叶巴滩水电站典型地质问题处理措施研究

李 静，张 冲，潘燕芳

(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

在针对“V”型和“U”型河谷的工程建设中，拱坝是经济性与安全性都比较优越的坝型。拱坝通过坝体基础联合受力，而作为拱坝基础的岩体，不仅要承受上部拱坝自身荷载，还要负荷拱坝结构上传递过来的外加荷载，即拱坝基础岩体既是受力介质又是传力介质，既要保证自身稳定又要保证拱坝整体安全[1]。对于200 m以上拱坝，承受的外加荷载更加巨大(如溪洛渡水电站水推力达1 400万t[2])，须有合适的坝基与之匹配。然而，天然状态下坝址水文地质条件相对复杂，易受岩溶、断层、深卸荷带、软弱带、节理裂隙切割，以及层间层内错动带等地质缺陷影响，加上我国高拱坝一般处于西南、西北地区，区域构造运动剧烈，地震频率相对较高，高拱坝建基面选择与确定、基础地质缺陷处理加固已经成为制约其投资、工期和结构整体安全的关键难题之一[3-6]。

叶巴滩拱坝坝高约210 m，坝址区工程地质条件、水文地质条件情况相对复杂，典型地质缺陷为坝踵区域F2断层和两岸分布的深卸荷松弛岩带。本文依托叶巴滩水电站，通过数值分析计算、工程类比方法，对其典型地质缺陷基础处理措施进行分析，从而提出科学合理的基础综合加固措施，也为其他类似工程提供参考。

1 工程概况

叶巴滩水电站坐落在西藏贡觉县和四川白玉县

的交汇处，是金沙江上游的第7级水电站。其坝址控制的流域面积为173 484 km2，年平均流量达到839 m3/s。挡水建筑物是混凝土双曲拱坝，最大坝高217 m；泄洪消能建筑物由坝身5个泄洪表孔、4个泄洪深孔、水垫塘及二道坝组成，具有“高水头、大泄量、窄河谷”的特点。

2 拱坝建基面选择和典型地质问题

2.1 拱坝建基面选择

根据已有建基面可利用岩体研究[6-7]，结合拱坝设计规范要求的建基面选择原则，参考溪洛渡拱坝合理利用弱下风化Ⅲ级岩体的研究成果，叶巴滩拱坝拟定EX1、EX2、EX3三个建基面方案进行建基面对比分析确定(见图1)。

(1)EX1。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。按照规范要求并结合已有高拱坝，合理利用弱下风化Ⅲ级岩体的研究成果，左右岸中下部高程建基面采用Ⅲ1～Ⅱ类岩，上部高程坝段的建基面局部利用Ⅲ2类岩。

(3)EX3。在EX2方案基础上，进一步减少拱端嵌深，左岸中下部高程建基面尽可能利用Ⅲ1类岩体，上部高程建基面局部区域利用Ⅲ2类岩体；右岸中下部高程建基面主要利用Ⅲ1类岩，部分利用Ⅲ2类岩石，上部高程建基面主要利用Ⅲ2类岩体。

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不仅增加了拱圈的跨度及坝肩嵌深，还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，这样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。

图1 各建基面方案下游拱端嵌深示意

2.2 典型地质问题空间分布及属性

2.2.1 断层和挤压破碎带

根据EX2建基面方案，建基面上出露的主要断层有f7、f8、f9、f10、f21、f22、f23、f24、f28、f29、f30、f31等，挤压破碎带有g31-6、g31-7、g23-4、g33-19、g33-21等，主带和影响带分别为Ⅴ类、Ⅳ类岩体，抵抗变形能力差。

其中，F2断层不在建基面出露，其横河中陡倾下游，位于坝基上游仅8.5 m，在坝基内垂向埋深最小仅11 m，横贯坝基。主带和影响带宽度大，性状差，为泥型、Ⅱ级结构面，并以初角砾岩为主，含部分角砾岩，少量碎粒岩及碎粉岩；具强风化特征，多高岭土化疏松呈砂糖状，手可刨挖；泥化条带4条，穿插发育带宽1～3 cm；主带以Ⅴ类岩体为主，变形模量小于1.5 GPa；影响带变形模量约1～2 GPa，Ⅳ类岩体。

2.2.2 深卸荷松弛岩体

坝区两岸与建基面距离在0～130 m范围内，两岸高程2 730.00 m～2 894.00 m均分布有不同程度的深卸荷带岩体，且该岩带整体风化不强，但卸荷明显，变模极低。垂直于卸荷面方向的变模约为3～4 GPa，平行于卸荷面的变模约为5～6 GPa。受局部距建基面较近的深卸荷带影响，坝体存在局部变形稳定问题，需要做专门工程处理研究。

