论文部分内容阅读
摘要：介绍大岗山拱坝主要工程特点，坝基岩体工程地质条件以及基础存在的主要地质缺陷，并就地质缺陷对拱坝的影响进行分析。通过方案比选及相应的计算分析，重点研究拱坝主要缺陷的加固处理方式。通过设计研究，基本确定了拱坝基础缺陷处理措施。
关键词：拱坝 基础处理 方案分析 混凝土置换 固结灌浆
中图分类号：TV22 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2012）010-001-04
1 前言
大岗山水电站位于四川省大渡河中游石棉县境内，电站正常蓄水位1 130m，装机容量2 600MW。电站枢纽主要由挡水建筑物、泄洪消能系统、引水发电系统等组成。挡水建筑物采用混凝土双曲拱坝，最大坝高210.00m。坝址具备修建高拱坝的地形地质条件，但坝区工程地质条件较为复杂，存在一些不良地质缺陷，对拱坝的体型选择、坝体受力性态、拱座的抗滑稳定和变形稳定、以及基础的渗流控制等，均会产生较大影响。本文紧密结合坝址的工程地质条件，对基础加固处理方案进行深入研究，通过数值分析计算、工程类比，论证工程处理的必要性、多种工程处理措施及处理效果，提出有针对性的基础加固处理措施和安全、有效的处理方案。
2 拱坝基础主要地质条件
坝区两岸山体雄厚，谷坡陡峻，基岩裸露，坝址河谷呈“V”形峡谷；坝区基岩主要为澄江期灰白色、微红色中粒黑云二长花岗岩，其中穿插发育各类岩脉，以辉绿岩脉为主；坝区无区域性断裂切割，构造型式以沿脉岩发育的断层、挤压破碎带和节理裂隙为特征；坝区岩体的风化与岩性、构造关系密切，水平、垂直分带性明显，岩体卸荷作用主要沿已有结构面进行，风化、卸荷深度有总体随高程的降低而明显减弱的趋势，受微地形、岩性及构造等影响具一定程度的不均一性；坝区地下水位较低平，岩体透水性主要受岩脉发育及其破碎状况、节理裂隙发育程度以及风化卸荷等因素影响，透水性以中等透水-弱透水为主。拱坝基础地质平面图见图1。
3 主要地质缺陷及处理原则
大岗山拱坝基础岩性较为均一，主要利用花岗岩体，建基面上Ⅱ、Ⅲ1类花岗岩体共占86.95%，建基岩体主要地质缺陷有：（1）断层破碎带及其影响带；（2）Ⅲ2、Ⅳ类花岗岩，分别占建基岩体的3.27%和0.26%；（3）Ⅲ2、Ⅳ、Ⅴ类辉绿岩脉，分别占建基岩体的7.18%、1.29%和1.05%。
地质缺陷对拱坝的影响主要体现在以下几个方面：（1）Ⅲ2类花岗岩体变模较低，对拱坝应力和基础变形存在较大的影响；（2）Ⅳ类岩体软弱，不能作为拱坝基础利用，需挖除以消除对拱坝影响；（3）在坝基和抗力体范围内对拱坝有影响的岩脉共36条，岩脉为Ⅲ2～Ⅴ类。辉绿岩脉受力后产生的变形将影响拱坝及基础的应力，导致坝体变形不对称，降低坝体安全度。岩脉形成的渗流通道制约拱坝的渗控设计，岩脉参与构成坝肩稳定控制块体的边界，对拱坝整体稳定亦有较大影响。
针对建基岩体的主要地质缺陷，基础处理总体原则是：拱坝基础处理方案与拱坝建基面的确定和拱坝体形优化三者相互协调，综合考虑。具体如下：（1）基础置换混凝土不宜太大，以不出现自身的结构问题为控制；（2）结合基础置换处理，尽量使拱坝建基面和体形对称，加强拱作用，使拱坝静力时受力尽可能好；（3）左右岸基础置换处理开挖不影响现已开工的坝顶以上开挖，不形成倒坡。
根据以上总体原则，拱坝基础处理思路为：（1）对Ⅲ2、Ⅳ类花岗岩体，可采取深挖清除置换处理措施；（2）对断层破碎带及其影响带，以及Ⅲ2、Ⅳ、Ⅴ类辉绿岩脉，根据规模、性状及与拱推力的关系，分别采取网格置换与加密固结灌浆、槽挖置换与加密固结灌浆等专门处理措施。
