西藏金河瓦托水電站壩基優(yōu)化淺談

田江偉 澤旺曲扎

摘? 要：壩基優(yōu)化是節(jié)省水電工程投資的有效措施之一，對(duì)研究兼顧經(jīng)濟(jì)效益和大壩安全穩(wěn)定性的壩基設(shè)計(jì)方案具有重要意義。在瓦托水電站工程中，結(jié)合壩址實(shí)際情況，對(duì)河床取樣7組巖芯進(jìn)行了物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)，對(duì)左岸基座階地進(jìn)行了原位直剪試驗(yàn)，并對(duì)河床開(kāi)展了巖石聲波測(cè)試，論證了壩基巖體的力學(xué)強(qiáng)度指標(biāo)，提出了壩基巖體物理力學(xué)參數(shù)地質(zhì)建議值，為壩基優(yōu)化設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支撐。根據(jù)取得參數(shù)對(duì)溢流壩段、廠房壩段和左岸重力壩段的建基高程進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，在減少工程量和節(jié)省工程投資方面取得了明顯效果。

關(guān)鍵詞：瓦托水電站? 壩基優(yōu)化? 工程投資? 優(yōu)化效果

中圖分類號(hào)：TM62 ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-098X（2021）03（a）-0044-07

Discussion on Optimization of Dam Foundation of Jinhe Watuo Hydropower Station in Tibet

TIAN Jiangwei? ZE Wangquzha

（Jinhe River Basin Hydropower Development Co.， Ltd. Tibet Development & Investment Croup， Changdu， Tibet Autonomous Region， 854000 China）

Abstract： Dam foundation optimization is one of the effective measures to save hydropower project investment. It is of great significance to study the dam foundation design scheme which takes into account economic benefits and dam safety and stability. In the project of Watuo Hydropower Station， Combining actual conditions of dam site， the physical and mechanical properties tests were conducted on 7 sets of rock cores sampled from the riverbed， in-situ direct shear tests were conducted on the terrace of the left bank base， and rock acoustic tests were carried out on the riverbed. These tests demonstrated the mechanical strength index of the dam foundation rock mass and put forward the suggested geological values of the physical mechanical parameters of the dam foundation rock mass to provide data support for the optimal design of the dam foundation. According to the obtained parameters， the foundation elevation of the overflow dam section， the powerhouse dam section and the gravity dam section on the left bank is optimized， and obvious results are obtained in terms of reducing the amount of works and saving the project investment.

Key Words： Watuo Hydropower Station; Dam foundation optimization; Project investment; Oplimization effect

水電工程建設(shè)往往建設(shè)周期長(zhǎng)，投資成本大。因此在保證工程安全可靠的前提下，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)降低工程量，是節(jié)省工程投資的有效措施。西藏金河瓦托水電站工程在瀾滄江一級(jí)支流金河下游河段上，是金河水電規(guī)劃中的第五個(gè)梯級(jí)電站，壩址位于昌都市卡若區(qū)列巴村金河下游約2.5km處，在已建金河大壩上游約5.0km處，水庫(kù)總庫(kù)容0.1383×108m3，電站裝機(jī)容量50MW，是一座以發(fā)電為主的中型水電樞紐工程。樞紐建筑物從左至右依次為左岸砂礫石壩連接壩段及其壩頭回車場(chǎng)、左岸混凝土重力壩段、發(fā)電廠房的壩式進(jìn)水口壩段、溢流壩段、門庫(kù)壩段、右岸混凝土重力壩段及其壩頭回車場(chǎng)。本文以實(shí)際地質(zhì)條件為依據(jù)，根據(jù)壩基地質(zhì)勘探復(fù)核成果，復(fù)核大壩抗滑穩(wěn)定，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及抗滑穩(wěn)定計(jì)算來(lái)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)壩基抬高，進(jìn)而節(jié)省工程投資。

1? 工程地質(zhì)和力學(xué)實(shí)驗(yàn)

1.1 基巖

壩軸線出露的基巖為侏羅系下統(tǒng)查朗嘎組（J1ch）細(xì)砂巖、泥質(zhì)砂巖、泥質(zhì)砂巖與細(xì)砂巖互層。按層厚和巖性所占比例可劃分為3個(gè)巖組，分別為泥質(zhì)砂巖與細(xì)砂巖互層巖組（J1ch1）、細(xì)砂巖夾泥質(zhì)砂巖巖組（J1ch2）、泥質(zhì)砂巖夾細(xì)砂巖巖組（J1ch3）。泥質(zhì)砂巖與細(xì)砂巖互層（J1ch1）：細(xì)砂巖占5%～10%，泥質(zhì)砂巖與細(xì)砂巖互層占90%～95%，壩址區(qū)出露寬度大于390m。細(xì)砂巖夾泥質(zhì)砂巖（J1ch2）：細(xì)砂巖占70%～75%，泥質(zhì)砂巖占25%～30%，壩址區(qū)出露寬度約40m。泥質(zhì)砂巖夾細(xì)砂巖（J1ch3）：細(xì)砂巖占20%～25%，泥質(zhì)砂巖占55%～60%，泥質(zhì)砂與細(xì)砂巖互層占15%～20%，壩址區(qū)出露寬度大于610m[1]。

