摘要：块泽河水电站大坝为现浇混凝土单曲高拱坝，本文针对块泽河电站大坝基础工程和水文地质情况及坝基应力特点，对存在的对坝基不利的地质缺陷采用了拱梁分载法程序、有限元法法对大坝进行了抗滑稳定安全计算与分析，并根据计算成果设计出包括传力洞、河床垫座、混凝土置换处理、接触灌浆、固结灌浆、防渗帷幕、排水系统和边坡支护等基础处理方案。
关键词：抗滑稳定计算；基础处理；传力洞；灌浆；帷幕；排水；支护
1引言
块泽河水电站枢纽建筑物位于云南省富源县富村镇块泽河河段内，电站装机3.6万kw，拦河坝为混凝土单曲拱坝，高94m（1490～1584m），后经优化设计降为86m（1498～1584m）。
坝区河谷狭窄，两岸谷坡陡峻，临河坡高120m以上，两岸谷坡70°以上，大致成对称“U”型河谷，河谷宽高比约为0.3，河流以N51°W流经建筑物区。坝基（肩）岩体主要由二叠系下统茅口组（P1m）巨厚层状隐晶质灰岩、白云质灰岩及薄层炭质灰岩组成，产状N82°E/NW∠10°，倾向下游略偏左岸。地层连续，岩石致密坚硬，单轴抗压强度70～90MPa，属坚硬岩，表层岩体为弱风化。坝肩存在f5～f8四条较大的溶蚀裂隙。节理裂隙主要发育有6组：
（1）S15～30°E/SW∠65～80°，2～5条/m，密集带8～13条/m，充填黄色钙膜、方解石，为闭合微节理，结构面大部较平滑；密集带发育为溶蚀裂隙，分布普遍，产状稳定；
（2）N30～45°E/NW∠83～88°，大部分1mm以下，闭合，1～3条/m。
（3）S30～40°W/SE∠54～60°，基本倾向河床偏下游，宽2mm，1～3条/m，延伸远；
（4）N13～16°W/NE∠66～69°，宽度1～3mm，间距大于3m；
（5）N37～40°E/SE∠86～89°，宽2mm以上，微张～闭合，结构面粗糙；
（6）S20～30°E/NE∠8～13°，为岩石层面，垂直面间距50～100cm。
2主要工程地质问题
坝基(肩)岩体Ⅱ级岩体主要分布在坝肩拱座7m以外，岩体呈巨厚层、次块状结构，变形模量在18GPa以上，抗滑变形稳定性较高；Ⅲ-1级岩体则分布在大坝开挖建基面，岩体呈中厚层～巨厚层结构，结构面中等发育～较发育，变形模量为10～12GPa。基础面分布有倾向下游的缓倾角结构面，两坝肩均存在陡倾角张拉裂隙和溶蚀裂隙（断层）。
2.1溶蚀裂隙（断层）影响带
左坝肩最主要问题是张开裂隙（尤其是f7）的影响，裂隙f7宽15～40cm；右坝肩则是溶蚀断层（f5）的影响，上部宽（3m）下部窄（15～30cm）。裂隙（断层）内充填角砾岩、钙质、粘土及次生泥，裂隙两壁岩体坚硬完整，基本无破坏；并有溶洞、钟乳石等溶蚀痕迹。f7下部发育到坝肩中部（1530m高程）基本尖灭，形成上宽下窄的现象；f5则一直发育到河床以下；两条裂隙都有局部中空的地质现象。综合以上地质情况，推断f7为带有溶蚀性质的卸荷张拉裂隙，f5为溶蚀断层。f7距拱座仅有9～13m，f5距离拱座26～45m，仍属拱端持力层，对拱坝坝肩稳定、变形、渗透均可能发生不利影响，需研究采取工程处理的必要性和可靠的处理措施。
2.2坝基渗漏
坝区地下水类型为岩溶水和裂隙水，地下水补给河水，岩溶发育受块泽河最低侵蚀基准面控制，岩溶发育较深。坝区灰岩地层为一个含水层单元，构造裂隙有利于岩溶发育，坝基岩溶裂隙水多沿构造溶蚀裂隙涌出；坝肩则主要在岩溶裂隙及构造裂隙中运动，其次是沿断层破碎带的溶蚀裂隙涌出。钻孔压水成果表明岩体透水性由于岩溶及构造影响具有不均一性，在强透水带内因局部岩层完整而呈弱透水岩段，弱透水带内因局部有断层及岩溶分布而现强透水岩段。地下水随高程和水平埋深增加而逐渐抬高，但因岩溶的不规则分布，使坝区岩体渗透变得复杂化，左坝肩在距拱座140～150m与45～55m及9～13m处有溶蚀大裂隙、溶洞和右坝肩在距拱座26～50m处出现f5，水力坡度出现凹槽现象。两坝肩最主要的渗漏问题是溶蚀裂隙f5～f8与溶洞形成的渗水通道；坝基浅部岩体裂隙较发育，在河床中、左岸128m内找不到连续小于1Lu的相对抗水层；第（1）组顺河节理密集带与第（6）组水平层面是坝基渗漏主要通道。为降低渗压、提高坝肩稳定安全度，须对坝基渗漏问题进行研究，并采取可行的处理措施。
