武 帅 迟守旭 任 堂 李 梅

拱坝主要是以压力拱的形式，将荷载传到两岸山体，并以大坝-基础的联合作用完成正常的挡水任务。它是狭窄河谷上经济性与安全性都比较优越的坝型之一[1]。通常情况下，特高拱坝承受巨大的水荷载和温度荷载，要求拱坝建在与之适应的地基上。天然条件的坝基由于岩体风化卸荷以及断层、构造带等因素，造成建基面的选择较为困难，尤其是拱坝建基面嵌深的确定。

一般情况下，拱坝建基面嵌深越大，基岩完整性越好，承载能力越高，对大坝安全越有利。但随着建基面嵌深的增加，坝轴线加长，库水压力增大，对坝体强度和坝肩稳定的要求更高，此外过大嵌深引起的高地应力会导致开挖回弹变形和高边坡等问题[2-3]。本文结合我国新疆某特高拱坝进行建基面选择研究。

1 工程概况

新疆某特高拱坝为抛物线双曲拱坝，最大坝高240 m，坝顶高程990 m。坝址区河道顺直，主河床宽40 m，坝顶高程位置河谷宽560 m，河谷断面呈V形，宽高比为2.67。

坝址区岩性以黑云母石英片岩为主，岩石坚硬，抗风化能力强。坝址区Ⅱ级岩体变形模量为12～15 GPa，Ⅲ1级岩体为8～12 GPa，Ⅲ2级岩体为5～8 GPa。

坝址区主要发育Ⅳ、Ⅴ级结构面，片理发育不明显，无区域性断裂通过，未发现顺河向断层。坝址区昼夜温差及年季温差大，受冻融冰劈影响，岩体卸荷相对较深。

2 建基面选择原则

为确保拱坝运行安全可靠，大坝建基面应选择在地质条件良好、岩性均匀、完整的坚硬岩体上，以满足地基强度、刚度、稳定性等要求。同时，要求建基面平顺规则，左右岸对称，岸坡角变化平缓。参考文献[4]规定：“结合坝高，选择新鲜、微风化或弱风化中、下部的基岩作为建基面”。参考文献[5]规定：“对坝高100 m以上高坝，应开挖至Ⅱ类岩体，局部可开挖至Ⅲ类岩体”。参考文献[6]规定“对坝高超过70 m的混凝土坝，Ⅰ、Ⅱ级岩体为优良、良好的坝基；Ⅲ级岩体应对结构面进行专门处理后，可作为高混凝土坝地基”。

结合现行规范，在总结已建二滩、小湾、溪洛渡等特高拱坝[1]设计技术与建设经验的基础上，综合考虑大坝安全运行、缩短工期、节约投资等因素，初步确定本工程拱坝建基面选择基本原则为：低高程采用Ⅱ级岩体、局部采用Ⅲ1级岩体，中高程采用Ⅱ级、Ⅲ1级岩体，高高程采用Ⅲ1级、Ⅲ2级岩体。

3 建基面方案比选

依据建基面选择的基本原则，同时兼顾建基面平顺、光滑等因素，初步拟定2个建基面方案，据此分别优化出拱坝体形，分别从拱端嵌深、体形几何参数、坝体应力及位移、坝肩稳定等方面进行综合比选分析，以确定建基面方案。方案1、方案2拱端下游立视如图1所示。

3.1 拱端嵌深比较

2个方案下游拱端嵌深见表1。

图1 方案1、方案2拱端下游立视图

表1 拱坝下游拱端嵌深表 m

由图1及表1可知，拱坝左、右岸建基面除顶部960～990 m高程外，两方案均未利用Ⅲ2级岩体。方案1左岸下游拱端平均嵌深53.99 m，右岸平均嵌深59.52 m。相比方案1，方案2左岸960～990 m拱座利用了Ⅲ2级岩体，左岸平均嵌深减少了9.83 m，右岸平均嵌深减少了5.59 m。

3.2 体形几何参数比较

2个方案拱坝体形几何特征参数见表2。

由表2可知，2个方案拱坝体形几何特征参数差异很小，差别主要体现在拱坝中心线长度、坝体混凝土和坝基开挖工程量上。相比方案1，方案2拱坝中心线弧长减少了16.38 m，坝体混凝土量减少了10.45万m3，坝基开挖量减少了8.93万m3。

