叶巴滩拱坝建基面选择及体形设计

尤 林， 张 冲， 庞明亮

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司， 四川 成都 610072)

0 前 言

拱坝是一种空间壳体结构，主要以压力拱的形式，将作用在坝上的外荷载通过拱梁作用传递至两岸山体，依靠坝体混凝土的强度和两岸坝肩岩体的支承，以坝——基础的联合作用完成挡水任务。根据拱坝的受力特点：一是要求基础岩体应有较高的承载力和抗变形能力；二是要求坝肩岩体在巨大的水荷载作用下必须有足够的稳定性。

1 工程概况

叶巴滩水电站是一座以发电为主要任务的大型水电枢纽工程；位于四川省白玉县与西藏贡觉县交界的金沙江干流降曲河口以下约4.5 km的河段上。电站正常蓄水位2 889.00 m，相应库容10.80亿m3，调节库容5.37亿m3，具有不完全年调节能力；电站装机容量2 240 MW(含200 MW生态流量机组容量)，年发电量(联合运行)102.80亿kW·h。

坝址区地震基本烈度为Ⅶ度，大坝抗震设防类别为甲类，大坝设计地震峰值加速度水平354 gal。

电站枢纽由拦河大坝、泄洪消能及引水发电建筑物组成。拦河大坝采用混凝土双曲拱坝，最大坝高217 m；泄洪消能采用“全坝身泄洪、空中无碰撞、坝后水垫塘消能”的设计方案，校核洪水10 100 m3/s；引水发电采用“右岸首部式厂房+长尾水”的布置方案。

2 工程地质条件

2.1 地形地貌

坝址区两岸山体雄厚，河谷狭窄，谷坡陡峻，一坡到顶，缓坡平台不发育，为基本对称的深切“V”型峡谷。左岸坡度一般45°～55°，局部为陡崖地貌；右岸坡度一般40°～45°。坝址区岩体主要结构面横河向发育，河谷呈似横向谷特征。

2.2 地层岩性

2.3 地质构造

坝址区无区域性断裂通过，小断层和挤压破碎带较发育，节理裂隙亦以陡倾裂隙为主，缓倾裂隙不发育。

2.3.1 断 层

坝址区断层较发育，其中Ⅱ级断层结构面主要有F1、F2、F3、F4共4条，Ⅲ级结构面共60条，平洞揭示Ⅳ级结构面共376条。断层破碎带主要由角砾岩、碎粒岩及碎粉岩等组成。断层以中～陡倾为主，断面上多见擦痕、阶步，擦痕的侧伏角一般都小于20°，多为平移性质。

坝址区断层按走向主要有5组，分别为EW向中陡倾、NE～NNE向陡倾、NW向陡倾、NEE 向陡倾、NNE～NEE缓倾。

2.3.2 挤压破碎带

挤压破碎带一般由碎粒岩组成，受后期改造程度较弱的部位可见残留原岩结构的初角砾岩、角砾岩，泥质成分含量低或无，多呈疏松砂糖状，大多没有明显的影响带。常被EW、NE向断层限制，有时多条成带发育，空间上错列展布。倾角多中～缓，是影响拱坝抗滑和边坡稳定的重要结构面。

2.3.3 节理裂隙

坝址区裂隙以陡倾角为主，其中以倾角61°～80°最发育，其次为中倾角的裂隙，小于30°的缓倾裂隙在坝区发育较弱。裂隙按走向主要发育5组。J1：N70°～90°E/SE∠55°～75°，横河中陡倾下游；J2：N30°～60°E/NW(SE)∠60°～85°，斜向陡倾上(下)游；J3：N30°～50°W/NE∠70°～80°，斜向陡倾左岸上游；J4：N10°～30°E/NW∠35°～55°(左岸)或N0°～20°E(W)/SE(NE)∠35°～55°(右岸)，顺河中-陡倾左(右)岸。缓倾角节理裂隙主要有3个方向：N60°～90°E/SE∠10°～30°(J5-1)，横河向缓倾下游；N0°～30°E/NW∠10°～25°(J5-2)，主要发育于左岸中低高程，顺河缓倾右岸；N0°～20°W/SE∠10°～25°(J5-3)，主要发育于右岸，顺河缓倾左岸。

