论文部分内容阅读
1.浙江省水利水电勘测设计院 杭州 310002
摘要：本文主要介绍四川省白草河干流（松潘境内）梯级一级白羊水电站砼面板堆石坝抗震设计方法，可供地震区类似工程设计参考。
关键词：水电站；砼面板堆石坝；抗震设计
1 工程概况
白草河干流（松潘境内）梯级一级白羊水电站位于阿坝藏族羌族自治州松潘县境内，坝址地处会龙桥汇合口下游的白草河干流上，距北川县县城约78km。白草河干流（松潘境内）梯级一级白羊水电站工程任务为发电，兼顾下游生态用水。工程主要建筑物有拦河坝、泄洪洞、左右岸排沙洞、发电引水建筑物、发电厂房和升压站等。
2 工程等别和洪水标准
白羊水电站坝址以上集水面积914km2，水库校核洪水位1227.97m，总库容1941万m3，水库正常蓄水位1225.00m，电站装机容量30MW，工程等别为Ⅲ等，水库为中型水库，电站为小（1）型电站。
主要建筑物拦河坝为2级建筑物，泄水建筑物、排沙（放水）建筑物、发电引水建筑物、发电厂及升压站为3级建筑物。
主要水工建筑物砼面板堆石坝、泄洪洞、左岸排沙洞、右岸排沙洞以及发电引水建筑物进水口按100年一遇洪水设计，1000年一遇洪水校核；发电引水建筑物（除进水口外）、发电厂与升压站按50年一遇洪水设计，200年一遇洪水校核；消能防冲洪水重现期为30年一遇。
3 拦河坝地基特性和参数
3.1 拦河坝坝体地基特性及设计参数
坝体覆盖层为第四系全新统的残坡积层、崩坡积、崩积和冲洪积堆积物。基岩以绢云英千枚岩夹结晶灰岩为主，局部为结晶灰岩夹绢云英千枚岩，千枚岩具千枚状构造，千枚理发育，遇水易软化；结晶灰岩致密坚硬。坝址区未见区域性断层通过，其构造形式主要表现为层间挤压带及节理裂隙。坝址左岸发育f1断层，由压碎岩、石英脉、断层泥组成，宽15cm～25cm。PB1破碎带内岩石为炭质绢云英千枚岩，经坝址左岸垭口斜穿河床，至右岸后向下游延伸，规模较大，倾角较陡，约60°～90°，宽度约5.0m～10.0m。坝轴线上游右岸陡崖发育四组卸荷裂隙L1、L2、L3、L4，表部张开宽10cm～20cm，至深部闭合，深约10.0m～15.0m。在右岸岸坡以内11.0m处发育L5，宽度5cm～20cm，顶部张开，至底部逐渐闭合，延伸长，铁锰质渲染。
主堆石区应清除上部覆盖层及松动岩石后，对延伸长、宽度大影响岸坡稳定的卸荷裂隙进行挖除，对岸坡稳定不起控制作用的卸荷裂隙作好砼回填后，可作为坝壳地基。次堆石区可清除上部松散覆盖層，利用较密实的含碎石粉质粘土层作为坝壳地基。对坝壳地基范围内的勘探平硐应作回填处理后方可建基。
3.2 趾板地基特性及设计参数
趾板覆盖层为第四系全新统的残坡积，基岩为含炭质绢云英千枚岩、绢云英千枚岩夹结晶灰岩，高程1183.00m以下为结晶灰岩夹含炭质绢云英千枚岩，具千枚状构造，千枚理发育，遇水易软化，结晶灰岩致密坚硬。建议趾板设置在微风化岩石上。建议按0.3～0.5的允许坡降对挤压破碎带进行工程处理，对通过趾板左岸的挤压带及右岸裂隙部位进行开挖回填砼塞。对趾板地基进行固结灌浆处理。
河床及两岸坝肩均存在透水带，两岸地下水位低于正常蓄水位，存在坝基及绕坝渗漏问题。防渗帷幕下限按深入相对不透水层（q≤1Lu）以下5.0m～10.0m控制。建议防渗帷幕沿趾板线布置外，两岸适当向山体内延伸。
4 地震设防烈度和工程抗震设防类别
根据《中国地震动参数区划图》（GB18306-2001），本区地震动反应谱特征周期为0.4s（按中硬场地考虑），地震动峰值加速度为0.20g（相当于地震基本烈度8度）。
根据《水工建筑物抗震设计规范》（SL203-97），本工程拦河坝为2级建筑物，工程抗震设防类别为乙类；泄水建筑物、排沙（放水）建筑物、发电引水建筑物、发电厂及升压站为3级建筑物，工程抗震设防类别为丙类。
5 拦河坝结构设计
