DOI:10.16660/jki.1674-098X.2012-5640-1819
田江伟 泽旺曲扎
(西藏开投金河流域水电开发有限公司 西藏昌都 854000)
摘 要：坝基优化是节省水电工程投资的有效措施之一，对研究兼顾经济效益和大坝安全稳定性的坝基设计方案具有重要意义。在瓦托水电站工程中，结合坝址实际情况，对河床取样7组岩芯进行了物理力学性质试验，对左岸基座阶地进行了原位直剪试验，并对河床开展了岩石声波测试，论证了坝基岩体的力学强度指标，提出了坝基岩体物理力学参数地质建议值，为坝基优化设计提供数据支撑。根据取得参数对溢流坝段、厂房坝段和左岸重力坝段的建基高程进行了优化设计，在减少工程量和节省工程投资方面取得了明显效果。 关键词：瓦托水电站 坝基优化 工程投资 优化效果
中图分类号：TM62 文献标识码：A 文章编号：1674-098X(2021)03(a)-0044-07 Discussion on Optimization of Dam Foundation of Jinhe Watuo
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Hydropower Station in Tibet
TIAN Jiangwei ZE Wangquzha
(Jinhe River Basin Hydropower Development Co., Ltd. Tibet Development & Investment Croup, Changdu,
Tibet Autonomous Region, 854000 China)
宝宝论坛Abstract: Dam foundation optimization is one of the effective measures to save hydropower project investment. It is of great significance to study the dam foundation design scheme which takes into account economic benefits and dam safety and stability. In the project of Watuo Hydropower Station, Combining actual conditions of dam site, the physical and mechanical properties tests were conducted on 7 sets of rock cores sampled from the riverbed, in-situ direct shear tests were conducted on the terrace of the left bank base, and rock acoustic tests were carried out on the riverbed. These tests demonstrated the mechanical strength index of the dam foundation rock mass and put forward the suggested geological values of the physical mechanical parameters of the dam foundation rock mass to provide data support for the optimal design of the dam foundation. According to the obtained parameters, the foundation elevation of the overf low dam section, the powerhouse dam section and the gravity dam section on the left bank is optimized, and obvious results are obtained in terms of reducing the amount of works and saving the project investment.金都高尔夫艺墅
Key Words: Watuo Hydropower Station; Dam foundation optimization; Project investment; Oplimization effect
水电工程建设往往建设周期长，投资成本大。因此在保证工程安全可靠的前提下，通过优化设计降低工程量，是节省工程投资的有效措施。西藏金河瓦托水电站工程在澜沧江一级支流金河下游河段上，是金河水电规划中的第五个梯级电站，坝址位于昌都市卡若区列巴村金河下游约2.5km处，在已建金河大坝上游约5.0km处，水库总库容0.1383×108m3，电站装机容量50MW，是一座以发电为主的中型水电枢纽工程。枢纽建筑物从左至右依次为左岸砂砾石坝连接坝段及其坝头回车场、左岸混凝土重力坝段、发电厂房的坝
