溪洛渡水電站拱壩壩基開挖方案優(yōu)化設計

0大壩基礎處理金沙江溪洛渡水庫位于四川省雷波縣和永善縣交界處的金沙江支流。水庫位于沙溪溝口至河洛渡溝口全長約4km的峽谷中部。溪洛渡拱壩屬我國在建300m級高拱壩,壩底高程324.50m,壩頂高程610.00m,最大壩高285.50m。溪洛渡水電站大壩基坑開挖工作于2009年2月完成,招標設計對河床壩基地質缺陷主要采用混凝土置換方式予以處理,受開挖揭示河床壩基地質情況變化影響,實施階段對河床壩基基礎處理方式進行了調整,并進行配套的大壩底部結構設計。溪洛渡大壩主體混凝土澆筑于2009年3月下旬開始,按計劃2013年首批機組已順利投產發(fā)電。1基礎設施建設和挖掘的要求1.1壩體結構性能應符合以下要求拱壩是一個高次超靜定結構,壩面承受的水荷載通過建基面?zhèn)鬟f至兩岸抗力體,建基面的選擇是拱壩設計的關鍵環(huán)節(jié)。在結構安全方面,拱壩對壩基主要有幾何形狀、承載力、穩(wěn)定性、抗?jié)B性等幾方面要求:(1)承載力要求。壩基巖體完整性好,具有足夠的強度和剛度,能承受拱壩傳來的各種荷載。壩基巖體應有足夠的變形穩(wěn)定性、均勻性及較好的協調性,不致因基礎屈服或變形過大而導致拱圈失穩(wěn)或壩體產生超出容許強度的應力。(2)穩(wěn)定性要求。滿足拱座抗滑穩(wěn)定和拱壩整體穩(wěn)定要求。(3)抗?jié)B性要求。保證結構在各種工況下,基礎都具有足夠的抗?jié)B性能,并具有足夠的耐久性,以免在水的長期作用下惡化。(4)幾何形狀要求。建基面應盡量規(guī)則平順,避免拱壩周邊突變,減少壩基局部應力集中。拱壩建基面形態(tài)應避免出現凹凸現象,對局部軟弱巖體,通過混凝土置換等加固處理,形成規(guī)則的建基面形態(tài)。1.2拱壩結構設計原則為以方案大壩建基面的選擇,直接影響建筑物的安全、施工工期和工程投資,同時又受到地質、地形、大壩規(guī)模和形體尺寸、施工條件等多種因素制約。根據拱壩對建基面的基本要求,結合該工程實際工程地質條件,以及弱風化下段Ⅲ1級巖體可利用性研究,在滿足拱壩壩體應力控制條件和拱座穩(wěn)定控制條件的前提下,合理確定拱壩建基面,其確定原則為:(1)河床中心底部高程332m,近兩岸部位適當抬高至340m高程左右;(2)430m高程以下至河床的拱座可利用弱風化下段Ⅲ1級偏里的巖體;(3)430~560m高程陡壁區(qū)的拱端基礎主要置于Ⅲ1級巖體;(4)560m高程以上可局部利用Ⅲ2級巖體。1.3壩體內部缺陷巖體大壩基礎開挖過程中的進一步勘探表明,河床壩基有兩處規(guī)模較大的地質缺陷,主要類型屬受錯動帶控制的夾層狀或透鏡體狀分布的Ⅲ2~Ⅳ1級巖體。地質平面、剖面見圖1~4。一處缺陷巖體位于河床建基面右側,受Lc322影響,分布有弱風化上段、弱卸荷的Ⅲ2~Ⅳ1級巖體,長約30m,寬約80m,面積約2100m2,厚度約7.5m,分布高程324.5~332m。另一處缺陷巖體位于河床建基面深部,偏右岸,受層內錯動帶Lc320、陡傾節(jié)理裂斜密集帶的影響,在壩基下部巖體內存在Ⅲ2巖體,局部呈夾層狀、透鏡體狀分布,空間上連續(xù)性差,長約40m,寬約64m,厚約12m,傾下游偏左岸,埋深18~22m,分布高程298~314m。對河床建基面出露的Ⅲ2級巖體,不能滿足溪洛渡高拱壩建基要求,要求進行混凝土置換處理。