2.4 风化、卸荷

2.4.1 岩体风化

坝址区岩体风化自表及里划分为：强风化、弱上风化、弱下风化和微新四种。具有以下特征：

(1)总体风化不强，强风化零星分布，弱上风化带厚度不大，弱下风化一般比弱卸荷浅。

(2)风化程度在水平方向上自表及里、由强变弱，在高程上由高到低、由强变弱。

(3)受构造及地下水活动影响，断层破碎带及影响带、构造挤压带及个别长大裂隙集中发育段，局部加剧风化形成强、弱风化夹层。

(4)低高程与中高程两岸弱上风化、弱下风化深度相当，高高程右岸岩体弱风化深度比左岸深。

(5)低高程两岸弱风化上段水平深度自上游向下游逐渐变深，中高程水平深度相当，高高程受局部地形影响向下游逐渐变浅。

(6)同一高程弱下风化水平深度自上游向下游的变化规律不明显，与局部的地形有关，总体是沟槽部位略浅。

(7)河床少见弱上风化，普遍发育弱下风化，垂直深度一般5～15 m。

2.4.2 浅表卸荷

坝址区岩体浅表卸荷呈现以下特征：

(1)岸坡岩体卸荷较强，卸荷由表及里逐渐减弱，卸荷带宽度由高到低逐渐变薄。

(2)河床无强卸荷分布，弱卸荷深度一般15～30 m。

(3)岩体强卸荷基本与弱上风化下限深度一致，弱卸荷深度比弱下风化下限深。

(4)两岸低高程强、弱卸荷深度基本相当；中、高高程左岸岩体卸荷深度比右岸略浅。

(5)同一高程弱卸荷水平深度自上游向下游的变化规律不明显。

2.4.3 深卸荷

坝址区两岸的深卸荷分布于常规卸荷带以里，埋深80～140 m，带宽在0～30 m之间。结构面倾角以中～陡倾为主，走向与坝址区断层或边坡走向近于平行，受控断层、长大裂隙或缓倾角错动带。主要优势方向可分为3组：N50°E/NW∠80°、N25°E/NW∠55°、N25°E/SE∠60°。

深卸荷根据岩体紧密程度、岩体完整性、岩体质量的影响，划分为轻微松弛、中等松弛和强烈松弛3个级别。

(1)轻微松弛带岩体较完整，局部完整性差，总体较紧密、部分中等紧密，次块状为主，局部镶嵌结构，为Ⅲ1类岩体。

(2)中等松弛带，镶嵌～松弛次块结构，为Ⅲ2s类岩体，受卸荷影响，均一性差。

(3)强烈松弛带呈不连续透镜状分布，完整性差，松弛，块裂结构，为Ⅳs类岩体，岩体强度较低，抗变形能力较差。坝基范围内主要为轻微和中等松弛型，强烈松弛型主要分布在拱坝的上游和下游。

浅表卸荷以里、深卸荷以外的岩体紧密岩带厚度，紧密岩带厚度随高程升高的变化规律不明显，但总体是高高程最厚，中高程最薄。坝址区分布的深卸荷带为叶巴滩坝址典型地质特征。

2.5 地应力

坝址区河床第一段饼芯集中段最高高程为2 676.00 m，最低可至2 482.55 m仍见发育，Ⅲ线至Ⅰ′ 线之间第一段饼芯集中段最高高程为2 672.00 m。河床及两岸低高程第一段饼芯集中段出现的深度浅，向深部发育分布范围较大。

在坝址区两岸水平埋深200.00 m以外，随埋藏深度的增加而增大，应力场是构造应力和自重应力叠加的应力场，而构造应力是坝区应力场的主要组成部分，边坡浅表回弹变形后地应力明显降低。

