鞏緒威， 張芳勇， 華鵬飛

(上?？睖y(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司， 上海 200434)

1 工程概況

擬建的瑪爾水電站為巴基斯坦東北部吉拉姆河(Jhelum River)上5級(jí)開發(fā)中的第2個(gè)梯級(jí)，壩址處多年平均流量796 m3/s，頻率0.05 %、0.2 %、2 %洪峰流量分別為23 200 m3/s、18 500 m3/s和11 000 m3/s。水庫正常蓄水位585.00 m，校核洪水位587.66 m，總庫容1.52億m3，電站總裝機(jī)容量640 MW。

樞紐工程主要由擋水、泄洪消能、引水發(fā)電等建筑物組成。擋水壩為碾壓混凝土重力壩，壩頂高程592.40 m，最大壩高88.4 m，壩頂全長(zhǎng)372.5 m，從左到右由左岸非溢流壩段、廠房進(jìn)水口壩段，泄洪排沙孔(中孔)壩段、溢流壩段、右岸非溢流壩段組成(見圖1)。

圖1 樞紐布置示意(單位：m)

壩址河段為一縱向谷，大壩位于背斜的核部，壩基由中厚層中細(xì)粒砂巖，泥巖、泥質(zhì)粉砂巖和粉砂巖構(gòu)成，巖體軟硬相間分布，中陡傾角產(chǎn)狀，帶寬分布不均，兩岸卸荷深度較大，消能區(qū)巖體抗沖能力低。場(chǎng)區(qū)內(nèi)50年超越概率10%的基巖地震動(dòng)峰值加速度為0.3 g，地震基本烈度為Ⅷ度，壩址最大可信地震MCE值為0.58 g。

2 壩址地形地質(zhì)條件

壩址段河谷兩岸山體雄厚，近似呈“V”型，左岸高程540～575 m為殘留階地，高程575 m以上為自然山坡，主河槽偏右岸，寬約50 m，右岸610 m高程以下邊坡較陡，以上邊坡稍緩。全風(fēng)化帶零星分布，強(qiáng)風(fēng)化帶厚度一般5～12 m，弱風(fēng)化帶厚度大于50 m。壩基Ⅲ類巖體約占50.4%，主要由中細(xì)粒砂巖和粉砂巖構(gòu)成，強(qiáng)度較高，完整性較好；Ⅳ類巖體約占44.8%，主要為泥巖和泥質(zhì)粉砂巖，為軟質(zhì)巖，部分泥巖水穩(wěn)定性差，具浸水崩解、失水干裂缺陷特點(diǎn)；Ⅴ類巖體約占4.8%，主要為斷層破碎帶、層間錯(cuò)動(dòng)及其影響帶，抗剪強(qiáng)度較低。壩基巖體允許承載力：Ⅲ類4～7.5 MPa，Ⅳ類2～4 MPa，Ⅴ類0.5～1 MPa，變形模量為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，地下水位變幅2.8～6.3 m。壩基巖體透水率q小于5 Lu，界線埋深左岸80～100 m，河床段20～30 m，右岸40～70 m。

3 壩型選擇

本工程具有河谷狹窄、泄水量大、泥沙問題突出等特點(diǎn)，壩址河道順直、兩岸山體雄厚，無布置岸邊溢洪道地形條件，巖體內(nèi)布置泄洪隧洞成洞條件差，且樞紐開挖料不宜作為壩體主堆石料，因此不考慮堆石壩壩型；混凝土重力壩可利用壩身布置表孔溢洪道及泄洪排沙孔，國(guó)內(nèi)已有不少軟巖壩基修建混凝土重力壩工程實(shí)例(見表1)。國(guó)內(nèi)工程有修建碾壓混凝土大壩的成功經(jīng)驗(yàn)，為便于通過合理分縫提高大壩整體性，充分發(fā)揮碾壓混凝土施工速度快的優(yōu)勢(shì)，采用碾壓混凝土重力壩壩型。

表1 國(guó)內(nèi)軟巖壩基上混凝土重力壩部分工程實(shí)例

4 主要技術(shù)問題及設(shè)計(jì)思路

經(jīng)壩址工程地質(zhì)條件研究分析，主要存在以下幾方面問題：壩基巖層抗剪和抗壓強(qiáng)度低，可能因?yàn)榛剖Х€(wěn)或承載力不足而破壞；壩基軟硬巖層相間，可能產(chǎn)生較大不均勻變形和應(yīng)力集中；局部軟化的泥巖及錯(cuò)動(dòng)帶軟弱夾層可能發(fā)生滲透破壞或產(chǎn)生較大滲漏；消能區(qū)巖體抗沖刷能力低，可能發(fā)生沖刷破壞；在地震作用下可能發(fā)生失穩(wěn)或超過允許的變形。針對(duì)上述問題，主要設(shè)計(jì)思路如下：