1.2 力學(xué)試驗(yàn)

1.2.1 河床巖體物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)

壩址河床區(qū)弱風(fēng)化狀態(tài)巖體按巖組不同共取巖樣7組進(jìn)行了物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)，巖石的物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)成果詳見(jiàn)表1及圖1、圖2。

據(jù)表1：ZK19-1、ZK19-2、ZK19-1-1所處巖組為泥質(zhì)砂巖與細(xì)砂巖互層（J1ch1）巖組，所取巖樣均為泥質(zhì)砂巖，各級(jí)軸向壓力下的剪切應(yīng)力不做加權(quán)，直接進(jìn)行平均。直剪試驗(yàn)成果如圖1所示，c=5.07MPa，φ=75.28°。ZK16-1、ZK18-1、ZK18-2、ZK18-3所處巖組為細(xì)砂巖夾泥質(zhì)砂巖（J1ch2）巖組，該細(xì)砂巖比例為70%，泥質(zhì)砂巖比例為30%，同種巖性在各級(jí)軸向壓力下的剪切應(yīng)力進(jìn)行平均后，按權(quán)重進(jìn)行加和。直剪試驗(yàn)成果如圖2所示，c=12.29MPa，φ=64.17°。

1.2.2 左岸基座階地巖臺(tái)原位直剪試驗(yàn)

本次試驗(yàn)在壩軸線左岸Ⅰ級(jí)階地部位進(jìn)行泥質(zhì)砂巖與細(xì)砂巖互層巖組（J1ch1）（下游側(cè)基坑、試驗(yàn)區(qū)域1）、細(xì)砂巖夾泥質(zhì)砂巖巖組（J1ch2）（上游側(cè)基坑、試驗(yàn)區(qū)域2）2組巖體與混凝土接觸面直剪試驗(yàn)，每組試驗(yàn)加工6個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)。為模擬壩基的實(shí)際工作條件，試驗(yàn)前需將試件浸水7～10d，使試件飽水，確保試件始終處于飽和狀態(tài)[2]。

泥質(zhì)砂巖與細(xì)砂巖互層巖組（J1ch1）（下游側(cè)基坑、試驗(yàn)區(qū)域1）抗剪斷（抗剪）試驗(yàn)成果見(jiàn)表2，抗剪斷（抗剪）正應(yīng)力-剪應(yīng)力曲線見(jiàn)圖3、圖4。細(xì)砂巖夾泥質(zhì)砂巖巖組（J1ch2）（上游側(cè)基坑、試驗(yàn)區(qū)域2）抗剪斷（抗剪）試驗(yàn)成果見(jiàn)表3，抗剪斷（抗剪）正應(yīng)力-剪應(yīng)力曲線見(jiàn)圖5、圖6。

綜上所述，原位抗剪試驗(yàn)成果如下：

（1）泥質(zhì)砂巖與細(xì)砂巖互層巖組（J1ch1）（試驗(yàn)區(qū)域1）：

①峰值強(qiáng)度：tan φ=1.571，C=0.983MPa;tan φ=0.758，C=0.474MPa;②相關(guān)系數(shù)：抗剪斷R2=0.905;抗剪R2=0.940。

（2）細(xì)砂巖夾泥質(zhì)砂巖巖組（J1ch2）（試驗(yàn)區(qū)域2）：

①峰值強(qiáng)度：tan φ=1.539，C=0.730MPa;tan φ=0.696，C=0.507MPa;②相關(guān)系數(shù)：抗剪斷R2=0.921;抗剪R2=0.926。

1.2.3 河床鉆孔聲波測(cè)試

在河床部位ZK16、ZK18鉆孔進(jìn)行了聲波測(cè)試，鉆孔聲波測(cè)試曲線圖見(jiàn)圖7、圖8。

2? 參數(shù)確定和抗滑穩(wěn)定計(jì)算

2.1 壩基巖體物理力學(xué)參數(shù)地質(zhì)建議值

根據(jù)巖石物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)及原位直剪試驗(yàn)成果，結(jié)合壩址區(qū)巖石聲波測(cè)試數(shù)據(jù)的分析整理，綜合考慮給出壩址區(qū)4#、5#、6#壩段巖體相關(guān)的力學(xué)參數(shù)地質(zhì)建議值見(jiàn)表4。

