摘要：本文論述西龍池抽水蓄能電站下水庫(kù)在深厚覆蓋層上建壩設(shè)計(jì)過(guò)程中需重點(diǎn)分析研究的問(wèn)題。針對(duì)西龍池下水庫(kù)覆蓋層特點(diǎn)對(duì)壩體及覆蓋層的穩(wěn)定、滲透穩(wěn)定、壩體及面板應(yīng)力、應(yīng)變進(jìn)行較全面的分析，確定下水庫(kù)覆蓋層利用原則。

關(guān)鍵詞：西龍池 覆蓋層利用 面板堆石壩

1．概述

西龍池抽水蓄能電站位于山西省五臺(tái)縣境內(nèi)，距太原市、忻州市的直線距離分別為100 km和50 km。電站安裝4臺(tái)300 MW豎軸單級(jí)混流可逆式水泵水輪機(jī)組，總裝機(jī)容量為1200 MW。額定水頭640m。電站建成后并入山西電網(wǎng)，承擔(dān)調(diào)峰、填谷、調(diào)頻、調(diào)相及事故備用任務(wù)。

電站樞紐由上水庫(kù)、輸水系統(tǒng)、地下廠房系統(tǒng)、下水庫(kù)、地面開關(guān)站及副廠房、補(bǔ)水建筑物等組成。下水庫(kù)正常蓄水位838.0m，死水位798.0m，總庫(kù)容494.2萬(wàn)m3 ，調(diào)節(jié)庫(kù)容421.5萬(wàn)m3。下水庫(kù)大壩采用瀝青混凝土面板堆石壩，最大壩高97m、壩頂長(zhǎng)度537m。庫(kù)底、壩坡采用瀝青混凝土面板防滲，防滲面積10.88萬(wàn)m2 ，庫(kù)岸采用鋼筋混凝土面板防滲，防滲面積6.85萬(wàn)m2 。

2．地質(zhì)條件

下水庫(kù)庫(kù)岸山體陡峻，庫(kù)岸為崮山和張夏組地層，庫(kù)底與壩基為第四系洪積和崩坡積物覆蓋，下伏張夏組、徐莊組地層。覆蓋層厚度一般20～40m，局部深達(dá)百余米。洪積物主要由碎石及碎石土組成，經(jīng)大量勘探、試驗(yàn)、面波測(cè)試及地質(zhì)測(cè)年等工作，認(rèn)為洪積物分三期形成，第一期（Q2pl）、二期（Q3pl）洪積物為第四紀(jì)早、晚更新世形成，經(jīng)歷了長(zhǎng)期的壓密和地表及地下水的淋漓作用，比較密實(shí)，并在不同深度形成了不同程度的膠結(jié)，而且在洪積物中還存在土質(zhì)透鏡體和碎石架空現(xiàn)象。第三期（Q4pl）洪積物形成于第四紀(jì)全新世，基本沒(méi)有膠結(jié)。通過(guò)面波測(cè)試結(jié)果可知：第一期（Q2pl）、二期（Q3pl）洪積物面波波速700～1000m/s，局部存在500～600m/s低速區(qū)， 結(jié)合其它勘探資料分析，這可能是土質(zhì)透鏡體或碎石架空層。第三期（Q4Pl）洪積面波波速小于500m/s，與一般河床砂礫石相當(dāng)。崩坡積物主要由塊石、碎石礫質(zhì)土等組成，分布于庫(kù)周陡壁下。

在大量勘探、試驗(yàn)、分析研究工作基礎(chǔ)上，根據(jù)覆蓋層工程性質(zhì)分析確定覆蓋層利用原則為：崩坡積物全部挖除，基本挖除第三期（Q4Pl）覆蓋物，使下水庫(kù)擋水壩及庫(kù)底大部分座落在第一期洪積物（Q2pl）上，僅壩腳部位位于第二期洪積物（Q3pl）上，主溝部位Q4Pl 難以挖除，有十余米寬的范圍利用第三期洪積物（Q4Pl）中下部作為壩基；開挖料可作為壩體下游堆石區(qū)的填筑料。

