高拱坝浇筑后河床坝基综合变形模量取值研究

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(中国电建集团 a.成都勘测设计研究院有限公司；b.国家能源水电工程技术研发中心，成都 610072))

1 研究背景

坝基岩体变形模量(简称“变模”)是高拱坝设计中非常重要的参数，也是高拱坝设计与相关研究工程中重点研究内容之一[1-2]。高拱坝坝基岩体的变形模量多需通过现场试验获得[3-4]，但受现场试验条件、试验代表性等影响，设计时也常常通过经验方法[5-6]、反演方法[7]、相关分析[8-9]等方法开展坝基岩体的综合变形模量研究。

需要引起注意的是，高拱坝从坝基开挖到施工完成、乃至蓄水至正常蓄水位，需要经历一个较长的过程，如溪洛渡水电站2009年3月份开始河床坝基开挖，2013年5月份导流底孔下闸蓄水，将于2014年年底蓄水至正常高水位(600 m高程)。在此期间，坝基岩体经历了开挖、卸荷、扰动松弛、固结灌浆、大坝浇筑、水库蓄水等复杂的过程，既有爆破扰动、卸荷松弛等岩体特性劣化过程，也有固结灌浆、蓄水加载等过程。伴随这些改变，坝基岩体工程特性也会发生相应的复杂变化。

而大坝浇筑完成及蓄水后，坝基岩体特性如何，将影响对大坝工作特性的判断，以及监测资料的反馈分析，因此有必要开展相关分析研究。但大坝浇筑后，往往很难开展现场试验以获取坝基岩体变形试验指标(尤其是高拱坝河床坝基)。在此背景下，本文以溪洛渡高拱坝河床坝为例，系统研究大坝浇筑、蓄水以后坝基岩体综合变模的取值问题。

2 河床坝基地质条件

溪洛渡水电站双曲拱坝坝高285.5 m，建基面高程324.5 m，大坝坝顶高程610 m，共分31个坝段。河床坝段含14#—19#坝段共6个坝段(见图1)，建基面开挖高程324.5～328 m。河床靠左侧呈8°左右，由高程328 m渐变到324.5 m；右侧呈4°左右，也由高程328 m渐变到324.5 m。

图1 建基面岩体质量

开挖揭示，14#—17#坝段建基面主要为P2β3层上部灰—灰绿色凝灰质角砾熔岩，部分玄武岩。18#—19#坝段为P2β3层的含斑玄武岩和角砾熔岩。

河床坝段建基面开挖后，Ⅲ2级岩体主要分布在15#和16#坝段的中部，14#和18#坝段也有少量分布。对不满足建基要求的Ⅲ2级岩体进行刻槽置换、填塘处理后，河床坝段建基面出露的岩体均为Ⅲ1级。

根据钻孔对建基面以下20 m深度范围内的坝基岩体质量进行统计分析，分析成果见表1。

表1 河床坝基岩体分级统计

由表1可知：河床328～324.5 m坝基20 m范围内的岩体以Ⅲ1为主，占约86 %；Ⅲ2级岩体所占比例14.1 %。结合剖面分析可知，分布在建基面的Ⅲ2级岩体，通过刻槽、清基挖除，处理后建基面均为弱风化下段—微风化的Ⅲ1级岩体，基本满足设计和验收要求。

建基面以下20 m深度范围内有约14 %左右的Ⅲ2级岩体，在不同高程上呈夹层状分布，空间上连续性差，主要受缓倾角的层内错动带及影响带控制，错动带以角砾为主，少量岩屑，无泥，岩体纵波速度Vp=2 500～4 000 m/s。Ⅲ2级岩体空间展布平缓，平面延伸长度一般为10～30 m，厚度一般2～3 m。

对河床坝基建基面以下的Ⅲ2级岩体已作固结灌浆处理。

3 浇筑后河床坝基综合变模

3.1 研究思路与方法

在坝基开挖、高拱坝浇筑、固结灌浆以及水库蓄水过程中，坝基岩体经历了复杂的卸载、加载过程，随之岩体质量也发生弱化、强化，反映出坝基岩体变形模量也相应变化。

由于大坝浇筑、水库蓄水后，溪洛渡水电站河床坝基不具备开展现场变形试验条件，无法通过现场试验获取大坝工作状态下坝基岩体的适时变形模量。但坝基岩体变形模量取值的合理性又直接影响着高拱坝运行状态评价、监测资料反馈分析等研究工作的顺利开展。

为了解决这个问题，本文基于坝基地质条件、变形试验资料、钻孔弹模以及E0-Vp相关关系等，提出的研究思路与方法如图2所示。

图2 大坝运行状态下坝基综合变模的取值思路

正如图2所示，坝基岩体的变形模量可通过下面途径进行分析：①基本变形模量，地质条件决定着坝基岩体的基本变形模量，在可研阶段、技施阶段开展大量的现场测试，并建立了各级岩体的变形模量的取值范围，可根据岩体质量与测试成果或E0-Vp相关关系确定坝基岩体的变形模量(即基本变形模量)；②改良变形模量，开挖扰动将导致建基面以里一定范围内岩体发生卸荷松弛、裂隙张开、变模降低，而固结灌浆又可加固坝基岩体中的薄弱环节，改善坝基岩体(特别是浅表开挖扰动岩体)的变形特性，可以通过声波测试、钻孔弹模测试获得坝基岩体变形参数(改良后的变形模量)；③工作变形模量，大坝施工、蓄水后，在工程荷载作用下，坝基岩体会发生一定变化，其变化程度与坝基岩体的基本地质条件、固结灌浆效果以及工程荷载作用特点等有关，需根据这些因素综合确定，并宜通过监测资料反馈验证。其中，坝基岩体的基本变形模量是工作变形模量研究的基本基础，改良变形模量是工作变形模量研究的重要参考，因此要研究坝基工作状态下的变形模量取值，就必须先开展基本变形模量和改良变形模量的分析研究。

