武 帥 遲守旭 任 堂 李 梅

拱壩主要是以壓力拱的形式，將荷載傳到兩岸山體，并以大壩-基礎(chǔ)的聯(lián)合作用完成正常的擋水任務(wù)。它是狹窄河谷上經(jīng)濟(jì)性與安全性都比較優(yōu)越的壩型之一[1]。通常情況下，特高拱壩承受巨大的水荷載和溫度荷載，要求拱壩建在與之適應(yīng)的地基上。天然條件的壩基由于巖體風(fēng)化卸荷以及斷層、構(gòu)造帶等因素，造成建基面的選擇較為困難，尤其是拱壩建基面嵌深的確定。

一般情況下，拱壩建基面嵌深越大，基巖完整性越好，承載能力越高，對大壩安全越有利。但隨著建基面嵌深的增加，壩軸線加長，庫水壓力增大，對壩體強(qiáng)度和壩肩穩(wěn)定的要求更高，此外過大嵌深引起的高地應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致開挖回彈變形和高邊坡等問題[2-3]。本文結(jié)合我國新疆某特高拱壩進(jìn)行建基面選擇研究。

1 工程概況

新疆某特高拱壩為拋物線雙曲拱壩，最大壩高240 m，壩頂高程990 m。壩址區(qū)河道順直，主河床寬40 m，壩頂高程位置河谷寬560 m，河谷斷面呈V形，寬高比為2.67。

壩址區(qū)巖性以黑云母石英片巖為主，巖石堅(jiān)硬，抗風(fēng)化能力強(qiáng)。壩址區(qū)Ⅱ級(jí)巖體變形模量為12～15 GPa，Ⅲ1級(jí)巖體為8～12 GPa，Ⅲ2級(jí)巖體為5～8 GPa。

壩址區(qū)主要發(fā)育Ⅳ、Ⅴ級(jí)結(jié)構(gòu)面，片理發(fā)育不明顯，無區(qū)域性斷裂通過，未發(fā)現(xiàn)順河向斷層。壩址區(qū)晝夜溫差及年季溫差大，受凍融冰劈影響，巖體卸荷相對較深。

2 建基面選擇原則

為確保拱壩運(yùn)行安全可靠，大壩建基面應(yīng)選擇在地質(zhì)條件良好、巖性均勻、完整的堅(jiān)硬巖體上，以滿足地基強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性等要求。同時(shí)，要求建基面平順規(guī)則，左右岸對稱，岸坡角變化平緩。參考文獻(xiàn)[4]規(guī)定：“結(jié)合壩高，選擇新鮮、微風(fēng)化或弱風(fēng)化中、下部的基巖作為建基面”。參考文獻(xiàn)[5]規(guī)定：“對壩高100 m以上高壩，應(yīng)開挖至Ⅱ類巖體，局部可開挖至Ⅲ類巖體”。參考文獻(xiàn)[6]規(guī)定“對壩高超過70 m的混凝土壩，Ⅰ、Ⅱ級(jí)巖體為優(yōu)良、良好的壩基；Ⅲ級(jí)巖體應(yīng)對結(jié)構(gòu)面進(jìn)行專門處理后，可作為高混凝土壩地基”。

結(jié)合現(xiàn)行規(guī)范，在總結(jié)已建二灘、小灣、溪洛渡等特高拱壩[1]設(shè)計(jì)技術(shù)與建設(shè)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，綜合考慮大壩安全運(yùn)行、縮短工期、節(jié)約投資等因素，初步確定本工程拱壩建基面選擇基本原則為：低高程采用Ⅱ級(jí)巖體、局部采用Ⅲ1級(jí)巖體，中高程采用Ⅱ級(jí)、Ⅲ1級(jí)巖體，高高程采用Ⅲ1級(jí)、Ⅲ2級(jí)巖體。

3 建基面方案比選

依據(jù)建基面選擇的基本原則，同時(shí)兼顧建基面平順、光滑等因素，初步擬定2個(gè)建基面方案，據(jù)此分別優(yōu)化出拱壩體形，分別從拱端嵌深、體形幾何參數(shù)、壩體應(yīng)力及位移、壩肩穩(wěn)定等方面進(jìn)行綜合比選分析，以確定建基面方案。方案1、方案2拱端下游立視如圖1所示。

3.1 拱端嵌深比較

2個(gè)方案下游拱端嵌深見表1。

圖1 方案1、方案2拱端下游立視圖

表1 拱壩下游拱端嵌深表 m

由圖1及表1可知，拱壩左、右岸建基面除頂部960～990 m高程外，兩方案均未利用Ⅲ2級(jí)巖體。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級(jí)巖體，左岸平均嵌深減少了9.83 m，右岸平均嵌深減少了5.59 m。

3.2 體形幾何參數(shù)比較

2個(gè)方案拱壩體形幾何特征參數(shù)見表2。

由表2可知，2個(gè)方案拱壩體形幾何特征參數(shù)差異很小，差別主要體現(xiàn)在拱壩中心線長度、壩體混凝土和壩基開挖工程量上。相比方案1，方案2拱壩中心線弧長減少了16.38 m，壩體混凝土量減少了10.45萬m3，壩基開挖量減少了8.93萬m3。

表2 拱壩體型幾何參數(shù)特征值

2個(gè)方案工程量差別源于其對Ⅲ1級(jí)、Ⅲ2級(jí)巖體利用程度不同。方案2拱座更多地利用了Ⅲ1級(jí)巖體，壩頂附近利用了更多的Ⅲ2級(jí)巖體。