(1)壩體布置結(jié)合樞紐布置全面考慮，泄洪消能防沖型式的選擇應(yīng)避免下泄水流對(duì)壩基、下游河床及岸坡的沖刷破壞，并通過水工模型試驗(yàn)驗(yàn)證；

(2)綜合考慮地基與上部結(jié)構(gòu)之間的相互關(guān)系，調(diào)整上部結(jié)構(gòu)型式，使上部結(jié)構(gòu)與地基工作條件協(xié)調(diào)，合理分縫，以滿足抗震、溫控及適應(yīng)變形要求；

(3)設(shè)置有效和完善的防滲和排水系統(tǒng)，降低滑移面上的揚(yáng)壓力，避免或減輕滲透破壞和減少滲漏量；

(4)選擇合適的建基面和開挖方式，建基面采用保護(hù)措施，壩基采用全面固結(jié)灌漿，根據(jù)地質(zhì)條件和壩基應(yīng)力分布情況加強(qiáng)處理；

(5)由于地基條件復(fù)雜，采用材料力學(xué)法和剛體極限平衡法計(jì)算成果作為確定壩體斷面的依據(jù)，并以有限元法計(jì)算分析結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

5 壩體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

5.1 壩體斷面設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的實(shí)體混凝土重力壩斷面上游壩坡1 ∶0～1 ∶0.2，下游壩坡1 ∶0.6～1 ∶0.8，壩底寬約為壩高的0.7～0.9倍。由于巖基較為軟弱，經(jīng)初步計(jì)算，穩(wěn)定和壩基應(yīng)力不滿足規(guī)范要求。擬對(duì)上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，初選以下四種斷面型式：

(1)加大壩體斷面型式。擴(kuò)大基巖的接觸面，提高抗剪能力，分散基底應(yīng)力。壩頂寬度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)設(shè)置壩趾齒墻型式。下游開挖深10 m、底寬10 m、坡比1 ∶1的齒槽，并回填混凝土形成壩趾齒墻，利用尾巖抗力提高抗剪能力。壩頂寬度10 m，上游面535.00 m高程以上垂直，以下1 ∶0.2；下游坡比為1 ∶0.7。

(3)設(shè)置混凝土基座型式。在基巖面上設(shè)置厚度15～20 m基座，以分散應(yīng)力，增大抗剪力，伸出上游面10 m，下游根據(jù)計(jì)算確定。壩頂寬度10 m，上游面垂直，下游坡比為1 ∶0.7。

(4)壩池連接型式。壩體和消力池之間僅設(shè)施工縫，將消力池在一定長(zhǎng)度范圍內(nèi)深挖加厚，利用下游消力池自重和巖體抗力以提高壩體抗滑穩(wěn)定性。

斷面型式(1)在傳統(tǒng)重力壩斷面基礎(chǔ)上，對(duì)上下游坡適度放緩，壩體略顯肥大，壩體布置相對(duì)較為簡(jiǎn)單；斷面型式(2)是重力壩設(shè)計(jì)中常用的處理措施，但開挖齒槽施工困難，影響工期，回填混凝土受周圍基巖約束，需加強(qiáng)溫度控制，且壩基巖體軟硬相間，開挖可能影響到上游壩基；斷面型式(3)通過調(diào)整底板基座的長(zhǎng)度可保證抗滑穩(wěn)定性和適應(yīng)基礎(chǔ)巖層變化，減少河床的挖方，但底板混凝土工程量大；斷面型式(4)通過壩池之間內(nèi)力平衡來提高壩體抗滑穩(wěn)定性，是經(jīng)濟(jì)有效的處理方式，但壩基應(yīng)力改善甚微，消力池本身的穩(wěn)定性及水流沖刷給大壩帶來風(fēng)險(xiǎn)。經(jīng)綜合經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析，采用斷面型式(1)。

