸各延伸120 m，坝基深度90 m。考虑横缝内设置键槽，非连续切缝具有诱导缝性质，计算分析了坝体-地基系统在横缝有接触模型(考虑整体作用)和横缝无接触模型(不考虑整体作用)两种工况下的地基变形。

图3 坝体和坝基整体三维计算模型

在考虑横缝接触和不考虑横缝接触两种工况下，坝基最大沉降分别为1.17 cm和1.42 cm，坝基沉降较小；地基变形的梯度很小，相邻坝段的沉降差值在2 mm以内，不影响大坝正常运行；考虑横缝间的作用即部分考虑大坝的整体作用，均化了坝基的不均匀沉降。坝基变形情况见图4。

图4 坝基变形示意

5.4 大坝抗震设计专题研究

抗震分析除采用拟静力法分析外，还进行了材料力学法地震反应分析、反应谱法三维有限元地震分析及时程法三维有限元地震分析。计算坝段仍为18号、13号、11号、9号坝段。

采用拟静力法对各计算坝段沿建基面进行抗滑稳定及应力计算，对18号坝段530.00 m、560.00 m、581.39 m高程及13号坝段520.00 m、535.00 m高程进行坝体层面抗滑稳定及应力计算。计算结果表明，坝基面及坝体层面抗滑稳定、应力满足规范要求。

采用材料力学法进行静、动态分析，大坝各坝段基频在1.20～2 Hz之间，第5阶频率均已达到15 Hz以上；在静荷载作用下，坝面基本无拉应力出现。在设计地震规范标准反应谱作用下，坝体静动综合应力水平总体不高，最大静动综合拉应力数值在1.76 MPa，混凝土的抗拉、抗压强度安全、沿各高程层面的动力抗滑稳定、沿建基面抗滑稳定安全均满足规范要求。

采用三维线性有限元进行振型分解反应谱法，各坝段基频计算结果与材料力学法结果基本接近。在正常蓄水位静态荷载作用下，各坝段在坝踵存在一定程度的拉应力集中；各坝段在静动荷载作用下，较大拉应力发生在各坝段坝踵和下游面中上部的折坡位置，坝踵拉应力分布范围很小，应力梯度大；坝踵、坝趾及结构上的折角、孔口等区域存在应力集中现象，通过采取体型优化、适当配筋等工程措施可确保大坝抗震安全；各坝段建基面静动力稳定均能满足要求。

6 泄洪消能专题研究

针对 “泄流量大、泥沙量大、消能区岩体抗冲能力较低”的特点，采用坝身表孔泄洪为主、中孔为辅的泄洪方式，中孔兼顾排沙。溢流坝段长109 m，布置5个表孔-15 m×22 m(宽×高)，堰顶高程563.00 m，设弧形闸门控制，堰顶WES曲线，后接1 ∶0.9切线段，反弧段半径为20 m；两个中孔坝段长度均为23 m，各设2孔有压坝身泄水孔，底槛高程545.00 m，出口断面尺寸5.5 m×8 m(宽×高)。经水力学计算及水工模型试验验证，泄流能力满足设计要求。

底流消能方式具有流态稳定、消能效果较好、对地质条件和尾水水位变化适应性较强、泄洪雾化轻微等优势，能够适应不同水头，在国内外重力坝工程得到广泛应用，如：俄罗斯的萨杨·舒申斯克，印度的巴拉克，美国的夏斯太，日本丸山；中国的向家坝、百色、五强溪、官地等。结合同类工程经验及计算结果，溢流表孔采用宽尾墩+底流消能方式，中孔采用传统底流消能方式。

溢流表孔根据地形走势，靠河床的3个表孔下游消力池底板顶高程512.00 m，右岸2个表孔下游消力池底板顶高程525.00 m，区间采用隔墙分开。经水工模型试验比选，推荐靠河床3表孔采用Y型宽尾墩，收缩比β=0.50；右侧2表孔X型宽尾墩非对称布置，左侧孔收缩比0.304，右侧孔收缩比0.416。

7 基础处理及渗控工程

7.1 建基面选择

坝基Ⅲ类岩体直接或经局部处理后加以利用，Ⅳ类岩体为避免地基抗滑和变形方面的不足，采取加大断面扩大建基面的措施，Ⅴ类岩体需要进行专门地基处理；坝基置于弱风化、弱卸荷带相对完整的岩体上，岸坡坝段局部强卸荷带岩体经处理后可作为坝基；对断层、错动带、挤压破碎带等薄弱部位，沿其延伸方向加大开挖并回填混凝土；建基面采用预裂爆破成型，对泥岩、粉砂岩预留一定厚度保护层，挖除保护层后浇筑混凝土封闭；两岸非溢流坝段在坝轴线方向上采用台阶开挖形式，高差10～15 m，水平段宽度不小于坝段横向宽度的1/2。

7.2 基础固结灌浆

为提高基岩的完整性、均匀性和提高基岩与坝体混凝土接触面的抗剪强度，减少坝基承载后的不均匀变形，并增加表层基岩的防渗能力，对坝基进行全面积固结灌浆处理。灌浆入岩深度一般为8 m或12 m，Ⅳ类、Ⅴ类岩体、卸荷发育、岩层错动带、断层破碎带等以及河床坝段坝趾基底应力较大区域为15 m，灌浆孔按梅花形布置，间排距均为3 m，必要时适当加密。坝基局部泥岩、粉砂质泥岩透水率一般q小于10 Lu，呈弱透水性，一般水泥浆液可灌性差，参考类似工程经验，可采用细水泥浆液，配合比及灌注方法通过室内浆材试验和现场灌浆试验确定。