葉巴灘水電站典型地質(zhì)問題處理措施研究

李 靜，張 沖，潘燕芳

(中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 610072)

0 前 言

在針對“V”型和“U”型河谷的工程建設(shè)中，拱壩是經(jīng)濟(jì)性與安全性都比較優(yōu)越的壩型。拱壩通過壩體基礎(chǔ)聯(lián)合受力，而作為拱壩基礎(chǔ)的巖體，不僅要承受上部拱壩自身荷載，還要負(fù)荷拱壩結(jié)構(gòu)上傳遞過來的外加荷載，即拱壩基礎(chǔ)巖體既是受力介質(zhì)又是傳力介質(zhì)，既要保證自身穩(wěn)定又要保證拱壩整體安全[1]。對于200 m以上拱壩，承受的外加荷載更加巨大(如溪洛渡水電站水推力達(dá)1 400萬t[2])，須有合適的壩基與之匹配。然而，天然狀態(tài)下壩址水文地質(zhì)條件相對復(fù)雜，易受巖溶、斷層、深卸荷帶、軟弱帶、節(jié)理裂隙切割，以及層間層內(nèi)錯動帶等地質(zhì)缺陷影響，加上我國高拱壩一般處于西南、西北地區(qū)，區(qū)域構(gòu)造運(yùn)動劇烈，地震頻率相對較高，高拱壩建基面選擇與確定、基礎(chǔ)地質(zhì)缺陷處理加固已經(jīng)成為制約其投資、工期和結(jié)構(gòu)整體安全的關(guān)鍵難題之一[3-6]。

葉巴灘拱壩壩高約210 m，壩址區(qū)工程地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件情況相對復(fù)雜，典型地質(zhì)缺陷為壩踵區(qū)域F2斷層和兩岸分布的深卸荷松弛巖帶。本文依托葉巴灘水電站，通過數(shù)值分析計算、工程類比方法，對其典型地質(zhì)缺陷基礎(chǔ)處理措施進(jìn)行分析，從而提出科學(xué)合理的基礎(chǔ)綜合加固措施，也為其他類似工程提供參考。

1 工程概況

葉巴灘水電站坐落在西藏貢覺縣和四川白玉縣

的交匯處，是金沙江上游的第7級水電站。其壩址控制的流域面積為173 484 km2，年平均流量達(dá)到839 m3/s。擋水建筑物是混凝土雙曲拱壩，最大壩高217 m；泄洪消能建筑物由壩身5個泄洪表孔、4個泄洪深孔、水墊塘及二道壩組成，具有“高水頭、大泄量、窄河谷”的特點(diǎn)。

2 拱壩建基面選擇和典型地質(zhì)問題

2.1 拱壩建基面選擇

根據(jù)已有建基面可利用巖體研究[6-7]，結(jié)合拱壩設(shè)計規(guī)范要求的建基面選擇原則，參考溪洛渡拱壩合理利用弱下風(fēng)化Ⅲ級巖體的研究成果，葉巴灘拱壩擬定EX1、EX2、EX3三個建基面方案進(jìn)行建基面對比分析確定(見圖1)。

(1)EX1。按照規(guī)范要求，左右岸中下部高程及河床建基面采用Ⅱ類巖，上部高程建基面采用Ⅲ1～Ⅱ類巖，建基面上盡量不出現(xiàn)Ⅲ2類巖。

(2)EX2。按照規(guī)范要求并結(jié)合已有高拱壩，合理利用弱下風(fēng)化Ⅲ級巖體的研究成果，左右岸中下部高程建基面采用Ⅲ1～Ⅱ類巖，上部高程壩段的建基面局部利用Ⅲ2類巖。

(3)EX3。在EX2方案基礎(chǔ)上，進(jìn)一步減少拱端嵌深，左岸中下部高程建基面盡可能利用Ⅲ1類巖體，上部高程建基面局部區(qū)域利用Ⅲ2類巖體；右岸中下部高程建基面主要利用Ⅲ1類巖，部分利用Ⅲ2類巖石，上部高程建基面主要利用Ⅲ2類巖體。