2.2 壩基抗滑穩(wěn)定計(jì)算

2.2.1 計(jì)算公式

（1）根據(jù)《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（NB/T35026-2014），混凝土重力壩穩(wěn)定應(yīng)滿足下列承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)表達(dá)式：

對(duì)基本組合，采用下列極限狀態(tài)設(shè)計(jì)表達(dá)式

（1）

或

（2）

對(duì)偶然組合，采用下列極限狀態(tài)設(shè)計(jì)表達(dá)式

（3）

或

（4）

式中：—結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)，對(duì)于結(jié)構(gòu)安全級(jí)別為Ⅱ級(jí)的結(jié)構(gòu)及構(gòu)件，采用1.05;

—設(shè)計(jì)狀況系數(shù)，對(duì)應(yīng)于持久狀況、短暫狀況、偶然狀況，分別取1.0、0.95、0.85;

S（·）—作用效應(yīng)函數(shù);

R（·）—結(jié)構(gòu)及構(gòu)件抗力函數(shù);

—永久作用的分項(xiàng)系數(shù);

—可變作用的分項(xiàng)系數(shù);

GK—永久作用標(biāo)準(zhǔn)值;

—可變作用標(biāo)準(zhǔn)值;

AK—偶然作用代表值;

aK—幾何參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)值（可作為定值處理）;

fK—材料性能的標(biāo)準(zhǔn)值;

—材料性能的分項(xiàng)系數(shù);

—結(jié)構(gòu)系數(shù);

η—抗力作用比系數(shù)。

（2）承載能力極限狀態(tài)壩體混凝土與基巖接觸面的抗滑穩(wěn)定設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

分別計(jì)算基本組合和偶然組合，應(yīng)滿足：

（5）

作用效應(yīng)函數(shù)：

（6）

抗滑穩(wěn)定抗力函數(shù)：

（7）

式中：壩基面上全部切向作用之和，KN;

壩基面抗剪斷摩擦系數(shù);

壩基面抗剪粘聚力，kPa。

2.2.2 作用及其組合

作用在壩體上的荷載有靜水壓力、自重、揚(yáng)壓力、泥沙壓力、浪壓力、土壓力[3]。壩基揚(yáng)壓力計(jì)算時(shí)，在壩基排水孔處進(jìn)行折減，揚(yáng)壓力折減系數(shù)α取0.25。

其余荷載按《水工建筑物荷載設(shè)計(jì)規(guī)范》DL5077-1997規(guī)定進(jìn)行計(jì)算[4-5]。

①基本組合一（正常蓄水位情況，下游采用最小發(fā)電流量相應(yīng)水位）：

自重+正常蓄水位時(shí)靜水壓力+揚(yáng)壓力+泥沙壓力+浪壓力+土壓力

②基本組合二（設(shè)計(jì)洪水情況）：

自重+設(shè)計(jì)洪水位時(shí)靜水壓力+揚(yáng)壓力+泥沙壓力+浪壓力+土壓力

③基本組合三（施工期）：

自重

④偶然組合一（校核洪水情況）：

自重+校核洪水位時(shí)靜水壓力+揚(yáng)壓力+泥沙壓力+浪壓力+土壓力

⑤偶然組合二（正常蓄水位情況遇地震，下游采用最小發(fā)電流量相應(yīng)水位）：

自重+正常蓄水位時(shí)靜水壓力+揚(yáng)壓力+泥沙壓力+浪壓力+土壓力+地震作用

2.2.3 計(jì)算結(jié)果

（1）溢流壩段（4#）建基面。

經(jīng)計(jì)算，正常蓄水位工況為抗滑穩(wěn)定的控制工況，上游建基高程為3262.00m時(shí)，壩基抗滑穩(wěn)定抗力作用比系數(shù)η=1.088;上游建基高程為3264.00m時(shí)，壩基抗滑穩(wěn)定抗力作用比系數(shù)η=1.087。由此可知，上游建基高程抬高至3262.00～3264.00m，壩基抗滑穩(wěn)定均滿足要求[6]。

（2）發(fā)電廠房的壩式進(jìn)水口壩段（5#）建基面。

經(jīng)計(jì)算，設(shè)計(jì)洪水位工況為抗滑穩(wěn)定的控制工況，上游建基高程為3262.00m時(shí)，壩基抗滑穩(wěn)定抗力作用比系數(shù)η=1.46;上游建基高程為3264.00m時(shí)，壩基抗滑穩(wěn)定抗力作用比系數(shù)η=1.43。由此可知，上游建基高程抬高至3262.00m -3264.00m，壩基抗滑穩(wěn)定均滿足要求。