3 拱坝建基面选择

3.1 影响建基面选择的主要因素

3.1.1 深卸荷带

叶巴滩拱坝建基面内普遍分布的深卸荷岩体，其具有明显张性裂缝，变形模量较低；在深卸荷带以外是Ⅱ2类紧密岩带，以里为微新弱卸荷的Ⅱ1类岩体。拱坝建基面选择时，如果建基面过于深嵌，将越过深卸荷带，则必然导致坝体工程量增加，并加大坝体承受的总水推力，加重坝肩抗滑稳定的负担，而且还可能带来坝肩开挖高边坡的稳定性问题；如果过于浅嵌，则无法避免建基面中下部高程大量出现Ⅲ2级岩体，严重影响建基面的岩体质量。

因此，如何结合深卸荷带的分布，在尽量避让的基础上，充分利用深卸荷带外侧的紧密岩带，成为了叶巴滩拱坝两岸建基面选择的关键。

3.1.2 断层破碎带

叶巴滩拱坝基岩由于各类断层发育，影响坝基的均匀性，尤其是F1、F2断层在河床坝段坝踵附近出露，切割帷幕，亦影响了河床坝段建基岩体质量；另外，多条小断层密集发育于坝基，将导致基岩质量变差，也影响坝基的均匀性，导致坝体变形不对称。

因此，在建基面选择时，尽量避让F1、F2断层及其影响带的影响，亦是河床建基面选择的关键；同时，应加强小断层集中区处理措施。

3.1.3 地应力

河床区域钻孔岩芯饼芯现象突出，表现出了明显的中等地应力特征。在保证建基岩体质量的基础上，尽量远离饼芯集中发育区，同样是河床建基面选择的关键。

3.2 建基面拟定

3.2.1 建基面拟定原则

叶巴滩拱坝坝高217.0 m，承受的总水推力约600万t，建基面拟定原则为：建基岩体具有较好的完整性，满足基础承载力的要求；坝肩抗力体具有较好的稳定性，满足拱座抗滑稳定要求；建基面平顺，避免坝体应力集中的不利影响；在尽量避让深卸荷岩带、保证建基面平顺的基础上，充分利用紧密岩带及弱下风化Ⅲ级岩体作为大坝基础，并分区段确定利用程度。

3.2.2 河床建基面选择

由于Ⅲ线至Ⅰ′ 线之间第一段饼芯集中段最高高程为2 672.00 m，故此高程以下不利于河床建基面开挖；又由于高程2 679.00 m大范围出露弱下风化弱卸荷Ⅲ2类岩体，不满足建基岩体利用要求，而高程2 673.00～2 677.00 m，建基面Ⅱ类岩体占比相当；同时，考虑建基面尽量远离断层F1、F2及其影响带的影响。

叶巴滩拱坝河床建基面确定高程为2 677.00 m。

3.2.3 两岸建基面选择

初拟三个建基面方案：EX1、EX2和EX3。

(1)EX1方案。按照规范要求，左右岸中下部高程及河床建基面采用Ⅱ类岩，上部高程建基面采用Ⅲ1～Ⅱ类岩，建基面上尽量不出现Ⅲ2类岩。

(2)EX2方案。按照规范要求，并结合弱下风化Ⅲ级岩体合理利用的研究成果，左右岸中下部高程建基面采用Ⅲ1～Ⅱ类岩，上部高程建基面局部利用Ⅲ2类岩。

(3)E3方案。对EX2方案的建基面进一步减少嵌深，左岸中下部高程建基面尽可能利用Ⅲ1类岩，上部高程建基面局部利用Ⅲ2类岩；右岸中下部高程建基面主要采用Ⅲ1类岩，部分利用Ⅲ2类岩石，上部高程建基面主要采用Ⅲ2类岩。

各建基面方案拱坝体形参数特征值、坝体应力成果及坝肩抗滑稳定成果见表1～3，各建基面方案下游拱端嵌深及岩体质量比较见图1。

表1 各建基面方案拱坝体形参数特征值比较

表2 各建基面方案坝体应力成果比较

表3 各建基面方案坝肩抗滑稳定成果比较

图1 各建基面方案下游拱端嵌深示意

从工程地质、拱坝布置及相关计算等综合比较分析来看，三方案均能满足拱坝坝体应力控制标准和拱座的稳定控制条件。相比较而言，EX1方案增加了拱圈的跨度及坝肩嵌深，增加了坝体混凝土及坝肩开挖工程量以及坝面承受的总水推力；EX2、EX3方案将拱坝建基面适当调整，上部高程拱圈局部利用Ⅲ2类岩体，下部高程拱圈基本上利用Ⅲ1、Ⅱ类岩体，有利于减小拱圈跨度，降低坝面承受的总水推力，便于拱坝体形设计，减少坝体混凝土及坝基开挖的工程量；EX3方案增加了建基面处理措施，增大了施工难度，不利于施工工期控制。