4 基础加固处理设计
4.1 两岸表层岩脉处理设计
左岸坝基岩脉相对较少，岩脉中～陡倾坡外，与拱坝基础面小角度相交，置换混凝土的深度应稍大。对代表性岩脉 21置换深度进行平面有限元分析，结果见图2。
从图2可知，随混凝土置换深度增加，坝趾位移已经收敛，置换混凝土深度按4倍岩脉宽度控制。
右岸坝基岩脉众多，岩脉中～陡倾坡内，与建基面大角度相交，受力條件较好。为提高拱坝基础均匀性、整体性，改善拱坝局部受力状态，对右岸的Ⅲ2～Ⅴ类岩脉表层采取混凝土置换处理，根据工程类比，塞体深度取1.5倍破碎带宽度。
4.2 两岸深部岩脉处理设计
左岸深部分布以 21为代表的与拱端斜交岩脉，还包括 41、 118。岩脉受力以剪切为主，处理原则以提高剪切变形的能力为主，置换网格和灌浆加固有更好的适应性。
选取1010m高程平切图对岩脉 21进行有限元分析，处理方案分别为沿岩脉灌浆25m～100m和置换网格，通过计算分析可知，岩脉灌浆范围的变化对左拱端中心点的位移影响很小，沿岩脉灌浆25米，减小0.11%；沿岩脉灌浆100米，减小0.20%。随岩脉灌浆范围加大，拱端中心点位移有减少的趋势，但减少甚微。置换网格处理后坝趾合位移减小幅度为3.62%，处理后坝体局部位移的影响很小。但通过三维非线性分析此部位不平衡力大，建议加强对 21处理。同时， 21在1040m～970m约70m高程范围的坝基出露，贯通上下游基础，厚度2m～4m，需处理部位的岩脉主要为Ⅳ类，局部Ⅴ类。岩脉与拱端斜交，受力后产生的压缩变形和剪切变形将恶化拱坝的应力状态。借鉴其它工程处理经验：二滩基础的绿泥石条带因未进行工程处理，水库蓄水后，受绿泥石条带影响，拱坝较长时间均存在变形；锦屏的f5、f8均进行混凝土网格置换处理；黑部第四和奈川渡顺坡向发育的陡倾角断层发育位置与 21类似，均对断层进行了混凝土处理；通过工程类比，需对 21进行混凝土网格置换处理。
右岸坝基深部分布岩脉众多，岩级以Ⅲ2类为主，部分为Ⅳ～Ⅴ类。根据其发育部位及影响范围可分为3个区域：①中高高程一系列平行拱端的岩脉，如 4、 85、 69、 62、 83，岩脉倾向坡内，随高程降低，岩脉距拱端距离逐渐加大，传力洞适应性差，考虑灌浆和置换网格的方案；②中部高程的“K”字形分布的 68、 110、 71岩脉，岩脉距离较近，传力洞具有较好的适应性，方案初步拟定时采用传力洞方案；③中低高程纵横交错发育的 16、 117、 43、 8、 40、 73等岩脉。岩脉较多，如采用传力洞将拱端推力传至较好岩体，代价过大，考虑灌浆和置换网格方案，置换网格方案中网格针对性状差的Ⅴ类岩脉 43、 8，其余岩脉采取灌浆的处理方式。 以1 010m高程平切图为例，对第②组“K”字形岩脉处理方式分析，处理方案见图3。
对拱坝特征点位移进行分析可知，灌浆+传力洞相对未处理工况位移减小最多，右岸坝趾合位移减少3.34%，坝踵部位几乎没有减少，传力洞在坝趾部位的作用更为明显。采取各种措施后对拱端特征点位移值有一定减少，最大减小值不超过1.2mm，减小效果甚微。第②组岩脉采用混凝土传力洞的处理措施，仅仅取得减小微弱变形的利益，却带来混凝土传力洞置换开挖造成周围岩体松弛的不利影响，因此对第②组岩脉处理方式采用灌浆加固。
以950m高程平切图为例，对第③组岩脉处理方式分析，处理方案见图4。
