特高拱坝建基面岩体选择的工程类比法研究

2018-07-13，，，,

长江科学院院报 2018年7期

　，，，,

(长江科学院水利部岩土力学与工程重点实验室，武汉　430010)

1　研究背景

拱坝属于高次超静定的空间壳体结构，具有较强的应力调整能力和巨大的超载能力，其承受的荷载一部分由拱的作用传至两岸岩体，另一部分由梁的作用传至坝基。由于拱坝主要依靠两岸山体的抗力来维持坝体稳定，所以拱坝必须建在与之相应的地基条件上，即坝基岩体必须具有足够的承载能力和稳定安全可靠性[1]。

目前国内关于拱坝建基面岩体的选择依据主要有3个:①《混凝土拱坝设计规范》(SL 282—2003)规定拱坝应根据荷载、应力分布、基岩条件等选择新鲜、微风化或弱风化中、下部的基岩作为建基面[2];②《混凝土拱坝设计规范》(DL/T 5346—2006)规定坝基的开挖深度应根据岩体质量分级和承载要求等进行确定，高坝应开挖至Ⅱ类岩体，局部可开挖至Ⅲ类岩体[3];③《水利水电工程地质勘察规范》(GB 50487—2008)规定Ⅰ,Ⅱ级岩体为优良、良好的高混凝土坝地基；Ⅲ级岩体应对结构面进行专门处理后，可作为高混凝土坝地基；IV级岩体能否作为高混凝土坝地基视处理效果而定[4]。

以上3个规范对拱坝建基面可利用岩体均仅为定性描述，并没有给出具体的量化指标，而且规范主要适用于坝高200 m以下的拱坝建基面选择，对于坝高200 m以上的特高拱坝建基面选择尚无相应的标准依据可供参考。

近年来，我国相继建成了锦屏Ⅰ级、小湾、溪洛渡、拉西瓦等多座超过200 m的特高拱坝，积累了丰富的工程建设经验，取得了较多的科研成果。对特高拱坝建基面可利用岩体进行分析与评价是当前水利工程中的重点研究方向之一，具有重要的学术和工程意义，建立特高拱坝建基面可利用岩体的选择标准，可为特高拱坝建基面岩体的选择和评价提供参考。

2　国内特高拱坝建基面岩体利用情况

2.1　锦屏Ⅰ级拱坝

锦屏Ⅰ级拱坝位于雅砻江下游河段，最大坝高305 m。坝址区河谷深切V形，两岸地形地质不对称，地应力水平较高，岩体卸荷强烈，断层、层间挤压错动带、节理裂隙、深度裂缝发育[5]。锦屏Ⅰ级拱坝的建基面是按照坝体部位及岩体质量级别来进行选择的，两岸低高程坝基，左岸建基岩体为Ⅱ级，右岸受断层影响，岩体质量级别为Ⅲ1级；在拱坝中上部区域，左岸拱座以Ⅲ1,Ⅲ2级岩体为主，右岸岩体主要为Ⅱ级，部分选用Ⅲ1级岩体[6]。

2.2　小湾拱坝

小湾拱坝位于澜沧江中游河段，最大坝高294.5 m。坝址区河谷深切V形，属于中高地应力区，岩体卸荷作用强烈，结构面较发育，坝基岩体开挖具有明显的开挖松弛效应。小湾拱坝建基面岩体主要为Ⅰ,Ⅱ级岩体，坝基岩体完整性好，呈整体块状结构，属新鲜和微风化；对坝肩抗力岩体范围内及沿建基面分布的地质缺陷体采用混凝土置换、挖除、固结灌浆等工程处理，提高建基面的整体性、强度及刚度[7-8]。

2.3　溪洛渡拱坝

溪洛渡拱坝位于金沙江下游河段，最大坝高278 m。坝址区河道顺直，两岸山体岸坡陡峻，呈对称窄U形。坝基岩体为多期喷溢的玄武岩，强度高，整体块状结构，风化卸荷影响深度不大。溪洛渡拱坝建基面的选择采用“以岩级为基础，安全为准则，合理利用弱风化岩体作为建基岩体，兼顾拱端推力分高程区段确定其利用程度”的建基面确定和处理原则，中、下部高程建基面置于弱风化下段Ⅲ1级岩体，上部基础部分利用弱风化上端Ⅲ2级岩体[9-10]。

