承德市雙峰寺水庫(kù)重力壩建基面優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

郭建禮，王艷軍

承德市雙峰寺水庫(kù)重力壩建基面優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

郭建禮，王艷軍

（河北省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，天津300250）

雙峰寺水庫(kù)是解決承德市防洪安全及城市供水的大型水利工程，攔河壩為碾壓混凝土重力壩，基礎(chǔ)坐落于弱風(fēng)化黑云斜長(zhǎng)片麻巖上部，初步設(shè)計(jì)階段按照進(jìn)入弱風(fēng)化巖深度不小于2 m控制。為減少壩基開挖工作量、節(jié)省工程投資，施工階段對(duì)建基面存在優(yōu)化設(shè)計(jì)的可能性進(jìn)行了研究。

雙峰寺水庫(kù)；建基面；優(yōu)化設(shè)計(jì)；壩基開挖

承德市是國(guó)家著名的歷史文化名城和風(fēng)景旅游勝地，也是冀東北地區(qū)政治、經(jīng)濟(jì)、文化中心。由于流域內(nèi)無控制性水利工程，突發(fā)性大洪水一直是嚴(yán)重威脅承德市區(qū)及下游防洪安全的一大隱患。隨著城市人口的增加及其它產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，城市用水總量也逐漸增加，市區(qū)供水日益緊張。為解決承德市存在的防洪安全及水資源供需矛盾、防止生態(tài)環(huán)境持續(xù)惡化等問題，急需修建雙峰寺水庫(kù)。

雙峰寺水庫(kù)地處承德市區(qū)上游12 km，總庫(kù)容1.37億m3，正常蓄水位389 m，是以解決武烈河流域防洪為主并結(jié)合城市供水及發(fā)電等綜合利用的大（2）型水利水電樞紐工程。

水庫(kù)攔河壩設(shè)計(jì)最大壩高50.1 m，壩基坐落在弱風(fēng)化黑云斜長(zhǎng)片麻巖上部，基礎(chǔ)進(jìn)入弱風(fēng)化巖深度按不小于2 m控制。水利部在初步設(shè)計(jì)審查意見中提出應(yīng)根據(jù)壩基開挖情況優(yōu)化建基面高程。施工階段為減少開挖工作量、節(jié)省工程投資，建基面存在優(yōu)化設(shè)計(jì)重新確定的可能。

壩址區(qū)覆蓋層厚度不足10 m，下伏黑云斜長(zhǎng)片麻巖（Arb）。壩基巖體呈弱風(fēng)化狀態(tài)，巖體較完整，強(qiáng)度較高，具有較好的抗滑、抗壓縮變形及抗侵蝕能力。

壩基巖體最大開挖深度約15 m，包括保護(hù)層在內(nèi)共分3層開挖。在首層開挖后的353.0 m高程基巖面上進(jìn)行了鉆探、壓水試驗(yàn)、聲波試驗(yàn)等地質(zhì)勘察和試驗(yàn)工作；壩段基本開挖至計(jì)劃優(yōu)化高程后，為復(fù)核優(yōu)化后建基面地質(zhì)參數(shù)，又布置了地質(zhì)測(cè)繪、聲波測(cè)試、點(diǎn)荷載試驗(yàn)、回彈試驗(yàn)等，為合理優(yōu)化大壩建基面提供可靠的地質(zhì)依據(jù)。

1 壩基建基面選擇的原則及依據(jù)

大壩建基面的選擇和確定關(guān)系到工程建設(shè)的安全性和經(jīng)濟(jì)性，是壩基工程地質(zhì)研究的重要任務(wù)之一，建基面的選定既要考慮工程地質(zhì)因素又需滿足經(jīng)濟(jì)可行原則。

在對(duì)壩基巖體進(jìn)行工程地質(zhì)分類的基礎(chǔ)上，考慮壩基強(qiáng)度、壩高以及壩基加固處理效果等因素，綜合確定壩基巖體的可利用標(biāo)準(zhǔn)，盡量減少壩基巖體開挖量和混凝土澆筑量，在保證工程安全的前提下提高經(jīng)濟(jì)效益。