從工程地質(zhì)、拱壩布置及相關(guān)計算等綜合比較分析來看，三方案均能滿足拱壩壩體應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)和拱座的穩(wěn)定控制條件。相比較而言，EX1不僅增加了拱圈的跨度及壩肩嵌深，還增加了壩體混凝土及壩肩開挖工程量以及壩面承受的總水推力；EX2、EX3將拱壩建基面適當(dāng)調(diào)整，上部高程拱圈局部利用Ⅲ2類巖體，下部高程拱圈基本上利用Ⅲ1、Ⅱ類巖體，這樣有利于減小拱圈跨度，降低壩面承受的總水推力，便于拱壩體形設(shè)計，減少壩體混凝土及壩基開挖的工程量；EX3增加了建基面處理措施，增大了施工難度，不利于施工工期控制。因此，葉巴灘拱壩兩岸建基面選定EX2。

圖1 各建基面方案下游拱端嵌深示意

2.2 典型地質(zhì)問題空間分布及屬性

2.2.1 斷層和擠壓破碎帶

根據(jù)EX2建基面方案，建基面上出露的主要斷層有f7、f8、f9、f10、f21、f22、f23、f24、f28、f29、f30、f31等，擠壓破碎帶有g(shù)31-6、g31-7、g23-4、g33-19、g33-21等，主帶和影響帶分別為Ⅴ類、Ⅳ類巖體，抵抗變形能力差。

其中，F(xiàn)2斷層不在建基面出露，其橫河中陡傾下游，位于壩基上游僅8.5 m，在壩基內(nèi)垂向埋深最小僅11 m，橫貫壩基。主帶和影響帶寬度大，性狀差，為泥型、Ⅱ級結(jié)構(gòu)面，并以初角礫巖為主，含部分角礫巖，少量碎粒巖及碎粉巖；具強(qiáng)風(fēng)化特征，多高嶺土化疏松呈砂糖狀，手可刨挖；泥化條帶4條，穿插發(fā)育帶寬1～3 cm；主帶以Ⅴ類巖體為主，變形模量小于1.5 GPa；影響帶變形模量約1～2 GPa，Ⅳ類巖體。

2.2.2 深卸荷松弛巖體

壩區(qū)兩岸與建基面距離在0～130 m范圍內(nèi)，兩岸高程2 730.00 m～2 894.00 m均分布有不同程度的深卸荷帶巖體，且該巖帶整體風(fēng)化不強(qiáng)，但卸荷明顯，變模極低。垂直于卸荷面方向的變模約為3～4 GPa，平行于卸荷面的變模約為5～6 GPa。受局部距建基面較近的深卸荷帶影響，壩體存在局部變形穩(wěn)定問題，需要做專門工程處理研究。

3 Ⅲ2s深卸荷帶影響及處理措施論證

對于深卸荷帶，應(yīng)優(yōu)先考慮建基面的固結(jié)灌漿處理，再考慮深部固結(jié)灌漿、置換處理。因此采用了線彈性有限元法，對比深卸荷帶處理前后建基面的變形、大壩的應(yīng)力及變形，并分析處理措施的效果。

3.1 Ⅲ2s深卸荷帶固灌深度敏感性分析

根據(jù)可研階段高程2 677.00～2 894.00 m平切圖資料，深部卸荷帶主要分布在高程2 730.00～2 894.00 m、2 870.00～2 894.00 m。綜合考慮特征高程2 830.00 m、2 790.00 m、2 760.00 m處的深部卸荷帶埋深、水壓力大小，并結(jié)合處理難度，選取高程2 760.00 m典型平切圖建立有限元網(wǎng)格模型，模擬范圍為800 m×500 m。

3.2 Ⅲ2s深卸荷帶灌漿深度敏感性分析

根據(jù)類似工程經(jīng)驗(yàn)，假定建基面固結(jié)灌漿后Ⅲ2s類巖體變形模量參數(shù)可提升10%，泊松比及其他物理力學(xué)指標(biāo)不變，以此來進(jìn)行建基面固結(jié)灌漿深度敏感分析。表1～2給出了左岸法向固結(jié)灌漿深度在0 m、30 m、35 m、40 m、45 m五種工況下，距上游拱端2 m、12 m、22 m、32 m、41 m處，以及右岸法向固結(jié)灌漿深度在0 m、15 m、20 m、25 m、30 m、35 m、40 m、45 m九種工況下距上游拱端2 m、13 m、22 m、34 m、43 m處，橫河向和順河向位移變化和變化率。從表中數(shù)據(jù)可以看出，拱端布置的各個測點(diǎn)隨著灌漿深度增加，橫河向、順河向位移值減小，符合一般規(guī)律，但橫河向、橫縫向位移減幅不明顯。

