陳 鍇，劉代彬，蘭有磷，張昌隆

（1．中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計研究院有限公司，浙江省杭州市 311122；2．福建華電高砂水電有限公司，福建省三明市 365050）

1 工程概況

高砂水電站為閩江主要支流沙溪河段水電水運(yùn)梯級開發(fā)的第六級，為三等（中）型工程，主要建筑物為3級建筑物，總庫容0.4億m3，為日調(diào)節(jié)水庫，總裝機(jī)容量為5萬kW。本水電站為河床徑流式水電站，有效庫容2500萬m3，正常蓄水位103.00m，樞紐以發(fā)電為主，兼有通航等效益。樞紐采用河床式布置，由攔河壩、電站廠房和船閘等主要建筑物組成。攔河壩自左至右依次為左岸擋水壩段、船閘壩段、溢流壩段、發(fā)電廠房壩段、右岸擋水壩段。大壩為混凝土實體重力壩，壩頂長316m，壩頂高程108m，最大壩高30.47m；泄洪閘壩段共設(shè)9孔溢流孔，堰頂高程89.00m，孔寬16m。

攔河壩溢流8號壩段是位于樞紐中部的溢流壩段，建基高程83.55～85.26m，壩頂高程108m，由溢流堰體和閘墩組成，溢流堰型為寬頂堰，堰頂高程89m，閘墩寬3m，位于壩段的中部，基礎(chǔ)坐落在弱風(fēng)化薄層狀含礫砂巖夾泥質(zhì)粉砂巖上。

主體工程于1992年9月正式開工，1995年6月下閘蓄水，1999年7月通過工程竣工安全鑒定，2001年6月通過竣工驗收。樞紐區(qū)平面布置見圖1。

圖1 高砂水電站樞紐平面布置圖Figure 1 Layout of Gaosha Hydropower Station

2 8號壩段地質(zhì)條件及處理

8號壩段壩基巖性主要為弱風(fēng)化含礫砂巖夾薄層粉砂巖，f3斷層斜穿8號壩段，延伸至9號、10號壩段護(hù)坦，范圍較大，且與f2斷層匯交并通向庫區(qū)，后期運(yùn)行過程中有可能形成滲漏通道，是施工期壩基主要工程地質(zhì)問題之一。工程地質(zhì)剖面見圖2。

圖2 溢流壩段工程地質(zhì)剖面圖（上游側(cè)）Figure 2 Engineering geology profile of overflow dam section （upstream side）

f3斷層產(chǎn)狀上盤面 N5°～ 20°E，NW ∠ 15°～ 20°，下盤面 N5°～ 20°E，NW ∠ 35°～ 45°，在高程 80～ 82m 處破碎寬達(dá)1.8～3.5m。8號壩段建基面巖性均以f3斷層為界，上盤為薄層狀含礫砂巖夾泥質(zhì)粉砂巖，下盤為厚層狀砂礫巖。巖層產(chǎn)狀N35°～45°E，NW∠6°～11°，f3斷層與輝綠巖脈（γπ-1）相交斜穿于壩段下游端，破碎帶寬2～6m，巖石呈全風(fēng)化。采用槽挖鋪鋼筋及增補(bǔ)固結(jié)灌漿處理，槽深1.5～2.5m，最低高程82.50m，槽底部巖石呈弱～微風(fēng)化，巖質(zhì)尚堅硬。壩基原設(shè)計開挖高程為85m，在開挖過程中發(fā)現(xiàn)85m高程的泥質(zhì)粉砂巖層間有一層厚為2～5mm，局部10mm的夾泥層。同時在83.88m高程泥質(zhì)粉砂巖層間又發(fā)現(xiàn)一層夾泥層厚1～4cm，灰綠色，具黏性，呈斷續(xù)分布。

