角木塘水电站工程大坝建基面优化设计

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(贵州省水利水电勘测设计研究院，贵阳，550002)

大坝建基岩体的选择和建基面的确定关系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。影响建基面选择的因素很多，既有坝基岩体工程地质因素，又有上部结构因素，既有技术因素又有经济因素，故建基岩体的选择和建基面的确定，是坝址工程地质勘察中一项重要的课题。在对坝基岩体进行工程地质分类的基础上，考虑岩体加固处理的效果、坝基承受荷载的大小(坝的高度)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坝体混凝土浇方量，在保证工程安全的前提下提高经济效益。影响坝基岩体质量和建基面选择的主要因素有：岩性、岩体结构、岩体完整性、岩体风化特征及水文地质条件等。总之，建基面应根据大坝稳定、坝基应力、岩体物理力学性质、岩体类别、基础变形和稳定性、上部结构对基础要求、基础加固处理效果及施工工艺、工期和费用等经技术经济比较确定。可考虑通过基础加固处理和调整上部结构等措施，在满足坝的强度和稳定的基础上，减少开挖量[2、4-7]。

1 工程概况

角木塘水电站工程位于芙蓉江干流下游河段，地处贵州省道真县忠信镇联江村放牛坪，为芙蓉江水电梯级开发中的第10级，上衔官庄电站，下接浩口电站。角木塘水电站工程任务主要是发电。水库校核洪水位387.034m，总库容3259万m3，正常蓄水位为383m。电站额定发电水头28.5m，发电引用流量279m3/s，装机容量为2×35MW。

工程主要由挡水建筑物、泄水消能建筑物、发电引水系统和发电厂房等组成。挡水建筑物为碾压混凝土重力坝，坝顶高程388m，最大坝高55m，坝顶宽为6m，坝轴线长154.8m。溢流坝段布置于河床偏左岸，溢流净宽为62.5m，堰顶高程为364.5m。表孔设5扇弧形工作闸门及1扇平面检修钢闸门，大坝下游消力池长75m。发电引水系统及厂房布置于右岸，进口闸井段长26.84m，单条引水道长38.612m，引水道末端接机组进水管。主、副厂房平行布置，升压站为户内式。

2 大坝建基面优化的缘由和必要性

2.1 建基面优化的缘由

大坝原设计河床建基面高程为321.6m，河床开挖至337.5m～338.0m高程时，基坑岩体较完整，强度较高。经专家咨询：开挖揭露的河床坝段基础岩体质量较好，岩体质量为BⅢ1，满足建坝要求，具备抬高建基面的条件。建议坝基全面挖至高程333m时，再进行坝基岩体质量认定后确定河床坝段建基面高程。河床段大坝基坑总体开挖到333m高程左右时，揭露基坑岩性主要为栖霞组灰岩(P2q)，开挖后坝基岩体为弱风化至微风化岩体，岩石层面结合较好，岩体质量总体较好。

可研大坝建基面选择：根据《混凝土重力坝设计规范》(DL 5108-1999)，坝高100m～50m，可建在微风化至弱风化中部基岩上，可研最大坝高66.4m，河床坝段建基面选择为弱风化基岩下部。根据《混凝土重力坝设计规范》(NB/T 35026-2014)[4]，中坝可建在弱风化中部基岩上。河床段坝基开挖揭露坝基岩体强风化、弱风化较可研资料有明显抬高。河床部分开挖至333m已处于弱风化中部，岩体质量较好，满足建坝要求，河床段具备抬高建基面的条件。

