全 文 ：收稿日期:2012-10-29
作者简介:徐江燕(1982-), 男, 工程师 , 主要从事水利水
电工程设计及管理工作。Email:cnlwjl@163.com
方竹水电站拱坝坝肩稳定分析
徐江燕 (遵义水利水电勘测设计研究院 贵州遵义 563002)
【摘 要】方竹水电站大坝因修建时未按设计要求对两坝肩作防渗处理 , 经多年运行 , 两坝肩岸坡及接触带的渗水长
期浸泡软化坝肩岩层及层间的软弱夹层 , 加之右坝肩抗滑岩体较为单薄 , 大坝坝肩的运行存在安全隐患。在对坝肩及坝体
与基岩接触带采取了防渗措施的基础上 , 结合原设计资料 、 坝址区工程地质条件及电站建设过程中基础处理措施等 , 进一
步复核坝肩稳定计算参数 , 分析计算坝肩抗滑稳定安全系数 , 对大坝坝肩稳定作出了科学评价。
【关键词】拱坝 坝肩渗漏 坝肩稳定 滑动面 抗滑稳定安全系数
1 工程概况
方竹水电站地处贵州省余庆县龙溪镇苏羊管理
区境内 , 坝址位于乌江右岸一级支流余庆河中下
游 , 为余庆河的第 2座梯级电站 。电站坝址以上流
域面积1 323 km2 ,水库总库容5 660万m3 ,校核洪水
位554.17 m ,正常蓄水位552.00 m ,死水位535.00 m 。
电站为坝后式 , 安装有 3台机组 , 总装机8 200 kW
(2×2 500 kW+1×3 200 kW)。
方竹水电站枢纽建筑物主要由大坝 、重力墩 、
溢洪道 、 发电引水系统 、 冲砂兼放空底孔 、 发电厂
房 、 升压站等组成。大坝为 150号细石混凝土砌块
石双曲拱坝 , 坝顶高程555.00 m ,最大坝高66.0 m ,
坝顶轴线弧长158.34 m , 坝顶宽 5.00 m , 坝底宽
14.40 m 。重力墩设于大坝右坝肩 , 高11.0 m ,为 150
号细石混凝土砌块石结构 , 顶宽17.1 m、长 19.2 ～
25.5 m ,底宽22.6 m、长26.0 m 。溢洪道位于大坝右
岸 , 与大坝右岸重力墩相连 。溢流堰堰形为实用
堰 , 堰顶高程546.00 m ,溢洪道总长213.92 m 。电站
发电引水系统布置于大坝中部坝身 , 取水口型式采
用直立岸塔式 。冲砂兼放空底孔布置在大坝左坝
段 , 呈径向布置 。主 、副厂房布置在大坝下游侧 。
工程于 1989年 1月 30日开工建设 , 1994年 7
月7日下闸蓄水 , 同年 12月首台机组发电;1995
年 10月 1日 1 、 2 号机组正式运行;3 号机组于
1999年1月动工安装 , 同年 5月25日完工并投入运
行。2000年 8月 8日工程全部完工并通过竣工验收。
因工程修建时受资金 、 技术等限制 , 大坝左 、
右岸帷幕灌浆未能按设计要求实施 , 坝体与岩体接
触带灌浆施工质量差 (钻孔揭露), 拱端与岩基陡
坡接触带也未作接触防渗处理 , 导致大坝坝肩接触
带及左右岸坡产生渗漏 。根据收集的基础资料及现
场勘测数据 , 大坝左 、 右坝肩和坝体与基岩接触带
均有渗漏现象 , 两坝肩下游岸坡岩层存在大面积明
显渗水现象 , 且两坝肩的渗漏量随库水位的升高逐
步增大 。另根据坝肩钻孔取样及压水试验分析 , 发
现坝址处白云岩因微细隐节理发育 , 岩体呈互层镶
嵌块裂结构特征 , 钻孔压水试验多段岩体透水率
≥7.26 Lu ,两坝肩与基岩接触带存在明显渗漏现
象 。渗漏给坝肩的抗滑稳定带来了较多不利影响。
2 坝肩地质基本资料
2.1 地质基本资料
1)坝区河谷地形。坝址位于余庆河与其支流
苏江河汇口下游地形缩窄处 , 总体为横向河谷 , 岩