表1 左岸不同法向固結(jié)灌漿深度壩踵不同測點(diǎn)位移變化值

表2 右岸不同法向固結(jié)灌漿深度壩踵不同測點(diǎn)位移變化值

3.3 Ⅲ2s深卸荷帶固結(jié)灌漿參數(shù)敏感性分析

考慮左右岸分布深卸荷帶Ⅲ2s水平距建基面45～65 m，假定固結(jié)灌漿法向深度30 m(水平深度51 m)，分析其不同灌漿效果對拱端變位的影響。表3～4展示了左右岸法向固結(jié)灌漿深度在30 m不同灌漿效果工況下，距上游拱端不同測點(diǎn)橫河向、順河向典型位移的計算結(jié)果。從分析結(jié)果來看，拱端布置的各測點(diǎn)隨著灌漿參數(shù)提高，橫河向位移值減小，符合一般規(guī)律；但拱端橫河向位移減幅不明顯。在擬定灌漿深度下，僅右拱端上游側(cè)測點(diǎn)橫河向位移對灌漿參數(shù)敏感，其他測點(diǎn)的位移對灌漿參數(shù)均不敏感。

3.4 有無深部卸荷帶Ⅲ2s對大壩影響

考慮3.2、3.3節(jié)為平面計算，存在一定不足。為準(zhǔn)確分析深卸荷帶深部灌漿的必要性，選取天然狀態(tài)和理想狀態(tài)(將Ⅲ2s提高至Ⅱ類巖體)，采用三維線彈性有限元法，對比分析有無深部卸荷帶Ⅲ2s對大壩應(yīng)力及變形的影響。分析結(jié)果表明，有無深部卸荷帶，壩體應(yīng)力和位移的分布規(guī)律相同，數(shù)值基本相當(dāng)，極值出現(xiàn)部位也一致；整體來看，有無深部卸荷帶對橫河向位移的影響比順河向位移明顯，對高高程的影響比低高程明顯；其中橫河向位移影響最大減幅約23%，順河向位移影響最大不超過10%。表5給出了有無深部卸荷帶Ⅲ2s的建基面在各高程下游拱端橫河向和順河向位移值。

表3 左岸法向固結(jié)灌漿深度30 m不同灌漿效果、壩踵不同測點(diǎn)位移變化值

表4 右岸法向固結(jié)灌漿深度30 m不同灌漿效果、壩踵不同測點(diǎn)位移變化值

4 F2斷層影響及處理措施論證

考慮河床部位分布的斷層F2距離壩踵位置較近，并下穿建基面，在施工期會對拱端變形產(chǎn)生一定影響，因此，采用線彈性有限元法，對比分析不同置換方案壩踵位置變形，定量分析置換效果，從而確定最優(yōu)的置換深度。計算采用拱冠梁剖面作為典型剖面來建立有限元網(wǎng)格模型，模擬壩基范圍300 m×200 m。模擬壩基主要巖體分級分區(qū)，自上而下分別為Ⅲ2、Ⅲ1、Ⅱ1類巖體；斷層F2帶寬0.8 m，影響帶寬度1.8 m，為Ⅳ巖體。具體分析方案為：考慮壩體澆筑到最大倒懸高程、壩體澆筑至頂高程兩種工況下八種置換深度(0 m、3 m、5 m、8 m、10 m、12 m、15 m、無斷層)在壩踵水平向(距壩踵0 m、3.935 m、9.42 m、15.824 m、19.706 m)位移變化和變化率。

表6展示了壩體澆筑至最大倒懸高程和壩體澆筑到頂兩種工況下，壩踵水平向測點(diǎn)位移計算值。從表中數(shù)值可以看出，壩踵位置的置換能明顯改善由于F2存在而帶來的壩體變形問題；當(dāng)置換深度大于8～10 m后，隨著置換深度的增加，各測點(diǎn)位移變化幅度已不明顯。因此，推薦對F2斷層進(jìn)行置換處理，置換深度可取8～10 m。