對建基面下部深埋的Ⅲ2級巖體,若按招標要求進行置換開挖處理,置換開挖深度將增加約26.5m,最低開挖高程將低至298m。因壩基玄武巖層間層內錯動帶的構造特征,欲將建基面以下分布的夾層狀Ⅲ2級巖體和局部區(qū)域出現的陡傾節(jié)理裂斜密集帶完全挖除,難度極大,局部深挖也會損傷周邊巖體,造成新的卸荷松弛等不利影響。同時置換區(qū)施工占壓大壩施工面,初步估計需占用直線工期約4個月。將對工程進展造成不利影響,同時也有可能存在其它問題,客觀上要求設計根據工程現狀,研究更好的處理方案,在確保結構安全情況下,綜合解決河床壩基缺陷處理和施工進度的矛盾。2河床裝飾設計2.1壩體置換結構形式混凝土置換塊作為替代基巖缺陷的一部分,完美狀態(tài)是和基巖溫度特性、變形特性一致,無初始溫度應力,承受外荷載時也無不均勻變形和應力集中?，F實的混凝土置換塊溫度特性能和基巖一致,但變形性能卻很難做到和基巖一致,甚至差異很大。溪洛渡壩基玄武巖巖塊彈模高達50GPa,但受節(jié)理、裂隙及層間層內錯動帶的影響,巖體彈模卻不高,可利用的Ⅲ1級巖體最高彈模為20GPa,和混凝土近50GPa的彈模相比,僅為其40%。由于現實的置換混凝土和基巖抗變形特性存在差異,承受荷載時置換塊和基巖變形是不一致的,且置換深度越大,變形差異越大,對和基礎相接的壩體而言,極易產生不利的應力集中現象。出于對河床壩基地質缺陷規(guī)模和材料特性的考慮,從減少應力集中角度出發(fā),從減少開挖爆破對建基巖體損傷角度出發(fā),對河床建基面出露的淺層缺陷巖體,不使用局部掏槽的置換開挖結構,而采用擴大開口的置換開挖結構。根據建基面缺陷巖體位置情況,確定以大壩14號、17號橫縫為界,對河床壩基進行整體置換擴挖,全面挖出建基面淺層的Ⅳ1~Ⅲ2級巖體,擴挖區(qū)底高程324.5m。為減少置換結構突變對壩體造成不利影響,采用擴大開口的置換結構,對邊界以外的兩岸壩基,按和大壩原建基面平順銜接、不出現反坡為原則進行必要的放坡開挖,左岸開口高程370m,右岸開口高程390m。為提高河床壩段下游壩基的完整性和抗變形能力,置換擴挖范圍向壩趾下游進行適當延伸,延伸長度10~17m(見圖5、6)。2.2灌漿及固結灌漿分析認為溪洛渡河床壩基的深層Ⅲ2級巖體分布是較為特殊的,其上部有近10m左右的Ⅲ1級巖體覆蓋,下部為Ⅱ級巖體鋪墊,本身呈夾層狀、透鏡體狀,周圍全部為Ⅲ1級巖體包裹。對建基面以下的深層Ⅲ2級巖體、錯動帶、影響帶,采用加強灌漿措施處理以滿足建基要求,則可避免全面置換挖出,無疑可以節(jié)約大量工程量和施工時間。招標設計河床壩基采用A區(qū)固結灌漿,灌漿孔入巖深度25m,灌漿孔間距2.5m×2.5m。由于建基面以下的Ⅲ2級巖體、錯動帶、影響帶等埋深較大,招標方案灌漿深度上不能完全覆蓋,孔深偏淺,為實現加強灌漿處理,全面提高壩基整體性,設計主要從灌漿范圍、深度、間距等幾方面進行加強,以提高灌漿處理效果。加強固結灌漿主要內容包括:(1)從加強灌漿、提高灌漿效果角度出發(fā),對河床壩址置換擴挖區(qū)相關的(13)~(19)壩段,灌漿孔入巖深度要求穿過Ⅲ2級缺陷巖體,并進入下部Ⅱ級巖體5m,以此確定加強灌漿孔入巖深度為30m。(2)考慮到河床壩基玄武巖層間層內錯動帶的構造特征,為確保整個河床壩基灌漿效果良好,對400m高程以下緩坡壩段上游側1/3幅壩基也進行加強固結灌漿。