2.4　拉西瓦拱坝

拉西瓦拱坝位于黄河上游，最大坝高250 m。坝址区河谷两岸基本对称，岸坡地形顺直完整，呈V形。坝址区地质构造以中陡倾角断层、缓倾角断层以及随机分布的节理、裂隙为主，弱风化带岩体是近岸坡岩体的主体,卸荷带发育深度变化较大，工程区岩体赋存较高地应力。拉西瓦拱坝建基面在高高程选用Ⅲ1级以上岩体，在中、低高程选用Ⅰ,Ⅱ级岩体[11]。

2.5　二滩拱坝

二滩拱坝位于雅砻江下游河段，最大坝高为240 m。坝址区内构造破坏微弱，断裂规模较小。根据拱坝对地基的要求及二滩坝基岩体质量分级方法，坝基分为6个大级：优良岩体(A,B,C级)，可直接作为大坝基础；一般岩体(D级)经过灌浆后可作为大坝基础；较差及软弱岩体(E级)，原则上不宜作为坝基，需特殊处理；松散岩体(F级)，不能作为主体建筑物的基础。二滩拱坝建基面主要选择为A,B级岩体，部分选择C级岩体[12]。C级岩体主要为块状正长岩，块状镶嵌的各类玄武岩，结合较紧密，以弱风化下段为主，根据《水利水电工程地质勘查规范》(GB 50487—2008)，二滩C级岩体可大致与Ⅲ1级岩体对应。

2.6　构皮滩拱坝

构皮滩拱坝位于乌江干流，最大坝高230.50 m。坝址区河谷两岸基本对称，为V形峡谷。坝址区岩体卸荷作用明显，两岸拱座均存在明显的卸荷带，坝基岩石坚硬、强度高，但坝址区岩溶强烈发育。构皮滩拱坝中下部建基岩体以质量较好的Ⅰ,Ⅱ类岩体为主，Ⅲ类岩体完整性中等-较完整，在拱端推力不大的部位经适当补强处理后进行利用[13]。

2.7　大岗山拱坝

大岗山拱坝位于大渡河下游，最大坝高210 m。坝址河谷狭窄，谷坡陡峻，呈V形。坝址区地震烈度高，地质构造复杂，以小断层和岩脉破碎带为主，裂隙较为发育，裂面平直粗糙，岩体风化卸荷强烈。大岗山拱坝在约1/2坝高高程以上以微新-弱风化下段Ⅱ，Ⅲ1类岩体作为建基岩体，其中3/4坝高高程以上可局部利用Ⅲ2类岩体；两岸中、低高程建基岩体以微新Ⅱ类为主，局部利用弱风化下段Ⅲ1岩体；河床低高程坝段建基岩体为微新Ⅱ类岩体[14]。

上述7座拱坝地形地貌、地质构造、岩性条件等虽均有差异，但岩体质量分级是对岩体的软硬程度、风化程度、卸荷程度、完整程度及赋存环境等的综合定性评价。超高拱坝建基面的选择仍采用岩体质量分级成果为选择依据。

将拱坝按坝高30%,40%,30%的比例分为上部、中部、下部3个高度区[15]，在特高拱坝建基岩体选择时，按高程分区进行建基面可利用岩体的综合选择，特高拱坝建基岩体的利用汇总情况见表1。对于特高拱坝，在拱坝的低高程部位选择岩体质量好的Ⅰ,Ⅱ级岩体，在中、高高程则根据具体地质条件，Ⅲ1,Ⅲ2级岩体有一定应用。

