饒宏玲

(1. 中國(guó)電建集團(tuán) 成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，成都 610072；2. 國(guó)家能源水電工程技術(shù)研發(fā)中心 高混凝土壩分中心，成都 610072)

?

高拱壩建基巖體條件研究

饒宏玲1，2

(1. 中國(guó)電建集團(tuán) 成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，成都 610072；2. 國(guó)家能源水電工程技術(shù)研發(fā)中心 高混凝土壩分中心，成都 610072)

高拱壩攔蓄水體巨大，要求建基巖體應(yīng)具有較高的承載力及抗變形能力，但壩基嵌入深度過大，壩基大量開挖會(huì)影響壩基上下游高邊坡的穩(wěn)定，此外，存在高地應(yīng)力導(dǎo)致的壩基巖體卸荷松弛問題等。在對(duì)比研究國(guó)內(nèi)外設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)建基面的要求基礎(chǔ)上，結(jié)合錦屏一級(jí)特高拱壩建基面的確定進(jìn)行分析，總結(jié)出幾點(diǎn)新的認(rèn)識(shí)：在采取可靠基礎(chǔ)處理措施的前提下，可適當(dāng)降低對(duì)建基巖體的質(zhì)量要求；可采取適當(dāng)增加壩體厚度、降低拱壩應(yīng)力水平的方式，降低建基巖體受載；采取在拱壩下游抗力體區(qū)域施加橫向錨索鎖固的方式，可提高建基巖體承載能力。

高拱壩；建基巖體；承載力；抗變形能力；加固措施

1 研究背景

一般認(rèn)為，高拱壩壩基嵌入深度越大，基巖完整性越好，基巖承載力越高，對(duì)壩體的應(yīng)力及變形越有利，大壩安全度越高。然而，基巖的完整性越好，基礎(chǔ)的剛度也越大，會(huì)促使壩基上游大面積拉力區(qū)的擴(kuò)展;同時(shí)，致密的巖石排水性也差。壩基嵌入深度過大，壩基大量開挖還可能導(dǎo)致壩基上下游高邊坡的穩(wěn)定，此外，存在高地應(yīng)力導(dǎo)致的壩基巖體卸荷松弛的問題，壩軸線加長(zhǎng)引起壩體水荷載增加的問題以及工程量增加及工期加長(zhǎng)的問題等。本文在對(duì)國(guó)內(nèi)外設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行對(duì)比研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合錦屏一級(jí)特高拱壩建基面的確定進(jìn)行分析，對(duì)拱壩合理建基巖體條件進(jìn)行研究。

2 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)拱壩建基巖體的要求

20世紀(jì)70年代至80年代，我國(guó)還沒有拱壩設(shè)計(jì)規(guī)范，建基面的確定主要參照重力壩規(guī)范進(jìn)行。1978年頒發(fā)的《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SDJ21—78)[1]第98條規(guī)定“高壩應(yīng)開挖到新鮮或微風(fēng)化下部的基巖，中壩宜挖到微風(fēng)化或弱風(fēng)化下部的基巖”。1985年頒布實(shí)行的《混凝土拱壩設(shè)計(jì)規(guī)范(試行)》(SD145—85)[2]規(guī)定“一般高壩應(yīng)盡量開挖至新鮮或微風(fēng)化的基巖，中壩應(yīng)盡量開挖至微風(fēng)化或弱風(fēng)化中、下部的基巖”，上述2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)將70 m以上的壩劃分為高壩。我國(guó)現(xiàn)行電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《混凝土拱壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(DL/T5346—2006)[3]規(guī)定“高壩應(yīng)開挖至Ⅱ類巖體，局部可開挖至Ⅲ類巖體。中低壩可適當(dāng)放寬”，同時(shí)，文獻(xiàn)[3]將壩高的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了調(diào)整，由70 m提高到了100 m。我國(guó)現(xiàn)行水利行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《混凝土拱壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL282—2003)[4]規(guī)定“結(jié)合壩高，選擇新鮮、微風(fēng)化或弱風(fēng)化中、下部的巖體作為建基面”，文獻(xiàn)[4]對(duì)壩高的劃分標(biāo)準(zhǔn)維持文獻(xiàn)[2]的規(guī)定，即70 m以上為高壩。美國(guó)墾務(wù)局《拱壩設(shè)計(jì)》[5]規(guī)定“在地基內(nèi)的最大容許應(yīng)力應(yīng)小于地基材料的抗壓強(qiáng)度除以安全系數(shù)4.0，2.7和1.3，分別相當(dāng)于正常、非正常和極端荷載組合”。美國(guó)陸軍工程師兵團(tuán)《拱壩設(shè)計(jì)》[6]表述為“如果變形模量值低于500 000磅/英寸2(3.4 GPa)，應(yīng)當(dāng)采用合理的變形模量值進(jìn)行充分的應(yīng)力分析。如果在各種假定條件下，壩的應(yīng)力都在允許應(yīng)力范圍之內(nèi)，則設(shè)計(jì)是可以接受的”。