砼面板堆石坝坝顶宽度为6.00m，坝顶高程为1228.50m，最低坝基趾板底高程为1148.00m，相应最大坝高80.50m，坝顶长度206.00m，上游边坡为1：1.5，下游边坡为1：2.0，在高程1210.00m、高程1190.00m、高程1170.00m处各设一级马道，马道宽度为2m。坝体分区填筑，分层碾压，自上游至下游依次分为9个主要填筑区：垫层区、过渡层区、坝顶静碾区、主堆石区、千枚岩区、排水区、下游堆石区、下游护坡区和灰岩料滤水坝址区，另在面板周边缝附近设置特殊垫层区，大坝下游坝面为干砌块石护坡，高程1157.50m以下下游坝面外侧为灰岩料滤水坝址区。坝体堆石料主要为灰岩和千枚岩。
坝基以绢云英千枚岩夹结晶灰岩为主，局部为结晶灰岩夹绢云英千枚岩，趾板建基面为坚硬、不冲蚀和可灌浆的基岩，趾板基础必须开挖到弱风化基岩。趾板基础进行固结和帷幕灌浆，固结灌浆孔为两排，排距2.5m、孔距为3.0m，建基面以下孔深5.0m；防渗帷幕孔一排，帷幕孔距2m，孔深要求深入相对不透水层（透水率≤1lu）以下5.0m～10m，帷幕左岸延伸到正常蓄水位与相对不透水层线相交处，右岸与泄洪洞帷幕相接。
6 拦河坝稳定分析
6.1 计算方法
本工程拦河坝坝型为砼面板堆石坝，最大坝高为80.50m，坝基为基岩以绢云英千枚岩夹结晶灰岩为主，局部为结晶灰岩夹绢云英千枚岩，不存在可液化土，因此采用拟静力法进行抗震稳定计算。
拦河坝抗滑稳定计算选取大坝最大断面（桩号坝0+105.000m）进行计算，分别采用不计及条块间作用力的瑞典圆弧法和计及条块间作用力的简化毕肖普法进行计算
6.2 计算工况 因一级白羊电站拦河坝的设计洪水位低于正常蓄水位，因此不计算设计洪水位的工况。根据《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001）规定，本工程拦河坝上下游坝坡稳定计算时选取以下三种设计条件、六种工况进行复核计算：
1）正常运用条件
工况一：正常蓄水位下稳定渗流期背水坡稳定计算；
工况二：正常蓄水位骤降至泄洪洞堰顶高程1211.00m时迎水坡稳定计算；
工况三：正常蓄水位降落至发电死水位1200.00m时迎水坡稳定计算。
2）非常运用条件Ⅰ
工况四：校核洪水位背水坡稳定计算；
工况五：校核洪水位骤降至泄洪洞堰顶高程1211.00m时時迎水坡稳定计算。
3）非常运用条件Ⅱ：
工况六：正常蓄水位遭遇地震时背水坡稳定计算。
6.3 计算参数
各材料的物理和力学参数详见表1。
表1 抗滑稳定计算土体物理、力学指标表
物理力学指标
土层名称 湿容重
（kN/m3） 抗 剪 强 度
C（kPa） φ（°）
砼面板、趾板、防浪墙、挡墙 25.0 500 0
2A垫层区、3A过渡层区、
2B特殊垫层区、3A1坝顶静碾区 21.5 0 43
3B灰岩料主堆石区、3G排水区、
3C灰岩料次堆石区、3D干砌块石护坡区 20.6 0 40
3B1千枚岩区 19.4 0 36
碾压堆石体 24.0 0 40
6.4 计算成果
复核计算结果见表2。
表2 拦河坝抗滑稳定安全系数复核计算成果表
设计条件 工 况 瑞典圆弧法
（不计及条块间作用力） 简化毕肖普法
（计及条块间作用力）
背水坡 迎水坡 规范允许值 背水坡 迎水坡 规范允许值
正常运用
条件 工况一 1.577 / 1.242 1.643 / 1.350
工况二 / 1.318 / 1.418
工况三 / 1.258 / 1.365
非常运用
条件Ⅰ 工况四 1.565 / 1.150 1.627 / 1.250
工况五 / 1.305 / 1.389
非常运用
条件Ⅱ 工况六 1.310 / 1.058 1.362 / 1.150
由计算结果可知，拦河坝抗滑稳定安全系数满足规范要求。
7 结语
以上通过对白羊水电站拦河坝进行稳定分析，简要介绍了在地震区砼面板堆石坝的抗震设计方法，可供地震区类似工程设计参考。