①作者简介：田江伟（1994—），男，本科，助理工程师，研究方向为水利水电工程。
式进水口坝段、溢流坝段、门库坝段、右岸混凝土重力坝段及其坝头回车场。本文以实际地质条件为依据，根据坝基地质勘探复核成果，复核大坝抗滑稳定，通过现场试验及抗滑稳定计算来进行优化设计以实现坝基抬高，进而节省工程投资。
1 工程地质和力学实验
1.1 基岩
坝轴线出露的基岩为侏罗系下统查朗嘎组（J1ch）细砂岩、泥质砂岩、泥质砂岩与细砂岩互层。按层厚和岩性所占比例可划分为3个岩组，分别为泥质砂岩与细砂岩互层岩组（J1ch1）、细砂岩夹泥质砂岩岩组（J1ch2）、泥质砂岩夹细砂岩岩组（J1ch3）。泥质砂岩与细砂岩互层（J1ch1）：细砂岩占5%～10%，泥质砂岩与细砂岩互层占90%～95%，坝址区出露宽度大于390m。细砂岩夹泥质砂岩（J1ch2）：细砂岩占70%～75%，泥质砂岩占25%～30%，坝址区出露宽度约40m。泥质砂岩夹细砂岩（J1ch3）：细砂岩占20%～25%，泥质砂岩占55%～60%，泥质砂与细砂岩互层占15%～20%，坝址区出露宽度大于610m[1]。 1.2 力学试验
1.2.1 河床岩体物理力学性质试验
坝址河床区弱风化状态岩体按岩组不同共取岩样7组进行了物理力学性质试验，岩石的物理力学性质试验成果详见表1及图1、图2。
据表1：ZK19-1、ZK19-2、ZK19-1-1所处岩组为泥质砂岩与细砂岩互层（J1ch1）岩组，所取岩样均为
岩组岩石
名称
试样编
号
取样深度/
（m）
天然状态
抗压强度/（MPa）
抗剪断参
数
烘干饱和
f'
c'
/MPa
R1R2R3平均值R1R2R3平均值
泥质砂岩与细砂岩互层J1ch1泥质
砂岩
ZK19-1 1.70-7.10弱风化90.422.830.647.924.647.632.034.7 4.07 3.17泥质
砂岩
ZK19-29.40-12.80弱风化104.083.477.088.273.032.658.354.6 3.70 5.42泥质
砂岩
ZK19-
1-1
1.90-7.30弱风化90.67
2.2278.4780.486.948.6118.784.7 4.00 5.79
组数3
最大值88.284.7 4.07 5.79最小值47.934.7 3.70 3.17平均值72.258.0 3.92 4.79
细砂岩夹泥质砂岩J1ch2泥质
砂岩
ZK18-17.00-9.00弱风化37.225.411.824.814.312.311.812.8 3.48 6.73砂岩ZK16-17.00-14.80弱风化34.142.531.636.046.144.571.954.1 3.68 6.44砂岩ZK18-210.40-14.50弱风化144.841.832.172.957.855.830.548.0 1.7613.04砂岩ZK18-315.00-16.90弱风化108.634.655.766.3139.282.023.981.78.1611.50组数3
最大值72.981.78.1613.04最小值36.048.0 1.76 6.44平均值58.461.3 4.5310.3表1 河床及左岸Ⅰ级阶地弱风化岩石物理力学性质试验汇总表
注：由于泥质砂岩、砂岩斜向层理及方解石岩脉较发育，部分试件破坏后的岩脉裂隙面已风化锈蚀，是影响同组抗压强度值偏差较大主要原因。
泥质砂岩，各级轴向压力下的剪切应力不做加权，直接进行平均。直剪试验成果如图1所示，c =5.07MPa，
φ=75.28°。ZK16-1、ZK18-1、ZK18-2、ZK18-3所处岩组为细砂岩夹泥质砂岩（J1ch 2）岩组，该细砂岩比例为70%，泥质砂岩比例为30%，同种岩性在各级轴向压力下的剪切应力进行平均后，按权重进行加和。直剪试验成果如图2所示，c =12.29MPa，φ=64.17°。
1.2.2 左岸基座阶地岩台原位直剪试验
本次试验在坝轴线左岸Ⅰ级阶地部位进行泥质砂岩与细砂岩互层岩组（J1ch 1）（下游侧基坑、试验区域
1）、细砂岩夹泥质砂岩岩组（J1ch 2）（上游侧基坑、试验区域2）2组岩体与混凝土接触面直剪试验，每组试验加工6个试验点。为模拟坝基的实际工作条件，试验前需将试件浸水7～10d，使试件饱水，确保试件始终处于饱和状态[2]。
泥质砂岩与细砂岩互层岩组（J1ch 1）（下游侧基坑、试验区域1）抗剪断（抗剪）试验成果见表2，
抗剪断（抗剪）正应力-剪应力曲线见图3、图4。细砂岩夹泥质砂岩岩组（J1ch 2）（上游侧基坑、试验区域2）抗剪断（抗剪）试验成果见表3，抗剪断（抗剪）正应力-
表2 试验区域1抗剪断（抗剪）试验成果
表3 试验区域2抗剪断（抗剪）试验成果
表4 坝基岩体物理力学参数地质建议值物价法
编号σ/MPa τ/MPa 抗剪断
抗剪
抗剪断抗剪tg φ'C' /MPa tg φ C /MPa
τ1-40.52 1.650.91 1.571
0.983
0.758