從上述可以看出，文獻(xiàn)[1-2]和文獻(xiàn)[4]根據(jù)巖體的風(fēng)化程度確定拱壩建基面，文獻(xiàn)[3]采用巖體分級(jí)確定拱壩建基面，文獻(xiàn)[5]采用地基內(nèi)的最大容許應(yīng)力確定建基面，文獻(xiàn)[6]則更強(qiáng)調(diào)用壩體的應(yīng)力是否滿足控制標(biāo)準(zhǔn)來確定拱壩建基面。

與文獻(xiàn)[1]比較，文獻(xiàn)[2]對(duì)高壩的建基巖體要求略有降低；與文獻(xiàn)[2]比較，文獻(xiàn)[4]根據(jù)我國(guó)二灘、李家峽等工程經(jīng)驗(yàn)，對(duì)高壩的建基巖體更進(jìn)一步降低了要求，將高壩建基面標(biāo)準(zhǔn)放寬至弱風(fēng)化基巖。

我國(guó)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(GB50287—99)[7]附錄中規(guī)定的對(duì)巖體風(fēng)化程度的劃分主要從巖石的顏色、光澤、巖體組織結(jié)構(gòu)的變化及破碎程度、礦物成分的變化、物理力學(xué)特性變化等主要特征，輔以風(fēng)化巖聲波縱波速與新鮮巖體縱波速的比值，在現(xiàn)場(chǎng)以直觀的方式用肉眼鑒定進(jìn)行風(fēng)化分類，是定性的分類，巖體風(fēng)化情況并不能反映巖石本身的強(qiáng)度和變形特征。因此，根據(jù)巖體風(fēng)化程度作為壩基巖體開挖判斷標(biāo)準(zhǔn)確定拱壩建基面存在一定問題。文獻(xiàn)[3]修編時(shí)，采用巖體分級(jí)確定拱壩建基面。同時(shí)，對(duì)建基面可利用巖體質(zhì)量進(jìn)行專題研究，調(diào)研了近20座水電站工程后得出結(jié)論：我國(guó)多座已建高拱壩均未將建基面建于微新巖體，當(dāng)時(shí)已建的最高拱壩——二灘拱壩建基面也位于弱風(fēng)化巖體中部，局部還達(dá)到了弱風(fēng)化巖體上部；李家峽拱壩建基面也位于弱風(fēng)化巖體下部?？紤]到上述實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，與文獻(xiàn)[2]相比，文獻(xiàn)[3]降低了對(duì)高壩建基巖體質(zhì)量的要求，同時(shí)，文獻(xiàn)[3]將高壩的劃分標(biāo)準(zhǔn)由70 m提高到了100 m，更進(jìn)一步降低了對(duì)建基巖體的要求。

前蘇聯(lián)已不再規(guī)定壩基巖石開挖的風(fēng)化標(biāo)準(zhǔn)，相反，盡量減少開挖量和利用裂隙巖體。其《混凝土和鋼筋混凝土壩設(shè)計(jì)規(guī)范》[8]規(guī)定：壩基開挖，應(yīng)考慮地基加固措施，并在壩的強(qiáng)度和穩(wěn)定計(jì)算論證的基礎(chǔ)上使之達(dá)到最小。前蘇聯(lián)水工設(shè)計(jì)院規(guī)定：基礎(chǔ)變形模量小(1 GPa左右)，透水性大，不能作為挖出壩基巖體的理由[8]。

總之，隨著世界壩工技術(shù)的進(jìn)步和巖石力學(xué)的發(fā)展，國(guó)際壩工界對(duì)混凝土壩壩基巖體的綜合利用標(biāo)準(zhǔn)和開挖深度的認(rèn)識(shí)已有明顯的變化，總體趨勢(shì)是對(duì)巖體質(zhì)量的要求有所放寬，盡量減少壩基開挖量，優(yōu)先考慮以基礎(chǔ)處理措施代替深挖。