施工時對風(fēng)化夾層進(jìn)行掏挖處理，掏深0.60～0.80m，槽底端風(fēng)化夾層厚度變小僅5～13cm。風(fēng)化夾層結(jié)構(gòu)尚致密，用鋼釬掏挖時難掘進(jìn)，在槽內(nèi)鋪設(shè)鋼筋并回填混凝土和進(jìn)行接觸灌漿處理。并在溢流頂面布置12根深度14m垂直錨桿，伸入完整的基巖中，同時布置38個固結(jié)灌漿孔處理，提高了基礎(chǔ)的整體性。在8號壩段的上、下游還有縱向混凝土導(dǎo)墻的作用，特別是下游側(cè)導(dǎo)墻，基礎(chǔ)巖石新鮮完整，一定程度上有助于提升壩基的穩(wěn)定性。

8號壩段的下游側(cè)雖經(jīng)處理后有所改善、其下游的縱向混凝土導(dǎo)墻位于新鮮完整的巖石上，但仍是所有壩段中地質(zhì)條件最復(fù)雜、巖性最差的壩段。根據(jù)相應(yīng)規(guī)范[1]壩基巖體工程地質(zhì)分類，8號壩段的巖體分類為Ⅳ1B。從壩基存在的泥化夾層情況分析，電站運(yùn)行20多年，壩基巖可能存在基巖軟化、泥化夾層泡水軟化及滲透破壞的可能性，對壩基穩(wěn)定不利。

3 8號壩段運(yùn)行性態(tài)分析

3．1 壩頂變形

在大壩壩頂下游側(cè)布設(shè)一條視準(zhǔn)線，每壩段布置1個視準(zhǔn)線觀測墩，并在每個觀測墩旁布置1個水準(zhǔn)點(diǎn)。溢流7～9號壩段壩頂水平、垂直位移實測過程線見圖3和圖4，由圖可見：

圖3 7～9號壩段壩頂累積水平位移測值過程線Figure 3 The accumulated horizontal displacement process line of of 7 ～ 9 dam crest

圖4 7～9號壩段壩頂累積沉降測值過程線Figure 4 The accumulated settlement displacement process line of of 7 ～ 9 dam crest

（1）7～9號壩段壩頂水平位移變化與氣溫呈一定正相關(guān)關(guān)系，即隨氣溫升高而向下游位移、隨氣溫降低而向上游位移，這主要是由于泄洪閘結(jié)構(gòu)為順河向閘墻，邊界溫度存在差異的范圍較小，閘墻大部分區(qū)域均與空氣接觸，溫度升高時閘墻整體發(fā)生膨脹變形，又由于視準(zhǔn)線位于壩頂下游側(cè)，因此閘墻整體膨脹的結(jié)果是使得位于壩頂下游的視準(zhǔn)線測點(diǎn)向下游位移，總體符合混凝土壩的一般變形規(guī)律。

總體上，7～9號壩段壩頂水平位移變化均無明顯的趨勢性，向下游最大位移量在4.49～5.68mm之間，向上游最大位移量在5.37～7.07mm之間，最大年變幅在8.75～9.87mm之間，多年平均變幅在6.76～7.44mm之間，總體較穩(wěn)定。雖然各測點(diǎn)測值受觀測誤差干擾較大，但從各測值過程線的變化趨勢及變幅等仍可判斷大壩各壩段水平位移穩(wěn)定、無異常。

（2）7～9號壩段壩頂垂直位移呈現(xiàn)較好的年周期變化規(guī)律，與氣溫呈較明顯的相關(guān)性，表現(xiàn)為壩頂隨氣溫升高時而上抬、隨氣溫降低時而下沉，符合混凝土壩熱脹冷縮的基本特性和壩頂垂直位移的變形規(guī)律。各壩段下沉最大值發(fā)生在氣溫較低時、在2.6～3.8mm之間，上抬最大值均發(fā)生在氣溫較高時（8月）、在2～2.9mm之間，滯后環(huán)境氣溫極值出現(xiàn)時間約1～2個月。最大年變幅在5.2～5.7mm之間，多年平均變幅在4.23～4.48mm之間，總體穩(wěn)定、且各壩段變形協(xié)調(diào)，無明顯趨勢性，由此可判斷各壩段壩頂垂直位移變化無異常。