2.2 建基面优化的必要性

在保证坝体稳定和安全的情况下，河床坝段建基面优化抬高对减少坝基开挖量、坝体混凝土量和节省工程投资有着直接的影响，同时，对改善施工条件和节约工期也有较大的影响：

(1)大坝建基面优化抬高可减少坝基开挖深度和开挖量，并可减少坝体混凝土量；

(2)优化抬高建基面可减缓基坑公路的底坡，缩短施工道路长度，减小施工道路布置的难度；

(3)优化抬高建基面，可减少基坑的开挖时间，缩短工期，为基础局部地质缺陷处理和大仓面碾压混凝土施工创造必要的条件；

(4)优化抬高建基面，可缓解由于前期不利因素引起的大坝施工进度滞后及工期压缩产生的矛盾，对确保如期发电目标的实现具有重要意义。

故在保证大坝稳定和安全的情况下，优化抬高建基面是有必要的。

3 工程地质条件评价

坝基施工开挖过程中，设计单位地质人员及时完成了坝基岩体声波测试、开挖地质素描图及相关补充地质勘察工作。

(1)施工开挖揭露F2断层带宽2.4m，影响带2m～5m。坝基岩体主要为二叠系中统栖霞组(P2q)深灰色中厚层灰岩夹薄层炭质泥岩；靠右岸局部为二叠系中统茅口组(P2m)薄至中厚层灰岩夹泥岩、炭质页岩。坝基岩体呈弱风化至微风化状态，岩石层面结合较好；缓倾角裂隙延伸短，规模小，无软弱夹层及泥化夹层分布，进入弱风化

图1 坝区开挖地质素描

岩体后裂隙弱发育且胶结良好，多为方解石脉充填。基坑内未显岩溶现象，未见较大冲刷深坑，无地形缺陷问题。

(2)建基面选择：大坝基坑总体开挖到333m高程时，坝基岩体已处于弱风化状态，坝基岩体质量较好，具备建基面抬高的条件。河床基坑声波测试结果表明，岩体波速在高程325m以下较为稳定，波速值在4000m/s～5100m/s，岩体完整，为最理想的建基面高程。结合专家咨询意见，坝基333m～325m高程局部低波速带通过加强固结灌浆是可以满足设计建坝要求的。

(3)河床开挖至333m高程时坝基岩体已处于弱风化中部，A区岩体为栖霞组中厚层灰岩，岩体较完整，呈弱风化状态，岩体质量等级BⅢ1类；B区为断层带，岩性为炭质泥岩，胶结较好，岩体质量等级为CⅣ类；C区为茅口组灰岩，完整性较差，层面夹泥，岩体质量等级为BⅢ2类。坝基岩体质量BⅢ1类约占77%，BⅢ2类约占15%，CⅣ类约占8%。坝基岩体整体强度较高，完整性好，局部经过处理后能满足建坝的要求，具备建基面抬高的条件。

(4)坝基栖霞组(P2q)灰岩岩体质量比可研阶段评价要好，力学参数有所提高；茅口组(P2m)灰岩由于层面夹泥，岩体质量比可研阶段评价稍差，力学参数有所降低。岩体物理力学参数建议值见表1。

(5)河床段坝基抗滑稳定评价：河谷形式为纵向谷，施工开挖过程中，未发现规模较大、贯通性好的缓倾结构面发育，对局部地质缺陷处理后，坝基稳定性好。

4 大坝建基面优化

根据河床段坝基施工地质条件评价及建议，对局部地质缺陷采取工程措施处理，并结合大坝稳定及应力复核计算结果，对大坝建基面进行优化抬高。大坝建基面优化的项目和内容：河床坝段原设计建基面高程为321.6m，优化抬高后A区(F2断层左侧)建基面高程为333.0m，B区(F2断层)建基面高程为329.5m，C区(F2断层右侧)建基面高程为332.0m；大坝基础处理措施有所调整；坝体断面和构造设计相应有所调整；河床坝段灌浆排水廊道及坝基排水系统布置相应调整。

4.1 大坝平面布置

河床坝段建基面优化前、后大坝平面布置无变化，大坝平面布置见图2。

图2 大坝平面布置

4.2 河床坝段建基面优化抬高

根据开挖揭露的地质情况，对坝基岩体的物理力学参数进行了复核，并结合大坝稳定及应力复核，对河床溢流坝段建基面高程进行了优化抬高。

建基面优化后A区建基面高程为333m，较原设计抬高11.4m；C区建基面高程为332m，较原设计抬高10.4m；B区为F2断层破碎带，刻槽深挖后作混凝土塞进行处理，混凝土塞建基面高程为329.5m，较原设计抬高11.1m。河床坝段建基面优化抬高后大坝下游立视见图3。

