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doc沙牌水电站拱坝基础处理研究
沙牌水电站拱坝基础处理研究
水电站设计
DHPS
第19Q第4期
2003年12月
沙牌水电站拱坝基础处理研究
赵永刚
(国家电力公司成都勘测设计研究院,四川成都610072)
摘要:
针对沙牌拱坝特有的工程和水文地质情况及坝基应力特点,采用数值分析和模型试验等手段,通过技术经济比较论证,设
计出包括河床R0c垫座,混凝土置换处理,接触灌浆,固结灌浆,防渗帷幕和排水系统等基础处理方案,其可行性和合理性已在实
践中得到验证.
关麓词:
碾压砼拱坝;基础处理;灌浆;帷幕;排水;坝肩稳定;沙牌水电站
中圈法分类号:
1Ⅵ23.3文献标识码:
B文章编号:
1003—9805(2o03)04—0064—05
1前言
沙牌水电站是岷江支流草坡河上游的一个梯级
龙头电站,拦河大坝为三心圆单曲拱坝,大坝左,右
岸水平嵌深分别为26.0m和17.1m.
坝址区两岸谷坡比较陡峻,临河坡高在200m
以上,两岸谷坡30~~60~,大致成对称"v"型河谷.
河谷宽高比约为1.7.在牛厂沟下游约250m处,河
道的流向由N50~E急转弯为$55.E方向流出.左岸
为凹型坡,右岸为单薄山脊.
拱坝坝基(肩)岩体主要由晋宁~澄江期花岗
岩,花岗闪长岩及后期侵入的角岩,片岩组成.坝址
区坝基岩体地质构造简单,无顺河向断层发育.坝
址区地震基本烈度为7度.
×
2主要工程地质问题
沙牌坝基(肩)Ⅱ级岩体变形模量为1O~l2
GPa,面积约3899m~,占整个建基面面积的67.4%;
Ⅲ一1级岩体变形模量为8~10GPa,面积约为1557
m2,占整个建基面面积的25.5%;IV一2级岩体变形
模量为3~5GPa,面积约为414m2,占整个建基面面
积的7.1%.见图1.
2.1主要软弱岩带
Sc片岩透镜体是坝基主要地质缺陷.Sc片岩
透镜体一般带宽O.3—7.0m,片理发育,遇水易软
化,变形模量很低,完整性差,透水性较弱,因属拱端
持力层,对拱坝坝肩稳定,变形,渗透均可能产生不
利影响,需研究采取工程处理的必要性和可靠的处
理措施.主要软弱岩带见图1.
图1拱坝建基面地质平面
收稿日期..'2003—08—26
作者简介:
赵永刚(1964一),男,四川宜宾人,高级工程师,主要从事坝工设计工作.
广—————一
2.2坝基渗漏
坝区地下水主要为裂隙潜水,由大气降雨及河
水补给.地下水位平缓,与河水位接近,两岸地下水
位随高程和水平埋深增加而逐渐抬高.坝基岩体受
风化卸荷等因素的影响,透水性从浅表至深部由强
变弱.两岸相对不透水层较浅,但在河床90~100m
深度内未揭露出h值小于1的相对不透水层.
虽然坝基岩体主要为花岗岩,花岗闪长岩,两岸
相对不透水层埋深较浅,但河床部位相对不透水层
大于loom,埋深大.因此,为降低渗压,提高坝肩稳
定安全度,必须对坝基渗漏问题进行研究,并采取必
要的可行的处理措施.
3处理研究
3.1变形稳定
为了全面深入分析坝基不利地质缺陷对坝体应
力,位移的影响,采用拱梁分载法程序,有限单元法
程序,进行了Sc软弱岩带对坝体变形,应力影响的
分析研究.
3.1.1拱梁分栽法分析
根据拱坝基础地质情况,考虑置换混凝土处理
后的效果计算综合变形模量.