3 拱壩建基巖體條件分析

3.1 建基巖體的基本要求

3.1.1 建基巖體的承載力要求

高拱壩攔蓄水體巨大，100 m以上的大壩蓄積的水體產(chǎn)生的靜水荷載多在數(shù)百萬噸，高的可以達(dá)到千萬噸，因此，要求建基巖體應(yīng)具有較高的承載力。巖體是巖塊和結(jié)構(gòu)面的組合體，巖塊的強(qiáng)度是巖體承載力的基礎(chǔ)，但受結(jié)構(gòu)面的切割分離成為了節(jié)理化介質(zhì)而非完整的剛性介質(zhì)，故承載力大幅度降低。文獻(xiàn)[9]收集整理了國(guó)內(nèi)外15個(gè)已建并成功運(yùn)行的的拱壩工程，壩高從149.5 m到271.0 m，除美國(guó)的格林卡楊拱壩(壩高216.4 m，巖石飽和抗壓強(qiáng)度43.3 MPa)及伊朗的迪茲拱壩(壩高203.5 m，巖石飽和抗壓強(qiáng)度31.5 MPa)外，其余13個(gè)拱壩建基巖體的巖石飽和抗壓強(qiáng)度在60～150 MPa范圍內(nèi)。高150 m以上的拱壩傳遞給壩肩巖體的最大壓應(yīng)力可以達(dá)到6～7 MPa[9]或以上，英古里拱壩的最大壓應(yīng)力達(dá)到了9.4 MPa(壩高271.5 m，巖石飽和抗壓強(qiáng)度80～90 MPa)。據(jù)此計(jì)算分析，除美國(guó)的格林卡楊拱壩及伊朗的迪茲拱壩外，其他拱壩地基承載力的安全系數(shù)均可達(dá)到8以上，格林卡楊拱壩及迪茲拱壩，如按最大壓應(yīng)力8 MPa估算，地基承載力的安全系數(shù)可達(dá)4以上，基本滿足美國(guó)墾務(wù)局拱壩設(shè)計(jì)的規(guī)定。根據(jù)上述分析，地基承載力安全系數(shù)在正常荷載工況下達(dá)到4即可滿足拱壩承載力要求。

3.1.2 建基巖體的穩(wěn)定性要求

要求壩肩巖體在巨大的水推力作用下具有足夠的抗滑穩(wěn)定和抗變形穩(wěn)定性。滿足拱壩壩肩抗滑穩(wěn)定是拱壩建基巖體必須具備的重要的基本條件之一，關(guān)于壩肩抗滑穩(wěn)定，限于篇幅限制，本文不做進(jìn)一步討論，本文重點(diǎn)討論建基巖體的抗變形穩(wěn)定問題。

由于混凝土的變形模量在20 GPa左右，為取得受力、變形的協(xié)同性，壩基變形模量過高并不一定是工程運(yùn)用中的理想巖體。根據(jù)文獻(xiàn)[9]的統(tǒng)計(jì)，國(guó)內(nèi)外高拱壩的壩基巖體變形模量除個(gè)別外(如黑部第四壩基變形模量7.14 GPa)，基本在10～20 GPa。

3.2 錦屏一級(jí)拱壩建基巖體條件研究

以下以錦屏一級(jí)工程拱壩建基面為例，對(duì)拱壩建基巖體條件進(jìn)行分析。

3.2.1 錦屏一級(jí)工程拱壩基本情況

圖1 樞紐區(qū)河谷地質(zhì)結(jié)構(gòu)橫剖面圖Fig.1 Transverse profile of geological structures across the valley in the project area

壩址區(qū)發(fā)育的軟弱結(jié)構(gòu)面以斷層為主，產(chǎn)狀以走向NE—NNE向、傾向SE為主。與工程有關(guān)且規(guī)模較大的有：左岸f5，f8，f2斷層和煌斑巖脈(X)；右岸f13，f14斷層及斜穿河床壩基的f18斷層及煌斑巖脈(X)等(見圖2)。

圖2 樞紐區(qū)地質(zhì)構(gòu)造平面圖Fig.2 Planar diagram of geological structures in the project area

樞紐區(qū)左岸巖體受特定構(gòu)造和巖性影響，卸荷十分強(qiáng)烈，卸荷深度較大，谷坡中下部大理巖卸荷水平深度達(dá)150～200 m，中上部砂板巖卸荷水平深度達(dá)200～300 m，順河方向分布長(zhǎng)度達(dá)500 m。卸荷裂隙多沿巖體構(gòu)造節(jié)理面松弛張開，裂隙開度達(dá)10～20 cm。這種現(xiàn)象十分少見，被稱為深卸荷現(xiàn)象，也是構(gòu)成兩岸地質(zhì)條件嚴(yán)重不對(duì)稱的主要因素。表1為壩區(qū)巖體質(zhì)量分級(jí)表。

3.2.2 錦屏一級(jí)拱壩建基面確定面臨的主要問題

(1) 壩區(qū)地應(yīng)力量級(jí)較高，巖石抗壓強(qiáng)度較低，σ1量值普遍在20～30 MPa范圍內(nèi)，巖石強(qiáng)度應(yīng)力比一般為2～3，開挖將引起建基面巖體卸荷松弛問題。

表1 壩區(qū)巖體質(zhì)量分級(jí)及其物理力學(xué)參數(shù)

(2) 壩區(qū)邊坡高陡，壩頂1 885 m高程以上邊坡高達(dá)1 315～1 715 m，谷坡陡峻，左岸邊坡傾倒變形、卸荷拉裂、風(fēng)化強(qiáng)烈，右岸大理巖內(nèi)順坡向的層間擠壓錯(cuò)動(dòng)帶發(fā)育，邊坡穩(wěn)定問題突出，過大開挖將導(dǎo)致一系列復(fù)雜地質(zhì)條件的特高邊坡穩(wěn)定問題。

(3) 左岸壩基1 800 m高程以上的砂板巖以及1 730～1 800 m高程間受f5，f8斷層、煌斑巖脈X和深卸荷帶影響的大理巖，巖性軟弱，巖體破碎，且破碎巖體深度較大，但建基面若嵌入太深，又會(huì)造成拱壩形態(tài)畸形、應(yīng)力分布不均。