3 Ⅲ2s深卸荷带影响及处理措施论证

对于深卸荷带，应优先考虑建基面的固结灌浆处理，再考虑深部固结灌浆、置换处理。因此采用了线弹性有限元法，对比深卸荷带处理前后建基面的变形、大坝的应力及变形，并分析处理措施的效果。

3.1 Ⅲ2s深卸荷带固灌深度敏感性分析

根据可研阶段高程2 677.00～2 894.00 m平切图资料，深部卸荷带主要分布在高程2 730.00～2 894.00 m、2 870.00～2 894.00 m。综合考虑特征高程2 830.00 m、2 790.00 m、2 760.00 m处的深部卸荷带埋深、水压力大小，并结合处理难度，选取高程2 760.00 m典型平切图建立有限元网格模型，模拟范围为800 m×500 m。

3.2 Ⅲ2s深卸荷带灌浆深度敏感性分析

根据类似工程经验，假定建基面固结灌浆后Ⅲ2s类岩体变形模量参数可提升10%，泊松比及其他物理力学指标不变，以此来进行建基面固结灌浆深度敏感分析。表1～2给出了左岸法向固结灌浆深度在0 m、30 m、35 m、40 m、45 m五种工况下，距上游拱端2 m、12 m、22 m、32 m、41 m处，以及右岸法向固结灌浆深度在0 m、15 m、20 m、25 m、30 m、35 m、40 m、45 m九种工况下距上游拱端2 m、13 m、22 m、34 m、43 m处，横河向和顺河向位移变化和变化率。从表中数据可以看出，拱端布置的各个测点随着灌浆深度增加，横河向、顺河向位移值减小，符合一般规律，但横河向、横缝向位移减幅不明显。

表1 左岸不同法向固结灌浆深度坝踵不同测点位移变化值

表2 右岸不同法向固结灌浆深度坝踵不同测点位移变化值

3.3 Ⅲ2s深卸荷带固结灌浆参数敏感性分析

考虑左右岸分布深卸荷带Ⅲ2s水平距建基面45～65 m，假定固结灌浆法向深度30 m(水平深度51 m)，分析其不同灌浆效果对拱端变位的影响。表3～4展示了左右岸法向固结灌浆深度在30 m不同灌浆效果工况下，距上游拱端不同测点横河向、顺河向典型位移的计算结果。从分析结果来看，拱端布置的各测点随着灌浆参数提高，横河向位移值减小，符合一般规律；但拱端横河向位移减幅不明显。在拟定灌浆深度下，仅右拱端上游侧测点横河向位移对灌浆参数敏感，其他测点的位移对灌浆参数均不敏感。

3.4 有无深部卸荷带Ⅲ2s对大坝影响

考虑3.2、3.3节为平面计算，存在一定不足。为准确分析深卸荷带深部灌浆的必要性，选取天然状态和理想状态(将Ⅲ2s提高至Ⅱ类岩体)，采用三维线弹性有限元法，对比分析有无深部卸荷带Ⅲ2s对大坝应力及变形的影响。分析结果表明，有无深部卸荷带，坝体应力和位移的分布规律相同，数值基本相当，极值出现部位也一致；整体来看，有无深部卸荷带对横河向位移的影响比顺河向位移明显，对高高程的影响比低高程明显；其中横河向位移影响最大减幅约23%，顺河向位移影响最大不超过10%。表5给出了有无深部卸荷带Ⅲ2s的建基面在各高程下游拱端横河向和顺河向位移值。

表3 左岸法向固结灌浆深度30 m不同灌浆效果、坝踵不同测点位移变化值

表4 右岸法向固结灌浆深度30 m不同灌浆效果、坝踵不同测点位移变化值

4 F2断层影响及处理措施论证

考虑河床部位分布的断层F2距离坝踵位置较近，并下穿建基面，在施工期会对拱端变形产生一定影响，因此，采用线弹性有限元法，对比分析不同置换方案坝踵位置变形，定量分析置换效果，从而确定最优的置换深度。计算采用拱冠梁剖面作为典型剖面来建立有限元网格模型，模拟坝基范围300 m×200 m。模拟坝基主要岩体分级分区，自上而下分别为Ⅲ2、Ⅲ1、Ⅱ1类岩体；断层F2带宽0.8 m，影响带宽度1.8 m，为Ⅳ岩体。具体分析方案为：考虑坝体浇筑到最大倒悬高程、坝体浇筑至顶高程两种工况下八种置换深度(0 m、3 m、5 m、8 m、10 m、12 m、15 m、无断层)在坝踵水平向(距坝踵0 m、3.935 m、9.42 m、15.824 m、19.706 m)位移变化和变化率。