应力分析表明:
坝体应力,位移分布规律合理,
上游主拉应力为一O.51~一1.22MPa,下游主压应力
为3.38~5.42MPa,最大应力均满足应力控制标准,
坝体应力状态良好;坝体最大径向位移2.94cm,坝
体最大切向位移0.67cm,基础最大径向位移
0.86cm,基础最大切向位移0.61cm,对比坝体位移
在可接受范围.
根据上述计算成果,可初步判断在对建基面出
露的Sc软弱岩带采取置换处理和固结灌浆处理后,
坝基岩体能够满足拱坝应力和变形的要求.
3.1.2线弹性有限元分析
拱梁分载法程序中采用的变形模量是按应变能
相等原理计算得出的综合变形模量,未能真实反映
地基中Sc软弱岩带对坝体应力和变位的影响.
为较好地模拟地基条件,合理地考虑整体拱坝
和基础的相互作用,采用三维有限元对Sc软弱岩带
置换混凝土和河床垫座混凝土进行分析,以研究经
基础处理后的坝体应力和位移规律,以及垫座的应
力状态,为最终基础处理设计方案的确定提供依据.
计算表明:
地基经全面处理后,在基本荷载组合
和特殊组合作用下,坝体应力分布规律合理,应力状
态良好,最大主拉应力,主压应力均满足应力控制要
求,说明地基经全面处理后,改善了地基刚度的不均
豳圈rl_『厂—■_一
匀性,拱坝受力性态与同规模的坝体大体一致,处理
方案是合理的.除垫座上游的应力条件稍差外,其
余部分均满足要求,垫座的设置对改善坝体上游坝
踵的拉应力集中有显着的效果,垫座设计是合理的.
3.2抗滑稳定
沙牌拱坝坝肩稳定是工程设计的关键技术问
题,为全面评价坝肩稳定性,主要采用三维刚体极限
平衡法和非线性有限元法,对坝区地质结构面进行
控制性结构面,滑动模式和滑块,以及敏感性分析.
3.2.1刚体极限平衡法坝肩抗滑稳定分析
成果表明:
当抗剪(断)强度指标取平均值时,即
使排水1OO%失效,左,右岸最小纯摩安全系数分别
为1.31和2.03,左,右岸最小剪摩安全系数分别为
4.21和7.38,均大于规范要求;当抗剪(断)强度指
标采用最小值并下浮20%,排水1OO%失效工况,只
有左岸纯摩安全系数为1.03,小于规范要求值,其
它均大于规范要求值.因此,应重视坝基防渗和排
水减压措施,施工时左,右岸中上部抗力体应及时支
护,避免大面积开挖和塌滑.此外,应对左,右岸中
上部采取适当的锚索加固措施.
3.2.2非线性有限元法坝肩抗滑稳定及锚索加固
效果分析
分析表明:
在坝基防渗排水系统正常工作的条
件下,坝肩稳定安全系数均满足规范要求;左,右岸
1820.OOm高程以上为坝肩稳定控制高程;左,右坝
肩上部高程设置预应力锚索加固,可使相应高程范
围抗力体区岩体点安全系数提高0.05~0.25,其中
左坝肩1820.OO~1840.OOm高程范围下游陡岩区改
善程度显着.
3.3三维地质力学模型试验
试验表明:
大坝基础刚度及整体性均满足修建
高坝的要求.综合稳定安全度为3.76,超载稳定安
全度为4.8,满足设计要求,但两坝肩必须进行加固
处理.右岸1810m高程以上破坏较重,特别是上部
山脊及冲沟尤为明显;左岸在1820m高程以上,特
别是坝肩下游的陡岩破坏较重,是进行坝肩加固处
理的重点部位.
3.4三维渗流分析研究
坝基设置防渗帷幕及排水后,左,右岸和坝基帷
幕下游侧区域渗透压力大大降低,坝基扬压力系数
明显下降,左,右岸坝肩渗润区大大减小,防渗降压
效果显着,现有防渗设计方案合理.