(4) 壩址區(qū)各種規(guī)模的斷層、擠壓帶發(fā)育。

3.2.3 錦屏一級(jí)拱壩建基面確定

由于錦屏一級(jí)拱壩建基巖體存在上述自然條件的制約，經(jīng)過分析研究，在考慮了邊坡穩(wěn)定、地應(yīng)力條件、基礎(chǔ)處理工程量的基礎(chǔ)上，確定了錦屏一級(jí)拱壩建基面選擇的總體原則為：拱壩壩基中下部應(yīng)全部置于Ⅱ級(jí)或Ⅲ1級(jí)巖體之中，中上部應(yīng)盡可能置于Ⅲ1級(jí)巖體之中，若無法避開Ⅲ2級(jí)巖體或Ⅳ2級(jí)巖體時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)固結(jié)灌漿或置換處理，以確保壩基巖體穩(wěn)定和大壩安全。

(1) 河床壩基建基面選擇。遵循以下2個(gè)原則確定河床建基面：① 建基面盡量利用第2段第3層中較完整的微新無卸荷的Ⅱ級(jí)和微風(fēng)化、弱卸荷的Ⅲ1級(jí)厚層狀大理巖、條紋狀大理巖；② 鑒于河床應(yīng)力集中較高，建基面應(yīng)盡量遠(yuǎn)離河床谷底應(yīng)力集中帶(1 550 m高程以下)，減小高應(yīng)力對(duì)河床壩基開挖影響的原則，推薦河床壩基建基面高程為1 580 m。

(2) 左岸建基面。左岸壩基1 800 m高程以上的砂板巖以及1 730～1 800 m高程間受f5，f8斷層、煌斑巖脈X和深卸荷帶影響的大理巖，巖性軟弱，巖體破碎，建基面無法置于可用巖體之上，考慮到壩肩挖除過多會(huì)造成拱壩形態(tài)畸形、應(yīng)力分布不均，左岸壩肩開挖以f5，f8斷層為界，挖除f5，f8斷層及其以外的谷坡巖體至1 730 m高程。在該范圍進(jìn)行大體積混凝土墊座置換，將混凝土墊座作為拱壩左岸的人工基礎(chǔ)，墊座高135 m，墊座基礎(chǔ)寬度平均為61.2 m，厚度平均為49.8 m，混凝土方量為56.02萬 m3。

1 730.0 m高程以下拱座置于弱卸荷下限—新鮮的巖體上。

(3) 右岸建基面。右岸谷坡為大理巖，巖體相對(duì)完整，風(fēng)化及卸荷深度屬于正常，一般不超過50 m，以里微新巖體多為可利用的Ⅱ類、Ⅲ1類巖體，因此右岸壩肩開挖范圍以風(fēng)化卸荷帶為限。

(4) 對(duì)建基巖體內(nèi)的斷層、擠壓錯(cuò)動(dòng)帶等地質(zhì)缺陷進(jìn)行處理。

3.2.4 錦屏一級(jí)拱壩開挖后建基巖體條件及基礎(chǔ)處理措施

錦屏一級(jí)拱壩開挖后建基面巖體質(zhì)量展示圖見圖3。建基面巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)見表2。

圖3 錦屏一級(jí)拱壩建基面巖體質(zhì)量展示圖Fig. 3 Distribution diagram of rock mass quality on Jinping I arch dam foundation surface

部位不同巖級(jí)的巖體出露面積/%ⅡⅢ1Ⅲ2ⅣⅤ右岸河床左岸高程1730m以上高程1730m以下74.714.85.92.91.739.360.4——0.3—46.623.821.08.659.439.8——0.8

3.2.4.1 河床壩基

(1) 建基面巖體出露情況。河床高程1 580 m建基面巖體為第2段第3層厚層狀大理巖、條紋狀大理巖，河床壩基開挖新揭示fLC14，fRC42條斷層。河床壩基主要由Ⅱ，Ⅲ1級(jí)巖體組成，僅沿fLC14，fRC4斷層破碎帶為Ⅴ1級(jí)巖體。

(2) 基礎(chǔ)處理措施。對(duì)fLC14，fRC4斷層破碎帶的Ⅴ1級(jí)巖體進(jìn)行刻槽置換和加強(qiáng)固結(jié)灌漿，對(duì)溶蝕裂隙密集帶加強(qiáng)清基和固結(jié)灌漿處理。