5.2 壩體分縫及溫度控制

根據(jù)《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》，常態(tài)混凝土重力壩的橫縫間距可為15～20 m，碾壓混凝土重力壩橫縫間距可適當(dāng)加大。國(guó)內(nèi)近期完建的碾壓混凝土重力壩，橫縫間距一般為20～30 m，如：大朝山為18～20 m、龍灘為22 m、景洪為30 m、功果橋?yàn)?1 m、魯?shù)乩瓰?0 m，金安橋?yàn)?0 m。本工程從大壩抗震、壩基抗滑穩(wěn)定及適應(yīng)地基變形出發(fā)，橫縫間距越大越好；但壩體較肥大，從溫控防裂要求出發(fā)，橫縫間距不宜太大，初擬橫縫(誘導(dǎo)縫)間距在15～25 m之間。大壩共分20個(gè)壩段，設(shè)置19條橫縫。參照國(guó)內(nèi)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，橫縫采用切縫機(jī)具切制，每碾壓澆筑層厚約30 cm，切制深度20 cm，順?biāo)鞣较蜷g隔切制2/3長(zhǎng)度，切縫填無紡布，橫縫具有誘導(dǎo)縫的性質(zhì)。

壩體防裂及溫度控制設(shè)計(jì)以13號(hào)溢流壩段為例，壩段順河向方向長(zhǎng)83.4 m，寬20 m，材料分區(qū)見圖2。澆筑分層常態(tài)混凝土墊層1.5 m，基礎(chǔ)約束區(qū)2 m，非約束區(qū)3 m，層間間歇7 d，第4年5月澆筑碾壓混凝土。初擬采用HDPE塑料管進(jìn)行通水冷卻，外徑32 mm，內(nèi)徑28 mm，間距1.5 m×1.5 m(水平×垂直)，通水流量1.2 m3/h，每12 h交換一次通水方向。澆筑溫度18℃，通當(dāng)月河水冷卻，通水時(shí)間20 d。

圖2 大壩混凝土材料分區(qū)

經(jīng)采用有限元法進(jìn)行溫度場(chǎng)、溫度應(yīng)力分析，墊層混凝土的后期拉應(yīng)力較大，穩(wěn)定后為1.19 MPa，小于該齡期的容許拉應(yīng)力1.37 MPa。壩體內(nèi)部點(diǎn)溫度拉應(yīng)力均很小，壩體表面點(diǎn)的溫度應(yīng)力隨時(shí)間的推移逐漸增大，但應(yīng)力峰值均在容許拉應(yīng)力范圍內(nèi)，壩體混凝土能夠滿足混凝土允許抗拉要求。

5.3 壩體結(jié)構(gòu)計(jì)算

按剛體極限平衡法和材料力學(xué)法計(jì)算穩(wěn)定及應(yīng)力，計(jì)算壩段選?。?18號(hào)擋水壩段、13號(hào)溢流壩段、11號(hào)中孔壩段、9號(hào)進(jìn)水口壩段。18號(hào)壩段建基面約45%坐落于ⅣC2巖層，55%坐落于Ⅲ1B巖層，抗剪斷強(qiáng)度參數(shù)取加權(quán)平均值，f=0.75，C=0.65 MPa；13號(hào)壩段建基面坐落于Ⅲ1B巖層，抗剪斷強(qiáng)度參數(shù)取f=0.85，C=0.8 MPa； 11號(hào)壩段建基面約83%坐落于ⅣC2巖層，17%坐落于Ⅲ1B巖層，抗剪斷參數(shù)取加權(quán)平均值，f=0.69，C=0.56 MPa；9號(hào)壩段建基面約25%坐落于Ⅲ1B巖層，11%坐落于ⅣC1巖層，64%坐落于ⅣC2巖層，抗剪斷參數(shù)取加權(quán)平均值，f=0.72，C=0.6 MPa。對(duì)11、13號(hào)壩段，考慮壩基采用抽排措施，壩基浮托力降低，浮托力折減系數(shù)采用0.8。計(jì)算結(jié)果表明，壩基面抗滑穩(wěn)定滿足規(guī)范要求，各工況下基底應(yīng)力均小于地基允許承載力最小值2 MPa，壩踵未出現(xiàn)拉應(yīng)力，擋水壩段完建期壩址拉應(yīng)力為-0.015 MPa，大于-0.1 MPa，滿足規(guī)范要求。

壩體沿碾壓混凝土層面穩(wěn)定及應(yīng)力計(jì)算選取18號(hào)擋水壩段530.00 m、560.00 m、581.39 m及13號(hào)溢流壩段520.00 m、535.00 m高程進(jìn)行，混凝土層間抗剪斷參數(shù)采用f′=1.0、C′=1.3 MPa，壩體排水管處滲透壓力強(qiáng)度系數(shù)為0.2，計(jì)算結(jié)果表明層面抗滑穩(wěn)定及應(yīng)力滿足規(guī)范要求。