4坝基基础处理设计
4.1Sc软弱岩带处理
坝基中有9条绿片岩和绿片岩夹碎裂花岗岩,
角岩条带分布,因绿片岩岩性软,遇水易软化,变形
模量相对较低,计算分析表明对大坝的变形稳定有
较大影响,设计采用全部挖除置换混凝土处理是合
理可行的(见图2).
图2坝基置换混凝土平面
4.1.1河床垫座处理
河床sc软弱岩带为一楔形深槽,出现在河床中
部1738~1840m高程,主要由片岩组成,片理发育,
遇水易软化,完整性差,变形模量低.若拱坝河床建
基面置于1738.OOm高程,将大大增加坝体混凝土量
和坝基开挖量,且将增大水推力,不利于坝肩稳定,
是不经济和不合理的.因此,结合地形地质情况,并
借鉴东风拱坝河床深槽MgO微膨胀混凝土置换的
成功经验,设计采用尺篮20.OMPa的MgO微膨胀碾
压混凝土置换,垫座底部开挖高程为1738.OOm,置
换块尺寸为44.OOm(纵河向)X20.O0~40.OOm(横
河向)X14.50m(高度),横河向为倒梯形的混凝土
垫座,底部基岩固结灌浆深度为14.OOm.
混凝土浇筑分区:
为满足抗渗要求,上游迎水面
5.00~15.30m范围采用lm厚掺MgO二级配常态
混凝土找平基础,再采用掺MgO二级配碾压混凝
土;下游侧采用lm厚掺MgO三级配常态混凝土找
平基础,再采用掺MgO三级配碾压混凝土.
4.1.2两岸置换处理
左岸建基面的主要软弱岩体为片岩类花岗岩角
岩Sc+的Ⅳ一2类岩,延伸大于lOm,宽3~7m,
出露在1824.O0~1867.50m高程间上游坝踵附近,
主要由片岩组成,局部夹有透镜体状碎裂的花岗岩,
片理较发育,弱风化.
右岸建基面的主要软弱岩体为千枚岩夹片岩
Sx4+Sc的Ⅳ一4类岩,延伸93.5m,宽3.3~5m,出
露在1774.O0~1867.50m高程间上游坝踵附近,主
要由片岩组成,局部夹有透镜体状碎裂的花岗岩及
石英条带,片理极发育,弱风化.
66
两岸软弱岩带采用槽挖置换混凝土处理.置换
深度一般为软弱岩带宽度的1.5~2倍,并铺设一层
b25@25mmX25mm的钢筋网.
4.2坝基固结灌浆
灌浆的目的是解决坝基浅层因开挖爆破和应力
松弛造成的岩体损伤.
整个建基面均进行固结灌浆处理,除垫座部位
和帷幕部位采用孔深为14.OOm的灌浆孔外,其它
部位均采用孔深为7.OOm灌浆孔.
4.3防渗排水设计
4.3.1防渗设计
(1)帷幕的布置.在大坝基础范围内,帷幕中
心线近似平行拱坝轴线.左,右岸在不同高程分别
伸入拱座山体内,形成防渗帷幕.见图3.
(2)帷幕控制标准及排数.根据坝高,按照拱坝
规范确定帷幕控制标准:
高程1810.OOm以上,坝高
为57.50m,要求≤3Lu,帷幕采用单排孔,孔距为
2.Om;高程1810.OOm以下,要求∞≤lLu,帷幕采用
双排孔,孔距为2.Om,排距为1.Om,交错布置.
(3)孔深确定.孔深根据渗透地质剖面并按经
验公式H/3+(8~25)确定(式中为上游水深).
拱冠剖面主帷幕在基岩内最大深度为82.50m,副帷
幕按2/3倍主帷幕孔深确定.
(4)帷幕连接.左,右岸帷幕均分别在1750.O0,
1810.O0和1867.50m高程灌浆排水平洞内进行,其
上,下层帷幕的连接采用在平洞上游侧设置四排交
错布置的浅孔,浅孔深度7.OOm,灌浆压力为
1.0.