3坝肩抗滑稳定计算
针对存在的对坝基不利的地质缺陷，采用拱梁分载法程序、有限元法法对f5与f7进行了抗滑稳定安全分析，地质参数取值为摩擦系数f=0.4，粘结力C=150KPa，水平状结构面f=0.6，C=200KPa，但在计算中应适当把参数放小。
3.1拱梁分载法
3.1.1抗滑稳定模型建立
f7产状为N10～40°W/SW∠72～83°，计算时取f7走向与坝轴线切线方向交角48.2°，距离拱座5m，倾角78°，摩擦系数f=0.17，粘结力C=18KPa。f5产状为N85°W/NE∠85°。计算时取f5走向与坝轴线切线方向交角64.7°，距离拱座12m，倾角85°，摩擦系数f=0.14，粘结力C=15KPa。根据以上情况,利用ANSYS中三维CAD构建出的坝肩滑移体，见图1。
图1左右岸坝肩滑移体形图
滑移体设定为由断层、坝轴线切线切割面、开挖面、岸坡面、1510m高程水平面和1590m高程水平面构成。1590m高程水平面以上的岩体对以下岩体的作用不予考虑，作为安全储备，因为后面的计算不考虑扬压力对滑移面的作用。坝轴线切线切割面认为是自由面，无荷载作用。f7断层对应的滑移体体积为60741m3，f5断层对应的滑移体体积为69830m3。
3.1.2计算工况及计算原理
考虑到温升对稳定不利，温降对稳定有利，选取设计+温升和校核+温升两个工况计算。计算公式如下：
3.1.3抗滑稳定安全系数K值的计算成果及分析
表1设计+温升工况下左岸坝肩K值计算表
表2设计+温升工况下右岸坝肩K值计算表
表3校核+温升工况下左岸坝肩K值计算表
表4校核+温升工况下右岸坝肩K值计算表
由坝肩滑移体图1看，直观感觉右岸滑移体的抗滑稳定安全系数应比左岸滑移体的抗滑稳定安全系数小，但计算结果却相反。仔细分析，计算结果是合理的。一方面右岸拱端推力与断层f5走向交角较大（为64.7°，左岸为48.2°），导致断层面上的滑动力投影小；更重要的方面是f5距坝肩远（12m）、倾角大（85°），它构成的滑移体体积大，水平岩层抗剪面也大。而f7距坝肩近（5m）、倾角小（78°），它构成的滑移体体积小，水平岩层抗剪面也小。
由表中计算成果可知，对于坝体强度，最大拉应力相对接近于控制标准，而最大压应力距控制标准较远；坝体强度和坝肩抗滑稳定满足规范要求，针对计算工况，坝体是安全的。
3.2有限元法
计算的滑移体模型、抗滑稳定安全系数K值的计算公式和参数取值与拱梁分载法相同。区别在于拱梁分载法的阻滑力和滑动力采用拱梁分载法计算的拱梁端力投影得到，有限元法则直接采用有限元计算的滑动面上的正应力和剪应力求和得到。计算工况与拱梁分载法一样选取设计+温升和校核+温升两工况计算。
3.2.1计算方法
利用ANSYS中后处理的路径功能和局部坐标输出功能，在滑移体的竖向断层面和水平滑动面上分别作几条路径。将路径上的法向正应力和剪应力映射上去，并分别求其均值，与作用面积相乘，得到作用在滑动面上的总法向力和剪力，根据抗滑稳定计算公式求得安全系数。
3.2.2计算成果及分析
表5设计+温升工况下左右岸坝肩K值计算表(应力单位：KPa)
表6校核+温升工况下左右岸坝肩K值计算表(应力单位：KPa)
由计算结果可看出，利用有限元法求出的抗滑稳定安全系数与拱梁分载法求得的相差不大，均满足规范要求。但两裂隙都有局部中空或充填粘土的地质现象，仍存在压缩变形的可能，为加大安全系数，并解决两裂隙与拱座间岩体节理密集带的压缩变形，研究采取了传力洞的加固措施。
4处理研究与方案
4.1坝肩处理
根据计算成果并结合坝肩断层特点，并考虑坝肩卸荷的影响，确定在两坝肩拱座对称开挖传力洞并回填混凝土。传力洞深度不一，以穿过断层2～5m为原则，传力洞断面均为城门洞形。并对传力洞先进行混凝土浇筑，再进行回填灌浆和固结灌浆，以固结爆破引起的松动岩体。共布置10条传力洞，左右坝肩各5条，传力洞配筋。