表6展示了坝体浇筑至最大倒悬高程和坝体浇筑到顶两种工况下，坝踵水平向测点位移计算值。从表中数值可以看出，坝踵位置的置换能明显改善由于F2存在而带来的坝体变形问题；当置换深度大于8～10 m后，随着置换深度的增加，各测点位移变化幅度已不明显。因此，推荐对F2断层进行置换处理，置换深度可取8～10 m。

表5 有无深部卸荷带Ⅲ2s建基面各高程下游拱端位移值

表6 两种工况下坝踵水平向测点位移值

5 综合处理措施对拱坝结构性态影响评价

考虑第3～4节计算分析，对F2断层在坝踵位置的置换处理效果评价较为理想，且有无深卸荷带三维计算结果表明，深卸荷带对建基面位移还是有影响的。笔者结合同类工程经验，拟对深卸荷带和F2断层进行置换(置换深度10 m)及深部固结灌浆，以及在坝体下游增设贴角的综合处理加固措施。

为定量分析上述综合处理措施，本文采用三维线弹性有限元法，拟定四种工况(工况1：天然地基、正常蓄水位温降工况；工况2：天然地基、死水位荷载温升工况；工况3：基础坝踵位置置换+深卸荷带深部灌浆、正常蓄水位温降工况；工况4：基础坝踵位置置换+深卸荷带深部灌浆、死水位荷载温升工况)，分析基础处理措施对叶巴滩拱坝结构工作性态的影响。图2为大坝与断层、Ⅲ2s岩体以及置换体关系示意。

图2 大坝、断层、Ⅲ2s岩体及置换体关系

5.1 坝体位移和应力

由表7可知，各工况下位移分布规律基本一致，大坝整体位移分布基本对称。尽管坝肩基础整体刚度略有降低，但对横河向位移影响不明显，且对坝踵顺河向位移有较大程度上的改善，因此，置换、灌浆对提高坝肩局部岩体的整体变形刚度效果明显。正常工况下，坝体应力分布对称，水平相当，下游左拱端压应力与右拱端相当，坝肩最大压应力约为11.0～12.8 MPa；正常蓄水位状态上游坝面坝踵局部拉应力约0.90 MPa。大坝上游主要拉应力出现在左右河床坝段拐角处，最大约1.26 MPa。从计算分析可见，置换、灌浆处理后，可以局部改善坝肩压应力分布、减少大坝坝踵拉应力、改善下游拱端压应力分布，使压应力分布更均匀，但对大坝的整体受力、应力分布及大小的影响有限。在正常温降荷载下，置换处理可以提高大坝坝踵基础的整体变形刚度，但对大坝整体位移和应力分布影响有限。

5.2 建基面位移、应力及安全工作状态

各工况显示基础位移分布规律基本一致，采取综合处理措施后坝肩岩体变形更小，且差值较小，仅0.1～0.4 mm；正常荷载工况下，建基面最大位移值为12.7 mm，位于右拱端高程2 745 m处；置换、灌浆处理后，坝踵应力得到改善，并可局部改善坝肩压应力分布，使坝肩压应力分布更均匀。各工况下建基面岩体基本保持在弹性状态，只有岸坡浅表处和上游下部附近部分范围出现拉应力(见表8)，以满足大坝坝肩基础承载要求。

表7 四种不同工况下拱端、拱冠梁位移值

表8 四种工况下基础屈服情况

6 结 语

考虑高拱坝基础条件复杂，对基础存在的缺陷采取合理的加固处理一直是备受关注的问题。对于基础岩体的破坏、建基面的地质缺陷处理加固与安全评价，传统的分析方法和加固处理措施日益受到挑战。本文针对叶巴滩水电站F2断层及深卸荷岩带两类地质缺陷，通过数值分析计算、工程类比方法，对比不同灌浆深度和灌浆效果、不同置换深度对坝体应力变形影响，最终确定对坝踵区域断层采取置换(置换深度10 m)、深卸荷带灌浆并增设贴角的综合加固措施，并运用三维线弹性有限元法，经综合基础加固措施拱坝工作性态分析，最终定量分析评价了综合处理措施的效果。