影響壩基巖體質(zhì)量及建基面選擇的主要因素為以下幾個(gè)方面。

（1）巖體強(qiáng)度。巖體強(qiáng)度是影響壩基巖體質(zhì)量的基本因素，堅(jiān)硬巖作為壩基，其強(qiáng)度、剛度和抗剪強(qiáng)度均易于滿足混凝土重力壩的建基要求，因此要充分考慮巖體強(qiáng)度、巖體完整性及耐久性等指標(biāo)是否滿足重力壩地基應(yīng)力的要求。

（2）巖體結(jié)構(gòu)。整體狀、塊狀、次塊狀巖體結(jié)構(gòu)是良好的混凝土重力壩壩基，互層狀、薄層狀或鑲嵌狀巖體結(jié)構(gòu)次之，碎裂或散體狀巖體結(jié)構(gòu)不宜作為高混凝土重力壩壩基。

（3）巖體完整性。巖體完整性是壩基巖體質(zhì)量的重要因素，巖體完整性好或較好的壩基巖體均一性、抗變形能力及抗?jié)B性能也高，易于滿足混凝土大壩對(duì)地基的要求。

（4）巖體風(fēng)化程度。巖體的風(fēng)化程度也是影響壩基巖體質(zhì)量的主要因素。淺表部巖體在風(fēng)化、卸荷等表生作用改造后，巖體風(fēng)化裂隙發(fā)育，其強(qiáng)度和完整性均會(huì)有不同程度的降低。風(fēng)化程度較弱的巖體由于受風(fēng)化和卸荷改造的影響小，基本上保持了原巖的強(qiáng)度、完整性和緊密程度，是良好的壩基巖體。

（5）水文地質(zhì)條件。地下水對(duì)巖體的作用主要表現(xiàn)在地下水的滲透使巖石軟化，尤其使軟弱結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生軟化泥化，降低其原有的強(qiáng)度，或在滲透壓力的作用下產(chǎn)生化學(xué)或機(jī)械潛蝕作用。同時(shí)，由地下水滲透作用形成的揚(yáng)壓力對(duì)混凝土重力壩的抗滑穩(wěn)定也會(huì)產(chǎn)生不利影響。

總之，建基面位置的選擇，應(yīng)根據(jù)壩基巖體力學(xué)強(qiáng)度、抗滑穩(wěn)定安全性、抗變形性能及抗?jié)B性能確定，并有足夠的耐久性，防止巖體性質(zhì)在高壓水頭的長(zhǎng)期作用下發(fā)生惡化。

具體到雙峰寺水庫(kù)，壩基建基面選擇主要考慮以下因素。

（1）巖體強(qiáng)度。巖體飽和單軸抗壓強(qiáng)度不低于65 MPa，承載力建議值不低于3 500 kPa，抗剪斷強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)抗滑穩(wěn)定要求。

（2）巖體風(fēng)化程度。壩基巖體為弱風(fēng)化巖體，局部低壩段基礎(chǔ)可以坐落于強(qiáng)風(fēng)化巖體上。

（3）巖體完整性。巖體結(jié)構(gòu)分類優(yōu)于次塊狀結(jié)構(gòu)，壩基巖體工程地質(zhì)分類不低于III1類，縱波波速不低于4 000 m/s。

（4）抗滑穩(wěn)定性。壩基應(yīng)無大的構(gòu)造分布，無不利于壩基穩(wěn)定的緩傾角軟弱結(jié)構(gòu)面及軟弱夾層、斷層破碎帶分布，滿足設(shè)計(jì)對(duì)于抗滑穩(wěn)定性的要求。

（5）抗?jié)B透性。壩址區(qū)巖性為黑云斜長(zhǎng)片麻巖，為淺變質(zhì)巖類，巖石穩(wěn)定性較高，具有較高的抗侵蝕及抗軟化能力。巖體透水率以小于3 Lu為宜，不存在強(qiáng)滲漏通道，或者經(jīng)過防滲處理能滿足壩基對(duì)于滲透性的要求。

如果壩基巖體能達(dá)到上述要求，那么在初步設(shè)計(jì)確定的建基面高程的基礎(chǔ)上，存在優(yōu)化調(diào)整的可能，既能滿足大壩安全穩(wěn)定的要求，又能節(jié)省投資和縮短工期，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