层缓倾下游偏右岸 , 倾角 20°～ 25°。坝址横断面呈
“U” 型 , 左岸地形宽厚 , 右岸有 1个低垭口 , 地
形较单薄。
2)地层岩性 。坝址地层为寒武系中统高台组
(∈ 2g), 主要岩性为薄至中厚层白云岩夹角砾状白
云岩 、 泥质白云岩 。
3)地质构造。坝址为单斜构造 , 横向河谷。
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小水电 2013 年第 2 期 (总第170期) 技术交流
岩体中细微节理发育 , 在左 、 右坝肩岩体内分别发
育有 2 组共轭裂隙:左坝肩为 N26°E/SE ∠75°和
N75°W/NE∠70°;右坝肩为 N23°E/SE∠80°和 N83°
W/NE∠70 , 裂隙宽约为 0.2 ～ 2 cm不等 。强风化带
内裂隙多张开 , 大部充填次生粘土及岩屑 , 局部为
方解石脉胶结;弱风化带内裂隙闭合 , 局部为方解
石脉胶结 , 贯通性差 。裂隙密度一般 2 ～ 3 条/m 。
裂隙连通率:强风化带 60%～ 70%, 弱风化带
40%～ 50%。
4)软弱夹层 。在左 、 右坝肩 ∈2g2-2的下部层
间有 R1 、 R2 、 R3软弱夹层顺层稳定分布 , 夹层在
地表强风化带可见厚度:R1 =0.2 ～ 2.5 cm 、R2 =
0.2 ～ 0.4 cm 、R3=0.2 ～ 1.5 cm ,为泥夹岩屑型夹层。
根据坝肩开挖揭露 , 软弱夹层在弱风化带内已不明
显 , 尤其在开挖的建基面上已见不到粘土 , 为白云
质泥岩夹层 , 其在弱风化带内的性状较好。
2.2 坝肩开挖及处理资料
据施工验收记录 、施工地质编录和施工资料整
理 , 左坝肩开挖深度 8 ～ 20 m (水平深度), 开挖
高程 490 ～ 555 m ,下部开挖宽度16 m ,上部开挖宽度
6 m;右坝肩开挖深度 15 ～ 20 m (水平深度), 高程
490 ～ 542 m ,下部开挖宽度16 m ,上部开挖宽度6 m 。
岩性均为薄夹中厚层白云岩 、 角砾状白云岩夹少量
泥质白云岩 , 岩体呈弱 、 微风化状态 , 裂隙中等发
育 , 多闭合 , 岩体呈互层状结构 , 嵌合力较好 , 贯
穿性结构面不发育 , 岩体较坚硬较完整 。地表所见
的软弱夹层 (R1 、 R2 、 R3)在开挖出的建基面上
呈起伏状 , 厚度 0 ～ 0.3 cm ,其成分为泥质白云岩 ,
性状及强度与弱风化泥质白云岩类似。坝肩开挖时
对两岸软弱夹层 R1 、 R2 、 R3 作深挖回填混凝土处
理 , 两坝肩基础设0.5 m厚 150号混凝土垫层 。
3 渗漏对坝肩抗滑稳定的不利影响
1)坝肩岩体为薄至中厚层白云岩夹角砾状白
云岩 、泥质白云岩 , 呈层状结构 , 岩石软化系数较
低 , 在渗水的长时间作用下 , 岩体承载力和抗滑稳
定能力将降低。
2)坝肩岩体层面及裂隙十分发育 , 在左右坝
肩均存在有软弱夹层 R1 、 R2 、 R3 , 岩层层面及层
间的软弱夹层长期在渗透水的浸泡下 , 逐渐软化 ,
影响坝肩抗滑能力 。
3)坝肩岩层倾向下游 , 倾角 20°～ 25°, 且受
地形条件及溢洪道布置影响 , 大坝右坝肩抗滑岩体
较为单薄 , 在较高的地下水位长期作用下 , 坝肩存
在较高的扬压力 , 对坝肩抗滑稳定不利。
4)大坝坝肩基岩 、 层面 、裂隙面在渗水长时间
作用下软化 , 相关力学参数与原设计值变化较大 ,
对坝体应力不利 , 同时影响坝肩抗滑稳定能力。
4 坝肩抗滑稳定分析主要参数复核
根据大坝左 、 右坝肩及坝体与基岩接触带的渗
漏情况及勘察资料 , 对左 、 右坝肩及坝体与基岩接