3.2.4.2 左岸高程1 730 m以上砼墊座建基面

(1) 砼墊座建基面情況。左岸砼墊座建基面在高程1 800 m以上為第3段砂板巖，出露f8，f5，f38-2，f38-6等規(guī)模較大的斷層和fLC1—fLC2，fLC4—fLC7等規(guī)模較小的斷層和層間擠壓錯(cuò)動(dòng)帶gLC1，這些破碎帶及影響帶寬度大、性狀差，壩基巖體質(zhì)量分級(jí)屬Ⅳ2，Ⅴ1級(jí)巖體；高程1 800 m以下由第2段大理巖組成，出露f8，f5等規(guī)模較大的斷層和fLC8—fLC11等規(guī)模較小的斷層和層間擠壓錯(cuò)動(dòng)帶gLC2—gLC6，總體以Ⅲ1級(jí)巖體為主，Ⅳ2，Ⅴ1級(jí)巖體沿?cái)鄬雍蛯娱g擠壓錯(cuò)動(dòng)帶帶狀展布，延伸較長(zhǎng)。

左岸砼墊座建基面開挖后，建基面Ⅲ1級(jí)巖體出露面積約8 900 m2，占建基面的46.6%；Ⅲ2級(jí)巖體出露面積約4 520 m2，占建基面的23.8%；Ⅳ2級(jí)巖體出露面積約4 030 m2，占建基面的21.0%；Ⅴ1級(jí)巖體出露面積約1 650 m2，占建基面的8.6%。

(2) 表層處理。1 800 m高程以上砂板巖段邊坡穩(wěn)定性及性狀極差。在開挖過程中采取了嚴(yán)格控制梯段開挖高度、支護(hù)及時(shí)跟進(jìn)等措施，對(duì)斷層破碎帶采取了80 cm厚的鋼筋混凝土面板支護(hù)，并在面板上進(jìn)行了系統(tǒng)錨桿和錨索支護(hù)。對(duì)1 730～1 800 m段大理巖邊坡在開挖過程中采取了嚴(yán)格控制梯段開挖高度、支護(hù)及時(shí)跟進(jìn)等措施，并進(jìn)行噴混凝土封閉和系統(tǒng)錨桿加固處理。對(duì)墊座1 730 m高程建基面出露的斷層及Ⅳ2級(jí)巖體進(jìn)行了刻槽置換處理。

(3) 深層處理。經(jīng)過多階段分析研究，采取了一系列綜合處理措施。結(jié)合拱推力傳力方向，分別在1 829，1 785和1 730 m高程處設(shè)置傳力洞，將拱推力傳至煌斑巖脈以里的III1類巖體，以解決左岸壩肩傳力問題。其中1 829 m高程處布置1條傳力洞，1 785，1 730 m高程處分別布置2條傳力洞，傳力洞洞徑為9.0 m×12.0 m(寬×高)；對(duì)于墊座基礎(chǔ)以下的f5斷層，在1 730，1 670 m 2個(gè)高程，沿?cái)鄬用孀呦蚍謩e設(shè)置混凝土置換平硐，置換平硐橫斷面高度均為10 m，寬度根據(jù)斷層破碎帶厚度確定，一般為9 m。在1 730～1 670 m高程之間沿?cái)鄬觾A向設(shè)置4條混凝土置換斜井，斜井間距30～35 m，寬度為15 m；對(duì)左岸煌斑巖脈(X)，在1 829，1 785和1 730 m設(shè)置3層混凝土置換平硐,尺寸為9.0 m×12.0 m(寬×高)。在1 829 m和1 785 m高程之間結(jié)合大壩防滲線設(shè)置1條置換斜井、1 785 m和1 730 m高程之間設(shè)置4條置換斜井，斜井間距31 m，寬度為7 m；同時(shí)對(duì)拱壩左岸拱端以里一定范圍內(nèi)的深部裂隙和波速較低的Ⅳ，Ⅲ2級(jí)巖體進(jìn)行全面固結(jié)灌漿處理，固結(jié)灌漿高程范圍1 635～1 885 m，水平深度范圍為煌斑巖脈(X)影響帶IV2類巖體以里5～10 m，順河向范圍通過有限元變形敏感性分析確定。

3.2.4.3 左岸高程1 730 m以下壩基

(1) 建基面情況。左岸壩基高程1 730～1 580 m之間的巖體由大理巖組成。壩基發(fā)育f2，fLC12，fLC13，fLC14斷層及gLC2，gLC3，gLC5至gLC10，gLD7，gLD9共10條層間擠壓錯(cuò)動(dòng)帶。

(2) 基礎(chǔ)處理措施。對(duì)于規(guī)模較小斷層及擠壓帶等地質(zhì)缺陷，在壩基清基過程中進(jìn)行局部刻槽、順傾向帶掏挖和高壓水沖洗清除破碎巖體及軟弱填充物、兩側(cè)松動(dòng)巖塊清撬等一般常規(guī)處理，處理深度按斷層出露寬度的2倍且≥50 cm進(jìn)行控制，并結(jié)合建基面固結(jié)灌漿，加密灌漿孔距或孔深進(jìn)行處理。

