白鶴灘水電站特高拱壩設計關(guān)鍵技術(shù)研究

徐建榮，何明杰，張偉狄，王建新

（中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，311122，杭州）

一、壩址區(qū)工程地質(zhì)條件

壩址河段長約1.7 km，兩岸山體雄厚，正常蓄水位河谷寬449～534 m，寬高比1.8～2.2，壩基巖體為玄武巖，具備高拱壩建設條件。壩址主要工程地質(zhì)特征為：河谷呈不對稱的“Ⅴ”形，右岸山體陡峻，左岸相對較緩；兩岸地質(zhì)條件差異大，右岸巖體弱卸荷帶水平深度一般小于50 m，風化卸荷較淺。左岸強卸荷帶水平深度一般為20～60 m，最深達 109 m，巖體風化卸荷較深；壩區(qū)為傾向南東的單斜構(gòu)造，各巖流層頂部形成層間錯動帶，巖流層內(nèi)則隨機發(fā)育層內(nèi)錯動帶；壩基巖體主要為塊狀玄武巖，河床部位出露角礫熔巖。壩基中下部出露的柱狀節(jié)理玄武巖，完整性較差，呈柱狀鑲嵌結(jié)構(gòu)。壩基地應力大，主應力量值為8～11 MPa，解除圍壓后柱狀節(jié)理玄武巖易松弛，其力學指標將降低。

二、深切狹谷中高拱壩樞紐布置

白鶴灘水電站具有 “窄河谷、高拱壩、巨泄量、多機組”的特點，建筑物眾多，兩岸地形、邊坡（壩肩）穩(wěn)定、泥石流溝、泄洪消能方式、地下引水發(fā)電系統(tǒng)等因素，將影響狹窄河谷巨型電站樞紐的布置。

拱壩壩址左岸受邊坡內(nèi)發(fā)育的深強卸荷裂隙制約，右岸受深切的大寨溝影響。左岸順河流方向的深強卸荷裂隙最大水平埋深達109 m，與順層的層間錯動帶C3-1及陡傾斷層f114構(gòu)成潛在不穩(wěn)定塊體，無法成為拱壩壩肩抗力體。左岸選擇強卸荷塊體上游完整山體作為拱壩抗力體，強卸荷不穩(wěn)定塊體遠離拱壩抗力體，作為水墊塘邊坡，需確保壩肩穩(wěn)定和邊坡穩(wěn)定。兩岸壩肩位置確定后，電站右岸進水口將位于大寨溝出口右側(cè)。大寨溝為大型泥石流溝，采用出口改道的方式，將泥石流排導至上游庫內(nèi)后，排除了泥石流危及右岸電站進水口正常運行的風險。

樞紐最大下泄流量達42300 m3/s，泄洪功率達90000 MW，采用壩身布置表孔與深孔、下游設水墊塘與二道壩、岸邊布置泄洪洞的泄水建筑物布置格局與消能方式。右岸無泄洪洞進口布置位置，泄洪洞全部布置于左岸，出口選擇離壩址較遠且河道較為寬闊的白鶴灘灘地附近，壩身泄洪消能區(qū)和泄洪洞泄洪消能區(qū)相互獨立，克服了狹谷河段水體消能容量不足的困難，避免了下泄水流對兩岸高陡深卸荷發(fā)育邊坡的嚴重沖刷，有利于樞紐的長期運行安全。

左岸地下廠房地質(zhì)條件較好，引水發(fā)電系統(tǒng)的布置主要保證輸水系統(tǒng)盡量順暢，廠房軸線選擇N20°E。層間錯動帶C2斜切邊墻中下部，經(jīng)抗剪洞置換處理后對廠房洞室圍巖穩(wěn)定的影響得到有效控制。右岸地下廠房位置受拱壩布置和進水口地形條件限制，進水口布置在大寨溝溝口，位置調(diào)整的余地較小。第一主應力方向N0°～20°E，廠房軸線選擇 N10°W。 尾水隧洞與導流隧洞結(jié)合布置，避免了因?qū)ＴO導流隧洞擠占下游有限的出口布置位置，減少了洞身工程量。