图3 河床坝段建基面优化后下游立视

4.3 坝体断面和构造设计调整

大坝建基面优化后，河床坝段结构相应进行了调整，坝体分区及材料设计无变化，坝体分缝及止水设计无变化，坝体底部结构设计根据实际地质条件进行了调整，坝内灌浆排水廊道布置进行了调整，坝体及坝基排水系统布置相应进行了调整。优化后河床坝段大坝标准断面见图4。

4.3.1 坝体混凝土分区设计

大坝建基面优化抬高后，坝体混凝土分区设计不变，各区结构底部高程较原设计相应抬高，工程量较原设计有所减小。下游坝体Ⅲ区相应取消。

4.3.2 坝体分缝及止水设计

河床溢流坝段建基面优化抬高后，坝体分缝及止水设计无变化，止水量有所减少。

4.3.3 坝底结构

河床坝段建基面优化抬高后，因基础局部地质条件较差，坝底结构较原设计有所变化。为确保坝体稳定，考虑在坝基下游侧增设齿墙，上、下游侧梯形齿墙底宽为2.5m，挖深2.5m，局部加深(上游侧坝横0+084～0+098段及下游侧坝横0+084～0+105段齿墙加深至4m)，上游齿墙上游侧坡比1∶0.5，下游侧坡比1∶1；下游齿墙上游侧坡比1∶1，下游侧铅直。

4.3.4 坝体与坝基排水设计

河床溢流坝段建基面优化抬高后，坝体排水设计不变，坝体排水工程量有所减少；坝基排水设计基本相同，坝基排水系统布置相应调整，水泵布置高程由原来的328m抬高至339.4m高程。

4.3.5 坝内廊道布置设计

河床坝段建基面优化抬高后，河床段水平灌浆排水廊道高程抬高，两岸坡廊道布置相应调整，原设计水平廊道底高程为328m，水平廊道长23.35m；调整后水平廊道底高程为339.4m，水平廊道长52.15m，两岸坡斜坡廊道相应缩短。

图4 河床坝段建基面优化后标准断面

4.4 坝基地质缺陷处理

重力坝对基础的要求：要有足够的强度、整体性、均匀性、抗渗性及耐久性。故为满足大坝对承载力、整体性、抗滑和防渗等要求，对建基面不满足坝基岩体质量要求的地质缺陷需采取工程措施进行处理[1-4]。

4.4.1 断层、破碎带等地质缺陷处理

河床段建基面优化调整后，断层及破碎带处理方案基本同原设计，河床坝段坝基增设了锚筋。考虑将F2断层破碎带全部挖出，底部挖至329.5m高程，两侧开挖坡比为1∶0.5，然后做C15混凝土梯形塞置换处理，断层带及影响带范围设φ25基础锚筋(L=9m)，锚筋孔结合固结灌浆孔进行。梯形混凝土塞底宽为2.4m，混凝土塞的深度为3.5m，混凝土塞沿断层方向延伸至上游坝体外5m。

对A区局部存在的岩体破碎，裂隙面部分泥质充填地质缺陷，通过清除破碎岩体及裂隙面的泥质成分并清洗干净，同时在基底设置φ25基础锚筋(L=6m)。F2断层右侧C区茅口组灰岩区裂隙发育，裂隙面及层面夹泥，基坑深挖1.0m，对夹有炭质泥岩的部位进行刻槽深挖，将建基面清洗干净，并设φ25基础锚筋(L=6m)，锚筋孔结合固结灌浆孔进行。