對(duì)左岸拱壩建基面規(guī)模較大的f2斷層及層間擠壓錯(cuò)動(dòng)帶、fLc13斷層采用專門處理措施。f2斷層及層間擠壓錯(cuò)動(dòng)帶采用刻槽置換、建基面高壓水沖洗灌漿、建基面常規(guī)固結(jié)灌漿綜合處理，處理后，經(jīng)檢測(cè)及換算，Φ50 cm原位承壓板變形模量>4.5 GPa，與相臨壩基Ⅲ1級(jí)大理巖變形模量(9～13 GPa)相比，綜合處理后f2斷層及層間擠壓錯(cuò)動(dòng)帶巖體的變形模量均為Ⅲ1級(jí)大理巖變形模量的34.6%～50.0%。對(duì)大壩建基面出露的fLc13斷層按清基技術(shù)要求進(jìn)行挖除，并回填混凝土、高壓沖洗及水泥-化學(xué)復(fù)合灌漿處理。處理后，經(jīng)檢測(cè)及換算，其變形模量E050值為10.30 GPa左右，與相臨壩基Ⅱ級(jí)大理巖(變形模量26 GPa)相比，變形模量相差約2.6倍，提高了壩基整體承載力和抵抗不均勻變形能力。

3.2.4.4 右岸壩基

(1) 建基面情況。右岸壩基均由大理巖組成。發(fā)育規(guī)模較大的f13，f14，f18斷層和規(guī)模較小的f18-1，fRC1，fRC2，fRC3，fRC4斷層共8條，層間擠壓錯(cuò)動(dòng)帶gRC1，gRC2，gRC3，gRC4共4條。

(2) 基礎(chǔ)處理。 壩基高程1 850 m以上局部可利用Ⅲ2級(jí)巖體。 對(duì)層間擠壓錯(cuò)動(dòng)帶破碎帶及影響帶類Ⅳ1級(jí)、Ⅴ1級(jí)巖體進(jìn)行刻槽置換、 加強(qiáng)固結(jié)灌漿， 對(duì)弱—強(qiáng)風(fēng)化綠片巖類Ⅳ1級(jí)、Ⅴ1級(jí)巖體和溶蝕裂隙密集帶加強(qiáng)清基和固結(jié)灌漿處理。 對(duì)fRC1—fRC4斷層及影響帶類Ⅳ1級(jí)、 Ⅴ1級(jí)巖體進(jìn)行刻槽置換、加強(qiáng)固結(jié)灌漿。對(duì)建基面出露的f13斷層進(jìn)行建基面開挖置換處理。對(duì)1 820～1 720 m高程出露的f14斷層進(jìn)行建基面開挖置換處理，置換深度在壩趾處約為3倍斷層影響帶厚度，在壩踵處約為2.5倍斷層影響帶厚度。斷層影響帶外側(cè)的Ⅲ2類巖石結(jié)合斷層置換槽的處理進(jìn)行部分挖除。同時(shí)，對(duì)f14斷層深部進(jìn)行了網(wǎng)格置換及固結(jié)灌漿處理，以將拱壩推力傳至拱座巖體深部。

對(duì)右岸壩基15#—17#壩段出露的f18斷層及煌斑巖脈進(jìn)行了壩基刻槽、水泥加密固結(jié)灌漿、磨細(xì)水泥-化學(xué)復(fù)合灌漿和混凝土回填等專門處理。經(jīng)檢測(cè)及換算，處理后的f18斷層破碎帶變形模量E050為7.17～11.86 GPa，煌斑巖脈變形模量E050為6.84～7.41 GPa。與相臨壩基Ⅲ1級(jí)大理巖(變形模量11.5 GPa)相比，f18斷層和煌斑巖脈(X)化學(xué)灌漿后的變形模量最大相差約1.68倍，提高了壩基整體承載力和抵抗不均勻變形能力。

3.2.5 建基巖體承載力、抗變形能力及拱壩整體穩(wěn)定

(1) 建基巖體的承載力分析。錦屏一級(jí)拱壩可研設(shè)計(jì)時(shí)，拱梁分載法計(jì)算出的壩體最大主壓應(yīng)力8.59 MPa，位于右岸1 750 m高程下游面。招標(biāo)設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到錦屏一級(jí)拱壩地質(zhì)條件復(fù)雜，邊坡高陡，建基面確定受到自然條件的制約，適當(dāng)增加拱壩厚度，以降低拱壩應(yīng)力水平，拱冠梁處壩底厚度由可研階段的58 m增到63 m。基本組合Ⅰ情況下壩體壓應(yīng)力由可研階段的8.59 MPa(<9 MPa)降到7.77 MPa(<8 MPa)。拱壩基本體形壩體混凝土方量從可研體形435.59萬m3增加到施工圖階段體形476.47萬m3，施工圖階段拱壩體形相對(duì)可研體形壩體混凝土方量增加40.88萬m3。

