承德市双峰寺水库重力坝建基面优化设计研究

郭建礼，王艳军

承德市双峰寺水库重力坝建基面优化设计研究

郭建礼，王艳军

（河北省水利水电勘测设计研究院，天津300250）

双峰寺水库是解决承德市防洪安全及城市供水的大型水利工程，拦河坝为碾压混凝土重力坝，基础坐落于弱风化黑云斜长片麻岩上部，初步设计阶段按照进入弱风化岩深度不小于2 m控制。为减少坝基开挖工作量、节省工程投资，施工阶段对建基面存在优化设计的可能性进行了研究。

双峰寺水库；建基面；优化设计；坝基开挖

承德市是国家著名的历史文化名城和风景旅游胜地，也是冀东北地区政治、经济、文化中心。由于流域内无控制性水利工程，突发性大洪水一直是严重威胁承德市区及下游防洪安全的一大隐患。随着城市人口的增加及其它产业的快速发展，城市用水总量也逐渐增加，市区供水日益紧张。为解决承德市存在的防洪安全及水资源供需矛盾、防止生态环境持续恶化等问题，急需修建双峰寺水库。

双峰寺水库地处承德市区上游12 km，总库容1.37亿m3，正常蓄水位389 m，是以解决武烈河流域防洪为主并结合城市供水及发电等综合利用的大（2）型水利水电枢纽工程。

水库拦河坝设计最大坝高50.1 m，坝基坐落在弱风化黑云斜长片麻岩上部，基础进入弱风化岩深度按不小于2 m控制。水利部在初步设计审查意见中提出应根据坝基开挖情况优化建基面高程。施工阶段为减少开挖工作量、节省工程投资，建基面存在优化设计重新确定的可能。

坝址区覆盖层厚度不足10 m，下伏黑云斜长片麻岩（Arb）。坝基岩体呈弱风化状态，岩体较完整，强度较高，具有较好的抗滑、抗压缩变形及抗侵蚀能力。

坝基岩体最大开挖深度约15 m，包括保护层在内共分3层开挖。在首层开挖后的353.0 m高程基岩面上进行了钻探、压水试验、声波试验等地质勘察和试验工作；坝段基本开挖至计划优化高程后，为复核优化后建基面地质参数，又布置了地质测绘、声波测试、点荷载试验、回弹试验等，为合理优化大坝建基面提供可靠的地质依据。

1 坝基建基面选择的原则及依据

大坝建基面的选择和确定关系到工程建设的安全性和经济性，是坝基工程地质研究的重要任务之一，建基面的选定既要考虑工程地质因素又需满足经济可行原则。

在对坝基岩体进行工程地质分类的基础上，考虑坝基强度、坝高以及坝基加固处理效果等因素，综合确定坝基岩体的可利用标准，尽量减少坝基岩体开挖量和混凝土浇筑量，在保证工程安全的前提下提高经济效益。

影响坝基岩体质量及建基面选择的主要因素为以下几个方面。

（1）岩体强度。岩体强度是影响坝基岩体质量的基本因素，坚硬岩作为坝基，其强度、刚度和抗剪强度均易于满足混凝土重力坝的建基要求，因此要充分考虑岩体强度、岩体完整性及耐久性等指标是否满足重力坝地基应力的要求。

（2）岩体结构。整体状、块状、次块状岩体结构是良好的混凝土重力坝坝基，互层状、薄层状或镶嵌状岩体结构次之，碎裂或散体状岩体结构不宜作为高混凝土重力坝坝基。

（3）岩体完整性。岩体完整性是坝基岩体质量的重要因素，岩体完整性好或较好的坝基岩体均一性、抗变形能力及抗渗性能也高，易于满足混凝土大坝对地基的要求。

（4）岩体风化程度。岩体的风化程度也是影响坝基岩体质量的主要因素。浅表部岩体在风化、卸荷等表生作用改造后，岩体风化裂隙发育，其强度和完整性均会有不同程度的降低。风化程度较弱的岩体由于受风化和卸荷改造的影响小，基本上保持了原岩的强度、完整性和紧密程度，是良好的坝基岩体。

（5）水文地质条件。地下水对岩体的作用主要表现在地下水的渗透使岩石软化，尤其使软弱结构面产生软化泥化，降低其原有的强度，或在渗透压力的作用下产生化学或机械潜蚀作用。同时，由地下水渗透作用形成的扬压力对混凝土重力坝的抗滑稳定也会产生不利影响。