表1　特高拱坝建基岩体利用情况

根据各拱坝建基岩体的利用情况可知，除溪洛渡拱坝经专项论证使用Ⅲ1岩体作为建基岩体[16]，其余特高拱坝均选择了Ⅱ级围岩作为拱坝下部的建基面岩体，中部建基岩体以Ⅱ级岩体为主，同时考虑Ⅲ1级岩体的充分利用，上部建基岩体以Ⅲ1级为主，局部考虑Ⅲ2级岩体的利用。这表明Ⅱ级岩体作为特高拱坝的建基岩体已具有普遍的认同度和丰富成功的工程实践经验，而在拱端推力不大的中、高高程可有效利用Ⅲ1级、Ⅲ2级岩体作为建基面，减小嵌深。合理地选择和利用Ⅲ级岩体作为拱坝建基岩体，在确保工程安全的前提下，可以兼顾工程经济合理性。

3　建基面可利用岩体的选择因素分析

特高拱坝及坝基在荷载作用下的破坏模式为压破坏和剪破坏，要求拱坝建基岩体应具有足够的承载能力、抗变形能力、抗剪切能力以及抗滑稳定性。

3.1　岩体的承载力

坝基岩体一方面要承受坝体的自重荷载，另一方面又要承受大坝传递的外加荷载(水压力、泥沙压力等)并传向深部岩体，对于200 m的特高拱坝，承受总水推力达千万吨以上，如小湾拱坝总水推力约1 600万t(1.6×105MN)，溪洛渡拱坝约1 500万t(1.5×105MN)，锦屏Ⅰ级约1 300万t(1.3×105MN)[17]，如此巨大的荷载通过拱坝传递到两岸坝肩岩体，将使建基岩体内产生较大的压应力。因此，特高拱坝一般要求岩石坚硬，有足够的承载力，能够承受巨大水压而不产生压裂破坏。

图1　特高拱坝拱端推力分布

图1为部分特高拱坝左岸拱端推力分布图[15]，自坝顶往下水推力逐渐增大，至坝底偏上区域水推力达到最大，坝底水推力与拱坝中部相当。通过对各特高拱坝水推力进行统计，上部水推力约占总水推力的15%，中部占总水推力的50%～60%；下部占总水推力的30%～40%，各拱坝上部、中部、下部的推力占比基本相同。

拱坝最底部区域为河床坝段，拱端的承受水推力略有减小，但河床坝段基础承受的自重荷载作用最大，表2列出了部分特高拱坝下游主压应力分布值[16]，主压应力自坝顶往下呈增大趋势。拱坝的中、下部区是主要的承载区，因此根据拱坝各高程部位承受的荷载及主压应力大小不同，可对不同高程选择不同质量级别的岩体作为建基岩体。

表2　特高拱坝下游周边主压应力分布

岩体的承载力与岩石的抗压强度及结构面的发育程度有关，岩石的强度是承载力的基础。根据《水利发电工程地质勘察规范》(GB 50287—2006)，在无岩体承载力试验数据时，可利用岩石饱和抗压强度，结合岩体结构，取适当的折减系数进行岩体承载力的估算[3]，计算方法见式(1)，折减系数见表3。

fa=kRc。

(1)

式中:fa为岩体承载力;Rc为岩石饱和单轴抗压强度;k为折减系数。

表3　坝基岩体承载力折减系数经验取值

特高拱坝可利用岩体要求岩体完整-较完整，因此可取岩石饱和单轴抗压强度的1/10～1/7作为建基岩体的承载力。

由于特高拱坝的坝基岩体不同、河谷宽度不同、拱坝体型不同，拱端压应力值会有所差别，但目前已建特高拱坝坝基岩体的最大压应力多为7～10 MPa，最大压应力一般只发生在拱坝的中下部区域，其他部位则相对较低，至近坝顶高程，压应力大幅度降低[11]。因此岩石抗压强度最低要达50～60 MPa，才能满足拱坝的承载力要求。

3.2　岩体的变形模量

坝肩岩体在受到拱座传来的巨大压力时，会产生较大变形，变形量过大对拱坝应力影响较大，不利于拱坝的整体稳定性。此外，拱坝的压应力和拉应力随变形模量的增大有一定减小，因此，特高拱坝要求建基岩体具有较高的变形模量。