為全面了解建壩以后整個(gè)壩基的變形情況，采用整體三維有限元模型對(duì)正常蓄水位工況下的應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行計(jì)算分析，計(jì)算模型見圖3。壩基范圍：壩踵上游、壩趾下游及兩岸各延伸120 m，壩基深度90 m?？紤]橫縫內(nèi)設(shè)置鍵槽，非連續(xù)切縫具有誘導(dǎo)縫性質(zhì)，計(jì)算分析了壩體-地基系統(tǒng)在橫縫有接觸模型(考慮整體作用)和橫縫無接觸模型(不考慮整體作用)兩種工況下的地基變形。

圖3 壩體和壩基整體三維計(jì)算模型

在考慮橫縫接觸和不考慮橫縫接觸兩種工況下，壩基最大沉降分別為1.17 cm和1.42 cm，壩基沉降較??；地基變形的梯度很小，相鄰壩段的沉降差值在2 mm以內(nèi)，不影響大壩正常運(yùn)行；考慮橫縫間的作用即部分考慮大壩的整體作用，均化了壩基的不均勻沉降。壩基變形情況見圖4。

圖4 壩基變形示意

5.4 大壩抗震設(shè)計(jì)專題研究

抗震分析除采用擬靜力法分析外，還進(jìn)行了材料力學(xué)法地震反應(yīng)分析、反應(yīng)譜法三維有限元地震分析及時(shí)程法三維有限元地震分析。計(jì)算壩段仍為18號(hào)、13號(hào)、11號(hào)、9號(hào)壩段。

采用擬靜力法對(duì)各計(jì)算壩段沿建基面進(jìn)行抗滑穩(wěn)定及應(yīng)力計(jì)算，對(duì)18號(hào)壩段530.00 m、560.00 m、581.39 m高程及13號(hào)壩段520.00 m、535.00 m高程進(jìn)行壩體層面抗滑穩(wěn)定及應(yīng)力計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明，壩基面及壩體層面抗滑穩(wěn)定、應(yīng)力滿足規(guī)范要求。

采用材料力學(xué)法進(jìn)行靜、動(dòng)態(tài)分析，大壩各壩段基頻在1.20～2 Hz之間，第5階頻率均已達(dá)到15 Hz以上；在靜荷載作用下，壩面基本無拉應(yīng)力出現(xiàn)。在設(shè)計(jì)地震規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)譜作用下，壩體靜動(dòng)綜合應(yīng)力水平總體不高，最大靜動(dòng)綜合拉應(yīng)力數(shù)值在1.76 MPa，混凝土的抗拉、抗壓強(qiáng)度安全、沿各高程層面的動(dòng)力抗滑穩(wěn)定、沿建基面抗滑穩(wěn)定安全均滿足規(guī)范要求。

采用三維線性有限元進(jìn)行振型分解反應(yīng)譜法，各壩段基頻計(jì)算結(jié)果與材料力學(xué)法結(jié)果基本接近。在正常蓄水位靜態(tài)荷載作用下，各壩段在壩踵存在一定程度的拉應(yīng)力集中；各壩段在靜動(dòng)荷載作用下，較大拉應(yīng)力發(fā)生在各壩段壩踵和下游面中上部的折坡位置，壩踵拉應(yīng)力分布范圍很小，應(yīng)力梯度大；壩踵、壩趾及結(jié)構(gòu)上的折角、孔口等區(qū)域存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，通過采取體型優(yōu)化、適當(dāng)配筋等工程措施可確保大壩抗震安全；各壩段建基面靜動(dòng)力穩(wěn)定均能滿足要求。

6 泄洪消能專題研究

針對(duì) “泄流量大、泥沙量大、消能區(qū)巖體抗沖能力較低”的特點(diǎn)，采用壩身表孔泄洪為主、中孔為輔的泄洪方式，中孔兼顧排沙。溢流壩段長(zhǎng)109 m，布置5個(gè)表孔-15 m×22 m(寬×高)，堰頂高程563.00 m，設(shè)弧形閘門控制，堰頂WES曲線，后接1 ∶0.9切線段，反弧段半徑為20 m；兩個(gè)中孔壩段長(zhǎng)度均為23 m，各設(shè)2孔有壓壩身泄水孔，底檻高程545.00 m，出口斷面尺寸5.5 m×8 m(寬×高)。經(jīng)水力學(xué)計(jì)算及水工模型試驗(yàn)驗(yàn)證，泄流能力滿足設(shè)計(jì)要求。

底流消能方式具有流態(tài)穩(wěn)定、消能效果較好、對(duì)地質(zhì)條件和尾水水位變化適應(yīng)性較強(qiáng)、泄洪霧化輕微等優(yōu)勢(shì)，能夠適應(yīng)不同水頭，在國(guó)內(nèi)外重力壩工程得到廣泛應(yīng)用，如：俄羅斯的薩楊·舒申斯克，印度的巴拉克，美國(guó)的夏斯太，日本丸山；中國(guó)的向家壩、百色、五強(qiáng)溪、官地等。結(jié)合同類工程經(jīng)驗(yàn)及計(jì)算結(jié)果，溢流表孔采用寬尾墩+底流消能方式，中孔采用傳統(tǒng)底流消能方式。