对特征点位移进行对比分析，灌浆+混凝土网格措施使特征点位移减少最多，右岸坝趾合位移减少38.52%，网格措施对拱端特征点位移减少程度最为有效。计算范围内 43和 8为Ⅴ类岩体，混凝土网格处理后，岩体变模指标有较大幅度提高，处理效果显著。 43和 8主要发育在970m高程坝基附近，拱推力在此位置较大，基础薄弱带对拱坝应力影响亦较大，有必要对 43和 8进行混凝土置换网格处理。
图4 第③组岩脉处理分析计算简图
通过上述分析，最终确定左右岸深部巖脉处理方式：岩脉 21、 43、 8采用置换网格处理，网格内部未置换完全的岩脉采用固结灌浆处理，其它岩脉采用固结灌浆处理。且根据岩脉空间展布特点、影响范围确定置换网格和灌浆范围及规模。置换网格处理见图5-图7。
4.3 左右岸Ⅲ2 ～Ⅳ类花岗岩体处理设计
左岸Ⅲ2类花岗岩体分布在1000m～1070m高程坝基下游，呈三角形条带状。变形模量较低，并处于拱坝压应力较大部位，置换Ⅲ2类岩体比未进行置换时，坝趾合位移减少9.08%，因此采取置换混凝土块的形式处理。
右岸Ⅲ2类花岗岩体分布在1090m～1135m高程建基面中下游范围，呈梯形块状。其位置是地震力影响最显著部位。前阶段针对Ⅲ2类花岗岩体的现场固结灌浆试验效果并不理想，对此部分的岩体采取置换混凝土的方式进行处理，置换深度以弱风化、卸荷线为边界，挖除Ⅲ2类花岗岩体为准。
左岸970m高程坝趾处局部出露Ⅳ类花岗岩体，建基面上出露长度约16.7m。Ⅳ类花岗岩体性状差，不能做为拱坝建基岩体，采取混凝土置换块的形式处理。
4.4 河床坝基加固设计
河床基础需要加固处理的对象为集中发育的岩脉破碎带。集中发育的岩脉 87、 88、 144、 145主要发育于坝基上游侧偏右岸，下游被 73截断，其中 144性状差，为Ⅴ类，其它岩脉均为Ⅲ2类。按照建基面岩体利用原则，河床部位的Ⅲ2～Ⅴ类岩体不能作为建基岩体，采取混凝土置换块方式加固，对置换块进行的三维有限元分析，结果表明，置换后坝趾位
关键词：拱坝 基础处理 方案分析 混凝土置换 固结灌浆
中图分类号：TV22 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2012）010-001-04
1 前言
大岗山水电站位于四川省大渡河中游石棉县境内，电站正常蓄水位1 130m，装机容量2 600MW。电站枢纽主要由挡水建筑物、泄洪消能系统、引水发电系统等组成。挡水建筑物采用混凝土双曲拱坝，最大坝高210.00m。坝址具备修建高拱坝的地形地质条件，但坝区工程地质条件较为复杂，存在一些不良地质缺陷，对拱坝的体型选择、坝体受力性态、拱座的抗滑稳定和变形稳定、以及基础的渗流控制等，均会产生较大影响。本文紧密结合坝址的工程地质条件，对基础加固处理方案进行深入研究，通过数值分析计算、工程类比，论证工程处理的必要性、多种工程处理措施及处理效果，提出有针对性的基础加固处理措施和安全、有效的处理方案。
2 拱坝基础主要地质条件
坝区两岸山体雄厚，谷坡陡峻，基岩裸露，坝址河谷呈“V”形峡谷；坝区基岩主要为澄江期灰白色、微红色中粒黑云二长花岗岩，其中穿插发育各类岩脉，以辉绿岩脉为主；坝区无区域性断裂切割，构造型式以沿脉岩发育的断层、挤压破碎带和节理裂隙为特征；坝区岩体的风化与岩性、构造关系密切，水平、垂直分带性明显，岩体卸荷作用主要沿已有结构面进行，风化、卸荷深度有总体随高程的降低而明显减弱的趋势，受微地形、岩性及构造等影响具一定程度的不均一性；坝区地下水位较低平，岩体透水性主要受岩脉发育及其破碎状况、节理裂隙发育程度以及风化卸荷等因素影响，透水性以中等透水-弱透水为主。拱坝基础地质平面图见图1。