(3)考慮到拱壩底部結構受力特點,為提高壩趾、壩踵基礎承載力和抗變形能力,對400m以下河床壩基上游側5m、下游側10m范圍,進行延伸固結灌漿;灌后Ⅲ2級巖體變形模量提高明顯,和Ⅲ1級巖體變形模量標準有一定差距,但壩基抗變形能力主要取決于整體作用效果,設計根據河床壩基各級巖體空間分布情況,開展了壩基綜合變形模量復核,復核表明河床壩基綜合變形模量可以達到建基巖體標準,與招標設計相比有所提高,相鄰高程變形模量更均勻,壩基抗變形能力有足夠保障(見表2)。3壩體澆筑期確定對常規(guī)置換塊而言,結構上是地基的一部分,為控制溫度應力,應和上部建筑分開,單獨受力。置換塊冷卻至地溫過程中,將形成基礎溫度應力,如大壩澆筑前置換塊齡期達到要求,溫度降至地溫,則上部大壩澆筑后,可以忽略置換塊溫度應力的疊加影響,有利于大壩溫控防裂?；A處理設計確定的河床壩基置換擴挖區(qū)范圍涉及13個壩段,回填混凝土約30萬m3,按常規(guī)施工方式單獨澆筑,將占壓大壩施工直線工期約4個月。為解決施工進度問題,以實現連續(xù)澆筑為目的,設計擬定了大壩底部結構設計方案,圍繞整體受力思路將置換擴挖、下游貼角、大壩進行合并設計,逐步落實其材料、分縫等細部結構。3.1設計控制措施置換塊和大壩連續(xù)澆筑后,共同形成的約束區(qū)和大壩原始約束區(qū)相比,幾何結構和結構尺寸會有一定變化,情況復雜時會增大開裂風險。溪洛渡河床壩基置換擴挖為整體開挖模式,置換塊和大壩連續(xù)澆筑,基礎約束區(qū)幾何結構變化不大,僅澆筑塊長度由64m加大到80m,確有增大開裂風險的可能。國內高拱壩建設領域內已有很多大倉面混凝土溫控防裂的成功設計,小灣拱壩最大澆筑塊長度超過80m。通過對溪洛渡拱壩80m以上的長大澆筑塊溫控防裂專門研究,相關溫控措施可以滿足溫控防裂要求。由于整體連續(xù)澆筑塊長度增加幅度有限,以大壩混凝土溫控防裂研究成果支撐,不會明顯增加溫控防裂難度,在各項措施到位的情況下,可以實現整體連續(xù)澆筑。綜合各種因素,設計制定整體連續(xù)澆筑方案主要要求如下:對河床底部擴大結構的局部影響問題,主要通過底部擴大結構優(yōu)化予以解決,主要設計方案包括:(1)置換擴挖區(qū)、下游貼角作為大壩底部結構的延伸與擴展,結構分縫為壩體橫縫的延伸,設大壩相同的止水、灌漿系統(tǒng)。(2)底部擴大結構采用大壩A區(qū)混凝土,按強約束區(qū)標準進行澆筑、溫控,按大壩要求進行封拱冷卻及接縫灌漿。(3)下游貼角作為大壩底部的強化結構,承受高壓應力,結構過渡上應注意避免突變,厚度和長度比例協調,方便施工。按照置換擴挖區(qū)、下游貼角作為大壩底部整體思路,對下游貼角結構進行細化設計,河床壩段貼角最低高程350m,向兩岸均勻抬高至392m高程,河床(13)~(18)壩段貼角在順河向方向進行厚度過渡,過渡高程359m,在貼角和大壩交接部位設3m倒角過渡,倒角坡比1∶1。(1)采用基礎約束區(qū)、同時抗裂性能最好的大壩A區(qū)進行置換擴挖區(qū)混凝土澆筑;(2)置換擴挖區(qū)澆筑時,執(zhí)行大壩強約束區(qū)溫控標準和溫控措施,進行包括澆筑溫度控制、通水冷卻、養(yǎng)護、保護等全面溫控措施;(3)基礎約束區(qū)澆筑施工盡量做到均勻、連續(xù),嚴格控制以固結灌漿施工占用為主倉面長間歇,做好倉面間歇期間的保溫隔熱措施,減少倉面破壞等。3.2大壩底部擴大結構的形成溪洛渡河床壩基地質條件相對復雜,為解決壩趾相關問題,招標階段曾制定了在壩趾下游設置貼角的結構輔助加固方案。