0.474
科技创新导报τ1-50.79 2.65 1.02τ1-3 1.10 2.60 1.42τ1-6 1.48 2.88 1.40τ1-1 1.76 3.90 1.84τ1-2
2.03
4.29
2.08
编号σ/（MPa）
τ/（MPa）抗剪断抗剪
抗剪断抗剪tan φ'
C' /MPa tan φ C /MPa
τ2-20.54 1.90 0.90 1.5390.7300.6960.507
τ2-30.81 1.70 1.14 τ2-4 1.41 2.60 1.37 τ2-5 1.75 3.50 1.60 τ2-6 2.03 4.02 2.08 τ2-1
1.08
3.20
0.90
剔除
岩体分类
坝段
抗剪（断）强度
岩体/岩体
混凝土/岩体
f 'c'f f 'c'f -
MPa --MPa -泥质砂岩与细砂岩互层（J1ch 1）Ⅲ2B 4#、5#、6# 1.30 1.400.70 1.30 1.300.65细砂岩夹泥质砂岩（J1ch 2）Ⅲ2B
4#、5#、6#
1.30
1.40
0.70
1.30
黄岛大炼油1.30
0.65
剪应力曲线见图5、图6。
综上所述，原位抗剪试验成果如下：
（1）泥质砂岩与细砂岩互层岩组（J1ch1）（试验区域1）：
①峰值强度：t a nφ’=1.571，C’=0.983M Pa；tanφ=0.758，C=0.474MPa；②相关系数：抗剪断R2=0.905；抗剪R2=0.940。
（2）细砂岩夹泥质砂岩岩组（J1ch2）（试验区域2）：
①峰值强度：t a nφ’=1.539，C’=0.730M Pa；tanφ=0.696，C=0.507MPa；②相关系数：抗剪断R2=0.921；抗剪R2=0.926。
1.2.3 河床钻孔声波测试
在河床部位ZK16、ZK18钻孔进行了声波测试，钻孔声波测试曲线图见图7、图8。
2 参数确定和抗滑稳定计算
2.1 坝基岩体物理力学参数地质建议值
根据岩石物理力学性质试验及原位直剪试验成果，结合坝址区岩石声波测试数据的分析整理，综合考虑给出坝址区4#、5#、6#坝段岩体相关的力学参数地质建议值见表4。
2.2 坝基抗滑稳定计算
2.2.1 计算公式
（1）根据《混凝土重力坝设计规范》（N B/
部位项目名称单位优化减少工程量备注左岸土坝连接坝段裹头石方填筑m34805
重力坝段
石方开挖m322728
坝体混凝土（表层）m32263C20W6F100三级配坝体混凝土（内部）m313196C15W4F50四级配基础处理混凝土m32463C15W6F100四级配
溢流及门库坝段
石方开挖m311125
坝体混凝土（表层）m3730C20W6F100三级配坝体混凝土（内部）m310395C15W4F50四级配
厂房引水坝段
石方开挖m311365
坝体混凝土（表层）m3772C25W6F100三级配坝体混凝土（表层）m3440C20W6F100三级配坝体混凝土（内部）m310153C15W4F50四级配
坝基优化减少混凝土合计/（万m3） 4.04
坝基优化减少石方开挖/（万m3）
4.52
表5 枢纽建筑物优化减少工程量表
图1 泥质砂岩与细砂岩互层（J1ch1）岩组泥质砂岩直
剪试验图2 细砂岩夹泥质砂岩（J1ch2
）岩组直剪试验
T35026-2014），混凝土重力坝稳定应满足下列承载能力极限状态设计表达式：
对基本组合，
采用下列极限状态设计表达式 (1)或
(2)
对偶然组合，采用下列极限状态设计表达式
(3)
或
(4)
式中：ογ—结构重要性系数，对于结构安全级别为Ⅱ级的结构及构件，采用1.05；
ψ—设计状况系数，对应于持久状况、短暂状况、
偶然状况，分别取1.0、0.95、0.85；
S （·）—作用效应函数；R （·）—结构及构件抗力函数；
G γ—永久作用的分项系数；
Q γ—可变作用的分项系数；
G K —永久作用标准值；
K Q —可变作用标准值；
A K —偶然作用代表值；
a K —几何参数的标准值（可作为定值处理）；f K —材料性能的标准值；
m γ—材料性能的分项系数；
d γ—结构系数；
η—抗力作用比系数。
（2）承载能力极限状态坝体混凝土与基岩接触面的抗滑稳定设计标准。
分别计算基本组合和偶然组合，应满足：
1
()()1o d
R S η
γψγ=••≥ (5)
作用效应函数：
R P S ∑=•)( (6)
抗滑稳定抗力函数：
R R R R A c W f R '')(+∑=• (7)
式中：R W ∑坝基面上全部切向作用之和，KN；
'R f 坝基面抗剪断摩擦系数；
'
R
c 坝基面抗剪粘聚力，kPa。2.2.2 作用及其组合
作用在坝体上的荷载有静水压力、自重、扬压力、泥沙压力、浪压力、土压力[3]。坝基扬压力计算时，在
图3 试验区域1抗剪断正应力-剪应力曲线
图5 试验区域2抗剪断正应力-剪应力曲线
图4 试验区域1抗剪正应力-剪应力曲线
图6 试验区域2抗剪正应力-剪应力曲线
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