通常情况下，拱坝中下部建基面岩体是拱坝的主要承力区，岩体变形模量须>大坝混凝土变形模量的1/3以上。特高拱坝对坝肩岩体产生的荷载从中下部往上是逐渐减小的，所以拱坝上部建基面岩体的变形模量可较中、下部基础小。但是，为避免变形协调引起的应力重分布使拱坝基础局部部位产生应力集中发生屈服破坏，建基面岩体应尽量均匀，避免岩体软硬突变。

表4统计了部分特高拱坝的主要岩体的变形模量，并列出了《水利水电工程地质勘察规范》(GB 50487—2008)建议值。

表4　特高拱坝的岩体变形模量

特高拱坝建基岩体主要选择的Ⅱ级、Ⅲ1级岩体，变形模量基本为10～20 GPa，甚至更高，略大于规范建议的同级别岩体的变形模量值，这是因为目前规范主要是针对坝高<200 m的拱坝，对于超过200 m的特高拱坝，变形模量值要求更高。通常能达到这样高模量值的岩体，主要为岩浆岩、变质岩、粗碎屑沉积岩构成的质地坚硬、风化较弱、完整性较好的块状结构岩体。

3.3　岩体的抗剪强度

特高拱坝坝肩岩体的应力水平可达7～10 MPa，为防止坝基岩体在拱端压力作用下产生剪切破坏甚至滑动，要求建基岩体具有较高的抗剪强度。

岩体的抗剪强度一方面取决于岩石本身的强度，另一方面取决于岩体结构及赋存条件，通常介于岩石强度和结构面强度之间。对于结构完整、结构面不发育的岩体，岩体强度主要由岩石强度控制；对于结构面发育的岩体，其强度主要由结构面的强度、结构面的发育程度及特征控制。由于结构面的抗剪强度远低于岩石的抗剪强度，岩体的失稳破坏主要是沿结构面的剪切破坏，对于可能引起失稳破坏的软弱结构面或平行于岸坡的中缓倾角结构面需要进行必要的工程处理，提高强度参数，以满足强度的要求。

表5、表6统计了部分特高拱坝较完整岩体的抗剪强度参数，并列出了《水利水电工程地质勘察规范》(GB 50487—2008)建议值。

特高拱坝建基岩体主要利用的Ⅱ，Ⅲ1级岩体摩擦系数f多为1.0～1.5，黏聚力c多为1～2 MPa，规范建议的各级别岩体的摩擦系数值与各特高拱坝实际坝基岩体参数基本相当，但黏聚力建议值要略低于特高拱坝实际利用岩体的黏聚力。

表5　特高拱坝的岩体摩擦系数

表6　特高拱坝的岩体黏聚力参数

4　建基面可利用岩体的选择标准

特高拱坝建基面可利用岩体的选择是多因素综合考虑的结果，岩体本身的力学特性是基础，拱坝的应力条件和周边地形地质环境是重要影响因素。

拱坝在不同坝高部位，承受的荷载和应力水平不同，对基础岩体的基本要求不同，国内特高拱坝在建基面岩体利用时，基本也是按照拱坝部位在不同高程选择不同建基岩体。根据国内特高拱坝建基面岩体的利用情况，可根据拱坝的拱端荷载分布按坝高30%,40%,30%的比例将拱坝分为上部、中部、下部3个高度区，建基岩体的选择是以拱坝结构所承受的荷载及应力水平为基础条件，以岩体能满足承载稳定性、抗滑稳定性为基本前提，以岩体承载力、变形模量、抗剪强度指标等为量化标准，以岩体质量级别为选择判据的综合选择过程。

虽然各拱坝建设区的地形地质岩性等均具有差异性，但综合国内典型特高拱坝建基岩体的利用情况，可以提出特高拱坝建基面可利用岩体选择的基本标准，供类似工程参考，见表7。特高拱坝根据建基面所处部位不同合理选择利用不同的岩体作为建基岩体，可在确保安全稳定性的条件下，兼顾工程经济性，优化工程建设。