表5 有無深部卸荷帶Ⅲ2s建基面各高程下游拱端位移值

表6 兩種工況下壩踵水平向測點(diǎn)位移值

5 綜合處理措施對拱壩結(jié)構(gòu)性態(tài)影響評價

考慮第3～4節(jié)計算分析，對F2斷層在壩踵位置的置換處理效果評價較為理想，且有無深卸荷帶三維計算結(jié)果表明，深卸荷帶對建基面位移還是有影響的。筆者結(jié)合同類工程經(jīng)驗(yàn)，擬對深卸荷帶和F2斷層進(jìn)行置換(置換深度10 m)及深部固結(jié)灌漿，以及在壩體下游增設(shè)貼角的綜合處理加固措施。

為定量分析上述綜合處理措施，本文采用三維線彈性有限元法，擬定四種工況(工況1：天然地基、正常蓄水位溫降工況；工況2：天然地基、死水位荷載溫升工況；工況3：基礎(chǔ)壩踵位置置換+深卸荷帶深部灌漿、正常蓄水位溫降工況；工況4：基礎(chǔ)壩踵位置置換+深卸荷帶深部灌漿、死水位荷載溫升工況)，分析基礎(chǔ)處理措施對葉巴灘拱壩結(jié)構(gòu)工作性態(tài)的影響。圖2為大壩與斷層、Ⅲ2s巖體以及置換體關(guān)系示意。

圖2 大壩、斷層、Ⅲ2s巖體及置換體關(guān)系

5.1 壩體位移和應(yīng)力

由表7可知，各工況下位移分布規(guī)律基本一致，大壩整體位移分布基本對稱。盡管壩肩基礎(chǔ)整體剛度略有降低，但對橫河向位移影響不明顯，且對壩踵順河向位移有較大程度上的改善，因此，置換、灌漿對提高壩肩局部巖體的整體變形剛度效果明顯。正常工況下，壩體應(yīng)力分布對稱，水平相當(dāng)，下游左拱端壓應(yīng)力與右拱端相當(dāng)，壩肩最大壓應(yīng)力約為11.0～12.8 MPa；正常蓄水位狀態(tài)上游壩面壩踵局部拉應(yīng)力約0.90 MPa。大壩上游主要拉應(yīng)力出現(xiàn)在左右河床壩段拐角處，最大約1.26 MPa。從計算分析可見，置換、灌漿處理后，可以局部改善壩肩壓應(yīng)力分布、減少大壩壩踵拉應(yīng)力、改善下游拱端壓應(yīng)力分布，使壓應(yīng)力分布更均勻，但對大壩的整體受力、應(yīng)力分布及大小的影響有限。在正常溫降荷載下，置換處理可以提高大壩壩踵基礎(chǔ)的整體變形剛度，但對大壩整體位移和應(yīng)力分布影響有限。

5.2 建基面位移、應(yīng)力及安全工作狀態(tài)

各工況顯示基礎(chǔ)位移分布規(guī)律基本一致，采取綜合處理措施后壩肩巖體變形更小，且差值較小，僅0.1～0.4 mm；正常荷載工況下，建基面最大位移值為12.7 mm，位于右拱端高程2 745 m處；置換、灌漿處理后，壩踵應(yīng)力得到改善，并可局部改善壩肩壓應(yīng)力分布，使壩肩壓應(yīng)力分布更均勻。各工況下建基面巖體基本保持在彈性狀態(tài)，只有岸坡淺表處和上游下部附近部分范圍出現(xiàn)拉應(yīng)力(見表8)，以滿足大壩壩肩基礎(chǔ)承載要求。

表7 四種不同工況下拱端、拱冠梁位移值

表8 四種工況下基礎(chǔ)屈服情況

6 結(jié) 語

考慮高拱壩基礎(chǔ)條件復(fù)雜，對基礎(chǔ)存在的缺陷采取合理的加固處理一直是備受關(guān)注的問題。對于基礎(chǔ)巖體的破壞、建基面的地質(zhì)缺陷處理加固與安全評價，傳統(tǒng)的分析方法和加固處理措施日益受到挑戰(zhàn)。本文針對葉巴灘水電站F2斷層及深卸荷巖帶兩類地質(zhì)缺陷，通過數(shù)值分析計算、工程類比方法，對比不同灌漿深度和灌漿效果、不同置換深度對壩體應(yīng)力變形影響，最終確定對壩踵區(qū)域斷層采取置換(置換深度10 m)、深卸荷帶灌漿并增設(shè)貼角的綜合加固措施，并運(yùn)用三維線彈性有限元法，經(jīng)綜合基礎(chǔ)加固措施拱壩工作性態(tài)分析，最終定量分析評價了綜合處理措施的效果。