石廣斌,賈 巍,張曼曼

(1.西安建筑科技大學(xué),西安 710054;2.中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司,西安 710065;3.西安理工大學(xué),西安 710048)

文章編號(hào)：1006—2610(2015)01—0034—04

公伯峽水電站進(jìn)水口壩段基礎(chǔ)水平位移監(jiān)測值異常原因分析

石廣斌1,2,3,賈 巍2,張曼曼2

(1.西安建筑科技大學(xué),西安 710054;2.中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司,西安 710065;3.西安理工大學(xué),西安 710048)

公伯峽水電站進(jìn)水口為擋水建筑物，水庫蓄水運(yùn)行后，發(fā)現(xiàn)5號(hào)進(jìn)水口倒垂觀測值有異常現(xiàn)象；為了深入分析5號(hào)進(jìn)水口倒垂觀測點(diǎn)向下游變位較大的原因，本次從分析進(jìn)水口壩段基礎(chǔ)地質(zhì)條件著手，并借助數(shù)值方法，分析是否存在深層抗滑的可能性和向下游水平變位較大的原因。

公伯峽水電站；進(jìn)水口；擋水建筑物；水平變形；異常

0 前 言

黃河公伯峽水電站工程位于青海省循化撒拉族自治縣和化隆回族自治縣交界處，距循化縣城25 km，距西寧市153 km。距上游李家峽水電站76 km，該電站是黃河干流上游龍羊峽至青銅峽河段中第4座大型梯級(jí)電站。本工程樞紐主要由大壩、引水發(fā)電系統(tǒng)和泄水建筑物三大部分組成。樞紐布置格局為：河床鋼筋混凝土面板堆石壩(壩高132.20 m)，右岸引水發(fā)電系統(tǒng)(由引渠、5個(gè)混凝土壩式進(jìn)水口、5條壓力鋼管)，左右岸泄洪洞，左岸溢洪道，左右岸灌溉取水口及右岸混凝土面板防滲系統(tǒng)。

2004年8月8日工程下閘蓄水，庫水位基本維持在2 003.00 m左右，水庫蓄水1年多后，發(fā)現(xiàn)5號(hào)進(jìn)水口倒垂觀測有異?，F(xiàn)象，該觀測儀器位于5號(hào)進(jìn)水口灌漿廊道(樁號(hào)引左0+094 m、高程1 961.00 m)，經(jīng)分析觀測資料，至2012年5月24日量測到向下游的水平位移分量最大變位7.6 mm。其它倒垂測點(diǎn)向下游變位在2.5～3.5 mm之間，并呈周期性變化。

根據(jù)竣工安全鑒定的要求，2007年6月，中國水電顧問集團(tuán)西北堪測設(shè)計(jì)研究院根據(jù)施工階段地質(zhì)揭露的實(shí)際斷層出露情況，對5號(hào)進(jìn)水口和臨近的3、4號(hào)進(jìn)水口壩段基礎(chǔ)深層抗滑穩(wěn)定進(jìn)行復(fù)核，采用安全系數(shù)法，計(jì)算的抗剪安全系數(shù)和抗剪斷安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求，采用承載能力極限狀態(tài)法的計(jì)算結(jié)果也滿足規(guī)范要求。因此，為了更深入分析5號(hào)進(jìn)水口倒垂觀測點(diǎn)向下游變位較大的原因，本次從分析進(jìn)水口壩段基礎(chǔ)地質(zhì)條件著手，并借助數(shù)值方法，分析是否存在深層滑移的可能性和向下游水平變位較大的原因。

1 工程地質(zhì)概況

發(fā)電進(jìn)水口壩段位于右岸Ⅲ級(jí)階地中下游段，原地面高程2 030.00～2 045.00 m，上覆階地堆積物具二元結(jié)構(gòu)，其中上部砂壤土層厚25～30 m，下部砂卵礫石層厚20～30 m，覆蓋層總厚45～55 m。