触带进行帷幕灌浆处理 。在对坝肩及坝体与基岩接
触带采取了防渗措施的基础上 , 结合原设计资料 、
坝址区工程地质条件 、 大坝工程特性以及电站建设
过程中基础处理措施等 , 进一步复核坝肩稳定计算
参数。
4.1 渗透压力折减
大坝存在坝肩及绕坝渗漏 , 渗漏不仅影响水库
的正常运行 , 且渗水长期浸泡坝肩岩层及层间的软
弱夹层 , 对坝肩稳定不利。本次设计对未按原设计
要求进行帷幕灌浆的左 、 右坝肩作帷幕灌浆处理 ,
帷幕灌浆不仅可降低渗水对坝肩岩体 、软弱夹层软
化的威胁 , 且可降低坝肩抗滑岩体的渗透压力 , 对
提高坝肩抗滑岩体的稳定性有一定作用。根据相关
规范要求并结合工程实际综合考虑 , 取渗透压力折
减系数为0.6。
4.2 裂隙面抗剪断力学参数
在原设计资料中 , 坝肩裂隙面抗剪断力学参数
取值未考虑裂隙连通率值的影响 , 加之裂隙面多年
受渗水影响 , 需重新分析裂隙面抗剪断力学参数。
本设计结合工程已有勘测资料 、 施工情况及检测试
验资料 , 通过对裂隙的分布 、性状及裂隙面物理力
学参数的分析 , 考虑裂隙连通率对裂隙面抗剪断力
学参数取值的影响 , 参照同类工程 , 根据裂隙连通
率值 (强风化带 50% ～ 60%、 弱风化带 30%～
40%), 对裂隙面的抗剪断力学参数进行加权平均
取值。经计算分析 , 坝肩裂隙面抗剪断力学参数取
值为:f′=0.50 ～ 0.70 , c′=0.20 ～ 0.45 MPa。
4.3 软弱夹层抗剪断力学参数
根据勘探资料及收集的大坝坝肩开挖基础资料
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技术交流 SMALL HYDRO POWER 2013No2 , Total No170
分析 , 考虑到坝肩软弱夹层在弱风化带内已不明
显 , 在开挖的建基面上已见不到粘土 , 为白云质泥
岩夹层;在强风化带内软弱夹层充填粘土较薄 , 岩
层之间有一定的起伏差 , 相互间的咬合作用对抗滑
稳定有利 , 且坝肩开挖后对软弱夹层作了嵌固处
理。同时 , 考虑到坝肩的渗漏情况 , 对软弱夹层有
一定的影响 , 故取值时在该结构面类型的范围内作
了折减。本设计根据软弱夹层的性状 , 参考相关规
范推荐值 , 参照同类工程取值 。软弱夹层面抗剪断
力学参数取值为:f′=0.35 ～ 0.45 , c′=0.08 ～
0.12 MPa 。
5 坝肩抗滑稳定分析
根据大坝坝肩防渗帷幕灌浆后的工程特性 、 复
核后的坝肩抗滑物理力学参数值等 , 对大坝坝肩及
坝肩 3层软弱夹层作抗滑稳定计算。
5.1 拱端力系
采用反力参数法计算的基本荷载组合和特殊荷
载组合时的拱端力系为计算依据。坝肩考虑帷幕灌
浆的处理 , 渗透压力折减系数取 0.6。
5.2 可能滑动面分析
两坝肩基岩裸露 , 岸坡岩体稳定性较好 , 未发
现大的不稳定岩体及潜在滑移体 , 但两坝肩拱端多
置于岩体弱风化上层和强风化层下部 , 岩石强风化
层内裂隙较发育 , 且存在软弱夹层 。裂隙主要分布
为:右坝肩①N23°E/SE∠80°, ②N83°W/SW∠75°。
左坝肩①N26°E/SE ∠75°, ②N75°W/SW ∠80°。在
左 、 右坝肩均存在顺层发育的 3层软弱夹层 , 软弱
夹层之间有一定的起伏差 , 相互间的咬合左右对抗
滑稳定有利 , 而且坝肩开挖后对软弱夹层作了嵌固
处理 。
根据左 、右坝肩 3条裂隙的分布和对坝肩抗滑
岩体的分析 , 确定大坝右坝肩以裂隙 N83°W/SW
∠75°、大坝左坝肩以裂隙 N75°W/SW∠80°来初拟