2 建基面優(yōu)化勘察成果分析

建基面優(yōu)化階段，在首層開挖后的353.0 m高程左右進(jìn)行了鉆探、聲波測(cè)試、地質(zhì)測(cè)繪、巖體物理力學(xué)試驗(yàn)、壓水試驗(yàn)等勘察研究工作。

2.1 鉆探及聲波測(cè)試成果分析

開挖及鉆探揭露巖性為黑云斜長(zhǎng)片麻巖（Arb），弱風(fēng)化上限高程一般為348.0～351.7 m，總體起伏不大。

壩軸線揭露片麻巖弱風(fēng)化上限為351.7～350.5m；聲波測(cè)試按照3 500 m/s劃分強(qiáng)、弱風(fēng)化界線，揭露的弱風(fēng)化上限為348.56～352.80 m，風(fēng)化界線與初步設(shè)計(jì)階段風(fēng)化線走勢(shì)基本吻合，聲波測(cè)試成果與巖芯呈現(xiàn)的風(fēng)化類型、破碎程度也基本吻合。

2.2 地質(zhì)測(cè)繪成果分析

開挖至高程353.0～354.0 m后，地質(zhì)測(cè)繪未發(fā)現(xiàn)較大規(guī)模的地質(zhì)構(gòu)造，未發(fā)現(xiàn)不利于壩基穩(wěn)定的緩傾角軟弱結(jié)構(gòu)面及軟弱夾層、斷層破碎帶等，有2組節(jié)理比較發(fā)育，大部分傾向上游，傾角大都大于45°，地質(zhì)測(cè)繪成果與初步設(shè)計(jì)測(cè)繪成果基本一致。

2.3 巖石物理力學(xué)試驗(yàn)

取不同風(fēng)化程度黑云斜長(zhǎng)片麻巖進(jìn)行室內(nèi)物理力學(xué)試驗(yàn)，強(qiáng)風(fēng)化片麻巖飽和抗壓強(qiáng)度平均值為42.5 MPa，弱風(fēng)化片麻巖飽和抗壓強(qiáng)度平均值為85.2 MPa，與初步設(shè)計(jì)階段試驗(yàn)成果基本一致。根據(jù)巖石物理力學(xué)特性折減后提出強(qiáng)風(fēng)化巖抗壓強(qiáng)度建議值為25 MPa，承載力建議值為1 000 kPa；弱風(fēng)化巖抗壓強(qiáng)度建議值為65 MPa，承載力建議值為3 500 kPa。

弱風(fēng)化巖體縱波波速一般為3 500～5 500 m/s，部分低于3 500 m/s的試點(diǎn)多發(fā)生在弱風(fēng)化帶上部。弱風(fēng)化巖（巖芯試樣）的室內(nèi)聲波測(cè)試縱波波速平均值為5 300 m/s，巖體完整性系數(shù)Kv一般為0.46～0.89，巖體大部分完整或較完整，少部分完整性差，局部地段完整性系數(shù)小于0.3，巖體較破碎甚至破碎。

巖體室內(nèi)物理力學(xué)試驗(yàn)成果與初步設(shè)計(jì)階段基本一致，不同風(fēng)化程度的巖體抗剪斷指標(biāo)較為穩(wěn)定，巖體/混凝土抗剪斷及抗剪強(qiáng)度建議值不做調(diào)整，仍然沿用初步設(shè)計(jì)階段成果。

強(qiáng)風(fēng)化片麻巖：混凝土/巖體抗剪斷f′＝0.70，c′＝0.35 MPa；混凝土/巖體抗剪f＝0.50。弱風(fēng)化片麻巖：混凝土/巖體抗剪斷f′＝0.95，c′＝0.80 MPa；混凝土/巖體抗剪f＝0.60。

2.4 壓水試驗(yàn)

強(qiáng)風(fēng)化巖體透水率一般為7～12.6 Lu，為弱—中等透水層；弱風(fēng)化巖體透水率一般為3～10 Lu，為弱透水層。壓水試驗(yàn)成果與前期試驗(yàn)數(shù)據(jù)基本一致。