总之，建基面位置的选择，应根据坝基岩体力学强度、抗滑稳定安全性、抗变形性能及抗渗性能确定，并有足够的耐久性，防止岩体性质在高压水头的长期作用下发生恶化。

具体到双峰寺水库，坝基建基面选择主要考虑以下因素。

（1）岩体强度。岩体饱和单轴抗压强度不低于65 MPa，承载力建议值不低于3 500 kPa，抗剪断强度满足设计抗滑稳定要求。

（2）岩体风化程度。坝基岩体为弱风化岩体，局部低坝段基础可以坐落于强风化岩体上。

（3）岩体完整性。岩体结构分类优于次块状结构，坝基岩体工程地质分类不低于III1类，纵波波速不低于4 000 m/s。

（4）抗滑稳定性。坝基应无大的构造分布，无不利于坝基稳定的缓倾角软弱结构面及软弱夹层、断层破碎带分布，满足设计对于抗滑稳定性的要求。

（5）抗渗透性。坝址区岩性为黑云斜长片麻岩，为浅变质岩类，岩石稳定性较高，具有较高的抗侵蚀及抗软化能力。岩体透水率以小于3 Lu为宜，不存在强渗漏通道，或者经过防渗处理能满足坝基对于渗透性的要求。

如果坝基岩体能达到上述要求，那么在初步设计确定的建基面高程的基础上，存在优化调整的可能，既能满足大坝安全稳定的要求，又能节省投资和缩短工期，具有良好的经济效益和社会效益。

2 建基面优化勘察成果分析

建基面优化阶段，在首层开挖后的353.0 m高程左右进行了钻探、声波测试、地质测绘、岩体物理力学试验、压水试验等勘察研究工作。

2.1 钻探及声波测试成果分析

开挖及钻探揭露岩性为黑云斜长片麻岩（Arb），弱风化上限高程一般为348.0～351.7 m，总体起伏不大。

坝轴线揭露片麻岩弱风化上限为351.7～350.5m；声波测试按照3 500 m/s划分强、弱风化界线，揭露的弱风化上限为348.56～352.80 m，风化界线与初步设计阶段风化线走势基本吻合，声波测试成果与岩芯呈现的风化类型、破碎程度也基本吻合。

2.2 地质测绘成果分析

开挖至高程353.0～354.0 m后，地质测绘未发现较大规模的地质构造，未发现不利于坝基稳定的缓倾角软弱结构面及软弱夹层、断层破碎带等，有2组节理比较发育，大部分倾向上游，倾角大都大于45°，地质测绘成果与初步设计测绘成果基本一致。

2.3 岩石物理力学试验

取不同风化程度黑云斜长片麻岩进行室内物理力学试验，强风化片麻岩饱和抗压强度平均值为42.5 MPa，弱风化片麻岩饱和抗压强度平均值为85.2 MPa，与初步设计阶段试验成果基本一致。根据岩石物理力学特性折减后提出强风化岩抗压强度建议值为25 MPa，承载力建议值为1 000 kPa；弱风化岩抗压强度建议值为65 MPa，承载力建议值为3 500 kPa。

弱风化岩体纵波波速一般为3 500～5 500 m/s，部分低于3 500 m/s的试点多发生在弱风化带上部。弱风化岩（岩芯试样）的室内声波测试纵波波速平均值为5 300 m/s，岩体完整性系数Kv一般为0.46～0.89，岩体大部分完整或较完整，少部分完整性差，局部地段完整性系数小于0.3，岩体较破碎甚至破碎。

岩体室内物理力学试验成果与初步设计阶段基本一致，不同风化程度的岩体抗剪断指标较为稳定，岩体/混凝土抗剪断及抗剪强度建议值不做调整，仍然沿用初步设计阶段成果。

强风化片麻岩：混凝土/岩体抗剪断f′＝0.70，c′＝0.35 MPa；混凝土/岩体抗剪f＝0.50。弱风化片麻岩：混凝土/岩体抗剪断f′＝0.95，c′＝0.80 MPa；混凝土/岩体抗剪f＝0.60。

2.4 压水试验

强风化岩体透水率一般为7～12.6 Lu，为弱—中等透水层；弱风化岩体透水率一般为3～10 Lu，为弱透水层。压水试验成果与前期试验数据基本一致。

2.5 建基面优化设计初步分析

通过以上综合分析，建基面优化勘察成果与初步设计资料基本吻合，局部地段由于勘察间距加密，勘察成果与初步设计成果呈现某些差异。轴线下游20 m线初步设计阶段未做勘察，本阶段弱风化界限为348.0 m左右，比坝轴线明显降低1.5～2.0 m，若以该高程作为建基面控制高程，则建基面优化与否还应结合岩体完整性、强度及满足坝基安全稳定来确定。建议建基面位于声波波速不低于4 000 m/s的弱风化岩体上，优化段建基面高程不高于348.0 m。

通过本次勘察资料并结合初步设计成果，初步分析建基面优化可能性最大的坝段为10、11#坝段，其次为12、15、16、17、18#坝段，建议建基面高程比原设计抬高2.0 m，由346.0 m调整为348.0 m；优化可能性较小的坝段为13、14#坝段，建议建基面高程仍维持346.0 m高程。

