水利水电工程大坝地质分析

大坝是水利水电工程中最重要的挡水建筑物,它拦蓄水流,抬高水位,承受着巨大的水平推力和其他各种荷载。为了维持稳定,坝体又将水压力和其他荷载以及本身的重量传递到地基或两岸的岩体上,岩体承受很大的压力,尤其是高坝。因而大坝建筑对地基岩体的稳定条件有很高的要求,岩体稳定是坝体稳定的关键因素,在国内外大坝发生毁坏的事故中,因地质问题引起的最多,如法国Malpasset拱坝、美国St.Francis重力坝等。所以在大坝的设计和施工中,对坝基或坝肩岩体进行充分的工程地质条件分析研究,是非常重要的。

6.4.1.1　大坝建基面设计与工程地质分析

大坝工程设计中与地质条件紧密相关的部位就是建基面,包括河床坝基和两岸坝肩。对于不同的建基面设计方案比选,其工程地质条件和处理措施对比分析是关键的一环。基于三维地质模型或岩级分类模型,可对大坝建基面工程地质条件作以下一些方面的分析,为其方案选择提供有力的依据。

(1)建基面开挖与基础处理分析。这部分内容主要以三维岩体质量分级模型为基础而展开的。针对不同的建基面设计方案,首先根据二维设计图进行建基面的三维建模,然后与岩级模型作布尔差切割运算,即可直观可靠地获得各个方案的坝基、坝肩岩体质量的初步评价。进一步将各方案的基础处理措施转化为可视化的三维模型,并与岩级模型进行整合,从而可进行更进一步的剖切分析与岩体质量对比评价。

(2)与大坝工程相关的剖切分析。在上述工作的基础上,可进行一系列设计人员所需要的地质剖切分析,如沿坝轴线剖切分析、沿拱坝径向剖切分析、基础处理横剖或平切分析等,完全视工程实际需求而定。对于不同的坝型,需要进行分析的重点部位会有所不同,如重力坝重点在于坝基地质条件对稳定的影响,而拱坝对坝肩的地质条件要求却非常严格,要进行重点分析。本项目所建立的模型完全能够满足不同的针对性要求,具有通用性。(www.xing528.com)

(3)建基面方案选择与调整。上述地质分析的目的都是为选取合理经济的建基面方案提供依据,因此为了获得更优的设计方案,一定程度的调整与修改是必不可少的。以三维地质模型或岩级模型为基础,水工设计人员可以对方案任何不满意的地方进行任意调整,并及时反馈于地质模型,评价更新方案的可行性,直到满意为止。

6.4.1.2　锦屏一级高拱坝三维地质分析

拱坝属高次超静定空间结构,对建基面的地形、地质条件有较高的要求。但客观条件往往并不十分理想,会存在不同影响程度的地质缺陷,需要通过相应的基础处理及结构措施,使地基能适应拱坝所要求的边界约束条件。国内外拱坝设计和建设中,对坝基缺陷采取工程处理措施是十分普遍的。目前,世界上已建成了多座高拱坝,这些高拱坝的基础处理措施绝大多数是成功的,处理技术也各有其特点。比较成熟和效果较好的基础处理方法主要有:坝基软弱岩体开挖混凝土回填置换(表层明挖置换、深部网格置换等),固结灌浆和接触灌浆,灌浆帷幕及排水幕,混凝土传力结构,预应力锚固,岩溶防渗处理等。根据工程规模及工程具体地质条件,一般常采用多种方法相结合的综合处理方案。

锦屏一级抛物线双曲拱坝设计高度为305m,是目前世界上已建和在建工程最高的拱坝,坝区地质条件复杂且特殊,必须进行认真的分析。锦屏一级普斯罗沟坝址主要的地质缺陷有断层(f5、f8、f13和f14)、深部裂缝、层间挤压带及拉裂松弛岩体等,这些对拱坝的体形选择、抗滑稳定和变形稳定等均有较大的影响。对此采取以下措施对不同部位岩体进行基础处理:①加固置换处理,主要对象为左岸砂板岩(属弱卸荷的Ⅳ2、Ⅲ2类岩体)、断层f5、f8、f13和f14(一定高程区间)等;②固结灌浆,主要对象为坝基建基面岩体、抗力体内的Ⅳ2、Ⅲ2类岩体、断层及煌斑岩脉等;③防渗排水,设置多道防渗帷幕;④接触灌浆,主要针对坡度大于50°的建基面。

根据锦屏一级拱坝地质条件的特点,结合基础处理方案,对拟定的7个建基面方案进行对比分析和调整,选定更为合理、可行的Ex-7方案,其建基面开挖及主要的基础处理分析如彩图6.5所示。彩图6.6为沿坝轴线和高程1830m径向剖切的拱坝基础处理对比分析图,其中左侧为基于原始岩级模型的剖切图,右侧为建基面开挖处理过的剖切图。同样地,彩图6.7和彩图6.8分别对拱坝基础处理给出了几个典型高程的平切对比分析和典型横剖对比分析。经过这些大量的剖切分析,对于地质知识掌握相对较少的设计人员亦能获得更深刻的认识和理解。而且值得提出的是,在这些分析过程中,通过实际交互运用,地质人员和设计人员均能快速发现原方案不合理或错误之处,并进行实时修改,获得了令人满意的效果。