2.5 建基面優(yōu)化設(shè)計(jì)初步分析

通過以上綜合分析，建基面優(yōu)化勘察成果與初步設(shè)計(jì)資料基本吻合，局部地段由于勘察間距加密，勘察成果與初步設(shè)計(jì)成果呈現(xiàn)某些差異。軸線下游20 m線初步設(shè)計(jì)階段未做勘察，本階段弱風(fēng)化界限為348.0 m左右，比壩軸線明顯降低1.5～2.0 m，若以該高程作為建基面控制高程，則建基面優(yōu)化與否還應(yīng)結(jié)合巖體完整性、強(qiáng)度及滿足壩基安全穩(wěn)定來確定。建議建基面位于聲波波速不低于4 000 m/s的弱風(fēng)化巖體上，優(yōu)化段建基面高程不高于348.0 m。

通過本次勘察資料并結(jié)合初步設(shè)計(jì)成果，初步分析建基面優(yōu)化可能性最大的壩段為10、11#壩段，其次為12、15、16、17、18#壩段，建議建基面高程比原設(shè)計(jì)抬高2.0 m，由346.0 m調(diào)整為348.0 m；優(yōu)化可能性較小的壩段為13、14#壩段，建議建基面高程仍維持346.0 m高程。

3 建基面驗(yàn)收測(cè)試成果分析

按照建基面優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，建基面開挖到預(yù)定優(yōu)化深度后，對(duì)壩基巖體又進(jìn)行了聲波測(cè)試、工程地質(zhì)測(cè)繪、點(diǎn)荷載測(cè)試及回彈測(cè)試等驗(yàn)收測(cè)試。

3.1 聲波測(cè)試

建基面以下壩基弱風(fēng)化巖體聲波波速大部分為5 400～6 000 m/s，波速較高，數(shù)值穩(wěn)定，顯示巖體完整性及強(qiáng)度較高，與初步設(shè)計(jì)及建基面優(yōu)化階段測(cè)試成果基本一致。

建基面以下0.6 m范圍內(nèi)聲波波速相對(duì)較低，一般為4 000～4 500 m/s，初步設(shè)計(jì)及建基面優(yōu)化階段該高程聲波波速一般為5 000～6 000 m/s，分析原因是巖體卸荷造成隱性節(jié)理張開及機(jī)械開挖振動(dòng)影響所致。由于波速超過弱風(fēng)化巖體劃分標(biāo)準(zhǔn)3 500 m/s且影響深度一般不超過0.6 m，經(jīng)分析認(rèn)為對(duì)壩基穩(wěn)定性無明顯影響。

3.2 工程地質(zhì)測(cè)繪及編錄

建基面有3組節(jié)理比較發(fā)育，不同的節(jié)理面組合對(duì)巖體進(jìn)行切割，對(duì)巖體穩(wěn)定性造成影響。節(jié)理統(tǒng)計(jì)玫瑰花圖，如圖1所示。

圖1 壩基節(jié)理統(tǒng)計(jì)玫瑰花圖

基坑開挖后，不同產(chǎn)狀的節(jié)理裂隙對(duì)邊坡穩(wěn)定有較大影響，根據(jù)壩基節(jié)理產(chǎn)狀及開挖坡向畫出赤平投影，如圖2所示。通過圖2可以看出，有1組節(jié)理傾向與基坑開挖坡向基本一致，如果開挖坡比大于或等于節(jié)理傾角，那么開挖邊坡可能處于不穩(wěn)定狀態(tài)，對(duì)邊坡穩(wěn)定影響較大。另外，不同的節(jié)理組合對(duì)巖體切割可能造成不穩(wěn)定楔體，形成局部塌落，建議采取防護(hù)措施。

圖2 壩基開挖坡向及節(jié)理面赤平投影

3.3 點(diǎn)荷載試驗(yàn)

不同壩段的巖體點(diǎn)荷載數(shù)據(jù)IS(50)一般為6.6～9.6 MPa，基本達(dá)到堅(jiān)硬巖石標(biāo)準(zhǔn)，巖石強(qiáng)度較高。若按照點(diǎn)荷載與巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度換算關(guān)系Rc=22.82I0.75s（50），則不同壩段巖石單軸抗壓強(qiáng)度超過60 MPa，也超過堅(jiān)硬巖石標(biāo)準(zhǔn)。13—15#壩段點(diǎn)荷載數(shù)值普遍低于其它壩段，反映出該3個(gè)壩段表層巖體強(qiáng)度普遍低于后者。