3 建基面验收测试成果分析

按照建基面优化设计方案，建基面开挖到预定优化深度后，对坝基岩体又进行了声波测试、工程地质测绘、点荷载测试及回弹测试等验收测试。

3.1 声波测试

建基面以下坝基弱风化岩体声波波速大部分为5 400～6 000 m/s，波速较高，数值稳定，显示岩体完整性及强度较高，与初步设计及建基面优化阶段测试成果基本一致。

建基面以下0.6 m范围内声波波速相对较低，一般为4 000～4 500 m/s，初步设计及建基面优化阶段该高程声波波速一般为5 000～6 000 m/s，分析原因是岩体卸荷造成隐性节理张开及机械开挖振动影响所致。由于波速超过弱风化岩体划分标准3 500 m/s且影响深度一般不超过0.6 m，经分析认为对坝基稳定性无明显影响。

3.2 工程地质测绘及编录

建基面有3组节理比较发育，不同的节理面组合对岩体进行切割，对岩体稳定性造成影响。节理统计玫瑰花图，如图1所示。

图1 坝基节理统计玫瑰花图

基坑开挖后，不同产状的节理裂隙对边坡稳定有较大影响，根据坝基节理产状及开挖坡向画出赤平投影，如图2所示。通过图2可以看出，有1组节理倾向与基坑开挖坡向基本一致，如果开挖坡比大于或等于节理倾角，那么开挖边坡可能处于不稳定状态，对边坡稳定影响较大。另外，不同的节理组合对岩体切割可能造成不稳定楔体，形成局部塌落，建议采取防护措施。

图2 坝基开挖坡向及节理面赤平投影

3.3 点荷载试验

不同坝段的岩体点荷载数据IS(50)一般为6.6～9.6 MPa，基本达到坚硬岩石标准，岩石强度较高。若按照点荷载与岩石单轴饱和抗压强度换算关系Rc=22.82I0.75s（50），则不同坝段岩石单轴抗压强度超过60 MPa，也超过坚硬岩石标准。13—15#坝段点荷载数值普遍低于其它坝段，反映出该3个坝段表层岩体强度普遍低于后者。

3.4 回弹测试

对每个坝段建基面稳固岩体进行回弹测试，13—15#坝段回弹数值相对较小，一般为50～60 MPa，低于室内岩石单轴饱和抗压强度建议值65 MPa。其它坝段回弹数值一般为55～65 MPa，略低于室内岩石单轴饱和抗压强度建议值65 MPa。回弹测试数值普遍低于单轴饱和抗压强度的原因是：表层岩体由于受卸荷及爆破开挖影响，其完整性及强度均受到影响，回弹测试值相对偏低。另外，岩体的饱水程度和节理裂隙的相对密度也是影响岩体回弹数值的因素，现场岩体饱和程度差异较大，节理密度具有差异性，也是造成回弹数值相对离散的原因，回弹数值只是作为判断岩体强度的辅助指标。

4 建基面确定综合分析

根据双峰寺水库建基面选择的原则及依据，对优化后达到验收条件的坝段进行综合分析，结果如下。

10—15#坝段坝基岩体呈现弱风化状态、次块状结构，完整性系数一般高于0.6，属于较完整或完整。坝基岩体工程地质分类为III1类，纵波波速一般为5 000～6 000 m/s。岩体饱和单轴抗压强度65 MPa，承载力建议值3 500 kPa，强度较高。混凝土/岩体抗剪断强度f′＝0.95，c′＝0.80 MPa，抗滑稳定性较高。岩体透水率一般为3～10 Lu，为弱透水层。

根据坝基岩体强度、风化程度、完整性、渗透性等指标，并结合坝基建基面优化以及开挖后坝基勘察成果，最终分析认为：10—12、15#坝段优化后建基面高程确定为348.0 m，比原设计高程提高2.0 m，各项指标仍能满足坝基对于重力坝的要求。13、14#坝段建基面仍维持原设计高程346.0 m。各坝段坝基均符合对建基面选择的原则及依据，是良好的混凝土重力坝坝基。

5 结语

建基面优化设计后，坝基条件仍能满足重力坝基技术要求，建基面高程优化设计具备可行性。验收阶段勘察成果与初步设计阶段基本吻合，但也揭露了一些新的工程地质问题，主要是局部地段风化界线走势与初步设计资料有差异，个别地段变化比较明显，原因是本阶段加大了勘察精度，资料准确度及可靠性有所提高。应随着坝基进一步开挖及重新揭露地质问题，随时修正完善地质资料。

随着坝基其它坝段的开挖，不排除揭露隐伏地质问题的可能性，应加大施工地质工作力度，适时开展相应的工程地质勘察工作，并结合坝基开挖程序，适时适度调整优化方案，出现地质缺陷及时处理，确保建基面优化及验收的实施。

TV62+2；TV222

A

1004-7328（2017）03-0053-04

10.3969/j.issn.1004-7328.2017.03.017

2017—02—14

郭建礼（1970—），男，高级工程师，主要从事水利水电工程地质勘察工作。