下伏基巖主要為花崗巖，局部夾有少量片麻巖捕虜體；巖體中斷裂構(gòu)造較發(fā)育。基巖頂部大多呈古全、強(qiáng)風(fēng)化，古全風(fēng)化層鉛直厚5～20 m，古強(qiáng)風(fēng)化層厚10～28 m，壩基范圍內(nèi)古強(qiáng)風(fēng)化下限高程在1 955.00～1 965.00 m之間。

開挖后揭露出的控制3、4和5號(hào)進(jìn)水口壩段的斷層型結(jié)構(gòu)面主要是f13、f14、f15和f19，且以緩傾角斷層f13、f14為主。盡管各斷層的寬度不大，斷層帶以硬性粗碎屑為主，但其中夾有糜棱質(zhì)和泥質(zhì)。5號(hào)進(jìn)水口壩段基礎(chǔ)斷層型結(jié)構(gòu)面分布如圖1。

圖1 基礎(chǔ)斷層型結(jié)構(gòu)面分布圖

1號(hào)進(jìn)水口上游齒墻基礎(chǔ)高程為1 952.00 m，基礎(chǔ)面高程為1 955.00 m，2號(hào)進(jìn)水口上游齒墻基礎(chǔ)高程為1 955.00 m，基礎(chǔ)面高程為1 958.00 m，3～5號(hào)進(jìn)水口上游齒墻基礎(chǔ)高程為1 958.00 m，基礎(chǔ)面高程為1 961.00 m。地基允許承載力3.0 MPa。

2 數(shù)值分析模型

2.1 數(shù)值分析模型的建立依據(jù)

由開挖揭露基礎(chǔ)斷層型結(jié)構(gòu)面分布分析，f14的產(chǎn)狀為NE6°SE∠24°，進(jìn)水塔的走向?yàn)镹W71°，其下游斜坡的產(chǎn)狀為NW90°E∠24°，f14可從在進(jìn)水塔下游開挖的斜坡上出露；f15的產(chǎn)狀為SNE∠48°，在進(jìn)水塔下游開挖的斜坡上不可能出露。因此，基礎(chǔ)由可能從f14發(fā)生深層滑動(dòng)。

從整個(gè)基礎(chǔ)面開挖揭露斷層、節(jié)理分布情況來看，基礎(chǔ)面上沒有貫穿上下游的不連續(xù)巖體結(jié)構(gòu)面，但在考慮巖體裂隙有一定的連通率后，可以假定f14斷層在4號(hào)與5號(hào)進(jìn)水塔之間被一個(gè)垂直的結(jié)構(gòu)面切開，這樣的假定具有一定的偏安全性。

根據(jù)以上分析，建立的5號(hào)進(jìn)水塔整體穩(wěn)定分析數(shù)值單元離散模型如圖2，圖3是f14在基礎(chǔ)上斜切展示圖。塔體、地基均用塊體單元模擬，地基接觸面和f14斷層用接觸單元模擬。計(jì)算模型取下游、

圖2 模型單元離散圖

圖3 f14斜切圖

左右及深度方向約為2倍塔高范圍的無質(zhì)量地基，以反映地基彈性影響。模型中的x軸指向下游，y軸指向豎直向上，z軸指向右岸。

2.2 進(jìn)水塔基礎(chǔ)和結(jié)構(gòu)面物理力學(xué)指標(biāo)

根據(jù)塔基開挖揭露的地質(zhì)條件，巖體類別為Ⅱ2類，綜合變形模量取4.0 GPa，軟化系數(shù)取0.75。f14斷層的寬度不大，斷層帶以硬性粗碎屑為主，但其中局部夾有糜棱巖和泥質(zhì)，壩基開挖后表面巖體卸荷回彈松弛，結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度參數(shù)較天然狀態(tài)會(huì)有變化。但考慮到施工期基礎(chǔ)固結(jié)灌漿的補(bǔ)強(qiáng)和電站運(yùn)行多年來壩體自重的壓密等因素，經(jīng)綜合考慮，f14斷層結(jié)構(gòu)面抗剪斷綜合強(qiáng)度參數(shù)為：f=0.40，c=0 MPa；f′=0.50，c′=0.025 MPa；壩基面混凝土/巖體f=0.65，f′=0.70，c′=0.3 MPa。

