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    在深覆盖红层地区建抛物线拱坝的设计实践（陈大松,刘其文,罗健）_红尘来呀来

    时间：2020-02-23 07:54:41来源：百花范文网本文已影响人
     

    摘要: 红层在我国分布较广，但在红层上修建的水工建筑物较少，所兴建的水库大坝多为当地材料坝。随着经济不断发展，近年来水电工程建设越来越多地向红层地区深入，给勘察、设计和施工提出了越来越多新的课题。大多数红层饱和单轴抗压强度小于30MPa，属于较软岩，其变形模量低、强度低、允许承载力小、易风化、覆盖层深，但完整性好，水文地质条件简单。中小拱坝压应力不大，可利用红层完整性好，水文地质条件简单的优势，对地基稍加处理即可满足修建双曲拱坝的需要。以云南省大姚县渔泡江三级电站工程为例，论述了在红层深覆盖层地区修大坝的可行性。

    关 键 词: 红层;深覆盖层;岩体力学参数;抛物线双曲拱坝;云南渔泡江三级电站

    中图分类号: TV642.4+ 2　 文献标识码: A

    1 概述

    红层是指在中生代侏罗纪—新生代第三纪陆相沉积形成的红色岩层，一般称为“红色砂砾岩”，多为砂岩、泥岩、页岩互层。地质特性一般表现为强度低、变形模量低、遇水易软化、易崩解、易风化、覆盖层深、工程性质变化大;但是透水性弱、水文地质条件简单。

    红层在我国分布较广，但在红层上修建的水工建筑物较少，所兴建的水库大坝多为当地材料坝。随着经济不断发展，近年来水电工程建设越来越多地向红层地区深入，给勘察、设计和施工提出了越来越多新的课题。大多数红层饱和单轴抗压强度小于30MPa，属于较软岩，但其完整性好、水文地质条件简单，工程设计上可以利用这一优势，同时采取措施规避不利因素，达到节省投资的目的。

    渔泡江三级电站位于云南省大姚县渔泡江上，距大姚县城约66km。电站采用混合式开发，枢纽工程由拦河坝、表孔、底孔、引水隧洞、地面厂房和开关站等建筑物组成。该工程拦河坝座落在滇中红层上，拦河坝经与混凝土重力拱坝比较后采用混凝土双曲拱坝方案，该方案比原推荐的混凝土重力拱坝节约工程量近20%，工程于2005年10月12日开工，2006年3月19日开始浇筑混凝土，2007年12月15日完成大坝所有土建工程施工任务，即将下闸蓄水。

    2 坝址工程地质条件

    2.1 地形地貌

    渔泡江三级电站坝址河流近NWW向，河段平直，河床高程在1270～1272m之间，河床宽约60m;地形坡度下陡上缓，其中右岸1950m高程以下坡度40°～45°，以上约25°，左岸1900m高程以下坡度50°～55°，以上30°～38°;正常高水位1306m对应的河谷宽120m，河谷宽高比1.9，河谷为对称“U”形;两岸基岩裸露，岸坡基本稳定。

    2.2 地层岩性

    （1）第四系（Q）。①河床冲洪积层（al+plQ）由砂卵砾石层、砾质土组成，厚度最深达23m。其中砂卵砾石主要分布在河床中部靠左岸，粗粒成分以石英砂岩为主，中细粒成分以泥粒为主;砾质土分布在河床右侧，厚10～17m，褐紫色，中密，局部呈可塑状，角砾成分为中—弱风化粉砂质泥岩，棱角分明，其余为粉土—壤土充填。②残坡积层（el+dlQ）主要分布在右岸坡脚，为棕红色、褐黄色含砾粘土、砂质壤土、碎石土，结构较紧密，厚度1～5m。

    （2）基岩。渔泡江三级电站坝址座落在江底河组下杂色第一段泥岩段地基上，其岩性为紫红色泥质粉砂岩、粉砂质泥岩夹灰绿色钙质泥岩及细砂岩，厚约1000m。

    根据坝基开挖出来的取样试验，所取样构造属于微理、泥质、粉砂构造，其矿物成分泥质占全岩样75%～80%，铁质占5%，二者混在一起，构成麻丝状，定向分布;粉砂级石英碎屑占10%～15%，具尖锐的棱角状，定向分布，碳酸盐占1%～5%，呈隐晶质状态;其余为不到1%的不透明物质。

    2.3 地质构造

    坝址两岸基岩裸露，岩层走向基本接近SN，倾向E，倾角18°～32°。

    坝址无区域性断层通过，主要构造有F1小断层，该断层沿河床右侧与岸坡接触带通过，走向近北西西向，断层面近直立;断层带由中酸性岩脉侵入，岩脉为致密块状、质坚硬、弱风化，宽1.5～2m，延长15～20m;受其影响，断层带岩体裂隙比较发育，渗透性偏大，透水率在20～40Lu。

