高砂水电站8号坝段稳定性分析

2022-09-08刘代彬兰有磷张昌隆

水电与抽水蓄能 2022年4期

陈锴，刘代彬，兰有磷，张昌隆

（1．中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江省杭州市 311122；2．福建华电高砂水电有限公司，福建省三明市 365050）

1 工程概况

高砂水电站为闽江主要支流沙溪河段水电水运梯级开发的第六级，为三等（中）型工程，主要建筑物为3级建筑物，总库容0.4亿m3，为日调节水库，总装机容量为5万kW。本水电站为河床径流式水电站，有效库容2500万m3，正常蓄水位103.00m，枢纽以发电为主，兼有通航等效益。枢纽采用河床式布置，由拦河坝、电站厂房和船闸等主要建筑物组成。拦河坝自左至右依次为左岸挡水坝段、船闸坝段、溢流坝段、发电厂房坝段、右岸挡水坝段。大坝为混凝土实体重力坝，坝顶长316m，坝顶高程108m，最大坝高30.47m；泄洪闸坝段共设9孔溢流孔，堰顶高程89.00m，孔宽16m。

拦河坝溢流8号坝段是位于枢纽中部的溢流坝段，建基高程83.55～85.26m，坝顶高程108m，由溢流堰体和闸墩组成，溢流堰型为宽顶堰，堰顶高程89m，闸墩宽3m，位于坝段的中部，基础坐落在弱风化薄层状含砾砂岩夹泥质粉砂岩上。

主体工程于1992年9月正式开工，1995年6月下闸蓄水，1999年7月通过工程竣工安全鉴定，2001年6月通过竣工验收。枢纽区平面布置见图1。

图1 高砂水电站枢纽平面布置图Figure 1 Layout of Gaosha Hydropower Station

2 8号坝段地质条件及处理

8号坝段坝基岩性主要为弱风化含砾砂岩夹薄层粉砂岩，f3断层斜穿8号坝段，延伸至9号、10号坝段护坦，范围较大，且与f2断层汇交并通向库区，后期运行过程中有可能形成渗漏通道，是施工期坝基主要工程地质问题之一。工程地质剖面见图2。

图2 溢流坝段工程地质剖面图（上游侧）Figure 2 Engineering geology profile of overflow dam section （upstream side）

f3断层产状上盘面 N5°～ 20°E，NW ∠ 15°～ 20°，下盘面 N5°～ 20°E，NW ∠ 35°～ 45°，在高程 80～ 82m 处破碎宽达1.8～3.5m。8号坝段建基面岩性均以f3断层为界，上盘为薄层状含砾砂岩夹泥质粉砂岩，下盘为厚层状砂砾岩。岩层产状N35°～45°E，NW∠6°～11°，f3断层与辉绿岩脉（γπ-1）相交斜穿于坝段下游端，破碎带宽2～6m，岩石呈全风化。采用槽挖铺钢筋及增补固结灌浆处理，槽深1.5～2.5m，最低高程82.50m，槽底部岩石呈弱～微风化，岩质尚坚硬。坝基原设计开挖高程为85m，在开挖过程中发现85m高程的泥质粉砂岩层间有一层厚为2～5mm，局部10mm的夹泥层。同时在83.88m高程泥质粉砂岩层间又发现一层夹泥层厚1～4cm，灰绿色，具黏性，呈断续分布。

施工时对风化夹层进行掏挖处理，掏深0.60～0.80m，槽底端风化夹层厚度变小仅5～13cm。风化夹层结构尚致密，用钢钎掏挖时难掘进，在槽内铺设钢筋并回填混凝土和进行接触灌浆处理。并在溢流顶面布置12根深度14m垂直锚杆，伸入完整的基岩中，同时布置38个固结灌浆孔处理，提高了基础的整体性。在8号坝段的上、下游还有纵向混凝土导墙的作用，特别是下游侧导墙，基础岩石新鲜完整，一定程度上有助于提升坝基的稳定性。