摘要：本文主要介绍四川省白草河干流（松潘境内）梯级一级白羊水电站砼面板堆石坝抗震设计方法，可供地震区类似工程设计参考。
关键词：水电站；砼面板堆石坝；抗震设计
1 工程概况
白草河干流（松潘境内）梯级一级白羊水电站位于阿坝藏族羌族自治州松潘县境内，坝址地处会龙桥汇合口下游的白草河干流上，距北川县县城约78km。白草河干流（松潘境内）梯级一级白羊水电站工程任务为发电，兼顾下游生态用水。工程主要建筑物有拦河坝、泄洪洞、左右岸排沙洞、发电引水建筑物、发电厂房和升压站等。
2 工程等别和洪水标准
白羊水电站坝址以上集水面积914km2，水库校核洪水位1227.97m，总库容1941万m3，水库正常蓄水位1225.00m，电站装机容量30MW，工程等别为Ⅲ等，水库为中型水库，电站为小（1）型电站。
主要建筑物拦河坝为2级建筑物，泄水建筑物、排沙（放水）建筑物、发电引水建筑物、发电厂及升压站为3级建筑物。
主要水工建筑物砼面板堆石坝、泄洪洞、左岸排沙洞、右岸排沙洞以及发电引水建筑物进水口按100年一遇洪水设计，1000年一遇洪水校核；发电引水建筑物（除进水口外）、发电厂与升压站按50年一遇洪水设计，200年一遇洪水校核；消能防冲洪水重现期为30年一遇。
3 拦河坝地基特性和参数
3.1 拦河坝坝体地基特性及设计参数
坝体覆盖层为第四系全新统的残坡积层、崩坡积、崩积和冲洪积堆积物。基岩以绢云英千枚岩夹结晶灰岩为主，局部为结晶灰岩夹绢云英千枚岩，千枚岩具千枚状构造，千枚理发育，遇水易软化；结晶灰岩致密坚硬。坝址区未见区域性断层通过，其构造形式主要表现为层间挤压带及节理裂隙。坝址左岸发育f1断层，由压碎岩、石英脉、断层泥组成，宽15cm～25cm。PB1破碎带内岩石为炭质绢云英千枚岩，经坝址左岸垭口斜穿河床，至右岸后向下游延伸，规模较大，倾角较陡，约60°～90°，宽度约5.0m～10.0m。坝轴线上游右岸陡崖发育四组卸荷裂隙L1、L2、L3、L4，表部张开宽10cm～20cm，至深部闭合，深约10.0m～15.0m。在右岸岸坡以内11.0m处发育L5，宽度5cm～20cm，顶部张开，至底部逐渐闭合，延伸长，铁锰质渲染。
主堆石区应清除上部覆盖层及松动岩石后，对延伸长、宽度大影响岸坡稳定的卸荷裂隙进行挖除，对岸坡稳定不起控制作用的卸荷裂隙作好砼回填后，可作为坝壳地基。次堆石区可清除上部松散覆盖層，利用较密实的含碎石粉质粘土层作为坝壳地基。对坝壳地基范围内的勘探平硐应作回填处理后方可建基。
3.2 趾板地基特性及设计参数
趾板覆盖层为第四系全新统的残坡积，基岩为含炭质绢云英千枚岩、绢云英千枚岩夹结晶灰岩，高程1183.00m以下为结晶灰岩夹含炭质绢云英千枚岩，具千枚状构造，千枚理发育，遇水易软化，结晶灰岩致密坚硬。建议趾板设置在微风化岩石上。建议按0.3～0.5的允许坡降对挤压破碎带进行工程处理，对通过趾板左岸的挤压带及右岸裂隙部位进行开挖回填砼塞。对趾板地基进行固结灌浆处理。
河床及两岸坝肩均存在透水带，两岸地下水位低于正常蓄水位，存在坝基及绕坝渗漏问题。防渗帷幕下限按深入相对不透水层（q≤1Lu）以下5.0m～10.0m控制。建议防渗帷幕沿趾板线布置外，两岸适当向山体内延伸。
4 地震设防烈度和工程抗震设防类别
根据《中国地震动参数区划图》（GB18306-2001），本区地震动反应谱特征周期为0.4s（按中硬场地考虑），地震动峰值加速度为0.20g（相当于地震基本烈度8度）。
根据《水工建筑物抗震设计规范》（SL203-97），本工程拦河坝为2级建筑物，工程抗震设防类别为乙类；泄水建筑物、排沙（放水）建筑物、发电引水建筑物、发电厂及升压站为3级建筑物，工程抗震设防类别为丙类。
5 拦河坝结构设计