由于下游貼角、河床壩基置換擴挖區(qū)都位于大壩底部區(qū)域,采用整體澆筑后,自然形成了拱壩底部擴大結構。不同于常規(guī)置換處理“基礎+墊座+大壩”模式,設計方案宏觀維持了“基礎+大壩”的結構受力體系,相對于大壩原方案而言,僅在河床底部有限區(qū)域結構有所加大,局部應力會發(fā)生改變,但不會對大壩整體安全造成明顯影響。河床壩段底部結構下游立面,結構典型剖面見圖7、8。4標準方法結構的回顧4.1壩體結構方案按規(guī)范要求,設計對底部擴大結構方案進行了結構應力復核,并與招標方案進行比較。對復核方案而言,河床建基面最低高程由332.00m降低至324.50m,兩岸采用光滑曲線逼近置換擴挖基礎,并對局部進行修正調整以形成模擬體形(見圖9)。底部結構方案結構計算表明,模擬體形與招標方案壩體位移、應力分布規(guī)律相同,壩體位移、應力值的量級基本相同,各項應力指標基本滿足規(guī)范要求。底部結構方案的模擬體形為逼近實際開挖,建基面局部存在凹凸起伏,會影響以材料力學理論為基礎的拱梁分載法計算程序精度,計算結果中反映出模擬體形最大主拉應力值存在略超控制標準的情況,為確保安全,設計還采用有限元方法予以驗證。4.2安全生產設施驗證控制塊體底滑面力學參數敏感性分析表明,底滑面力學參數上浮10%、下浮5%時,左岸控制塊體安全系數變化范圍3.38~3.54,右岸控制塊體安全系數變化范圍3.30~3.53,壩肩抗滑穩(wěn)定滿足設計要求。由于控制性結構面位置不在河床壩基區(qū)域,宏觀分析河床壩基基礎處理對壩肩穩(wěn)定影響較小,穩(wěn)定復核結果對此也得到了證實。5有限元法的結構分析5.1壩體結構方案比選置換擴挖區(qū)與大壩連續(xù)澆筑后,在解決溫控防裂問題的基礎上,設計還對分開澆筑、連續(xù)澆筑兩種不同澆筑方案采用有限元方法進行對比計算,比較擴挖區(qū)作為基礎和壩體兩種方案對拱壩結構影響,分析置換擴挖區(qū)、下游貼角共同作用對拱壩底部結大壩、水墊塘開挖施工過程中,出于對表層危巖體處理需要,對大壩抗力體范圍的水墊塘邊坡進行了退坡開挖,左岸削坡厚度約15~20m,右岸削坡厚度約10m。按規(guī)范要求,設計對底部擴大結構方案也進行了壩肩穩(wěn)定復核,并與招標方案進行比較。穩(wěn)定復核成果表明,一陡一緩各大塊體、階梯狀塊體以及局部小塊體的穩(wěn)定安全系數基本滿足設計要求,與招標設計相比,安全系數有所降低,左、右岸控制性塊體與招標設計相同(見圖10、11)。構的強化效果,從結構角度研究整體連續(xù)澆筑的合理性。底部結構澆筑方案有限元對比工況見表3。有限元分析表明,在相同的計算條件下和計算程序下,與招標設計方案相比,經過基礎處理后,壩體應力和招標方案略有差別,但差別不是很大,主要表現為第一主應力略有減小,而第三主應力絕對值有所增大,最大增幅在10%左右。置換擴挖區(qū)澆筑方式對壩體應力變形的影響不大,一起澆筑時,相比單獨澆筑而言,線彈性計算成果顯示壩體應力、變形有5%以內的增大,非線性成果則顯示壩體應力、變形會有3%以內的減小。置換擴挖區(qū)與上游開挖面是否脫開,對大壩總體的應力變形影響甚微,但對壩踵及其本身應力有較大影響。與上游開挖面粘結良好時,壩踵處于受拉狀態(tài),拉應力在5.0MPa左右,與上游開挖面脫開時,壩踵由受拉轉向為受壓,其底部則有約4.0MP左右的拉應力。