3．2 壩基揚(yáng)壓力

在溢流8號壩段（帷幕后）布置1個測壓管，鉆孔深入建基面以下，以監(jiān)測相應(yīng)壩段的壩基揚(yáng)壓力。

大壩防滲采用常規(guī)帷幕灌漿處理，在上游側(cè)壩基設(shè)置一排單排帷幕灌漿孔，孔深7～15m，帷幕兩岸側(cè)與大壩左右岸相接，該帷幕的作用是減少來自上游水庫的滲透壓力，大壩下游側(cè)無帷幕。根據(jù)設(shè)計要求，壩基滲壓系數(shù)取0.5。壩基揚(yáng)壓力是壩體和基巖結(jié)合面的浮托力和滲透壓力之和，影響壩基揚(yáng)壓力大小的主要因素有上游和下游水位、帷幕防滲效果及壩前淤積情況等。壩基滲壓系數(shù)計算公式[2]如下：

（1）當(dāng)HX≥HC時：

（2）當(dāng)HX＜HC時：

式中：HP——測點(diǎn)實測揚(yáng)壓水位，m；

HS——上游水位，m；

HX——下游水位，m；

HC——測點(diǎn)處基巖高程，m。

上下游水位、降水量、氣溫以及溢流8號壩段壩基揚(yáng)壓水位測值過程線見圖5和圖6，溢流8號壩段壩基滲壓系數(shù)計算值過程線見圖7。由圖可見：

圖5 壩址降水量、氣溫測值過程線Figure 5 Precipitation and temperature measurement process line of dam site

圖6 8號壩段壩基揚(yáng)壓水位及水位測值過程線Figure 6 Dam foundation elevation pressure water level and water level measurement process line

圖7 8號壩段壩基滲壓系數(shù)計算值過程線Figure 7 The calculation value process line of seepage pressure coefficient of 8 dam foundation

（1）8號壩段壩基揚(yáng)壓力有一定年周期變化規(guī)律，與基礎(chǔ)水溫呈現(xiàn)一定相關(guān)性，初步分析判斷是由于外界溫度變化影響壩基基巖裂隙開合度大小，氣溫升高巖體及混凝土膨脹，壩基裂隙壓緊，滲透減小，壩基防滲性能提高，該壩段壩基揚(yáng)壓水位相應(yīng)降低，反之則導(dǎo)致該壩段壩基揚(yáng)壓水位升高，且揚(yáng)壓水位變化明顯滯后于外界氣溫變化。

（2）多年實測數(shù)據(jù)顯示，8號壩段壩基揚(yáng)壓水位在91.6～95.79m之間，多年平均值為93.83m，明顯小于上游庫水位（基本維持在103.00m），變化無趨勢性且變幅一直較穩(wěn)定（最大為3.48m），表明該壩段壩基帷幕后揚(yáng)壓水位處于穩(wěn)定狀態(tài)，壩基帷幕的防滲效果無明顯下降跡象。

（3）8號壩段壩基滲壓系數(shù)在運(yùn)行期間一直小于0.4，在設(shè)計控制指標(biāo)（0.5）范圍內(nèi)，說明溢流壩段基礎(chǔ)的帷幕防滲效果較好、防滲系統(tǒng)運(yùn)行正常，且近些年防滲效果沒有削弱現(xiàn)象。

3．3 統(tǒng)計模型分析

為進(jìn)一步確定各種因素對壩頂水平位移、壩基揚(yáng)壓力的影響程度，現(xiàn)采用統(tǒng)計回歸模型法來分析壩頂水平位移/壩基揚(yáng)壓力與水壓、降水、溫度和時效之間的關(guān)系。經(jīng)計算，各分量的分解及統(tǒng)計成果見表1和表2，由表可見：

表1 7～9號壩段壩頂垂直位移回歸方程分量解析成果統(tǒng)計一覽表Table 1 Table of statistical results of component analysis of regression equation for vertical displacement of 7 ～ 9 dam crest

表2 8號壩段壩基揚(yáng)壓力回歸方程分量解析成果統(tǒng)計一覽表Table 2 Table of statistical results of component analysis of uplift pressure regression equation of 7 ～ 9 dam foundation