三、不對稱特高拱壩設計

壩址河谷地形和地質(zhì)條件均存在不對稱性。右岸地形高陡，左岸相對較緩。左岸巖體卸荷深度大于右岸，壩基開挖加劇了兩岸地形不對稱性。

左岸 665～545 m、右岸 590～545 m段壩基為P2β33第一類柱狀節(jié)理玄武巖，發(fā)育原生柱狀節(jié)理，為柱狀鑲嵌結(jié)構(gòu)，其巖體強度、變形模量均低于非柱狀節(jié)理玄武巖，且開挖易松弛。河床部位出露P2β32-3層角礫熔巖，巖體完整性好，但其厚度僅6～11 m，下部發(fā)育P2β32-2第二類柱狀節(jié)理玄武巖，巖性與第一類柱狀節(jié)理玄武巖相似。故河床建基面充分利用角礫熔巖，采用了不對稱建基面布置，左岸順角礫熔巖層頂面開挖，作為河床建基面巖體。因此，拱壩中心線偏右岸，左岸半弦長較右岸最大長80 m。左側(cè)拱承載大，而地基條件略弱于右岸。拱壩建基面布置見圖1。

圖1 拱壩建基面布置示意圖（拱軸線剖面）

壩址地形地質(zhì)的不對稱性對拱端推力分布、壩體位移及應力分布均有明顯影響，且反映出左岸壩基略弱于右岸的特點。采取了選用對地形不對稱適應性更好的橢圓拱圈線形、利用完整性較好的微新角礫熔巖作為河床部位拱壩基礎、減小柱狀節(jié)理玄武巖出露范圍、左岸壩頂設置混凝土墊座、適當外移左岸中上部建基面、拱壩中下部及河床部位設置擴大基礎等多項綜合措施。白鶴灘拱壩體形結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 白鶴灘拱壩體形結(jié)構(gòu)示意圖

四、柱狀節(jié)理玄武巖壩基防松弛開挖保護

壩基左岸高程665 m以下、右岸高程590 m以下出露P2β33層柱狀節(jié)理玄武巖，該層柱狀節(jié)理發(fā)育，柱體長度一般 2～3 m，直徑 13～25 cm，柱體內(nèi)發(fā)育微裂隙，完整性較差，其變形模量等力學指標相對較低，開挖后易松弛。柱狀節(jié)理玄武巖工程特性研究甚少，將柱狀節(jié)理玄武巖作為高拱壩基礎更是首次。

圍繞柱狀節(jié)理玄武巖工程特性和應用技術(shù)，從柱狀節(jié)理玄武巖作為特高拱壩壩基可行性、拱壩結(jié)構(gòu)適應性、爆破開挖技術(shù)、防松弛保護措施及松弛預測方法等方面開展了大量地質(zhì)勘探、現(xiàn)場試驗和分析研究，形成了“厚層保護、灌漿固結(jié)、深層錨固、精準控制爆破”的松弛控制技術(shù)體系。左岸同時控制巖體卸荷松弛與錯動帶剪切變形，采取預留保護層+保護層蓋重固結(jié)灌漿+預應力錨索的綜合處理措施。右岸以控制巖體卸荷松弛為主，采取預留保護層+保護層蓋重固結(jié)灌漿+錨筋樁預先錨固的防松弛措施。開挖完成后，柱狀節(jié)理玄武巖松弛層巖體波速3500～4000 m/s，與非松弛巖體相比，波速下降24%～30%，但仍維持原柱狀鑲嵌結(jié)構(gòu)，未出現(xiàn)松散解體現(xiàn)象，保證了開挖后的高拱壩壩基巖體滿足質(zhì)量要求。

五、強震區(qū)高拱壩抗震評價及措施

白鶴灘拱壩依據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》（GB 18306—2015）、《水電工程水工建筑物抗震設計規(guī)范》（NB 35047—2015）進行抗震安全評價，新規(guī)范在設計地震動參數(shù)、設計反應譜、大壩混凝土及地基巖體動態(tài)性能參數(shù)以及拱壩動力分析方法、內(nèi)容和深度等方面均有較大變化，對拱壩抗震提出了更高的要求。