3 數(shù)值分析結(jié)果

3.1 塔基、塔體變形

數(shù)值計(jì)算分析工況為完建工況、正常運(yùn)行工況和檢修工況，3種工況下塔基面順?biāo)鞣较蜃畲笞冃畏謩e為1.40、8.02、8.16 mm；豎向最大沉降變形分別為10.66、17.27、16.13 mm。正常運(yùn)行工況塔基順?biāo)鞣较蜃冃畏植既鐖D4。3種工況豎向最大變形均位于下游，正常運(yùn)行工況和檢修工況基面順?biāo)鞣较虻淖畲笾滴挥跀鄬觙14附近，并且靠左邊，這和在塔體重力作用下斷層f14接觸面滑動(dòng)趨勢是一致的。正常運(yùn)行工況和檢修工況塔基面靠上游(灌漿廊道附近)的順?biāo)鞣较蜃畲笞冃渭s6.9 mm。截至2012年5月24日，5號(hào)倒垂測點(diǎn)最大變位7.6 mm，與計(jì)算值相差0.7 mm，基本一致。

圖4 正常運(yùn)行工況塔基順?biāo)鞣较蜃冃螆D 單位：m

3種工況下塔頂面順?biāo)鞣较蜃畲笞冃畏謩e為2.54、17.9、16.89 mm；豎向最大沉降變形別為9.01、13.50、12.58 mm。正常運(yùn)行工況塔體順?biāo)鞣较蜃冃畏植既鐖D5。截至2012年5月24日，5號(hào)正垂測點(diǎn)最大變位15.7 mm，與計(jì)算值相差2.2 mm，基本一致。

由上述計(jì)算值的分布以及其與監(jiān)測值之間的比較分析可得，數(shù)值計(jì)算值與監(jiān)測值變化趨勢一致，數(shù)值也基本接近。初步分析認(rèn)為，5號(hào)測點(diǎn)測得的向下游水平方向變形可能與f14的切割體離下游邊坡臨空面較近和切割體單薄存在一定的關(guān)聯(lián)。切割體的最大厚度約9.0 m。

圖5 正常運(yùn)行工況塔體順?biāo)鞣较蜃冃螆D 單位：m

塔體澆筑完成后，上游灌漿廊道處順?biāo)鞣较虻淖冃螢?.6～1.4 mm，正常運(yùn)行工況即蓄水后上游灌漿廊道處順?biāo)鞣较虻淖冃渭s為6.9 mm，而倒垂測點(diǎn)值為7.6 mm；正常運(yùn)行工況即蓄水后塔頂順?biāo)鞣较虻淖冃螢?5.4～17.9 mm，減去蓄水前的變形2.4 mm,而正垂測點(diǎn)2012年5月24日最大變位15.7 mm，在水庫蓄水初期即到2006年4月測點(diǎn)變位達(dá)到11.7 mm，兩者相比，數(shù)值計(jì)算值與監(jiān)測值變化趨勢一致，數(shù)值也基本接近。因此，初步分析認(rèn)為，5號(hào)測點(diǎn)測得的向下游水平方向變形可能與f14的切割體離下游邊坡臨空面較近和切割體單薄存在一定的關(guān)聯(lián)。

3.2 塔基穩(wěn)定分析

3.2.1 塔基面抗滑穩(wěn)定分析

3種工況下塔基面豎向最大壓應(yīng)力分別為1.30、1.47、1.54 MPa，沒有超過地基承載力允許值3.0 MPa，基面上的法向應(yīng)力即豎向應(yīng)力均為壓應(yīng)力，正常運(yùn)行工況豎向應(yīng)力分布如圖6。正常運(yùn)行工況和檢修工況基面豎向壓應(yīng)力的最大值靠近下游。

圖6 正常運(yùn)行工況塔基面法向應(yīng)力圖 單位：MPa

塔基接觸面處于受壓狀態(tài)，幾乎沒有張開，滑動(dòng)變形很小，最大只有3.0 mm，絕大部分區(qū)域在1.0 mm以下，塔基接觸面狀態(tài)如圖7。