4.4.2 坝基固结灌浆

河床坝段建基面优化后，加强F2断层左侧影响带及其右侧C区固结灌浆，灌浆孔深由5m调整为8m，其余区域坝基固结灌浆同原设计。

4.5 坝体稳定及应力复核

河床坝段建基面优化抬高，根据《混凝土重力坝设计规范》(NB/T 35026-2014)规定，进行了坝体稳定及应力复核[4]。

4.5.1 计算参数

地质专业根据开挖揭露的情况，对坝基岩体的力学参数进行了复核，主要复核成果见表1。

表1 坝基岩体物理力学参数建议值(弱风化)

注：(P2q)强风化、弱风化基岩允许承载力建议值分别为：[R]=1000kPa～1500kPa；[R]=3000kPa；(P2m)强风化、弱风化基岩允许承载力建议值分别为：[R]=800kPa～1000kPa；[R]=2000kPa～2500kPa。

河床坝段建基面优化时，对河床F2断层带已考虑深挖，然后做梯形混凝土塞进行置换处理，并在断层带及影响带范围设置φ25基础锚筋(L=9m)，同时加强该区域固结灌浆，F2断层处理满足相关规范要求，处理后其力学参数考虑按其右侧的茅口组灰岩取值。F2顺河断层左侧栖霞组灰岩区，裂隙较为发育，对裂隙采取工程措施处理，为安全起见，该区岩体物理力学参数按F2断层右侧的茅口组灰岩取值。即大坝稳定及应力复核计算时，坝基岩体的力学参数统一取抗剪断强度f′=0.8，C=0.7MPa；坝基岩体呈弱至微风化状态，基础允许承载力：[R]=2000kPa～2500kPa。

4.5.2 计算断面

根据河床坝段建基面优化抬高情况，选取一个典型断面进行计算，见图5。

4.5.3 计算方法

采用刚体极限平衡法进行坝基面抗滑稳定计算，采用材料力学方法进行大坝建基面的应力计算，并分别计算基本组合和偶然组合。

图5 溢流坝段典型剖面计算简图

4.5.4 复核计算结果

经计算，坝基抗滑稳定复核计算成果见表2，坝体最大主压应力(坝趾应力)复核计算成果见表3，坝踵垂直正应力复核计算成果见表4。

表2 坝基抗滑稳定复核计算成果 单位：kN

表3 坝趾应力复核计算成果 单位：kN/m2

表4 坝踵垂直正应力复核计算成果 单位：kN/m2

由表2-表4可知，坝基面的抗滑稳定、坝趾应力均满足规范要求；坝踵垂直正应力大于0，未出现拉应力，满足规范要求；坝基最大垂直正应力587.41kPa

4.6 建基面优化前后投资比较

河床坝段建基面优化后建基面抬高10.4m～11.4m，工程量较原设计方案小，大坝建基面优化后节省工程投资883.04万元。

5 结语

(1)河床段原设计建基面高程321.6m，在坝基开挖至333m高程时，根据施工地质成果资料分析，整个建基面岩体呈弱至微风化状态，岩体完整性好，强度较高。A区岩体为栖霞组中厚层灰岩(P2q)，岩体质量等级BⅢ1类，B区F2断层带，岩性为炭质泥岩，胶结较好，岩体质量等级为CⅣ类；C区为茅口组灰岩(P2m)，完整性较差，岩体质量等级为BⅢ2类。坝基局部地质缺陷采取工程措施处理后满足建坝要求，具备建基面抬高的地质条件。

(2)根据河床坝段开挖揭露的地质情况，对坝基岩体的物理力学参数进行了复核，并进行了大坝稳定和应力复核。经复核，坝体稳定及应力满足规范要求。河床段建基面优化抬高后建基面高程A区为333m，B区为329.5m，C区为332m。建基面优化后，河床段灌浆排水廊道、坝基排水系统布置及基础处理措施等相应进行了调整。

(3)河床坝段建基面优化后，节省了工程量，节省投资883.04万元。建基面优化抬高为大仓面碾压混凝土施工创造了必要的条件，缩短了大坝混凝土施工工期，抢回了因厂房右岸高边坡地质条件较差耽误的3个月工期，最后较计划提前4个月发电，取得了显著的经济效益。