8号坝段的下游侧虽经处理后有所改善、其下游的纵向混凝土导墙位于新鲜完整的岩石上，但仍是所有坝段中地质条件最复杂、岩性最差的坝段。根据相应规范[1]坝基岩体工程地质分类，8号坝段的岩体分类为Ⅳ1B。从坝基存在的泥化夹层情况分析，电站运行20多年，坝基岩可能存在基岩软化、泥化夹层泡水软化及渗透破坏的可能性，对坝基稳定不利。

3 8号坝段运行性态分析

3．1 坝顶变形

在大坝坝顶下游侧布设一条视准线，每坝段布置1个视准线观测墩，并在每个观测墩旁布置1个水准点。溢流7～9号坝段坝顶水平、垂直位移实测过程线见图3和图4，由图可见：

图3 7～9号坝段坝顶累积水平位移测值过程线Figure 3 The accumulated horizontal displacement process line of of 7 ～ 9 dam crest

图4 7～9号坝段坝顶累积沉降测值过程线Figure 4 The accumulated settlement displacement process line of of 7 ～ 9 dam crest

（1）7～9号坝段坝顶水平位移变化与气温呈一定正相关关系，即随气温升高而向下游位移、随气温降低而向上游位移，这主要是由于泄洪闸结构为顺河向闸墙，边界温度存在差异的范围较小，闸墙大部分区域均与空气接触，温度升高时闸墙整体发生膨胀变形，又由于视准线位于坝顶下游侧，因此闸墙整体膨胀的结果是使得位于坝顶下游的视准线测点向下游位移，总体符合混凝土坝的一般变形规律。

总体上，7～9号坝段坝顶水平位移变化均无明显的趋势性，向下游最大位移量在4.49～5.68mm之间，向上游最大位移量在5.37～7.07mm之间，最大年变幅在8.75～9.87mm之间，多年平均变幅在6.76～7.44mm之间，总体较稳定。虽然各测点测值受观测误差干扰较大，但从各测值过程线的变化趋势及变幅等仍可判断大坝各坝段水平位移稳定、无异常。

（2）7～9号坝段坝顶垂直位移呈现较好的年周期变化规律，与气温呈较明显的相关性，表现为坝顶随气温升高时而上抬、随气温降低时而下沉，符合混凝土坝热胀冷缩的基本特性和坝顶垂直位移的变形规律。各坝段下沉最大值发生在气温较低时、在2.6～3.8mm之间，上抬最大值均发生在气温较高时（8月）、在2～2.9mm之间，滞后环境气温极值出现时间约1～2个月。最大年变幅在5.2～5.7mm之间，多年平均变幅在4.23～4.48mm之间，总体稳定、且各坝段变形协调，无明显趋势性，由此可判断各坝段坝顶垂直位移变化无异常。

3．2 坝基扬压力

在溢流8号坝段（帷幕后）布置1个测压管，钻孔深入建基面以下，以监测相应坝段的坝基扬压力。

大坝防渗采用常规帷幕灌浆处理，在上游侧坝基设置一排单排帷幕灌浆孔，孔深7～15m，帷幕两岸侧与大坝左右岸相接，该帷幕的作用是减少来自上游水库的渗透压力，大坝下游侧无帷幕。根据设计要求，坝基渗压系数取0.5。坝基扬压力是坝体和基岩结合面的浮托力和渗透压力之和，影响坝基扬压力大小的主要因素有上游和下游水位、帷幕防渗效果及坝前淤积情况等。坝基渗压系数计算公式[2]如下：

（1）当HX≥HC时：

（2）当HX＜HC时：

式中：HP——测点实测扬压水位，m；

HS——上游水位，m；

HX——下游水位，m；

HC——测点处基岩高程，m。

上下游水位、降水量、气温以及溢流8号坝段坝基扬压水位测值过程线见图5和图6，溢流8号坝段坝基渗压系数计算值过程线见图7。由图可见：

图5 坝址降水量、气温测值过程线Figure 5 Precipitation and temperature measurement process line of dam site

图6 8号坝段坝基扬压水位及水位测值过程线Figure 6 Dam foundation elevation pressure water level and water level measurement process line

图7 8号坝段坝基渗压系数计算值过程线Figure 7 The calculation value process line of seepage pressure coefficient of 8 dam foundation