3.2 坝基变模取值

根据大坝运行状态下坝基岩体综合变模确定的思路与方法，对溪洛渡水电站河床坝基岩体的基本变形模量、改良变形模量、工作变形模量开展取值研究。

3.2.1 基本变形模量

如前所述，溪洛渡坝基岩体质量以Ⅲ1级为主，局部错动带集中部位为Ⅲ2级。通过可研与技施阶段的大量测试，确定了溪洛渡坝基玄武岩各级岩体的变形参数见表2。根据159点试验、测试数据建立了波速与变形模量之间的相关关系(式(1))。据此可方便地确定出河床坝基各级岩体的基本变形模量。

E0=0.086 7Vp3.233。

(1)

式中：E0为变形模量(GPa)；Vp为纵波波速(km/s)；式(1)相关系数r2=0.766 6。

表2 各级岩体基本变形模量

3.2.2 改良变形模量

坝基开挖完成后，表层岩体发生一定程度的扰动松弛，加之坝基内尚有14 %左右的Ⅲ2级岩体，因此进行了固结灌浆处理。处理后开展了声波、钻孔电视、钻孔弹模、压水试验等检测工作。

基于固结灌浆后的声波监测资料，利用E0-Vp相关关系可以得到固结灌浆后坝基岩体变形模量(即改良变形模量)，见表3。

表3 固结灌浆后坝基岩体变形模量

3.2.3 工作变形模量

首先根据地质条件、灌浆效果并结合大坝的工作状态，提出不同坝段工作变模的初值，然后根据坝基监测资料进行反演修正，得到最终的坝基工作变形模量。

考虑到大坝浇筑、蓄水后，在坝基岩体上增加了较大工作荷载，坝基一定范围内岩体的变形特性可能存在向好变化的趋势。综合坝基岩地质条件、固结灌浆效果等因素，拟定了溪洛渡大坝工作状态下坝基岩体的变形模量初值(表4)。根据钻孔电视资料，14#坝段岩体完整性较好，灌浆处里效果好，故变形模量建议值适当取高值；16#坝段坝基局部岩体较为破碎，岩体灌浆效果较差，灌浆后变形模量最低(0～5 m段为9.5 GPa，5 m以下为12.0 GPa)，因此在大坝浇筑、蓄水后坝基岩体变形模量取低值。同样，对其他坝段坝基岩体的变形模量也提出了建议值。这些建议值均在基于大量试验、监测资料确定的各级岩体变形模量建议值范围内(表2)。

表4 坝基岩体工作变形模量建议值

为了了解溪洛渡高拱坝坝基岩体的变形情况，在14#,16#,18#坝段布置了3 支多点位移计，各位移计分别从2009 年9—11月份开始工作。运用表4提出建议值进行数值模拟得到的坝基岩体位移与多点位移计实测的结果对比表明，两者量级相当、规律相似(见图3)。说明模型的主要计算参数变形模量是合理的。因此，表4中的坝基岩体变形模量可作为相应坝段坝基岩体的工作变形模量用于分析计算等。

图3 监测值与模拟值的比较[10]

3.3 对比分析

为了得到直观认识，对坝基岩体的基本变形模量、改良变形模量、工作变形模量进行对比分析，改良变形模量和工作变形模量见表5。

表5 变形模量对比

一般而言，通过固结灌浆后，以Ⅲ1级岩体为主的坝基，5 m以下岩体改良变形模量可达到Ⅲ1级下限和Ⅲ2级上限的初始变形模量，表层5 m岩体的改良变形模量均落在Ⅲ1级初始变形模量范围内；由于大坝荷载作用，工作变形模量多达或略高于改良变形模量的上限，达到Ⅱ级岩体的初始变形模量中下限值。

4 结 语

(1)考虑高拱坝坝基开挖、施工等全过程中坝基岩体所经历的卸荷扰动、灌浆加固、大坝运行加载等多种作用，提出了大坝运行状态下坝基岩体综合变形模量的取值思路。在岩体质量分级与试验工作的基础上，可得到坝基岩体的基本变形模量；利用坝基开挖、固结灌浆后的声波检测资料，通过E0-Vp关系可得到改良或扰动后的变形模量；然后，在综合坝基地质条件、灌浆改良效果以及工作荷载作用特点等，可以给出大坝工作状态下坝基岩体的变形模量。

(2)采用该思路，对溪洛渡高拱坝河床坝基的变形模量进行分析，得到大坝工作状态下，河床坝基岩体的变形模量在11～14 GPa之间。数值模拟分析成果与多点位移计监测结果一致，说明该方法具有一定的可靠性。

需要指出的是，高拱坝坝基岩体地质条件、灌浆加固机理、运营期受力状态复杂，因此客观评价大坝坝基岩体工作状态变形模量具有很大难度，本文基于溪洛渡工程进行了初步探索，谬误之处请批评指正。

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