3覆蓋層作為壩基需研究的問(wèn)題

覆蓋層能否作為壩基必須滿足以下三個(gè)條件。

3.1覆蓋層在壩體和水荷載作用下滿足抗滑穩(wěn)定要求

覆蓋層在壩體和水荷載作用下，能否滿足抗滑穩(wěn)定要求是覆蓋層能否利用的首要條件。壩體及覆蓋層的穩(wěn)定從三個(gè)方面來(lái)分析，首先是壩體自身及壩體連同覆蓋層的穩(wěn)定，對(duì)于堆石壩來(lái)說(shuō)，壩體自身穩(wěn)定不會(huì)成為控制條件，但壩體是否連覆蓋層一部分或沿覆蓋層中薄弱面滑動(dòng)，需進(jìn)行分析；其次是壩體沿覆蓋層基礎(chǔ)開挖面的滑動(dòng)；三是壩體及覆蓋層沿基巖面的滑動(dòng)。通過(guò)對(duì)各種工況分析，覆蓋層在壩體和水荷載作用下具有足夠的穩(wěn)定性，僅在壩軸線平面反弧中間部位，壩體下游部分沿覆蓋層基礎(chǔ)開挖面穩(wěn)定性較差，但通過(guò)壩基下游部分開挖寬20m左右平臺(tái)即可滿足要求。

3.2覆蓋層滿足滲透穩(wěn)定要求

下水庫(kù)采用全庫(kù)防滲，滲漏量很小，三維有限元計(jì)算結(jié)果僅為6L/s。在水庫(kù)正常運(yùn)行條件下，不會(huì)發(fā)生滲透破壞，但在下水庫(kù)防滲和排水失效情況下是否會(huì)發(fā)生滲透破壞，需進(jìn)行詳細(xì)的分析。下水庫(kù)覆蓋層為強(qiáng)透水，滲系數(shù)大部分在10－3 cm/s以下，具有自由排水能力。滲透臨界水力坡降為0.13～0.44，破壞比降為0.42～1.01，通過(guò)對(duì)下水庫(kù)三維滲流場(chǎng)分析，即使在下水庫(kù)防滲及排水失效，計(jì)算滲漏量達(dá)2.86m3/s的情況下，也難以形成浸潤(rùn)線，最大水力坡降僅為0.06，遠(yuǎn)小于臨界滲透比降，不會(huì)發(fā)生滲透破壞。

3.3在水庫(kù)蓄水和運(yùn)行過(guò)程中，壩體不產(chǎn)生過(guò)大的不均勻變形

下水庫(kù)庫(kù)底和壩坡采用瀝青混凝土面板防滲，水庫(kù)蓄水和運(yùn)行過(guò)程中，雖然瀝青混凝土面板具有較好的適應(yīng)變形能力，但當(dāng)基礎(chǔ)不均勻變形過(guò)大，使面板產(chǎn)生的拉應(yīng)變超過(guò)瀝青混凝土的允許拉應(yīng)變時(shí)，瀝青混凝土面板將產(chǎn)生裂縫，影響水庫(kù)的正常運(yùn)行。影響面板計(jì)算變形的主要因素有：計(jì)算模型選擇、覆蓋層、主次堆石力學(xué)參數(shù)的選取、瀝青混凝土面板參數(shù)的選取、軟弱體如土質(zhì)透鏡體的分布等。

3.3.1計(jì)算參數(shù)

（1）覆蓋層計(jì)算參數(shù)

在力學(xué)參數(shù)選擇時(shí)，我們以應(yīng)用較廣泛的E-B模型為基礎(chǔ)進(jìn)行討論。E-B模型是采用切線彈性模量Et和體積彈性模量B來(lái)描述土體應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。Et不僅與σ3 有關(guān)，且與應(yīng)力水平有關(guān)，B是隨σ3 變化而變化。E-B模型參數(shù)是建立在室內(nèi)三軸試驗(yàn)基礎(chǔ)上的，在覆蓋層的勘探過(guò)程中，為較全面地反應(yīng)覆蓋層工程特性，分別在Q2pl 、 Q3pl 、Q4pl 不同時(shí)期形成的覆蓋層中，不同深度進(jìn)行取樣，進(jìn)行了大量試驗(yàn)。根據(jù)三軸試驗(yàn)成果確定的E-B模型參數(shù)，一般范圍為：K=420～1100，Kb=100～800，Rf=0.7～0.9，n＝0.2～0.5，m=0.02～0.6。庫(kù)底及壩基大部分位為Q2pl 和Q3pl 覆蓋層上，Q2pl 和Q3pl 覆蓋層從其成因分析、現(xiàn)場(chǎng)勘查以及基礎(chǔ)開挖揭示情況看存在不同程度的膠結(jié)，試驗(yàn)參數(shù)難以反應(yīng)膠結(jié)程度的影響，但考慮試驗(yàn)的局限性，覆蓋層計(jì)算參數(shù)采用較的小值，詳見表1。