（1）8号坝段坝基扬压力有一定年周期变化规律，与基础水温呈现一定相关性，初步分析判断是由于外界温度变化影响坝基基岩裂隙开合度大小，气温升高岩体及混凝土膨胀，坝基裂隙压紧，渗透减小，坝基防渗性能提高，该坝段坝基扬压水位相应降低，反之则导致该坝段坝基扬压水位升高，且扬压水位变化明显滞后于外界气温变化。

（2）多年实测数据显示，8号坝段坝基扬压水位在91.6～95.79m之间，多年平均值为93.83m，明显小于上游库水位（基本维持在103.00m），变化无趋势性且变幅一直较稳定（最大为3.48m），表明该坝段坝基帷幕后扬压水位处于稳定状态，坝基帷幕的防渗效果无明显下降迹象。

（3）8号坝段坝基渗压系数在运行期间一直小于0.4，在设计控制指标（0.5）范围内，说明溢流坝段基础的帷幕防渗效果较好、防渗系统运行正常，且近些年防渗效果没有削弱现象。

3．3 统计模型分析

为进一步确定各种因素对坝顶水平位移、坝基扬压力的影响程度，现采用统计回归模型法来分析坝顶水平位移/坝基扬压力与水压、降水、温度和时效之间的关系。经计算，各分量的分解及统计成果见表1和表2，由表可见：

表1 7～9号坝段坝顶垂直位移回归方程分量解析成果统计一览表Table 1 Table of statistical results of component analysis of regression equation for vertical displacement of 7 ～ 9 dam crest

表2 8号坝段坝基扬压力回归方程分量解析成果统计一览表Table 2 Table of statistical results of component analysis of uplift pressure regression equation of 7 ～ 9 dam foundation

（1）对7～9号坝段坝顶垂直位移的影响分析：

温度分量：测点的回归方程有温度因子入选，并且多为近期和前期温度因子的组合，说明温度变化对坝顶垂直位移具有普遍性影响，且垂直位移年周期性变化相位滞后于气温约在60天以内，这与定性分析结论相吻合。分量变幅为4.79mm，占100%，说明温度是影响坝顶垂直位移最主要的因素。

从温度分量的变化规律来看，坝顶垂直位移与温度因子呈负相关关系，即位移随气温升高而上抬、随气温降低而下沉，符合混凝土坝的变形规律。

水压、时效分量占比很小，表明时效对该坝段坝顶垂直位移的影响已基本稳定，并且上游水位变化较小、对大坝水平位移基本无影响。

（2）对8号坝段坝基扬压力的影响分析：

水压分量：占比52.38%，表明上、下游水位是影响该坝段坝基扬压力最主要的因素。该坝段坝基扬压力受上游水位影响较小，这主要是下游水位变幅较上游水位要大，且大坝下游侧无防渗帷幕。整体呈现“水位升高，扬压力增大；水位降低，扬压力减小”的规律。

温度分量：占比47.62%，表明温度对该坝段坝基扬压力的影响较大且明显，仅次于上下游水位。

降水、时效分量占比很小，表明时效对该坝段坝基扬压力的影响已稳定，降水对其基本无影响。

3．4 稳定复核计算

前期地勘资料显示，斜穿8号坝段建基面的断层为f3断层，该断层在护坦部位，与夹层出露位置不相交，不会形成组合滑动面。8号坝段结构及基础剖面图见图8。

图8 8号坝段结构及基础剖面图Figure 8 Structure and foundation profile of No.8 dam section r

前期复核计算成果[4]显示，8号坝段基础高程84m，坝顶宽27m，基础底宽31.5m，帷幕距坝踵2.35m。技施阶段坝体稳定计算采用的参数为f′=0.9，c′=0.9MPa。建基面抗剪断摩擦系数和抗剪断凝聚力分别采用地质建议值的小值f′RK=0.6和c′RK=0.5MPa。对8号坝段根据不同运行工况分别进行建基面抗滑稳定计算，取整个坝段宽计算，渗压系数取0.25。按照《混凝土重力坝设计规范》（SL 319），建基面抗滑稳定及应力计算成果见表3。