4.2坝基基础处理
4.2.1河床垫座处理
古河床为一楔形深槽，高程为1495～1507m，若拱坝河床建基面置于原设计图纸1490m高程上，将大大增加坝体混凝土量和坝基开挖量，且将增大水推力，不利于坝肩稳定，是不经济和不合理的。经过相关地质与水工专家论证与工况计算，并结合地形地质情况，采用开挖到基岩后即可作为建基面，抬高基础建基面，加大纵向基础宽度，对加宽的河床深槽使用混凝土回填。
4.2.2坝基固结灌浆处理
固结灌浆的目的是解决坝基浅层因开挖爆破和应力松驰造成的岩体损伤。坝基岩体类型大部为Ⅲ类，微风化上限，结构面中等发育～较发育，且薄层结构面充填泥质。在整个大坝建基面均进行固结灌浆处理，各坝段内固结灌浆孔按径向梅花形布置，在坝体基础部位孔距和排距均为2米，孔深度为8～10m；下游垫座部份孔距和排距均为3米，深度为5米。为保证坝内冷却水管不被破坏，坝内固结灌浆均采用埋管的方式。
4.2.3防渗处理
1.帷幕的布置。在大坝基础范围内，帷幕中心线基本平行拱坝轴线，左、右岸在不同高程分别伸入拱座山体内，形成防渗帷幕。帷幕中心线即为基础廊道或灌浆平洞的中心线，灌浆孔为倾向上游87°的斜孔，孔位距坝体横缝不小于0.5米。
2.帷幕控制标准及排数。根据坝高，按照拱坝规范确定帷幕控制标准：帷幕采用单排孔，孔距为2m，溶蚀裂隙f5～f8与溶洞及节理密集带做加密布孔或增加帷幕排数，如灌砂浆封堵不住，可扩大孔径直接灌入混凝土后再进行灌浆。透水率要求ω≤3Lu。
3.孔深确定。孔深根据渗透地质剖面并按经验公式H/3+（8～25）确定（式中H为上游水深）。拱冠剖面帷幕在基岩内最大深度为65m。
4.帷幕衔接。左、右岸帷幕均分别在1584、1535、1520m高程灌浆廊道内进行，其上、下层帷幕的连接采用在廊道上游侧设置浅孔，浅孔深度11m，孔距2m；且在上层帷幕下部孔与下层帷幕上部孔重叠5m，灌浆压力为1.5～2.0MPa。
5.帷幕次序。灌浆帷幕分三序钻孔并按次序进行灌浆：Ⅰ序孔孔距8m，Ⅱ序孔孔距4m，Ⅲ序孔孔距2m。
6.灌浆压力。根据地质情况和承受水头的大小综合考虑，分区设计，各次序各灌浆段的设计灌浆压力在1～3MPa；对断层破碎带及结构面发育的地方如灌性不好，可采用高压或打斜孔灌浆，灌浆压力为5MPa左右。
4.2.4排水处理
基础排水按工程部位分大坝基础排水系统和抗力体排水系统两部分组成。大坝基础排水系统由排水幕、坝内集水井和深井泵组成；抗力体排水系统利用灌浆廊道支洞，采用自流式排水。
4.2.5接触灌浆处理
在拱坝横缝及建基面岸坡由于混凝土有一定程度的收缩而产生缝隙，须通过接触灌浆进行封闭。
（1）结合固结灌浆。在需要进行接触灌浆的部位，先进行2.0m基岩以下固结灌浆，2.0m以上的固结灌浆在浇筑坝体混凝土前，采用预埋1英寸钢管引至下游贴角，待混凝土浇筑到一定高程，且当混凝土冷却到稳定温度后，按固结灌浆压力或稍大于固结灌浆压力进行浅层固结灌浆和接触灌浆。
（2）结合帷幕灌浆。在需要进行接触灌浆部位的帷幕灌浆轴线上，待坝体基础廊道形成后，上部坝体混凝土浇筑到一定高度且混凝土冷却到稳定温度后，在基础廊道实施帷幕灌浆。其浅表段可作为接触灌浆，灌浆压力按帷幕灌浆压力即可。
5结束语
通过块泽河电站大坝基础处理的工作，笔者认为要做好大坝基础处理，须深入分析研究坝址地区的工程地质和有关试验资料；广泛收集其他高拱坝基础处理的经验，尤其是观测反馈资料。并针对坝基特有的不良地质缺陷，初拟各种可能的基础处理方案，在此基础上，进一步通过数值分析、模型试验等手段，进行应力、变形、整体稳定和渗流的分析，最终确定合理、经济的处理方案。
参考文献
[1]块泽河电站拱坝结构安全分析苏志敏昆明理工大学电力工程学院2005年8月
[2]沙牌水电站拱坝基础处理研究赵永刚水电站设计第19卷第4期2003年12月
[3]混凝土拱坝设计规范（SD145-84）水利电力部水利电力出版社1985年
[4]工程地质计算和处理潘家铮主编水利电力出版社1985年