侧滑面 , 左 、右坝肩均采用层面作为底滑面 。软弱
夹层其层面顺岩层倾向下游 , 在软弱夹层分布高程
坝肩抗滑体采用夹层为底滑面 , 采用裂隙面作为侧
滑面 。
5.3 坝肩稳定计算
坝肩稳定按刚体极限平衡法计算 , 根据 《砌石
坝设计规范》 (SL25—2006), 采用抗剪断公式进行
核算:K′=∑ (Nf′+c′A)/ ∑T。按规范要求的
抗剪断安全系数 K′值:基本组合 [ K′] ≥3.0;特
殊组合 [ K′] ≥2.5。
计算假定取裂隙面为侧滑面 , 层面和顺层发育
的软弱夹层为底滑面 (岩层倾向下游 , 倾角 20°～
25°), 侧滑面 (裂隙面)抗剪断强度物理力学参
数:f′=0.50 ～ 0.70 , c′=0.20 ～ 0.45MPa ,底滑面
(层面 、 软弱夹层面)的抗剪断强度物理力学参数:
(层面) f′=0.70 , c′=0.25 MPa;(软弱夹层) f′
=0.35 ～ 0.45 , c′=0.08 ～ 0.12MPa 。根据工程实际
情况 , 设计主要选取基本组合 、 特殊组合最不利的
两种荷载组合进行计算 , 基本组合的正常蓄水位情
况:自重+静水压力+扬压力+泥砂压力+浪压力
+冰压力+设计正常温降 , 特殊组合的校核洪水位
情况:自重+静水压力+扬压力+泥砂压力+浪压
力+动水压力+设计正常温升。
经计算 , 在基本组合 、 特殊组合情况下 , 大坝
坝肩分层 、 整体抗滑稳定安全系数均满足规范要
求 , 两坝肩软弱夹层面抗滑稳定安全系数满足规范
要求。
6 成果分析及评价
本次在对坝肩稳定进行分析计算时 , 根据相关
规范要求并结合工程实际情况 , 考虑坝肩实施帷幕
灌浆后 , 对坝肩抗滑岩体渗透压力作了折减。同时
考虑裂隙连通率对裂隙面 (侧滑面)抗剪断力学参
数取值的影响 , 参照同类工程 , 对裂隙面 (侧滑
面)的抗剪断力学参数进行加权平均取值 。另外根
据软弱夹层的性状 , 参考相关规范推荐值 , 参照同
类工程取值 , 对软弱夹层面的抗剪断力学参数进行
了复核取值 。经计算 , 坝肩抗滑稳定安全系数满足
规范要求 , 且从大坝多年来运行的实际情况和收集
的资料看 , 水库基本在设计水位下运行 , 运行最高
水位552.13 m ,大坝坝肩至今未发现有异常现象 ,
大坝运行良好 , 本次坝肩稳定计算成果合理。
(下转第23页)
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小水电 2013 年第 2 期 (总第170期) 技术交流
表 4 红山嘴电厂 2006年 1月 7日—2月 18日各电站发电量统计表
渠系流量 二级电站 三级电站 四级电站 五级电站
7日—27 日总电量 261.570 0 104.832 0 164.164 0 158.232 0 156.360 0
7 日—27 日平均电量 12.455 7 4.992 0 7.817 3 7.534 0 7.445 7
7 日—27 日平均出力 2 080.000 0 3 257.000 0 3 139.000 0 3 102.000 0
1 月 28 日 (三级 1号机开机) 12.282 0 4.392 0 8.100 0 7.056 0 7.344 0
29日—18 日总电量 254.808 0 95.688 0 224.820 0 151.896 0 154.872 0
29 日—18日平均电量 12.133 7 4.556 6 10.705 7 7.233 1 7.374 9