（2）次堆石計(jì)算參數(shù)

根據(jù)三軸試驗(yàn)成果確定的次堆石E-B模型參數(shù)，一般范圍為：K=420～950，Kb=100～500，Rf=0.7～0.9，n＝0.2～0.5，m=0.02～0.5。計(jì)算采用的次堆石參數(shù)接近根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果確定參數(shù)的較小值，類比其它工程，計(jì)算采用參數(shù)也是不高的。

（3）主堆石參數(shù)

主堆石采用水泉灣料場(chǎng)開采灰?guī)r料。由于受當(dāng)時(shí)試驗(yàn)條件的限制，主堆石試驗(yàn)采用料源為廠房地質(zhì)探洞洞渣料，洞渣料中薄層灰?guī)r較多，其顆粒形狀及強(qiáng)度不如實(shí)際施工時(shí)的主堆石料，采用探洞石渣料進(jìn)行試驗(yàn)應(yīng)是偏于安全的。計(jì)算采用值見表1。通過(guò)對(duì)灰?guī)r筑壩工程類計(jì)算采用值是比較合適的。

表1E-B模型計(jì)算參數(shù)表

部位

Φ

（°）

△ φ

（°）

Rf

K

n

Kb

m

覆蓋層

42.8

2.5

0.9

800

0.3

360

0.03

次堆石

44.5

4.2

0.88

527

0.47

246

0.18

主堆石

49.1

7.6

0.84

1006

0.17

343

0.02

3.3.2應(yīng)力應(yīng)變分析

(1) 堆石體不同本構(gòu)模型對(duì)面板拉應(yīng)變的影響

用于堆石計(jì)算的本構(gòu)模型常見的有線彈性模型；E-μ、E-B、K-G等非線性模型；單屈服面、雙屈服面、分部屈服等彈塑性模型等。為研究本構(gòu)模型的影響，本工程分別采用常用的E-B、K-G、南水模型進(jìn)行分析。E-B、K-G、南水模型所需參數(shù)都是基于堆石料的三軸試驗(yàn)，為能使各模型的計(jì)算結(jié)果具有較好的可比性，各模型計(jì)算參數(shù)基本以同組三軸試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)。各模型計(jì)算結(jié)果表明，壩體及面板應(yīng)力分布規(guī)律大體一致，表明堆石體的本構(gòu)模型對(duì)壩體應(yīng)力計(jì)算結(jié)果影響不大。而對(duì)壩體變形及面板應(yīng)變來(lái)看，由于不同模型對(duì)土體變形尤其是體積變形的描述方法不同，雖然分布規(guī)律大體相同，但數(shù)值差別較大。面板拉應(yīng)變計(jì)算成果見圖1。根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)，和類似工程施工期位移觀測(cè)值類比，E-B模型垂直位移符合比較好，水平位移偏大。而E-B模型在工程上應(yīng)用較為廣泛，且積累了較多的經(jīng)驗(yàn)，通常在壩體及面板設(shè)計(jì)過(guò)程中以E-B模型計(jì)算結(jié)果為依據(jù)。