(5)灌浆压力.根据地质情况和承受水头的大
小综合考虑,分区设计,设计压力在1.0~5.OMPa.
图3坝基防渗排水布置平面
4.3.2排水设计
(1)布置.基础排水按工程部位分为大坝基础
排水系统和抗力体排水系统两部分.
大坝基础排水系统由两道排水幕,坝内集水井
和深井泵房组成.第一道排水幕在灌浆及排水平洞
内进行;第二道排水位于坝趾处高程1770.O0~
1850.OOm范围内.
抗力体排水系统利用原7,8,9,10和14号勘探
平洞扩挖而成,采用自流式排水.
(2)孔深,孔距及孔径.坝基下排水孔深度取为
0.5倍主帷幕深度,孔距为3.OOm;坝趾排水孔孔深
均为30.Om,孔距为5.OOm;抗力体排水孔孔深为
30.OOm,孔距为5.OOm.排水孔孔径均为1lOmm.
4.4坝基接触灌浆设计
4.4.1部位
(1)拱坝建基面.左,右岸建基面在1750.OOm
高程以上,平均岸坡角分别为65.和54.,灌浆面积分
别约4940m2和8550r~.
(2)置换混凝土塞开挖边坡.左,右岸建基面Ⅳ
级岩体的置换混凝土开挖边坡,由于建基面岸坡角
较大,为了尽量减小对岩体扰动,减少开挖和混凝土
量,采用接近建基面岸坡角的坡度开挖.
4.4.2方式
(1)结合固结灌浆.具体方法是在需进行接触
翮圈圜r—r1_-——■—一
灌浆的部位,先进行2.OOm基岩以下固结灌浆,
2.OOm以上的固结灌浆在浇筑坝体混凝土前,采用
预埋1英寸钢管引管至下游贴角(见图4),待坝体
混凝土浇筑到一定高度,且当混凝土或置换混凝土
冷却到稳定温度后,按固结灌浆压力或稍大于固结
灌浆压力进行浅层固结灌浆和接触灌浆.
图4接触灌浆引管示意
(2)结合帷幕灌浆.具体方法是在需进行接触
灌浆部位的帷幕灌浆轴线上,待坝体基础廊道形成
后,上部坝体混凝土浇筑一定高度且混凝土冷却到
稳定温度后,在基础廊道实施帷幕灌浆.其浅表段
可作为接触灌浆,灌浆压力按帷幕灌浆压力即可.
帷幕轴线部位的固结灌浆孔可不采用引管灌浆.
4.5预应力锚索和边坡支护设计
4.5.1坝肩预应力锚索
为有效提高坝肩抗滑稳定安全度,在左,右岸岸
坡共布置200t锚索99根,造孔直径为165mm,共计
67
造孔长度为3793m,总锚索工作吨位为19800t.
左岸预应力锚索设置在紧靠下游拱端的下游开
挖坡上,布置在高程1815.00~1850.00m间,共8
排,每排8根,高程和水平间距均为5.00m,锚索孔
向与水平方向夹角为15.,单根长度采用50.00m和
44.00m两种,均为32根,共计64根.
右岸预应力锚索设置在紧靠下游拱端的下游开
挖坡上,布置在高程1820.00~1840.00m间,共5
排,每排7根,高程和水平间距均为5.00m,锚索孔
向与水平方向夹角为15.,单根长度采用25.00m和
19.00m两种,相应根数为20和l5根,共计35根.
4.5.2拱肩槽边坡支护
楔块稳定分析表明,为确保开挖边坡局部稳定,
必须进行锚固处理.
左岸拱肩槽上游边坡坡高37~112m,平均坡比
0.25;下游边坡坡高14~36m左右,坡比0.35.右岸
拱肩槽上游边坡高度为25~107m,平均坡比0.25;
下游边坡坡高为20~51m左右,坡比0.35.