（3）發(fā)電廠房壩式進(jìn)水口壩段（6#）建基面。

經(jīng)計(jì)算，設(shè)計(jì)洪水位工況為抗滑穩(wěn)定的控制工況，壩基抗滑穩(wěn)定抗力作用比系數(shù)η=1.32。壩基抗滑穩(wěn)定滿足要求[7-8]。

（4）左、右岸混凝土重力壩段建基面。

根據(jù)左岸基座階地巖臺(tái)基坑聲波測(cè)試成果，結(jié)合樞紐建筑物布置，左岸重力壩7#、8#、9#建基高程由3262m抬高至3268m，比可研階段抬高6m;10#建基高程由3262m抬高至3266.5m，比可研階段抬高4.5m。右岸3#門庫(kù)壩段最低建基高程3262m，比可研階段抬高5.5m（見(jiàn)圖9）。建基面抬高后壩體下游壩坡未改變，壩基巖體抗剪斷參數(shù)未改變，壩基穩(wěn)定應(yīng)力均能滿足規(guī)范要求，且有一定安全儲(chǔ)備[9-10]。

3? 優(yōu)化效果

溢流壩4#壩段壩基上游部分建基高程抬高8.50～10.50m，壩基下游部分建基高程不變。

發(fā)電廠房的壩式進(jìn)水口5#壩段壩基上游部分建基高程抬高8.50～10.50m;壩基下游部分建基高程抬高2.5m。

發(fā)電廠房的壩式進(jìn)水口6#壩段上游建基高程抬高6m，下游建基高程抬高2.5m。

左岸重力壩7#、8#、9#建基高程抬高6m;左岸重力壩10#建基高程抬高4.5m。

壩基優(yōu)化減少混凝土4.04萬(wàn)m3、石方開(kāi)挖4.52萬(wàn)m3（見(jiàn)表5），節(jié)省工程投資2397萬(wàn)元。

4? 結(jié)語(yǔ)

西藏金河瓦托水電站成功進(jìn)行了壩基優(yōu)化，各個(gè)壩段壩基高程均進(jìn)行了不同程度的抬高，減少了壩基開(kāi)挖和混凝土澆筑量，經(jīng)濟(jì)效益顯著，縮短了工期，為瓦托水電站提前投產(chǎn)發(fā)電做出了巨大貢獻(xiàn)，也為混凝土重力壩壩基優(yōu)化積累了工程經(jīng)驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)

[1] 中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司.西藏金河瓦托水電站可行性研究報(bào)告[Z].長(zhǎng)春，2016.

[2] 邢丁家，邢一豪.引漢濟(jì)渭工程三河口水庫(kù)拱壩壩基巖體質(zhì)量特征與建基面優(yōu)化選擇[J].地球科學(xué)與環(huán)境學(xué)報(bào)，2018，40（6）：806-812.

[3] 程庭鳳.金安橋水電站壩基優(yōu)化選擇及主要地質(zhì)缺陷處理[J].云南水力發(fā)電，2015，31（1）：67-70.

[4] 李天鵬，魏偉，楊莉，等.復(fù)雜層狀建基巖體可利用性及開(kāi)挖深度優(yōu)化研究[J].人民長(zhǎng)江，2019，50（3）：166-171.

[5] 沈曉明，黃永.巖體縱波波速與抗剪強(qiáng)度相關(guān)關(guān)系研究[J].中國(guó)水運(yùn)，2019（12）：224-225.

[6] 張興安，曾國(guó)洪，黨建濤，等.三河口水庫(kù)拱壩建基面選擇及優(yōu)化效果驗(yàn)證[J].長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，2020，37（3）：114-117，124.

[7] 宋彥輝，巨廣宏，孫苗.巖體波速與壩基巖體變形模量關(guān)系[J].巖土力學(xué)，2011，32（5）：1507-1512.

[8] 原野，王志修，于世波.基于聲波鉆孔測(cè)試技術(shù)的巖體完整性分析[J].中國(guó)礦業(yè)，2019，28（S1）：85-87.

[9] 宋彥輝，巨廣宏，孫苗.巖體波速與壩基巖體變形模量關(guān)系[J].巖土力學(xué)，2011，32（5）：1507-1512.

[10] 徐言志.箐頭水庫(kù)自密實(shí)混凝土重力壩優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[J].河南科技，2020（14）：67-68.