    受岩脉侵入影响，主要发育节理裂隙为:左坝肩主要有3组裂隙:①184°∠63°，裂隙率3～5条/m;②225°∠5°～10°，裂隙率1～3条/m;③20°∠65°～80°，深度3～5m，为卸荷裂隙。这几组裂隙大多呈闭合状的剪裂隙，延伸短。右坝肩主要发育3组裂隙:①235°∠53°，裂隙率1～3条/m;②307°∠40°～50°，裂隙率3～5条/m;③200°∠65°～70°，深度3～5m，为卸荷裂隙。裂隙大多呈闭合状态，少数微张。

    2.4 水文地质条件

    根据钻孔压水试验资料，河床冲洪积层，渗透系数在10-2 ～10-4 cm/s;基岩除断层带透水率在20～40Lu之间外，其余在2～15Lu之间。总的透水规律是:两岸地下水位高于河床水位，地下水补给河水，透水性随深度增加而减弱;两岸及河床基岩存在着中等透水带，右岸透水率比较稳定;第四系冲洪积砂砾石层含孔隙潜水，冲洪积层主要分布于河床、河漫滩，透水性强，含水量丰富，但受地表水影响大。总体水文地质条件较简单。

    2.5 工程地质评价

    坝址区岩性为泥岩，根据左岸2个、河床4个、右岸2个钻孔试验资料，岩芯获取率84%～98%，RQD值在35～86之间。芯样岩块实验指标:含水率在1.02%～1.82%之间，平均值1.51%;密度2.67～2.74g/m3 ，平均值2.72g/m3 ;干抗压强度24.43～35.26MPa，平均值28.926MPa，湿抗压强度12.42～23.31MPa，平均值18.610MPa;软化系数0.627～0.742，平均值0.643。

    根据坝址区勘察钻孔现场岩芯情况、压水资料等综合分析确定，左岸坝肩强风化下限埋深3～5m;河床强风化下限埋深2～4m（不含覆盖层）;右岸坝肩强风化下限埋深3～5m。坝址区基岩局部存在差异风化，在右岸有基性岩脉入侵影响带，岩石破碎，透水率大，表示出强风化特征。

    总体评价，坝基岩体属于较软岩，强风化岩体为软岩。

    2.6 岩体力学参数

    根据《水利水电工程地质勘察规范》（GB50287-99），类比《云南省水力发电岩石力学参数汇编》以及文献［1］，坝基岩石允许承载力若取干抗压强度的1/10，其平均值为2.92MPa，最小值为2.4MPa。按岩体较完整、节理较发育的情况取饱和湿抗压强度的1/6，其平均值为3.1MPa，最小值为2.1MPa;变形模量4.0GPa，泊松比0.38。

    3 抛物线双曲拱坝设计

    在建坝河段，两岸山体雄厚陡峻，若布置土石坝或面板堆石坝，溢洪道难以布置，开挖工程量十分巨大，不经济。为此，根据坝址处的地形及地质条件，选择混凝土重力拱坝与拱坝进行比较，拱坝比混凝土重力拱坝节约工程量近20%。

    推荐的拦河坝为抛物线双曲混凝土拱坝，混凝土材料强度等级为C15，最大坝高65.0m。拱坝几何特性见表2。

    根据大坝地区气温、浇筑材料、坝身结构等分析，在坝身设10条横缝，将坝体分为11个坝段。大坝预埋水管对坝体进行通水冷却，为了增加坝基的完整性，提高基础承载能力，对坝基进行全面的固结灌浆处理，灌浆孔深入基岩6m，间排距3m，局部裂隙发育段进行加密处理。为了防止绕坝渗漏，增加大坝拱座的稳定性，在坝基及两坝肩进行了帷幕灌浆。

    大坝应力经多拱梁法计算，基本组合最大主压应力为2.28MPa，最小主拉应力为1.12MPa;特殊组合最大主压应力为2.47MPa，最小主拉应力为1.2MPa，均满足应力控制要求。

    4 大坝设计的探讨

    （1）强度低问题。根据钻孔芯样岩块实验，干抗压强度平均值28.926MPa，湿抗压强度平均值18.610MPa，最小值12.42MPa;软化系数平均值0.643。从地表地质及岩块指标看，属较软岩，承载力低，但是中小拱坝一般压应力不大，再加上对地基进行固结灌浆还可以提高一定的承载能力，是能满足规范要求的。从渔泡江三级电站埋设的基岩变位计监测数据看，基岩变位计开合度变化幅度都比较小，说明混凝土与基岩变形不大。

