超高混凝土重力坝坝基岩体质量及利用标准研究
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摘要
澜沧江黄登水电站坝高202m，为我国第一座超高混凝土重力坝（现行重力坝设计规范规定：对于坝高超过200m的混凝土重力坝设计应作专门研究。鉴于我国目前还没有达到200m坝高的混凝土重力坝，本文把坝高超过200m的称为超高混凝土重力坝），由于超高坝荷载大，库水压力高，理论、技术、经验缺少，因此搜集国外超高重力坝和我国坝高100-186m量级的高混凝土重力坝成功修建的理论、技术和监测成果为基础，以世界最高混凝土重力坝Grande Dixence已知的坝基岩体、设计断面、试验力学参数、以及近20年的变形观测数据，用有限元进行实际力学参数的反演去揭示285m超高混凝土重力坝所要求的坝基基本岩体质量，借此去预测超高混凝土重力坝对地基岩体的要求。黄登水电站坝基岩体为角砾熔岩夹少量薄层凝灰岩，主要为坚硬岩体，左岸岩体表观结构良好，但波速低，岩体力学参数也较低，此种岩体能否满足重力坝对坝肩岩体强度和变形的要求，以及如何评价和选择河床部位超高混凝土重力坝的建基岩体是目前水工建设中具有重要意义的研究课题。
论文以黄登水电站超高混凝土重力坝坝基岩体为研究对象，重点开展超高混凝土重力坝坝基岩体质量和建基面选择的研究，主要取得了以下成果：
（1）从影响坝基岩体质量的因素出发，优选出评价各影响因素的代表性指标：岩石饱和单轴抗压强度、结构面间距、吕荣值、声波纵波速、变形模量、抗剪断强度。选取变形模量作为评价坝基岩体质量的控制性指标，并对各指标的对应性进行了研究。
（2）在广泛搜集国内外资料的基础上，结合作者获得的大量现场资料，通过多种研究，分析了超高坝坝基为不同类别岩体以及坝基相同而坝高不同时的应力、位移、破坏模式和安全系数，总结出超高混凝土重力坝坝基利用岩体不得低于Ⅲ1类。在此基础上，结合国内外已建200m级以及百米级重力坝坝基岩体情况，提出了超高混凝土重力坝坝基岩体利用标准及基本的量化指标。
（3）得出坝高＞340m，抗震烈度为7度时，坝基岩体即使为Ⅰ级岩体也满足不了抗滑稳定性要求，即对于混凝土重力坝来说，坝高340m可能是其极限高度。
（4）黄登坝址区两岸岩体具有明显的“松弛块状结构”。岩体块度大，按结构面间距应划为次块状-整体状结构，对应岩级应为Ⅲ1-Ⅰ级，按规范为高坝直接利用的优良坝基。但波速、变形模量却较低，按波速、变形模量为高坝不可利用岩体。为了能正确地评价岩体结构，采用以结构面间距为第一指标，辅以反映结构面紧密程度的波速作为补充进行坝址区岩体结构划分。左岸岩体受成组发育的卸荷长大裂隙影响岩体结构明显差于右岸。
（5）坝址区岩体的风化、卸荷松弛特征是黄登水电站坝基利用岩体评价中的主要问题，特别是左岸岩体风化、卸荷较为突出。采用多种量化指标对坝区岩体进行风化、卸荷评价，得出高程越高，岩体风化卸荷深度越大，左岸风化卸荷深度大于右岸。
（6）根据建立的超高混凝土重力坝坝基岩体利用标准，对黄登坝址区岩体进行质量评价，结合现场变形试验以及波速测试等数据，得出黄登坝址区岩体利用上限，并对选出的建基岩体进行了校核，证明所选的建基岩体满足黄登超高混凝土重力坝的应力、变形和稳定性要求。
Dam height of Lancang Huangdeng hydropower Station is202m and it is thefirst ultra high concrete gravity dam in our country (current design code on gravitydam stipulates that: the design for the concrete gravity dam of which the heightexceeds200m shall be researched technically. In consideration that there is noconcrete gravity dam with more than200m dam height in China presently, the papercalls the concrete gravity dam that the dam height is beyond200m as ultra highconcrete gravity dam). Due to large load for ultra high dam, high pressure of thereservoir water, and lack of relevant theory, technology and experience, the basic rockmass quality of dam foundation required by285m of ultra high concrete gravity damis revealed via inverting actual mechanical parameters with finite element dependingon the known dam foundation rock mass, design section, testing mechanicalparameters and deformation observed data during recent20years of the highestconcrete gravity dam Grande Dixence in the world on the basis of collecting theories,technologies and monitoring achievements from abroad ultra high gravity dams anddomestic high concrete gravity dams and oversea at100-186m level which wereestablished successfully so as to predict the requirements on foundation rock mass forultra concrete gravity dam. Rock mass of dam foundation for Huangdeng hydropowerstation is gravel lava containing a small quantity of lamellar tuff and mainly is hardrock mass. Apparent structure of rock mass on the left portion is good but the wavespeed is low and the mechanical parameter of rock mass is also low. So, whether suchrock mass can meet the requirements on rock mass strength of dam abutment anddeformation for the gravity dam and how to evaluate and select the rock mass forconstructing foundation of the ultra high concrete gravity dam at the river bed portionare the research topics with important significance in the field of current hydraulicconstruction. The paper focuses on studying the rock mass quality of dam foundationfor ultra high concrete gravity dam and selecting the fundamental plane forconstructing by taking the ultra high concrete gravity dam of Huangdeng hydropowerstation as the example and mainly obtains the following achievements:
(1) On the view of factors affecting the rock mass quality of dam foundation, therepresentative indexes of various influence factors are evaluated preferably: uniaxial compressive strength of rock saturation, gap of structural surface, lugeon value,longitudinal wave speed of sound wave, deformation modulus, and shearing resistantstrength. The deformation modulus is taken as the controllable index for evaluating therock mass quality of dam foundation and the congruity of each index is researched too.