由塔基面法向應(yīng)力分布和塔基接觸面狀態(tài)情況可知，塔基面抗滑穩(wěn)定是滿足要求的。

3.2.2 深層即f14結(jié)構(gòu)面抗滑穩(wěn)定分析

3種工況下f14結(jié)構(gòu)面處于受壓狀態(tài)，幾乎沒有

圖7 正常運(yùn)行工況塔基接觸面狀態(tài)圖

張開，滑動(dòng)變形很小，最大只有6.8 mm，主要位于進(jìn)水塔的后緣即壩踵處附近，而上下游的頂?shù)锥嘶緸?，這主要是荷載作用下的擠壓變形，接觸面狀態(tài)如圖8。由f14結(jié)構(gòu)面法向應(yīng)力分布和接觸面狀態(tài)情況可知，深層即f14結(jié)構(gòu)面抗滑穩(wěn)定是滿足要求的。同時(shí)從計(jì)算過程來看，計(jì)算不僅收斂，而且速度還是較快的，如圖9，這也同樣說明深層即f14結(jié)構(gòu)面抗滑是穩(wěn)定的。

圖8 正常運(yùn)行工況f14結(jié)構(gòu)面主要滑動(dòng)變形發(fā)生位置圖

圖9 收斂過程圖

4 結(jié) 語

(1) 通過數(shù)值分析，塔基和f14不連續(xù)結(jié)構(gòu)面均處于受壓狀態(tài)，滑移變形很小，基本上是荷載作用下結(jié)構(gòu)體本身變形所引起的，收斂計(jì)算也很快，由此說明塔基面和f14斷層的深層抗滑穩(wěn)定均滿足要求。

(2) 通過數(shù)值計(jì)算值與監(jiān)測值變化趨勢分析，認(rèn)為5號(hào)進(jìn)水口倒垂觀測值出現(xiàn)偏大可能與f14的切割體離下游邊坡臨空面較近，也可能與切割體單薄存在一定的關(guān)聯(lián)。

[1] 西北勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司.黃河公伯峽水電站樞紐工程右岸進(jìn)水口閘基工程地質(zhì)報(bào)告[R].2006,12.

[2] 西北勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司.黃河公伯峽水電站右岸進(jìn)水口壩段工程地質(zhì)勘察報(bào)告[R].2012,3.

[3] 西北勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司.黃河公伯峽水電站進(jìn)水口壩段基礎(chǔ)深層抗滑穩(wěn)定復(fù)核專題報(bào)告[R].2012,10.

[4] 石廣斌.黃河公伯峽水電站進(jìn)水口壩段基礎(chǔ)深層抗滑穩(wěn)定數(shù)值分析報(bào)告[R].2012,12.

Analysis on Causes of Abnormal Monitoring Data of Horizontal Displacement of Foundation at Power Intake Section, Gongboxia Hydropower Station

SHI Guang-bin1,2,3, JIA Wei2, ZHANG Man-man2

(1. Xi'an University of Architecture and Technology, Xi'an 710054,China; 2. POWERCHINA Xibei Engineering Corporation Limited,Xi'an 710065,China; 3. Xi'an University of Technology, Xi'an 710048,China

The power intake of Gongboxia Hydropower Station is of the water-retaining structure. After the reservoir is impounded and operates, the monitoring data of the inverted plumb of the power intake No. 5 are found abnormal. To analyze deeply the abnormal data which shows the displacement of the monitoring point of the inverted plumb at the power intake No. 5 toward downstream is a little great, whether possibility of deep sliding resistance and causes of the greater displacement toward downstream are analyzed from the geological conditions of the foundation at the power intake dam section and with help of value method as well.

Gongboxia Hydropower Station; power intake; water retaining structure; horizontal deformation; abnormal

2014-06-10

石廣斌(1968- ),男,安徽省蕪湖市人,教授，博士,主要從事地下工程、邊坡工程和混凝土結(jié)構(gòu)工程等方面的教學(xué)科研工作.

TV698.1

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2015.01.009