    （2）易风化问题。地表岩石局部破碎、风化、不完整，绝大多数岩石呈块状、层状，地表岩石锤击声哑，无回弹，有凹痕，易击碎，浸水后，手可以擘开;再从本工程开挖面上的风化情况看，也表现出易风化特性，因此，在红层地区建坝需要预留保护层开挖或开挖后及时对基础进行喷混凝土保护。渔泡江三级电站采用的是预留保护层开挖方式。

    （3）深覆盖层问题。河床冲洪积层厚度最深达23m，由砂卵砾石层、砾质土组成，强度低，不能作为大坝基础，而且渗透系数大（在10-2 ～10-4 cm/s之间）。因此，在红层地区建坝，在对覆盖层开挖的同时，需要解决覆盖层防渗及基坑排水问题。渔泡江三级电站采用高压旋喷灌浆防渗处理，采用大用量排水泵对基坑进行排水。

    覆盖层厚从开挖的角度来说，开挖量很大，采用土石坝或面板堆石坝方案其开挖量更大;但是覆盖层厚、基坑深，待大坝浇筑完成后，将基坑充满水，受力大的大坝混凝土正好在水温变化小的条件下得到养护，对减小温度裂缝有利。渔泡江三级电站的观测资料显示，混凝土温度一般呈先上升后逐渐下降趋势;混凝土浇后冬春季一般5～6d达到最高值（最高记录为29.90℃）;夏秋季一般2～3d达到最高值（最高记录为31.55℃）。温度达到峰值后开始缓慢下降，降幅一般为0.1～0.5℃/d;春季随着气温升高，温度开始反弹升高。2007年12月20日，整个大坝平均温度为18.85℃，其中1272m高程（河水面）以上平均温度为16.13℃，1272m高程（河水面）以下平均温度为19.28℃。水面以上坝体的水化热温升最高达20℃，水面以下坝体的水化热温升最高16℃，两者差4℃，而且除了温度峰值段水下坝体的温度变化受外界气温影响较小，一般在19～25℃之间，水上坝体的温度变化受外界气温影响较大，一般在13.5～25℃之间。

    （4）筑坝材料问题。红层地区河床冲洪积层由砂卵砾石层、砾质土组成。虽然砂卵砾石层中粗粒成分以石英砂岩为主，但含量低;红层中有部分是砂岩，可以利用来加工沙石料，渔泡江三级电站采用中生代侏罗系蛇店组石料，岩性为灰绿色石英砂岩与紫红色泥岩互层，有用层砂岩块状致密，质地坚硬，风化色为褐色，冲击易碎，可作为人工碎块石及混凝土粗骨料使用。

    5 结语

    （1）在红层地区只要选取地质条件好的地段是可以修建中小型双曲拱坝的，从本工程基岩变位计监测数据看，基岩变位计开合度变化幅度都比较小，说明目前混凝土与基岩变形不大。

    （2）红层饱和单轴抗压强度小于30MPa，属于较软岩，其变形模量低、强度低、允许承载力小，岩石允许承载力可以按干抗压强度的1/10或湿抗压强度的1/5～1/8进行取值，中小拱坝的压应力一般在3MPa左右，能够满足规范要求。渔泡江三级电站坝基岩石允许承载力若取干抗压强度的1/10，其平均值为2.92MPa，最小值为2.4MPa，按岩体较完整、节理较发育的情况取饱和湿抗压强度的1/6，其平均值为3.1MPa，最小值为2.1MPa;两者比较接近。

    （3）红层岩性易风化，在红层地区建坝需要对坝基预留保护层开挖或开挖后及时对基础进行喷混凝土保护处理。

    （4）红层地区覆盖层较厚，在此类地区建坝需要解决覆盖层防渗及基坑排水问题。如渔泡江三级电站覆盖层采用高压旋喷灌浆防渗处理。另一方面可以利用覆盖层厚、基坑深的有利因素，待大坝浇筑完成后，将基坑充满水，受力大的大坝混凝土正好在水温变化小的条件下得到养护，对减小温度裂缝有利。

    （5）红层地区总体水文地质条件较简单，水库成库条件好，只要少量的帷幕灌浆处理即可解决坝基及绕坝渗漏问题，基础处理工程量小，这是该地区建坝的优势。

    参考文献:

    ［1］ 万宗礼等.坝基红层软岩工程地质研究与应用（第一版）.北京:中国水利水电出版社，2007.

    ［2］ 陈军等.云南红层工程地质特性研究.水力发电，2006，（11）.

    ［3］ 楚雄州水利电力勘测设计研究院.渔泡江三级水电站工程初步设计报告.2005.

    作者简介: 陈大松，男，贵州省水利水电勘测设计研究院，高级工程师。

    来源：《人民长江》2008.12

         

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