置換擴挖區(qū)與下游開挖面是否脫開,對大壩總體應力變形影響不大,第三主應力的影響幅度在0.5%以內。此外還發(fā)現,增加下游貼角后,壩體應力狀況有明顯改善,第一主應力減小6.82%,三向位移分別減小2.17%、1.07%、0.86%?？傮w而言,置換擴挖區(qū)和壩體整體連續(xù)澆筑,不會對大壩結構安全造成明顯影響,增加下游貼角,底部結構和上游開挖面脫開,對拱壩結構應力可以產生有利影響。5.2壩體結構動力場在規(guī)范方法結構分析基礎上,為進一步驗證底部擴大結構對拱壩安全的影響,設計以拱壩基本體型為基礎,進一步細化模擬了以河床底部擴大結構,進行有限元對比計算,以對拱壩增加底部結構前后的應力特征及變化規(guī)律開展分析評價(見圖13)。有限元對比計算表明,拱壩上游壩面拉、壓應力分布規(guī)律相同,符合一般規(guī)律,增加底部擴大結構后,大壩上游面主拉、壓應力值均呈減小趨勢。在下游壩趾貼角區(qū),主壓應力沿貼角與壩面接合部出現應力集中帶梯度有明顯降低,主壓應力極值降低,應力分布更加均勻。增加底部擴大結構后,壩基的整體剛度得到了加大,大壩總體位移分布規(guī)律不變,壩體最大順、橫河向變位則呈減小趨勢。底部擴大結構未改變基礎應力分布規(guī)律,各平切面最大主應力隨高程降低而增大,最小主應力隨埋深增大而增大,在岸坡淺表處出現小值拉應力,下游貼角部位在貼角與壩體、貼角與基巖接觸面處可見應力集中現象,建基面大主應力極值較招標方案明顯減小。下游貼角區(qū)點安全系數在6.174~12.306之間,處于彈性工作狀態(tài),低高程拱端點安全系數由招標方案的1.0~1.5提高至1.5~2.0。受貼角剛度貢獻,基礎變位、壩踵拉應力區(qū)、拉應力量值均有所減小。由于底部擴大結構相對拱壩基本體形而言僅屬局部調整,不會影響總體結構特性。計算也分析出這一特點,即底部擴大結構對拱壩原有結構受力特性影響不大,在增加下游貼角后,應力、變形有一定改善。5.3．壩底非壩型為了進一步研究河床基礎處理及底部結構設計方案的壩體強度、壩肩穩(wěn)定及大壩整體安全性,設計還采用了非線性有限元法方法,對大壩應力、穩(wěn)定狀態(tài)及整體安全性進行全面評價。非線性分析計算采用TFINE程序進行,材料為理想彈塑性模型,D-P屈服準則。非線性有限元計算模型根據現場實際開挖、基礎處理、大壩結構設計及地質資料建立,較為細致的模擬了河床底部擴大結構、貼角、壩基置換塊等重點關注部位(見圖14)。非線性有限元計算結果表明,拱壩壩體位移分布均勻對稱,拱冠梁順河向最大位移為132.5mm,左右拱端順河向最大位移分別為27.7mm、25.6mm,壩基最大位移25.5mm,錯動帶上下層面相對位移較小。上游面主壓應力從拱端向中部逐漸增大,上游壩面最大主拉應力出現在610m高程左拱端附近,約為0.17MPa;下游面壓應力由壩面中部向拱端逐漸增大,高應力區(qū)位于中低高程拱端附近,最大主壓應力出現在380m高程,約為-16.59MPa;大壩下游面在470m高程附近出現的水平拉應力區(qū),最大主拉應力位于拱冠梁470m高程的右側部位,約為1.13MPa。非線性計算還發(fā)現,在正常荷載下,壩肩巖體基本處于受壓狀態(tài),壩體和壩基巖體均處于線彈性工作狀態(tài)。巖體和錯動帶點安全系數岸邊大于1.2,深部在1.5以上。超載計算表明,設計方案大壩整體超載安全度較招標方案略高,起裂超載系數K1=2P0,非線性變形超