表3為錦屏一級(jí)拱壩上下游壩面拱端處的壓應(yīng)力沿高程的分布。

表3 拱壩上下游拱端處壓應(yīng)力分布

由表3看出，出現(xiàn)拱壩最大壓應(yīng)力7.77 MPa的1 750 m高程處建基面基本體形范圍內(nèi)為Ⅱ級(jí)巖體，計(jì)算出其地基承載力安全系數(shù)可達(dá)到7.8～9.7。同時(shí)，根據(jù)表3數(shù)據(jù)可計(jì)算出基本體形范圍內(nèi)的建基面Ⅱ級(jí)、Ⅲ1級(jí)巖體地基承載力安全系數(shù)均可達(dá)到7.8～9.7。Ⅲ2級(jí)巖體在壩基高高程局部出露，以及在高程1 710～1 620 m壩趾區(qū)及下游擴(kuò)挖區(qū)出露，根據(jù)表3中數(shù)據(jù)計(jì)算，Ⅲ2級(jí)巖體地基承載力安全系數(shù)也可達(dá)到5.2～9.7。參考前述工程經(jīng)驗(yàn)，即使不考慮Ⅲ2級(jí)巖體的加密灌漿等處理措施，Ⅲ2級(jí)巖體地基承載力也應(yīng)該滿足拱壩建基巖體的承載要求。

(2) 建基巖體的抗變形能力。表4為考慮基礎(chǔ)處理措施后計(jì)算出的錦屏一級(jí)拱壩壩基綜合變形模量，根據(jù)前述分析，參考其他工程經(jīng)驗(yàn)，拱壩抗變形能力滿足拱壩建基要求。

表4 拱壩壩基綜合變形模量設(shè)計(jì)值

(3) 拱壩整體穩(wěn)定情況?？紤]基礎(chǔ)處理措施后，錦屏一級(jí)拱壩超載法地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)表明，大壩上游起裂載荷約為2.5P0(P0為拱壩正常蓄水位水荷載)，下游面起裂載荷約為3P0，大壩非線性變形從(3.5～4.0)P0開始，極限載荷約為7.5P0。綜合法地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)表明，綜合法試驗(yàn)安全度為KC=KSKP=1.3×(4.0～4.6)=5.2～6.0。三維非線性有限元法計(jì)算表明，超載工況下，拱壩基礎(chǔ)處理后，上游壩踵在2P0以上開裂，其非線性超載倍數(shù)K2≥3.5，極限超載倍數(shù)K3≥7?？傮w而言，錦屏一級(jí)拱壩的整體安全度與國(guó)內(nèi)已建和在建的工程相比較處于中上水平。

3.2.6 壩趾錨索加固

由建筑地基加固方式可以看出，在建筑物荷載的作用下，建筑物地基外側(cè)土體可能產(chǎn)生鼓脹變形，通常采用的加固措施是在建筑物基礎(chǔ)外側(cè)施加作用力。實(shí)踐表明，側(cè)向少量的加固力可換取比自身大數(shù)10倍的地基承載力的提高，加固效果極為顯著[10-11]。根據(jù)上述原理，在拱壩壩趾下游一定范圍施加錨索，可提高拱壩建級(jí)巖體的承載能力及抗變形能力。錦屏一級(jí)拱壩建基巖體主要薄弱區(qū)域包括以下部位：

(1) 左岸1 730 m高程以上抗變形能力較弱的壩基巖體，尤其是1 800 m高程以上IV2類砂板巖區(qū)域和f5斷層分布區(qū)域。

(2) 左岸斷層f2出露部位。

(3) 右岸高程1 850 m以上抗變形能力較弱III2類巖區(qū)域。

(4) 右岸高程1 830 m高程左右河谷埡口部位及斷層f14出露部位，該部位為拱壩高梯度應(yīng)力區(qū)。

(5) 右岸高程1 710～1 620 m段壩體基本體形外壩趾部位抗變形能力較弱的III2類巖區(qū)域。

根據(jù)計(jì)算分析，確定了錦屏一級(jí)拱壩壩趾錨索加固方案。加固部位為上述拱壩壩趾主要薄弱區(qū)域的拱壩基本體形線下游一定范圍的巖體；順河向加固范圍為墊座區(qū)域在拱壩基本體形線下游80 m范圍及墊座以外區(qū)域在拱壩基本體形線下游50 m范圍；加固深度為錨索盡可能穿過壩趾范圍高應(yīng)力梯度區(qū)及左、右岸主要結(jié)構(gòu)面，如f5，f2，f13，f14斷層及煌斑巖脈等。

由于錦屏一級(jí)拱壩兩岸邊坡穩(wěn)定條件較差，根據(jù)邊坡穩(wěn)定需要，兩岸抗力體范圍布置了一系列錨索，該部分錨索對(duì)拱壩基礎(chǔ)同樣可起到側(cè)向加固的作用。因此，在抗力體范圍布置邊坡穩(wěn)定所需錨索時(shí)，在布置方式上，同時(shí)兼顧了對(duì)抗力體的側(cè)向鎖固作用，盡量穿過對(duì)拱壩變形穩(wěn)定及抗滑穩(wěn)定不利的結(jié)構(gòu)面。

4 結(jié) 語

(1) 拱壩建基面的確定方法正在由傳統(tǒng)的按巖石風(fēng)化程度確定的定性設(shè)計(jì)方法向根據(jù)巖體質(zhì)量分級(jí)的半定量化方法過渡，目前國(guó)內(nèi)一系列已建及在建的高拱壩、特高拱壩均采用巖體質(zhì)量分級(jí)的方法確定拱壩建基面。