3 主要地质缺陷及处理原则
大岗山拱坝基础岩性较为均一，主要利用花岗岩体，建基面上Ⅱ、Ⅲ1类花岗岩体共占86.95%，建基岩体主要地质缺陷有：（1）断层破碎带及其影响带；（2）Ⅲ2、Ⅳ类花岗岩，分别占建基岩体的3.27%和0.26%；（3）Ⅲ2、Ⅳ、Ⅴ类辉绿岩脉，分别占建基岩体的7.18%、1.29%和1.05%。
地质缺陷对拱坝的影响主要体现在以下几个方面：（1）Ⅲ2类花岗岩体变模较低，对拱坝应力和基础变形存在较大的影响；（2）Ⅳ类岩体软弱，不能作为拱坝基础利用，需挖除以消除对拱坝影响；（3）在坝基和抗力体范围内对拱坝有影响的岩脉共36条，岩脉为Ⅲ2～Ⅴ类。辉绿岩脉受力后产生的变形将影响拱坝及基础的应力，导致坝体变形不对称，降低坝体安全度。岩脉形成的渗流通道制约拱坝的渗控设计，岩脉参与构成坝肩稳定控制块体的边界，对拱坝整体稳定亦有较大影响。
针对建基岩体的主要地质缺陷，基础处理总体原则是：拱坝基础处理方案与拱坝建基面的确定和拱坝体形优化三者相互协调，综合考虑。具体如下：（1）基础置换混凝土不宜太大，以不出现自身的结构问题为控制；（2）结合基础置换处理，尽量使拱坝建基面和体形对称，加强拱作用，使拱坝静力时受力尽可能好；（3）左右岸基础置换处理开挖不影响现已开工的坝顶以上开挖，不形成倒坡。
根据以上总体原则，拱坝基础处理思路为：（1）对Ⅲ2、Ⅳ类花岗岩体，可采取深挖清除置换处理措施；（2）对断层破碎带及其影响带，以及Ⅲ2、Ⅳ、Ⅴ类辉绿岩脉，根据规模、性状及与拱推力的关系，分别采取网格置换与加密固结灌浆、槽挖置换与加密固结灌浆等专门处理措施。
4 基础加固处理设计
4.1 两岸表层岩脉处理设计
左岸坝基岩脉相对较少，岩脉中～陡倾坡外，与拱坝基础面小角度相交，置换混凝土的深度应稍大。对代表性岩脉 21置换深度进行平面有限元分析，结果见图2。
从图2可知，随混凝土置换深度增加，坝趾位移已经收敛，置换混凝土深度按4倍岩脉宽度控制。
右岸坝基岩脉众多，岩脉中～陡倾坡内，与建基面大角度相交，受力條件较好。为提高拱坝基础均匀性、整体性，改善拱坝局部受力状态，对右岸的Ⅲ2～Ⅴ类岩脉表层采取混凝土置换处理，根据工程类比，塞体深度取1.5倍破碎带宽度。
4.2 两岸深部岩脉处理设计
左岸深部分布以 21为代表的与拱端斜交岩脉，还包括 41、 118。岩脉受力以剪切为主，处理原则以提高剪切变形的能力为主，置换网格和灌浆加固有更好的适应性。
选取1010m高程平切图对岩脉 21进行有限元分析，处理方案分别为沿岩脉灌浆25m～100m和置换网格，通过计算分析可知，岩脉灌浆范围的变化对左拱端中心点的位移影响很小，沿岩脉灌浆25米，减小0.11%；沿岩脉灌浆100米，减小0.20%。随岩脉灌浆范围加大，拱端中心点位移有减少的趋势，但减少甚微。置换网格处理后坝趾合位移减小幅度为3.62%，处理后坝体局部位移的影响很小。但通过三维非线性分析此部位不平衡力大，建议加强对 21处理。同时， 21在1040m～970m约70m高程范围的坝基出露，贯通上下游基础，厚度2m～4m，需处理部位的岩脉主要为Ⅳ类，局部Ⅴ类。岩脉与拱端斜交，受力后产生的压缩变形和剪切变形将恶化拱坝的应力状态。借鉴其它工程处理经验：二滩基础的绿泥石条带因未进行工程处理，水库蓄水后，受绿泥石条带影响，拱坝较长时间均存在变形；锦屏的f5、f8均进行混凝土网格置换处理；黑部第四和奈川渡顺坡向发育的陡倾角断层发育位置与 21类似，均对断层进行了混凝土处理；通过工程类比，需对 21进行混凝土网格置换处理。