因此，叶巴滩拱坝两岸建基面选定EX2方案。

3.3 叶巴滩拱坝建基面

根据以上研究成果，叶巴滩拱坝河床建基面高程2 677.00 m，左右岸中下部高程建基面采用Ⅲ1～Ⅱ类岩，上部高程建基面可局部利用Ⅲ2类岩。建基面岩体质量见图2。

图2 建基面岩体质量示意

4 拱坝体形设计

叶巴滩拱坝具有“河谷窄、拱坝高、泄量大、地质条件复杂、地震烈度高”等诸多特点。拱坝体形设计时，立足现有设计分析技术水平，结合工程特点，进行多种方案比较、多种方法分析、多种手段论证，达到设计方案安全可靠，技术可行，经济合理。

叶巴滩拱坝体形设计遵循以下原则：坝体具有足够的强度，满足应力控制标准，应力分布状态良好；坝体具有适宜的拱向刚度，充分发挥两岸坝肩的抗力作用；在满足坝体强度要求的前提下，采用扁平拱布置，尽量使拱推力指向山体内部，有利于坝肩稳定；要求建基面规则、平顺，避免拱坝周边突变带来不利结构应力；尽量使体形简单，方便施工；要求大坝具有较强的适应坝基变形的能力。

4.1 拱圈线型选择

近二十年我国已建的200 m级高拱坝统计见表4。通过对抛物线、对数螺旋线、统一二次曲线、三心圆等拱圈线型进行计算分析得出：不同拱圈线型均能适应叶巴滩坝址地形、地质条件，工程量、应力、稳定及大坝变形也基本相当，各项主要设计指标总体差异不大。

考虑抛物线型拱坝具有更多的成熟设计、施工经验。因此，叶巴滩拱坝水平拱圈采用抛物线型式。

表4 我国已建高拱坝水平拱圈线型统计

4.2 厚高比选择

叶巴滩拱坝坝高217.0 m，属于高拱坝之列；采用全坝身泄洪，坝身布置5个表孔和4个深孔，局部削弱了结构的整体性和刚度；坝址区地震基本烈度为Ⅶ度，大坝抗震设防类别为甲类。根据工程经验，叶巴滩拱坝厚高比宜采用不低于0.2的中厚拱坝。

4.3 最大中心角选择

《混凝土拱坝设计规范》中关于拱圈最大中心角合理值为75°～110°；同时，根据双曲拱坝特点，减小中心角，有利于减小大坝混凝土方量，降低工程投资。参考已建高拱坝工程，根据叶巴滩地形特点，拱圈最大中心角控制在75°～95°。

4.4 上游坝面倒悬度控制

在满足应力控制标准及坝身泄洪孔口布置要求的前提下，合理选择拱坝竖向曲率，倒悬度不宜大于0.3；同时，坝体自重是抵消拱坝坝踵拉应力的主要因素，增加坝体上游面底部的倒悬度，对减小坝踵拉应力作用很大。但倒悬度选择必须合理，以便有利于施工及泄洪设施布置。参考我国已建高拱坝工程最大倒悬度情况，叶巴滩拱坝上游倒悬度控制在0.2左右。

4.5 叶巴滩拱坝体形

叶巴滩拱坝体形依据上述分析，并通过多个设计方案调试，静力、动力、抗滑稳定及整体稳定等计算分析后确定。其体形特征值参数见表5。为了减少大坝建基面开挖量，叶巴滩拱坝上游拱端进行了切角设计：高程2 730.00 m以上切角15°，高程2 700.00 m以下不切角，高程2 730.00～2 700.00 m拱端切角呈线性变化。