3.3 壩體應(yīng)力及位移比較

采用拱梁分載法，計(jì)算基本組合Ⅰ（上游正常蓄水位+相應(yīng)下游水位+泥沙壓力+自重+溫降）工況作用下壩體位移、應(yīng)力，計(jì)算成果見表3。

由表3可知，2個(gè)方案最大主壓應(yīng)力出現(xiàn)位置基本相同，應(yīng)力值相當(dāng)。但方案2壩體最大主拉應(yīng)力為1.34 MPa，方案1為1.16 MPa，且方案2壩體高拉應(yīng)力區(qū)范圍大于方案1。由于壩基巖體分級(jí)及其變形模量的不確定性，同時(shí)方案2壩體最大主拉應(yīng)力相對較大，壩體對壩基變形模量的適用能力相對較差。

表3 拱壩最大位移、最大主應(yīng)力成果表

2個(gè)方案最大位移出現(xiàn)位置相同，數(shù)值相當(dāng)，符合一般規(guī)律。

3.4 壩肩穩(wěn)定比較

對擬定的2個(gè)方案拱壩體形，針對控制塊體，分別進(jìn)行壩肩抗滑穩(wěn)定分析。2方案塊體穩(wěn)定安全系數(shù)見表4。

表4 2個(gè)方案塊體穩(wěn)定安全系數(shù)表

由表4可見：對于控制塊體，加固前，除左岸LB滑塊穩(wěn)定性滿足要求，其余滑塊均需加固處理，方案1安全系數(shù)高于方案2。經(jīng)加固處理后，以上滑塊均可滿足穩(wěn)定要求，2個(gè)建基面方案均可行。

3.5 基礎(chǔ)處理方案比較

2個(gè)建基面方案，基礎(chǔ)處理的差異主要體現(xiàn)在左岸F2的置換范圍以及右岸高高程寬張卸荷裂隙的處理。為減小緩傾角F2斷層對壩肩穩(wěn)定的影響，針對左岸低高程拱肩槽與F2形成的薄層楔形體進(jìn)行開挖置換處理，針對高高程F2進(jìn)行抗剪洞置換處理，方案2由于嵌深相對較淺，開挖置換混凝土量和抗剪洞處理量多于方案1。針對右岸高高程卸荷裂隙，方案1由于嵌深相對較大，對大部分寬張卸荷裂隙已經(jīng)挖除，需開挖置換和灌漿處理量相對較小。為增強(qiáng)方案2壩體對基礎(chǔ)變形模量的適應(yīng)能力，需通過加深固結(jié)灌漿增大左岸810 m附近壩基巖體的變形模量，降低壩體下游面拉應(yīng)力水平。2個(gè)建基面方案壩體防滲帷幕及排水采用同一設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，方案2工程量相對較大。

4 建基面確定

通過以上方案對比分析，2個(gè)建基面方案差別主要體現(xiàn)在以下幾方面：

（1）針對本工程拱壩建基面，為滿足拱壩對基礎(chǔ)的承載要求，必須對壩基地質(zhì)缺陷采用必要和有效的基礎(chǔ)處理措施。

（2）2個(gè)方案在低高程均采用Ⅱ級(jí)巖體，主要差異體現(xiàn)在對Ⅲ1級(jí)、Ⅲ2級(jí)巖體的利用程度上。相比方案1，方案2拱座更多地利用了Ⅲ1級(jí)、Ⅲ2級(jí)巖體，平均嵌深較小。

（3）2個(gè)方案拱壩位移分布規(guī)律合理，數(shù)值基本相同；最大主壓應(yīng)力所在部位基本相同，應(yīng)力值相當(dāng)。但方案2壩體最大主拉應(yīng)力值、高拉應(yīng)力區(qū)范圍均大于方案1，故方案1壩體對基礎(chǔ)變形模量適應(yīng)能力更強(qiáng)。

（4）壩體混凝土量和壩基開挖量隨Ⅲ1級(jí)、Ⅲ2級(jí)巖體利用程度的增加而減小。相比方案1，方案2壩體基本混凝土量減少10.45萬m3，占總量的2.8%；壩基開挖量減少8.93萬m3，占總量的2.6%。

（5）對于控制塊體，加固前方案1安全系數(shù)高于方案2。經(jīng)加固處理后，以上滑塊均可滿足穩(wěn)定要求，兩建基面方案均可行。方案1嵌深相對較大，采用了更多的明挖處理，基礎(chǔ)處理工程量少于方案2，施工難度相對較小。

針對2個(gè)建基面方案，從拱座嵌深、拱壩體形、應(yīng)力及穩(wěn)定分析、基礎(chǔ)處理等方面進(jìn)行分析比較，盡管方案2壩體混凝土量和壩基開挖量相對較少，但壩體應(yīng)力水平較高，高拉應(yīng)力區(qū)范圍較大，壩肩穩(wěn)定安全系數(shù)相對較低，基礎(chǔ)處理工程量相應(yīng)較大；因此，選擇壩體應(yīng)力、壩肩穩(wěn)定條件更優(yōu)，基礎(chǔ)處理量和施工難度相對較小，可靠性和安全性更優(yōu)的方案1作為本工程拱壩的推薦建基面方案。

5 結(jié) 語

特高拱壩建基面選擇非常復(fù)雜，涉及因素眾多，計(jì)算分析難度大，需全面系統(tǒng)分析論證。本文通過對新疆某特高拱壩建基面選擇進(jìn)行深入分析研究，最終確定推薦建基面方案。本文建基面選擇的方法可以為今后特高拱壩建基面選擇提供參考。