右岸坝基深部分布岩脉众多，岩级以Ⅲ2类为主，部分为Ⅳ～Ⅴ类。根据其发育部位及影响范围可分为3个区域：①中高高程一系列平行拱端的岩脉，如 4、 85、 69、 62、 83，岩脉倾向坡内，随高程降低，岩脉距拱端距离逐渐加大，传力洞适应性差，考虑灌浆和置换网格的方案；②中部高程的“K”字形分布的 68、 110、 71岩脉，岩脉距离较近，传力洞具有较好的适应性，方案初步拟定时采用传力洞方案；③中低高程纵横交错发育的 16、 117、 43、 8、 40、 73等岩脉。岩脉较多，如采用传力洞将拱端推力传至较好岩体，代价过大，考虑灌浆和置换网格方案，置换网格方案中网格针对性状差的Ⅴ类岩脉 43、 8，其余岩脉采取灌浆的处理方式。 以1 010m高程平切图为例，对第②组“K”字形岩脉处理方式分析，处理方案见图3。
对拱坝特征点位移进行分析可知，灌浆+传力洞相对未处理工况位移减小最多，右岸坝趾合位移减少3.34%，坝踵部位几乎没有减少，传力洞在坝趾部位的作用更为明显。采取各种措施后对拱端特征点位移值有一定减少，最大减小值不超过1.2mm，减小效果甚微。第②组岩脉采用混凝土传力洞的处理措施，仅仅取得减小微弱变形的利益，却带来混凝土传力洞置换开挖造成周围岩体松弛的不利影响，因此对第②组岩脉处理方式采用灌浆加固。
以950m高程平切图为例，对第③组岩脉处理方式分析，处理方案见图4。
对特征点位移进行对比分析，灌浆+混凝土网格措施使特征点位移减少最多，右岸坝趾合位移减少38.52%，网格措施对拱端特征点位移减少程度最为有效。计算范围内 43和 8为Ⅴ类岩体，混凝土网格处理后，岩体变模指标有较大幅度提高，处理效果显著。 43和 8主要发育在970m高程坝基附近，拱推力在此位置较大，基础薄弱带对拱坝应力影响亦较大，有必要对 43和 8进行混凝土置换网格处理。
图4 第③组岩脉处理分析计算简图
通过上述分析，最终确定左右岸深部巖脉处理方式：岩脉 21、 43、 8采用置换网格处理，网格内部未置换完全的岩脉采用固结灌浆处理，其它岩脉采用固结灌浆处理。且根据岩脉空间展布特点、影响范围确定置换网格和灌浆范围及规模。置换网格处理见图5-图7。
4.3 左右岸Ⅲ2 ～Ⅳ类花岗岩体处理设计
左岸Ⅲ2类花岗岩体分布在1000m～1070m高程坝基下游，呈三角形条带状。变形模量较低，并处于拱坝压应力较大部位，置换Ⅲ2类岩体比未进行置换时，坝趾合位移减少9.08%，因此采取置换混凝土块的形式处理。
右岸Ⅲ2类花岗岩体分布在1090m～1135m高程建基面中下游范围，呈梯形块状。其位置是地震力影响最显著部位。前阶段针对Ⅲ2类花岗岩体的现场固结灌浆试验效果并不理想，对此部分的岩体采取置换混凝土的方式进行处理，置换深度以弱风化、卸荷线为边界，挖除Ⅲ2类花岗岩体为准。
左岸970m高程坝趾处局部出露Ⅳ类花岗岩体，建基面上出露长度约16.7m。Ⅳ类花岗岩体性状差，不能做为拱坝建基岩体，采取混凝土置换块的形式处理。
4.4 河床坝基加固设计
河床基础需要加固处理的对象为集中发育的岩脉破碎带。集中发育的岩脉 87、 88、 144、 145主要发育于坝基上游侧偏右岸，下游被 73截断，其中 144性状差，为Ⅴ类，其它岩脉均为Ⅲ2类。按照建基面岩体利用原则，河床部位的Ⅲ2～Ⅴ类岩体不能作为建基岩体，采取混凝土置换块方式加固，对置换块进行的三维有限元分析，结果表明，置换后坝趾位