砼面板堆石坝坝顶宽度为6.00m，坝顶高程为1228.50m，最低坝基趾板底高程为1148.00m，相应最大坝高80.50m，坝顶长度206.00m，上游边坡为1：1.5，下游边坡为1：2.0，在高程1210.00m、高程1190.00m、高程1170.00m处各设一级马道，马道宽度为2m。坝体分区填筑，分层碾压，自上游至下游依次分为9个主要填筑区：垫层区、过渡层区、坝顶静碾区、主堆石区、千枚岩区、排水区、下游堆石区、下游护坡区和灰岩料滤水坝址区，另在面板周边缝附近设置特殊垫层区，大坝下游坝面为干砌块石护坡，高程1157.50m以下下游坝面外侧为灰岩料滤水坝址区。坝体堆石料主要为灰岩和千枚岩。
坝基以绢云英千枚岩夹结晶灰岩为主，局部为结晶灰岩夹绢云英千枚岩，趾板建基面为坚硬、不冲蚀和可灌浆的基岩，趾板基础必须开挖到弱风化基岩。趾板基础进行固结和帷幕灌浆，固结灌浆孔为两排，排距2.5m、孔距为3.0m，建基面以下孔深5.0m；防渗帷幕孔一排，帷幕孔距2m，孔深要求深入相对不透水层（透水率≤1lu）以下5.0m～10m，帷幕左岸延伸到正常蓄水位与相对不透水层线相交处，右岸与泄洪洞帷幕相接。
6 拦河坝稳定分析
6.1 计算方法
本工程拦河坝坝型为砼面板堆石坝，最大坝高为80.50m，坝基为基岩以绢云英千枚岩夹结晶灰岩为主，局部为结晶灰岩夹绢云英千枚岩，不存在可液化土，因此采用拟静力法进行抗震稳定计算。
拦河坝抗滑稳定计算选取大坝最大断面（桩号坝0+105.000m）进行计算，分别采用不计及条块间作用力的瑞典圆弧法和计及条块间作用力的简化毕肖普法进行计算
6.2 计算工况 因一级白羊电站拦河坝的设计洪水位低于正常蓄水位，因此不计算设计洪水位的工况。根据《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001）规定，本工程拦河坝上下游坝坡稳定计算时选取以下三种设计条件、六种工况进行复核计算：
1）正常运用条件
工况一：正常蓄水位下稳定渗流期背水坡稳定计算；
工况二：正常蓄水位骤降至泄洪洞堰顶高程1211.00m时迎水坡稳定计算；
工况三：正常蓄水位降落至发电死水位1200.00m时迎水坡稳定计算。
2）非常运用条件Ⅰ
工况四：校核洪水位背水坡稳定计算；
工况五：校核洪水位骤降至泄洪洞堰顶高程1211.00m时時迎水坡稳定计算。
3）非常运用条件Ⅱ：
工况六：正常蓄水位遭遇地震时背水坡稳定计算。
6.3 计算参数
各材料的物理和力学参数详见表1。
表1 抗滑稳定计算土体物理、力学指标表
物理力学指标
土层名称 湿容重
（kN/m3） 抗 剪 强 度
C（kPa） φ（°）
砼面板、趾板、防浪墙、挡墙 25.0 500 0
2A垫层区、3A过渡层区、
2B特殊垫层区、3A1坝顶静碾区 21.5 0 43
3B灰岩料主堆石区、3G排水区、
3C灰岩料次堆石区、3D干砌块石护坡区 20.6 0 40
3B1千枚岩区 19.4 0 36
碾压堆石体 24.0 0 40
6.4 计算成果
复核计算结果见表2。
表2 拦河坝抗滑稳定安全系数复核计算成果表
设计条件 工 况 瑞典圆弧法
（不计及条块间作用力） 简化毕肖普法
（计及条块间作用力）
背水坡 迎水坡 规范允许值 背水坡 迎水坡 规范允许值
正常运用
条件 工况一 1.577 / 1.242 1.643 / 1.350
工况二 / 1.318 / 1.418
工况三 / 1.258 / 1.365
非常运用
条件Ⅰ 工况四 1.565 / 1.150 1.627 / 1.250
工况五 / 1.305 / 1.389
非常运用
条件Ⅱ 工况六 1.310 / 1.058 1.362 / 1.150
由计算结果可知，拦河坝抗滑稳定安全系数满足规范要求。
7 结语
以上通过对白羊水电站拦河坝进行稳定分析，简要介绍了在地震区砼面板堆石坝的抗震设计方法，可供地震区类似工程设计参考。