29 日—18日平均出力 1 898.583 3 4 460.708 3 3 013.791 6 3 072.875 0
备注:1 月 29 日—2 月 18 日三级电站小转轮机组投运后的第一个21 d ,二 、 四 、 五级电站日平均电量比 1 月 7 日—1 月
27 日三级电站未更换小转轮前减少 , 证明后21 d玛河水量少于前21 d;但在水量减少的情况下 , 三级电站由于小转轮机组运
行日均发电量却显著增加。其中二级电站日均电量减少 8.72%, 四级电站减少 3.99%, 五级电站减少 0.95%, 三级电站日
均增发电量 2.88万 kW·h , 增加 36.94%。通过对比计算充分说明三级电站小转轮机组效率大大高于大转轮机组运行。
小转轮机组从投产试运行 , 增发电量效果显
著 , 在相同水量情况下比大转轮机组多带负荷
1 000 ～ 1 500 kW 。通过对比计算 , 在相同水量情况
下 , 小转轮机组运行比大转轮机组日均增发电量 3
～ 4万 kW·h , 效率提高 40%。冬季运行 5 个月可
增加发电量 500万 kW·h 。按照天富热电股份公司
2006年平均电价0.399 7元/kW·h 计算 , 每年可为
公司增加销售收入 200万元 , 经济效益十分显著 。
4 结 论
1)水电站冬季运行机组转轮应用技术是红山
嘴电厂灵活应用水力发电水能设计基本理论 , 根据
不同季节河流来水流量不同 , 配置不同容量转轮 ,
使电站在不同流量范围内均高效运行 , 在水能利用
方面的科技创新项目 。该项目理论成熟 , 应用技术
系统 、 完善 , 实施工艺简单 、投资少 、见效快 , 推
广应用前景十分广阔。
2)在西北高寒地区季节性较强河流 , 枯水期
河流来水量小于机组单机设计流量 40%以下河流
的已建电站 , 推广应用该技术可以使电站冬季发电
生产能力普遍提高 20%～ 40%, 经济效益显著 。
3)对新建电站的机组选型和老电站的技术改
造具有较高的借鉴和推广应用价值。新建电站机组
选型不需考虑枯水期小流量对机组性能参数的影
响 , 可以按照平均型容量对机组进行选型 。同时根
据枯水期小流量 , 再选择 1台与枯水期小流量相匹
配的小转轮用于枯水期运行 。老电站技术改造可以
参照三级电站成功的经验进行。
□
责任编辑 吴 昊
(上接第 19页)
7 结 语
在拱坝坝肩稳定分析计算中 , 力学参数及相关
系数的取值是否合理直接影响计算的抗滑稳定安全
系数的科学性。本次坝肩抗滑稳定安全系数的复核
计算 , 在分析渗水对坝肩抗滑稳定可能造成的不利
影响的前提下 , 根据对大坝坝肩实施的防渗帷幕灌
浆处理方案 , 充分考虑原坝肩基础开挖情况 、基础
处理措施 、裂隙及软弱夹层分布状况等 , 结合相关
检测试验资料及规程规范 , 通过工程类比 , 合理分
析选取力学参数及相关系数 , 对大坝坝肩稳定进行
计算分析并作出科学评价。方竹水电站大坝坝肩防
渗帷幕灌浆于 2011年实施完毕 , 实施后水库已按
设计水位运行 , 大坝坝肩运行正常。
参考文献:
[ 1] SL 25—2006 , 砌石坝设计规范[ S] .
[ 2] 黎展眉.拱坝坝头稳定分析中若干问题的考虑[ J] .贵
州水力发电 , 2009(4).
[ 3] 遵义水利水电勘测设计研究院.贵州省余庆县方竹水
电站除险加固工程实施方案设计报告(审定稿)[ R] .遵
义:遵义水利水电勘测设计研究院 , 2009.
□
责任编辑 吴 昊
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小水电 2013 年第 2 期 (总第170期) 技术交流