壩肩

壩肩岩體穩定是拱壩安全的根本保證。壩肩岩體失穩的最常見的形式是壩肩岩體受荷載后發生的滑動破壞。另一種情況是當壩的下游岩體中存在著較大的軟弱帶活斷層時，即使壩肩岩體抗滑穩定能夠滿足要求，但過大的變形仍會在壩體內產生不利的應力，同樣會給工程帶來危險，應當盡量避免。

1.1工程概況

爐坪水庫電站位於福建省閩清縣省璜鎮谷口村的梅溪上游。梅溪為閩江一級支流，幹流全長78.6km，全流域面積956km2。本電站壩址以上流域面積18.7km2，水庫總庫容216萬m3，電站總裝機1.2MW，攔河壩為漿砌石拋物線拱壩，壩頂弧長144.38m，壩頂寬2.5m，最大壩高31.88m，表孔自由溢流面凈寬30m，正常蓄水位478.00m，設計洪水位479.96m，校核洪水位480.38m，大壩為Ⅳ等工程4級建築物。攔河壩於2001年9月動工，2002年7月完工。

1.2壩址地形、地質條件

壩址河流流向為N20°E，地形呈“V”字型，左岸坡度為40～45°,右岸30～38°，正常蓄水位時，河寬85m。工程區位於福建省東部戴雲山脈東北部，福安—南靖北東向斷裂帶東側，浦城—永泰南北向斷裂東面8～12km，地質構造以微弱的垂直差異升降為主，壩址分佈地層為侏羅系上統南園組第二段英安質凝灰熔岩，右岸455.00～473.00m高程基岩出露，第四系坡殘積層分佈左、右岸473.00m高程以上。壩址主要發育斷裂構造有：產狀N20～40°E，NW∠70～80°，寬0.5～1.0m，充填構造角礫岩。節理主要為N15～20°W，NE∠65～70°，局部以節理密集帶形式出現，節理均有不同程度的張開，充填風化岩屑。

1.3壩基開挖及問題提出

由於某種原因，初設時未進行工程鑽探，僅在左、右岸布置平硐及探槽進行揭示，2001年10月當壩基開挖揭露時，發現右岸473.00m高程以下（包括河床）岩石完整新鮮，岩體為Ⅰ～Ⅱ類，而右岸473.00m高程以上岩石相對破碎，且風化較嚴重。按原開挖圖往山體超挖2～3m，岩石仍無明顯改善，建基面僅達強風化下限～弱風化上限，呈Ⅲ～Ⅳ類岩體。就此情況，當時提出了兩種方案，一種是採用重力墩方案，一種則是對壩肩進行複核處理。為了節省投資、縮短工期，最終選用了複核處理方案。

2.壩肩穩定複核

2.1調整拱壩幾何尺寸

通常在擬定拱壩的幾何尺寸時，一般都是在邊界條件確定的情況下，通過計算壩體各點應力，使應力滿足規範要求的前提下，儘可能地減少壩體工程量。該工程由於右岸473.00m高程以上建基面為Ⅲ～Ⅳ類岩體，在調整壩體的幾何尺寸時，考慮以下因素，一是儘可能使之有利於壩肩的穩定複核及應力要求，根據拱中心角與推力關係曲線（《水工手冊》圖22-3-11），調整時擬定幾組中心角進行試算，試算結果顯示中心角在75～80°之間對壩肩推力最為有利；二是根據壩肩岩體承載力，拱壩肩考慮適當加厚，使之滿足岩體承載力。經應力計算，原壩體幾何尺寸調整如表1所示。

表1調整后拱壩主要參數

高程480.38478.00473.00467.00461.00455.00451.00448.50

拱冠厚度（m）2.52.84.1595.0185.5056.1176.8417.500

左拱厚度（m）2.52.84.7836.0226.8817.6468.5519.315

右拱厚度（m）2.52.84.3675.5206.6057.3407.8678.250

拱冠左曲率半徑（m）69.15069.00062.28254.93348.45042.92439.81838.125

拱冠右曲率半徑（m）69.15069.00062.76656.01450.14245.23942.55341.125

左中心角（°）41.32339.80639.58737.72834.66131.69022.50916.785

右中心角（°）40.71039.80639.47837.76933.50926.94921.19416.907

左中心弧長（m）67.91063.59256.87846.42336.00528.09816.96111.672

右中心弧長（m）66.18763.59257.06147.41735.48723.95616.90512.690

2.2右壩肩穩定複核

①穩定計算

根據開挖揭示，右壩肩473.00m高程以上建基面雖然相對破碎，但未發現有明顯的滑動面，而且本壩高不高，因此選用“所需堅岩線法”進行計算，計算成果見表2。

表2最小堅岩線長度表

高程480.38478.00478.00473.00473.00467.00467.00461.00461.00455.00455.00451.00451.00448.50

摩擦係數0.80.80.91.01.11.11.1

凝聚力（MPa）0.70.70.80.91.01.01.0

單位高推力合力（KN/m）1196.627779.1251844.5124395.1655942.2906264.0835436.021

拆減后張開面滲水壓力（KN/m.m）11.9036.9066.9096.69126.90146.90159.40

穩定安全係數4444444

最小堅岩線長度（m）α=05.8314.3659.67415.36317.48521.48624.387

α=56.5425.36710.02316.45119.96822.03125.763

α=107.8436.49511.30117.58619.96322.69526.841

α=158.4757.01311.96818.01320.75623.03527.151

α=209.0038.42712.03118.75621.05123.84327.654

表中計算公式為：

l=[KH-f’(V-U)]/c’

其中：l—計算所需堅岩線長度，m

K—穩定安全係數

H—計算滑動面切向力，KN

V—計算滑動面法向力，KN

U—張開面滲水壓力，KN

f’—摩擦係數

c’—凝聚力，MPa

②穩定分析

據表2計算結果，按比例分高程繪製在地形圖上即得所需堅岩線包絡圖（圖1～3），從圖1～3可見，包絡線均在基岩線內，故壩肩473.00m高程以上穩定滿足要求。

3.壩肩處理措施

根據穩定複核，右壩肩穩定滿足規範要求，但考慮到壩肩對拱壩的重要性，除了按常規採取帷幕、固結處理外，473.00m高程以上增加鋼筋砼墊座，鋼筋砼墊座厚900mm，上、下層配置Φ20@200的鋼筋網（見圖4），以增加該部的整體性，防止壩肩局部壓縮變形；同時沿壩肩的下游側設置二排Φ100排水孔（見圖4），間、排距均為1500mm，以減少壩肩的滲透壓力。經綜合處理，大壩自水庫蓄水以來尚未發現異常現象。

4.結束語

目前我國水利水電工程對拱壩的建基面要求是：高拱壩要求盡量置於新鮮或微風化岩體上，一般高拱壩和中等高拱壩盡量置於微風化或弱風化中部。而美國、日本及前蘇聯的規範中，沒有明確按基岩風化程度確定開挖深度。因此，筆者認為對於中等高以下的拱壩，其建基面只要滿足規範要求的穩定和承載力的安全係數前提下，經基礎處理，建基面可適當放鬆對岩體的要求。

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