(2) 拱壩建基面確定原則的趨勢(shì)是對(duì)巖體的質(zhì)量要求有所放寬，但這種放寬不是盲目的，應(yīng)根據(jù)工程的具體條件，尤其是工程地質(zhì)條件，確定適宜且效果可靠的基礎(chǔ)處理措施，并在對(duì)處理措施效果進(jìn)行充分計(jì)算分析、試驗(yàn)論證和預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后確定。

(3) 對(duì)壩址區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜、邊坡穩(wěn)定突出、高地應(yīng)力區(qū)等工程，為減少壩基開挖，可采取適當(dāng)降低拱壩應(yīng)力水平的方式，減小拱壩傳遞給建基巖體的荷載，即這種情況下，不可一味追求滿應(yīng)力設(shè)計(jì)，可適當(dāng)增加拱壩厚度，降低拱壩應(yīng)力水平，以減少建基巖體的負(fù)擔(dān)。這樣做雖然會(huì)導(dǎo)致拱壩混凝土工程量有一定的增加，但可能帶來拱壩基礎(chǔ)處理工程量減小、工程邊坡規(guī)模降低、建基面卸荷松弛減少和對(duì)建基面破壞程度降低等一系列優(yōu)勢(shì)，并可提高工程安全度。

(4) 在抗力體部位施加一定范圍和數(shù)量的橫向鎖固錨索，可提高拱壩建級(jí)巖體的承載能力和抗變形能力。

[1] SDJ21—78，混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范[S]. 北京：水利電力出版社，1979.

[2] SD145—85，混凝土拱壩設(shè)計(jì)規(guī)范[S]. 北京：水利電力出版社，1985.

[3] DL/T5346—2006，混凝土拱壩設(shè)計(jì)規(guī)范[S]. 北京：中國(guó)電力出版社，2007.

[4] SL282—2003， 混凝土拱壩設(shè)計(jì)規(guī)范[S]. 北京：中國(guó)水利電力出版社，2003.

[5] 美國(guó)墾務(wù)局.拱壩設(shè)計(jì)[M]. 拱壩設(shè)計(jì)翻譯組譯. 北京：水利電力出版社，1984.

[6] US Army Corps of Engineers. Arch Dam Design[M]. US: University Press of the Pacific，2005.

[7] GB50287—99，水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范[S]. 北京：中國(guó)計(jì)劃出版社,1999.

[8] 蘇聯(lián)國(guó)家建設(shè)委員會(huì). 混凝土和鋼筋混凝土壩設(shè)計(jì)規(guī)范(CHИП2·06·06—85)[S]. 水電部北京勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院譯. 北京：水利電力部北京勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，1989.

[9] 萬宗禮，聶德新，揚(yáng)天俊，等，高拱壩建級(jí)巖體研究與實(shí)踐[M]. 北京：中國(guó)水利水電出版社，2009.

[10]楊 強(qiáng)，陳英儒，周維垣.基于變形加固理論的小灣拱壩壩趾錨固研究[J].云南水力發(fā)電，2007，23(1)：1-8.

[11]楊 強(qiáng)，劉耀儒，陳英儒，等. 變形加固理論及高拱壩整體穩(wěn)定與加固分析[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2008，27(6)：1121-1136.

(編輯：黃 玲)

Study on Rock Mass in the Foundation of High Arch Dam

RAO Hong-ling1,2

(1.PowerChina Chengdu Engineering Corporation Limited，Chengdu 610072，China；2.High Concrete Dam Affiliation of National Hydropower Technology Research & Development Center，Chengdu 610072，China)

Bearing capacity and anti-deformation ability of rock mass in the foundation of high arch dam must be fulfilled to design requirement , because water volume impounded by the dam is giant. But excavation on a large scale at the foundation will be harmful to stability of high slopes at the upstream and downstream of dam foundation , as well as stress relaxation of rock mass due to high geostress. Based on the comparison of the standard requirements of foundation surface at home and abroad, we analyzed the determination for dam foundation surface of the highest dam, Jinping arch dam, and summarized some new viewpoints as follows:1)in premise of reliable measures for foundation treatment ,we can reduce the quality requirements of rock mass in specific projects; 2) we can increase the thickness of arch dam and decrease the stress of arch dam to reduce the load of rock mass in the foundation; 3) transversal anchor locking imposed in the resistance body region at the downstream of arch dam can improve the bearing capacity of rock mass in the foundation.

high arch dam；rock mass in the foundation；bearing capacity；anti-deformation ability；treatment measures

2014-08-02；

2014-09-05

饒宏玲(1963-)，女，四川成都人，教授級(jí)高級(jí)工程師，碩士，長(zhǎng)期從事水工設(shè)計(jì)工作，(電話)13880559650(電子信箱)1426831688@qq.com。

10.11988/ckyyb.20140644

2016,33(01):65-71

TV22

A

1001-5485(2016)01-0065-07