表2 拱坝体型几何参数特征值

2个方案工程量差别源于其对Ⅲ1级、Ⅲ2级岩体利用程度不同。方案2拱座更多地利用了Ⅲ1级岩体，坝顶附近利用了更多的Ⅲ2级岩体。

3.3 坝体应力及位移比较

采用拱梁分载法，计算基本组合Ⅰ（上游正常蓄水位+相应下游水位+泥沙压力+自重+温降）工况作用下坝体位移、应力，计算成果见表3。

由表3可知，2个方案最大主压应力出现位置基本相同，应力值相当。但方案2坝体最大主拉应力为1.34 MPa，方案1为1.16 MPa，且方案2坝体高拉应力区范围大于方案1。由于坝基岩体分级及其变形模量的不确定性，同时方案2坝体最大主拉应力相对较大，坝体对坝基变形模量的适用能力相对较差。

表3 拱坝最大位移、最大主应力成果表

2个方案最大位移出现位置相同，数值相当，符合一般规律。

3.4 坝肩稳定比较

对拟定的2个方案拱坝体形，针对控制块体，分别进行坝肩抗滑稳定分析。2方案块体稳定安全系数见表4。

表4 2个方案块体稳定安全系数表

由表4可见：对于控制块体，加固前，除左岸LB滑块稳定性满足要求，其余滑块均需加固处理，方案1安全系数高于方案2。经加固处理后，以上滑块均可满足稳定要求，2个建基面方案均可行。

3.5 基础处理方案比较

2个建基面方案，基础处理的差异主要体现在左岸F2的置换范围以及右岸高高程宽张卸荷裂隙的处理。为减小缓倾角F2断层对坝肩稳定的影响，针对左岸低高程拱肩槽与F2形成的薄层楔形体进行开挖置换处理，针对高高程F2进行抗剪洞置换处理，方案2由于嵌深相对较浅，开挖置换混凝土量和抗剪洞处理量多于方案1。针对右岸高高程卸荷裂隙，方案1由于嵌深相对较大，对大部分宽张卸荷裂隙已经挖除，需开挖置换和灌浆处理量相对较小。为增强方案2坝体对基础变形模量的适应能力，需通过加深固结灌浆增大左岸810 m附近坝基岩体的变形模量，降低坝体下游面拉应力水平。2个建基面方案坝体防渗帷幕及排水采用同一设计标准，方案2工程量相对较大。

4 建基面确定

通过以上方案对比分析，2个建基面方案差别主要体现在以下几方面：

（1）针对本工程拱坝建基面，为满足拱坝对基础的承载要求，必须对坝基地质缺陷采用必要和有效的基础处理措施。

（2）2个方案在低高程均采用Ⅱ级岩体，主要差异体现在对Ⅲ1级、Ⅲ2级岩体的利用程度上。相比方案1，方案2拱座更多地利用了Ⅲ1级、Ⅲ2级岩体，平均嵌深较小。

（3）2个方案拱坝位移分布规律合理，数值基本相同；最大主压应力所在部位基本相同，应力值相当。但方案2坝体最大主拉应力值、高拉应力区范围均大于方案1，故方案1坝体对基础变形模量适应能力更强。

（4）坝体混凝土量和坝基开挖量随Ⅲ1级、Ⅲ2级岩体利用程度的增加而减小。相比方案1，方案2坝体基本混凝土量减少10.45万m3，占总量的2.8%；坝基开挖量减少8.93万m3，占总量的2.6%。

（5）对于控制块体，加固前方案1安全系数高于方案2。经加固处理后，以上滑块均可满足稳定要求，两建基面方案均可行。方案1嵌深相对较大，采用了更多的明挖处理，基础处理工程量少于方案2，施工难度相对较小。

针对2个建基面方案，从拱座嵌深、拱坝体形、应力及稳定分析、基础处理等方面进行分析比较，尽管方案2坝体混凝土量和坝基开挖量相对较少，但坝体应力水平较高，高拉应力区范围较大，坝肩稳定安全系数相对较低，基础处理工程量相应较大；因此，选择坝体应力、坝肩稳定条件更优，基础处理量和施工难度相对较小，可靠性和安全性更优的方案1作为本工程拱坝的推荐建基面方案。

5 结 语

特高拱坝建基面选择非常复杂，涉及因素众多，计算分析难度大，需全面系统分析论证。本文通过对新疆某特高拱坝建基面选择进行深入分析研究，最终确定推荐建基面方案。本文建基面选择的方法可以为今后特高拱坝建基面选择提供参考。