圖1 堆石料本構(gòu)關(guān)系對(duì)面板應(yīng)變的影響圖2面板計(jì)算模型對(duì)其應(yīng)力的影響

（2） 瀝青面板本構(gòu)模型對(duì)面板應(yīng)變的影響

瀝青混凝土面為粘彈性材料，溫度對(duì)其性能影響非常大。瀝青混凝土面板剛度較小且有較好的柔性，能夠較好地適應(yīng)壩體的變形。但是當(dāng)面板的變形梯度即應(yīng)變超過(guò)其允許值時(shí)，面板將產(chǎn)生裂縫。日本的瀝青混凝土面板設(shè)計(jì)也是以拉應(yīng)變來(lái)控制的。瀝青混凝土參數(shù)受溫度影響非常大，難以確定一套比較合理的參數(shù)。為分析面板本構(gòu)模型對(duì)計(jì)算成果的影響，對(duì)瀝青混凝土面板采用墊層E-B模型及參數(shù)、E-μ模型、粘彈性模型分別進(jìn)行了計(jì)算與析，計(jì)算結(jié)果見圖2。從計(jì)算結(jié)果可以看出，不同參數(shù)和本構(gòu)模型對(duì)面板應(yīng)變計(jì)算成果影響不大，說(shuō)明瀝青混凝土面板以適應(yīng)壩體變形為主，面板本身的參數(shù)和本構(gòu)關(guān)系對(duì)其應(yīng)變影響相對(duì)較小。

(3) 主、次堆石及覆蓋層參數(shù)對(duì)面板變形的影響

①主堆石參數(shù)對(duì)面板變形的影響

為研究主堆石參數(shù)變化對(duì)面板應(yīng)變的影響，在壩體三維有限元分析中，將表1主堆石參數(shù)的K、Kb均降低1.5倍，分析其對(duì)面板變形的影響，計(jì)算結(jié)果見圖3。從計(jì)算結(jié)果可以看出，如果K、kb均降低1.5倍，面板最大拉應(yīng)變將提高20％左右，主堆石參數(shù)對(duì)面板應(yīng)變影響是比較大的。

②次堆石參數(shù)對(duì)面板變形的影響

采用表2的2 套參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。從計(jì)算結(jié)果看，面板順坡向最大拉應(yīng)變分別為0.38%和0.39%，基本相等。次堆石參數(shù)K與Kb分別相差30%和50%，盡管兩套參數(shù)差別比較大，但對(duì)壩體應(yīng)力和變形的影響相當(dāng)，所以對(duì)面板應(yīng)變的影響不大。

表2 次堆石E-B模型參數(shù)

部位

Φ

（°）

△ φ

△ （°）

Rf

K

n

Kb

m

次堆石參數(shù)1

44.5

4.2

0.88

527

0.47

246

0.18

次堆石參數(shù)2

46

6.5

0.83

744

0.21

333

0.012

③覆蓋層參數(shù)對(duì)面板變形的影響

在分析覆蓋層參數(shù)對(duì)壩體及面板的應(yīng)力、應(yīng)變影響時(shí)，對(duì)不同覆蓋層參數(shù)進(jìn)行了三維有限元計(jì)算。計(jì)算結(jié)果見圖4。從前面的分析可以看出，次堆石參數(shù)對(duì)壩體及面板應(yīng)力應(yīng)變影響不大，可以認(rèn)為在主堆石參數(shù)相同時(shí)，壩體及面板應(yīng)力、應(yīng)變主要是覆蓋層參數(shù)的影響。因此可以認(rèn)為圖4中的曲線2主要是覆蓋層參數(shù)變化對(duì)面板應(yīng)變的影響。覆蓋層K和Kb均增加65％，其它參數(shù)不變時(shí)，面板應(yīng)變減少11％左右，覆蓋層參數(shù)對(duì)面板應(yīng)變影響比較大。

圖4 覆蓋層參數(shù)對(duì)面板拉應(yīng)變的影響

(4)瀝青混凝土面板參數(shù)對(duì)應(yīng)變的影響

瀝青混凝土面板在水荷載作用下發(fā)生變形時(shí)，水溫不會(huì)低于0℃，這時(shí)瀝青混凝土面板彈性模量不會(huì)太高，一般在10～600 MPa 左右。為分析面板參數(shù)對(duì)其應(yīng)力、應(yīng)變的影響，采用彈性模型，對(duì)波松比μ＝0.3，彈性模量E=20～20000MPa進(jìn)行分析，計(jì)算結(jié)果見圖5。從計(jì)算結(jié)果可以看出，隨著面板模量的減少，面板拉應(yīng)變有所增加。由于面板剛度很小，對(duì)變形抵抗作用有限，盡管E從20MPa增加為2000MPa時(shí)，模量增加了100倍，而面板應(yīng)變僅減少了29%。