表5 叶巴滩拱坝体形特征值参数

5 多方法、多手段分析论证

5.1 静力法

5.1.1 拱梁分载法

叶巴滩拱坝拱梁分载法(静力)采用中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司开发的ADSC-CK拱梁分载法程序，对拱坝体形在各种单项荷载、荷载组合作用、施工期、混凝土变形模量及基础适应性等方面进行计算分析，并与二滩、大岗山等拱坝工程进行类比。结果表明：叶巴滩拱坝坝体应力、位移分布规律与已建拱坝基本一致，应力满足规范要求，且对地基具有较强适应能力。

5.1.2 线弹性有限元法

叶巴滩拱坝线弹性有限元采用ANSYS商业软件，对拱坝及坝址区岩体进行模拟，分析坝体应力、位移及分布规律，并进行工程类比。结果表明：坝体应力、位移分布规律与已建拱坝基本一致，除小部分区域存在一定的应力集中外，坝体拉压应力满足应力控制标准。

5.2 动力法

5.2.1 拱梁分载法

叶巴滩拱坝拱梁分载法(动力)采用中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司开发的程序进行计算，并进行工程类比。结果显示：大坝在动力作用下，不管是正常蓄水位还是死水位，动力反应以及静动综合反应在规律上基本一致，极值出现的部位一致。这与已建拱坝规律基本一致。

5.2.2 非线性有限元法

叶巴滩拱坝非线性有限元采用商业软件进行计算，考虑地基非线性、坝体横缝、坝体材料非线性，在设计地震波作用下，叶巴滩拱坝动力响应较小，大坝抗震是安全的。

5.3 坝肩抗滑稳定

根据叶巴滩坝基的地质条件，对左右岸各可能滑块组合及滑移面计算产状进行分析，采用刚体极限平衡法进行计算。计算表明：

(1)左右岸控制性滑动模式均为一陡一缓模式。

(2)左岸控制性滑块的抗力与作用效应比均大于1.00，满足规范控制标准的要求。

(3)右岸控制性滑块R4抗力与作用效应比大于1.00，满足规范控制标准的要求。R2、R3、R3′均以f29断层为侧裂面、J5为底滑面，其抗力与作用效应比略小于1.00；通过敏感性分析表明：随着底滑面J5抬高，滑块体积变小，抗滑稳定抗力与作用效应比值越大，同时考虑对侧裂面f29断层采取置换处理措施后，满足规范控制标准的要求。

(4)总体而言，叶巴滩拱坝坝肩稳定满足设计要求。

5.4 拱坝整体稳定评价

5.4.1 三维非线性有限元整体稳定分析

采用超水容重的超载法计算表明，整体稳定超载安全系数K1=1.8～2.0，K2=3.5～4.0，K3=7.5；通过与国内外同类大坝各项指标比较，叶巴滩拱坝整体变形、应力分布满足规范，整体安全有保障。

5.4.2 整体地质力学模型试验

叶巴滩整体地质力学模型范围：向上游1倍坝高、向下游的2倍坝高、两岸各2倍坝高左右、建基面向下1倍坝高，坝顶以上100 m范围控制，模型几何比CL=200。模型试验表明：整体稳定超载安全系数K1=1.6～1.8，K2=3.6～4.0，K3=6.6在控制性指标范围之内；与类似拱坝工程的超载安全系数相当，叶巴滩拱坝整体稳定性较好。

通过以上方法和手段分析论证，说明叶巴滩拱坝建基面选择是合理的，拱坝体形设计能够适应坝址区地形、地质条件的，拱坝-地基整体是安全、可靠的。

6 结 语

拱坝设计中合理选择建基面以及合适的拱坝体形，既可大大减少基础开挖和大坝混凝土工程量，又能节省工程工期，具有显著的社会经济效益。

本文向广大拱坝设计者介绍金沙江上游叶巴滩拱坝建基面选择采用“以岩级为基础，以安全为准则；合理利用弱风化Ⅲ级岩体、充分利用深卸荷带以外的紧密岩带作为大坝基础岩体，并分区段确定利用程度”的设计原则、拱坝体形设计运用“多种方法、多种手段进行分析及安全评价”的方法，希望以此促进拱坝设计向更加安全、经济和合理的方向发展。