(2) By combining lots of the field materials gained by the author and analyzingthe stresses, displacements, destroy modes and safety coefficients for ultra high damfoundations with different types of rock masses and the same dam foundation butdifferent dam heights on the basis of widely collecting domestic and overseasmaterials, conclude that the used rock mass of dam foundation for ultra high concretegravity dam must be Ⅲ1class at least via multiple researches. Propose the rock massutilization standard of dam foundation of ultra high concrete gravity dam and basicquantitative criteria by the rock mass situations of dam foundations of establishedgravity dams at200m level or hundred meter level based on the mentionedconclusion.
(3) When the dam height is higher than340m and the seismic fortificationintensity is seven, the rock mass of dam foundation cannot meet the requirement ofanti-slide stability even if it is the rock mass at I level, which means that340m of damheight may be the ultimate height for the concrete gravity dam.
(4) The rock masses at both sides of Huangdeng Dam have obvious “looseblocky structure”. Lumpiness of rock mass is large and should be classified assecondary blocky-integral blocky structure based on the gap of structural gap and thecorresponding rock level is Ⅲ1-Ⅰlevel. Thus, it is the excellent dam foundationwhich can be directly used for high dam based on the code.
(5) Weathering and unloading and relaxation features of the rock mass in thisdam area are the major problems in the evaluation of available rock mass forHuangdeng hydropower station. In particular, rock mass weathering and unloadingproblems for the left side are conspicuous. By adopting multiple quantitative criteriato implement weathering and unloading evaluation for the rock mass in the dam area,the conclusions that the weathering and unloading depths for rock mass are deeperbecause of higher elevation and the weathering and unloading depths at the left side islarger than the right side.
(6) According to the rock mass utilization standard of dam foundation forestablished ultra high concrete gravity dam, the rock mass quality in Huangdeng damarea is estimated and the available upper limit of rock mass in Huangdeng dam area isobtained by combining with the data on the filed deformation test and wave speed testand so on. Moreover, the selected rock mass for constructing foundation is checked toprove it reaches the requirements on stress, deformation and stability for Huangdengultra high concrete gravity dam.