（1）對7～9號壩段壩頂垂直位移的影響分析：

溫度分量：測點(diǎn)的回歸方程有溫度因子入選，并且多為近期和前期溫度因子的組合，說明溫度變化對壩頂垂直位移具有普遍性影響，且垂直位移年周期性變化相位滯后于氣溫約在60天以內(nèi)，這與定性分析結(jié)論相吻合。分量變幅為4.79mm，占100%，說明溫度是影響壩頂垂直位移最主要的因素。

從溫度分量的變化規(guī)律來看，壩頂垂直位移與溫度因子呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，即位移隨氣溫升高而上抬、隨氣溫降低而下沉，符合混凝土壩的變形規(guī)律。

水壓、時效分量占比很小，表明時效對該壩段壩頂垂直位移的影響已基本穩(wěn)定，并且上游水位變化較小、對大壩水平位移基本無影響。

（2）對8號壩段壩基揚(yáng)壓力的影響分析：

水壓分量：占比52.38%，表明上、下游水位是影響該壩段壩基揚(yáng)壓力最主要的因素。該壩段壩基揚(yáng)壓力受上游水位影響較小，這主要是下游水位變幅較上游水位要大，且大壩下游側(cè)無防滲帷幕。整體呈現(xiàn)“水位升高，揚(yáng)壓力增大；水位降低，揚(yáng)壓力減小”的規(guī)律。

溫度分量：占比47.62%，表明溫度對該壩段壩基揚(yáng)壓力的影響較大且明顯，僅次于上下游水位。

降水、時效分量占比很小，表明時效對該壩段壩基揚(yáng)壓力的影響已穩(wěn)定，降水對其基本無影響。

3．4 穩(wěn)定復(fù)核計算

前期地勘資料顯示，斜穿8號壩段建基面的斷層為f3斷層，該斷層在護(hù)坦部位，與夾層出露位置不相交，不會形成組合滑動面。8號壩段結(jié)構(gòu)及基礎(chǔ)剖面圖見圖8。

圖8 8號壩段結(jié)構(gòu)及基礎(chǔ)剖面圖Figure 8 Structure and foundation profile of No.8 dam section r

前期復(fù)核計算成果[4]顯示，8號壩段基礎(chǔ)高程84m，壩頂寬27m，基礎(chǔ)底寬31.5m，帷幕距壩踵2.35m。技施階段壩體穩(wěn)定計算采用的參數(shù)為f′=0.9，c′=0.9MPa。建基面抗剪斷摩擦系數(shù)和抗剪斷凝聚力分別采用地質(zhì)建議值的小值f′RK=0.6和c′RK=0.5MPa。對8號壩段根據(jù)不同運(yùn)行工況分別進(jìn)行建基面抗滑穩(wěn)定計算，取整個壩段寬計算，滲壓系數(shù)取0.25。按照《混凝土重力壩設(shè)計規(guī)范》（SL 319），建基面抗滑穩(wěn)定及應(yīng)力計算成果見表3。

表3 8號壩段沿壩基抗滑穩(wěn)定計算成果Table 3 Calculation results of anti-sliding stability along foundation plane of No．8 dam section

按照《混凝土重力壩設(shè)計規(guī)范》（SL 319）[3]要求，本工程攔河壩為3級建筑物，其壩基抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)基本組合K≥1.25，特殊組合計算的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)K≥1.1。由以上計算分析成果可見，在各運(yùn)行工況下，溢流8號壩段沿建基面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。

另外，考慮到溢流8號壩段的上下游均設(shè)有縱向圍堰導(dǎo)墻，其實際的安全系數(shù)應(yīng)高于計算成果。

4 結(jié)語

（1）近些年監(jiān)測成果顯示，壩體水平、垂直位移及壩基揚(yáng)壓力變化穩(wěn)定，壩基滲壓系數(shù)在合理范圍內(nèi)，均無異常，該壩段沿建基面的抗滑穩(wěn)定均滿足規(guī)范要求，可判斷該壩段壩體穩(wěn)定性無異常。

（2）在運(yùn)行管理過程中應(yīng)繼續(xù)關(guān)注該壩段的監(jiān)測成果變化情況，并加強(qiáng)相應(yīng)的巡視檢查。