除采用常規(guī)方法評價拱壩抗震性能外，深入研究了壩體橫縫張合、地基輻射阻尼、拱壩與墊座及地基相互作用、地基軟弱結(jié)構(gòu)面組合塊體及滲水壓力等因素對拱壩抗震性能的影響，采用三維非線性有限元法和地震動力模型試驗法進行了多項研究。主要結(jié)論為：

設計地震作用下，壩體應力滿足要求，僅建基面應力集中區(qū)和下游壩面中上部很小區(qū)域壩體存在輕微損傷，拱壩、壩肩位移在震后均基本回復到靜態(tài)位置；壩踵區(qū)開裂深度約為大壩底厚10%，尚未達到大壩帷幕；拱壩橫縫開度不超過40 mm，不會破壞橫縫止水設施。校核地震作用下，大壩地基系統(tǒng)未出現(xiàn)位移突變和工作性態(tài)轉(zhuǎn)折性變化。設計、校核地震作用下，拱壩—地基系統(tǒng)整體穩(wěn)定。拱壩的地震超載能力受兩岸壩肩局部塊體的穩(wěn)定控制，大壩—地基系統(tǒng)的抗震超載安全系數(shù)不小于1.7。

可見，設計地震作用下的拱壩強度和穩(wěn)定能夠滿足抗震設計要求，校核地震作用下的大壩地基系統(tǒng)滿足不潰壩的設防目標。鑒于工程重要性和抗震標準高，針對地震響應較大的部位加強了壩體構(gòu)造設計及基礎處理措施，主要包括：優(yōu)化壩體與擴大基礎及墊座的銜接體形，采用強度等級高的混凝土，上下游壩面布置抗震鋼筋，加強近壩抗力體錨固，強化軟弱結(jié)構(gòu)面置換處理和壩基固結(jié)灌漿。

圖3 低熱水泥與中熱水泥混凝土溫度應力過程示意圖

六、低熱水泥混凝土溫度控制設計

白鶴灘拱壩是首次全壩應用低熱水泥混凝土的300 m級高拱壩。通過系統(tǒng)比較開挖料加工的玄武巖骨料與料場開采的灰?guī)r骨料，選擇旱谷地料場灰?guī)r骨料，配制的大壩四級配混凝土C18040 線脹系數(shù)為 5～5.5×10-6/℃，熱力學性能較優(yōu)；低熱水泥混凝土絕熱溫升約23℃，與中熱水泥混凝土相比，絕熱溫升降低4～6℃。同時，全面對比中熱、低熱水泥混凝土力學性能和全過程溫控特性，針對低熱水泥混凝土早期強度相對較低的特點，提出了加強早期保護和適應干熱、大風、溫差大的氣候特征的保溫措施。充分利用低熱水泥混凝土發(fā)熱量相對較低、發(fā)熱速率較慢的特點，混凝土最高溫度得到有效控制。優(yōu)化調(diào)整溫控措施后，大壩混凝土各項溫控指標控制保證率大大提高，拱壩混凝土抗裂安全系數(shù)由1.8提高到2.0。截至目前，大壩已澆筑約460萬m3，最大澆筑高度173 m，壩體混凝土未發(fā)現(xiàn)溫度裂縫。低熱水泥與中熱水泥混凝土溫度應力過程見圖3。

七、結(jié) 語

白鶴灘水電站是世界上在建規(guī)模最大的水電站工程，是國內(nèi)壩址地形地質(zhì)條件最為復雜的特高拱壩工程之一。工程建設標準高、要求嚴，力爭實現(xiàn)精品工程、無縫大壩的目標。面對300 m級特高拱壩工程面臨邊坡深部強卸荷對拱壩布置的重大影響、首次利用柱狀節(jié)理玄武巖作為拱壩壩基、不對稱拱壩體形結(jié)構(gòu)設計、強震作用下高拱壩抗震、首次全壩應用低熱水泥混凝土等重大技術(shù)難題，白鶴灘建設者完成了大量的勘探、試驗、設計、論證等研究工作，取得了豐厚的成果，大量成果具有創(chuàng)新性，為白鶴灘水電站工程建設提供了有力的技術(shù)支撐，對拱壩技術(shù)發(fā)展具有積極的意義，也可為其他工程建設提供參考。