溢流表孔根據(jù)地形走勢(shì)，靠河床的3個(gè)表孔下游消力池底板頂高程512.00 m，右岸2個(gè)表孔下游消力池底板頂高程525.00 m，區(qū)間采用隔墻分開。經(jīng)水工模型試驗(yàn)比選，推薦靠河床3表孔采用Y型寬尾墩，收縮比β=0.50；右側(cè)2表孔X型寬尾墩非對(duì)稱布置，左側(cè)孔收縮比0.304，右側(cè)孔收縮比0.416。

7 基礎(chǔ)處理及滲控工程

7.1 建基面選擇

壩基Ⅲ類巖體直接或經(jīng)局部處理后加以利用，Ⅳ類巖體為避免地基抗滑和變形方面的不足，采取加大斷面擴(kuò)大建基面的措施，Ⅴ類巖體需要進(jìn)行專門地基處理；壩基置于弱風(fēng)化、弱卸荷帶相對(duì)完整的巖體上，岸坡壩段局部強(qiáng)卸荷帶巖體經(jīng)處理后可作為壩基；對(duì)斷層、錯(cuò)動(dòng)帶、擠壓破碎帶等薄弱部位，沿其延伸方向加大開挖并回填混凝土；建基面采用預(yù)裂爆破成型，對(duì)泥巖、粉砂巖預(yù)留一定厚度保護(hù)層，挖除保護(hù)層后澆筑混凝土封閉；兩岸非溢流壩段在壩軸線方向上采用臺(tái)階開挖形式，高差10～15 m，水平段寬度不小于壩段橫向?qū)挾鹊?/2。

7.2 基礎(chǔ)固結(jié)灌漿

為提高基巖的完整性、均勻性和提高基巖與壩體混凝土接觸面的抗剪強(qiáng)度，減少壩基承載后的不均勻變形，并增加表層基巖的防滲能力，對(duì)壩基進(jìn)行全面積固結(jié)灌漿處理。灌漿入巖深度一般為8 m或12 m，Ⅳ類、Ⅴ類巖體、卸荷發(fā)育、巖層錯(cuò)動(dòng)帶、斷層破碎帶等以及河床壩段壩趾基底應(yīng)力較大區(qū)域?yàn)?5 m，灌漿孔按梅花形布置，間排距均為3 m，必要時(shí)適當(dāng)加密。壩基局部泥巖、粉砂質(zhì)泥巖透水率一般q小于10 Lu，呈弱透水性，一般水泥漿液可灌性差，參考類似工程經(jīng)驗(yàn)，可采用細(xì)水泥漿液，配合比及灌注方法通過室內(nèi)漿材試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)灌漿試驗(yàn)確定。

7.3 滲流控制設(shè)計(jì)

考慮大壩上游泥沙淤積能起到一定的防滲作用，綜合水文地質(zhì)條件和工程特點(diǎn)，帷幕設(shè)計(jì)防滲標(biāo)準(zhǔn)如下：

(1)帷幕底線一般深入到基巖透水率q不大于5 Lu界限以下5 m；

(2)或帷幕深度H大于(1/3)h+5，h為幕前水深，單位為m；

(3)穿越規(guī)模較大的斷層及其影響帶時(shí)，局部適當(dāng)加深；

(4)兩岸延伸至正常蓄水位與地下穩(wěn)定水位相交處。

考慮地質(zhì)條件復(fù)雜，且下游水位較高，河床溢流和中孔壩段、消力池及尾坎分兩區(qū)采取封閉抽排措施，其余壩段及延伸段帷幕下游設(shè)置一排排水孔。排水孔穿過泥巖、軟弱夾層或破碎帶等不良地層時(shí)，采用復(fù)合PVC濾水管外裹反濾土工布進(jìn)行孔內(nèi)保護(hù)。

8 結(jié) 語

針對(duì)強(qiáng)震區(qū)軟弱基巖上修建混凝土重力壩，對(duì)泄洪消能、抗震設(shè)計(jì)、溫控設(shè)計(jì)等進(jìn)行了專題研究，目前該工程可行性研究報(bào)告已通過相關(guān)部門專家咨詢和評(píng)審，限于篇幅，本文對(duì)有限元計(jì)算分析和水工模型成果未作詳細(xì)論述。

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