主要采取系统支护,锚杆长度5.00m,间距为
2.00mx2.00m,梅花形布置,喷混凝土厚度10mm.
在支护中,辅以排水,排水孔孔径50mm,孔深
3.00m,按5.00mx5.00m梅花形布置.
5结束语
(1)从事坝工基础处理设计的工程师们不仅应
具备丰富的工程实践经验,而且更应全面掌握和运
用新的计算分析手段和方法以及施工技术,只有这
样才能针对具体工程地质缺陷,设计出可靠的,合理
的,经济的基础处理工程方案,以满足大坝尤其是高
坝对基础的要求.
(2)笔者认为要作好大坝基础处理设计至少应
做好以下三个方面的工作:
一是深入充分地分析研
究坝址区的工程地质条件和有关试验资料;二是广
泛收集国内外高混凝土拱坝基础处理设计和施工经
验,尤其是观测反馈资料,并了解各种基础处理措施
和基础处理最新手段和方法;三是针对坝基特有的
不良地质缺陷,初拟各种可能的基础处理方案,在此
基础上,进一步通过数值分析,模型试验等多种方法
和手段,进行应力,变形,整体稳定和渗流的分析,最
终评价基础处理方案的合理性.
参考文献:
[1]中华人民共和国水利电力部.混凝土拱坝设计规范(SD145—
84)[s].北京:
水利电力出版社,1985.
[2]潘家铮主编.水工建筑物设计丛书.工程地质计算和基础处
理[M].北京:
水利电力出版社,1985.
[3]李茂芳,孙钊.大坝基础灌浆(第二版)[M].北京:
水利电力出
版社,1987.
(上接第63页)
多点式动压管的外型做成鱼式,通过5个水流流速
传感器和1个动水压力传感器组成鱼式流速仪,测
得底部及以上各点的垂线流速,同时施测该断面的
水深,则可分析计算出I=1断面的平均流速,以估算泄
洪洞总的消能率.通气量的监测,采用风速仪实测
通气管的风速,然后计算出该断面的平均通气速度,
再乘上该断面的面积,即得通气管的进气量.整个
原型观测系统采用预埋仪器底座和电缆,并接人计
算机进行自动化观测.
6结束语
沙牌竖井泄洪洞的设计研究,在借鉴国内外已
有工程经验的基础上,做了大量的,系统的和全面的
模型试验,结合工程地质,地貌条件和枢纽布置条
件,设计和布置了漩流竖井泄洪洞.它以陡坡急流
式短压力进水VI区别于世界上其它缓流进水的竖井
泄洪洞,使泄洪流量大大增加,既降低洞内流速,减
少工程造价,又能适应高水头的特点.同时做好原
型观测设计,以获取新型竖井泄洪设施运行资料,为
推广该项技术以及为后续大型工程提供第一手原始
资料,并为漩流竖井泄洪技术的发展提供工程实践
经验.
ApplicationofVotexFlowShaftSpillwayinShapaiHydroelectricProject
SHAOJing-dong
(ch朗gduHydwelectricInvestigation&DesignInstitute,StarePowercompangy,Chengdu610072,a1.岫)'
Abstract:
Inthelightofthehydraulicmodeltestresults,theengineeringgeology,thetopography&the~jeetlayoutconditions,avotexflow
sllafIsp珊waywasselectedtobeusedatShap~HydroelectricPowerStationduringtheprojectdesign.Theshaft~palwayhasasteepslope
Ⅱowsh0nintakew圭lichdiffersfromothershaftspillwaysintheworldwithlaggingwaterintakes.Besides,acompleteprototypemeasIlIe删sys.
t咖wasdesignedtoobtainthedynamicwaterpressure,flowcavitation,flowvelocity&aerationcoefficientoftheIlewtypeshaftspillway?
Keywolds:
energy-dissipatingwell;spillwaytunnel;prototypeobservationdesign;votexflowshaft;ShapaiHydroelectricPower,~ttion
6R
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