圖5 瀝青面板彈性模量與拉應(yīng)變關(guān)系

（5）土質(zhì)透鏡體對(duì)面板變形的影響

下水庫(kù)覆蓋層存在土質(zhì)透鏡體和碎石架空現(xiàn)象，從面板受力條件分析，土質(zhì)透鏡體等軟弱物質(zhì)位于反弧位置對(duì)面板變形影響最不利。為分析土質(zhì)透鏡體等軟弱物質(zhì)對(duì)面板變形的影響，在有限元分析過(guò)程中，首先假設(shè)土質(zhì)透鏡體位于反弧上游的庫(kù)底，土質(zhì)透鏡體長(zhǎng)度為10m，分析不同埋深對(duì)面板變形影響。這樣做的主要目的是消除由于透鏡體使面板產(chǎn)生的拉應(yīng)變與反弧段拉應(yīng)變疊加的影響，分析結(jié)果見圖6。隨著埋藏深度的增加，土質(zhì)透鏡體對(duì)面板應(yīng)變影響越來(lái)越小。當(dāng)土質(zhì)透鏡體埋藏深度大于10m后，對(duì)面板應(yīng)變影響不大。既使土質(zhì)透鏡體埋深0～4m，引起面板的拉應(yīng)變僅為0.22%。

（a）反弧上游覆蓋層存在土質(zhì)透鏡體時(shí)其埋深對(duì)面板順坡向最大拉應(yīng)變的影響

（透鏡體長(zhǎng)度10m，模量降低10倍，以壓應(yīng)變?yōu)檎?/p>

(b) 反弧上游覆蓋層存在透鏡體情況的面板順坡向應(yīng)變分布圖

圖6

為分析土質(zhì)透鏡體對(duì)面板最不利影響，假設(shè)其位于反弧位置，長(zhǎng)10.5m，通過(guò)有限元分析不同埋藏深度對(duì)面板應(yīng)變的影響。分析成果見圖7。從分析結(jié)果不難看出：隨著埋藏深度增加，土質(zhì)透鏡體對(duì)面板應(yīng)變的影響減小，當(dāng)埋深大于6m后這種影響相對(duì)較小；面板反弧部位的拉應(yīng)變也與土質(zhì)透鏡體產(chǎn)生的拉應(yīng)變疊加。無(wú)土質(zhì)透鏡體時(shí)，面板反弧段最大拉應(yīng)變?yōu)?.32%，當(dāng)埋深4～8m時(shí)，面板最大拉應(yīng)變?yōu)?.41%，增加29％左右。

(a) 反弧位置覆蓋層存在土質(zhì)透鏡體時(shí)其埋深對(duì)面板順坡向應(yīng)變的影響

（透鏡體長(zhǎng)度10.5m，模量降低10倍，應(yīng)變以壓為正）

(b) 反弧位置覆蓋層存在透鏡體情況的面板順坡向應(yīng)變分布圖

圖7

在深厚覆蓋層基礎(chǔ)上建壩，首先應(yīng)考慮覆蓋層的利用問(wèn)題，選用合適勘探、試驗(yàn)手段，查明覆蓋層的成因、分布、組成、工程特性、壩體和覆蓋層與基巖接觸面性質(zhì)等。對(duì)于西龍池下水庫(kù)覆蓋層，面波測(cè)試是一種較好的物探手段，與其它勘測(cè)成果有較好的一致性。在查明覆蓋層性質(zhì)后，從壩體及覆蓋層穩(wěn)定、壩體及面板應(yīng)力應(yīng)變、滲透穩(wěn)定入手，分析覆蓋層利用的可能性、利用原則及基礎(chǔ)處理措施。西龍池下水庫(kù)覆蓋層參數(shù)及土質(zhì)透鏡體對(duì)面板變形影響較大，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，針對(duì)不同時(shí)期形成洪積物在不同深度的工程特性，在滿足面板及壩體安全運(yùn)行的前提下，確定覆蓋層利用原則。施工過(guò)程中，采用地質(zhì)雷達(dá)，對(duì)土質(zhì)透鏡體和架空層進(jìn)行勘探，根據(jù)其體積大小、埋藏深度、所處部位采取不同的處理方式。

1《混凝土面板壩工程》蔣國(guó)澄 傅志安 風(fēng)家驥主編 湖北科學(xué)技術(shù)出版社