3.4 回彈測(cè)試

對(duì)每個(gè)壩段建基面穩(wěn)固巖體進(jìn)行回彈測(cè)試，13—15#壩段回彈數(shù)值相對(duì)較小，一般為50～60 MPa，低于室內(nèi)巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度建議值65 MPa。其它壩段回彈數(shù)值一般為55～65 MPa，略低于室內(nèi)巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度建議值65 MPa。回彈測(cè)試數(shù)值普遍低于單軸飽和抗壓強(qiáng)度的原因是：表層巖體由于受卸荷及爆破開挖影響，其完整性及強(qiáng)度均受到影響，回彈測(cè)試值相對(duì)偏低。另外，巖體的飽水程度和節(jié)理裂隙的相對(duì)密度也是影響巖體回彈數(shù)值的因素，現(xiàn)場(chǎng)巖體飽和程度差異較大，節(jié)理密度具有差異性，也是造成回彈數(shù)值相對(duì)離散的原因，回彈數(shù)值只是作為判斷巖體強(qiáng)度的輔助指標(biāo)。

4 建基面確定綜合分析

根據(jù)雙峰寺水庫(kù)建基面選擇的原則及依據(jù)，對(duì)優(yōu)化后達(dá)到驗(yàn)收條件的壩段進(jìn)行綜合分析，結(jié)果如下。

10—15#壩段壩基巖體呈現(xiàn)弱風(fēng)化狀態(tài)、次塊狀結(jié)構(gòu)，完整性系數(shù)一般高于0.6，屬于較完整或完整。壩基巖體工程地質(zhì)分類為III1類，縱波波速一般為5 000～6 000 m/s。巖體飽和單軸抗壓強(qiáng)度65 MPa，承載力建議值3 500 kPa，強(qiáng)度較高。混凝土/巖體抗剪斷強(qiáng)度f′＝0.95，c′＝0.80 MPa，抗滑穩(wěn)定性較高。巖體透水率一般為3～10 Lu，為弱透水層。

根據(jù)壩基巖體強(qiáng)度、風(fēng)化程度、完整性、滲透性等指標(biāo)，并結(jié)合壩基建基面優(yōu)化以及開挖后壩基勘察成果，最終分析認(rèn)為：10—12、15#壩段優(yōu)化后建基面高程確定為348.0 m，比原設(shè)計(jì)高程提高2.0 m，各項(xiàng)指標(biāo)仍能滿足壩基對(duì)于重力壩的要求。13、14#壩段建基面仍維持原設(shè)計(jì)高程346.0 m。各壩段壩基均符合對(duì)建基面選擇的原則及依據(jù)，是良好的混凝土重力壩壩基。

5 結(jié)語(yǔ)

建基面優(yōu)化設(shè)計(jì)后，壩基條件仍能滿足重力壩基技術(shù)要求，建基面高程優(yōu)化設(shè)計(jì)具備可行性。驗(yàn)收階段勘察成果與初步設(shè)計(jì)階段基本吻合，但也揭露了一些新的工程地質(zhì)問題，主要是局部地段風(fēng)化界線走勢(shì)與初步設(shè)計(jì)資料有差異，個(gè)別地段變化比較明顯，原因是本階段加大了勘察精度，資料準(zhǔn)確度及可靠性有所提高。應(yīng)隨著壩基進(jìn)一步開挖及重新揭露地質(zhì)問題，隨時(shí)修正完善地質(zhì)資料。

隨著壩基其它壩段的開挖，不排除揭露隱伏地質(zhì)問題的可能性，應(yīng)加大施工地質(zhì)工作力度，適時(shí)開展相應(yīng)的工程地質(zhì)勘察工作，并結(jié)合壩基開挖程序，適時(shí)適度調(diào)整優(yōu)化方案，出現(xiàn)地質(zhì)缺陷及時(shí)處理，確保建基面優(yōu)化及驗(yàn)收的實(shí)施。

TV62+2；TV222

A

1004-7328（2017）03-0053-04

10.3969/j.issn.1004-7328.2017.03.017

2017—02—14

郭建禮（1970—），男，高級(jí)工程師，主要從事水利水電工程地質(zhì)勘察工作。