论文以黄登水电站超高混凝土重力坝坝基岩体为研究对象，重点开展超高混凝土重力坝坝基岩体质量和建基面选择的研究，主要取得了以下成果：
（1）从影响坝基岩体质量的因素出发，优选出评价各影响因素的代表性指标：岩石饱和单轴抗压强度、结构面间距、吕荣值、声波纵波速、变形模量、抗剪断强度。选取变形模量作为评价坝基岩体质量的控制性指标，并对各指标的对应性进行了研究。
（2）在广泛搜集国内外资料的基础上，结合作者获得的大量现场资料，通过多种研究，分析了超高坝坝基为不同类别岩体以及坝基相同而坝高不同时的应力、位移、破坏模式和安全系数，总结出超高混凝土重力坝坝基利用岩体不得低于Ⅲ1类。在此基础上，结合国内外已建200m级以及百米级重力坝坝基岩体情况，提出了超高混凝土重力坝坝基岩体利用标准及基本的量化指标。
（3）得出坝高＞340m，抗震烈度为7度时，坝基岩体即使为Ⅰ级岩体也满足不了抗滑稳定性要求，即对于混凝土重力坝来说，坝高340m可能是其极限高度。
（4）黄登坝址区两岸岩体具有明显的“松弛块状结构”。岩体块度大，按结构面间距应划为次块状-整体状结构，对应岩级应为Ⅲ1-Ⅰ级，按规范为高坝直接利用的优良坝基。但波速、变形模量却较低，按波速、变形模量为高坝不可利用岩体。为了能正确地评价岩体结构，采用以结构面间距为第一指标，辅以反映结构面紧密程度的波速作为补充进行坝址区岩体结构划分。左岸岩体受成组发育的卸荷长大裂隙影响岩体结构明显差于右岸。
（5）坝址区岩体的风化、卸荷松弛特征是黄登水电站坝基利用岩体评价中的主要问题，特别是左岸岩体风化、卸荷较为突出。采用多种量化指标对坝区岩体进行风化、卸荷评价，得出高程越高，岩体风化卸荷深度越大，左岸风化卸荷深度大于右岸。
（6）根据建立的超高混凝土重力坝坝基岩体利用标准，对黄登坝址区岩体进行质量评价，结合现场变形试验以及波速测试等数据，得出黄登坝址区岩体利用上限，并对选出的建基岩体进行了校核，证明所选的建基岩体满足黄登超高混凝土重力坝的应力、变形和稳定性要求。
Dam height of Lancang Huangdeng hydropower Station is202m and it is thefirst ultra high concrete gravity dam in our country (current design code on gravitydam stipulates that: the design for the concrete gravity dam of which the heightexceeds200m shall be researched technically. In consideration that there is noconcrete gravity dam with more than200m dam height in China presently, the papercalls the concrete gravity dam that the dam height is beyond200m as ultra highconcrete gravity dam). Due to large load for ultra high dam, high pressure of thereservoir water, and lack of relevant theory, technology and experience, the basic rockmass quality of dam foundation required by285m of ultra high concrete gravity damis revealed via inverting actual mechanical parameters with finite element dependingon the known dam foundation rock mass, design section, testing mechanicalparameters and deformation observed data during recent20years of the highestconcrete gravity dam Grande Dixence in the world on the basis of collecting theories,technologies and monitoring achievements from abroad ultra high gravity dams anddomestic high concrete gravity dams and oversea at100-186m level which wereestablished successfully so as to predict the requirements on foundation rock mass forultra concrete gravity dam. Rock mass of dam foundation for Huangdeng hydropowerstation is gravel lava containing a small quantity of lamellar tuff and mainly is hardrock mass. Apparent structure of rock mass on the left portion is good but the wavespeed is low and the mechanical parameter of rock mass is also low. So, whether suchrock mass can meet the requirements on rock mass strength of dam abutment anddeformation for the gravity dam and how to evaluate and select the rock mass forconstructing foundation of the ultra high concrete gravity dam at the river bed portionare the research topics with important significance in the field of current hydraulicconstruction. The paper focuses on studying the rock mass quality of dam foundationfor ultra high concrete gravity dam and selecting the fundamental plane forconstructing by taking the ultra high concrete gravity dam of Huangdeng hydropowerstation as the example and mainly obtains the following achievements:
(1) On the view of factors affecting the rock mass quality of dam foundation, therepresentative indexes of various influence factors are evaluated preferably: uniaxial compressive strength of rock saturation, gap of structural surface, lugeon value,longitudinal wave speed of sound wave, deformation modulus, and shearing resistantstrength. The deformation modulus is taken as the controllable index for evaluating therock mass quality of dam foundation and the congruity of each index is researched too.
(2) By combining lots of the field materials gained by the author and analyzingthe stresses, displacements, destroy modes and safety coefficients for ultra high damfoundations with different types of rock masses and the same dam foundation butdifferent dam heights on the basis of widely collecting domestic and overseasmaterials, conclude that the used rock mass of dam foundation for ultra high concretegravity dam must be Ⅲ1class at least via multiple researches. Propose the rock massutilization standard of dam foundation of ultra high concrete gravity dam and basicquantitative criteria by the rock mass situations of dam foundations of establishedgravity dams at200m level or hundred meter level based on the mentionedconclusion.
(3) When the dam height is higher than340m and the seismic fortificationintensity is seven, the rock mass of dam foundation cannot meet the requirement ofanti-slide stability even if it is the rock mass at I level, which means that340m of damheight may be the ultimate height for the concrete gravity dam.
(4) The rock masses at both sides of Huangdeng Dam have obvious “looseblocky structure”. Lumpiness of rock mass is large and should be classified assecondary blocky-integral blocky structure based on the gap of structural gap and thecorresponding rock level is Ⅲ1-Ⅰlevel. Thus, it is the excellent dam foundationwhich can be directly used for high dam based on the code.
(5) Weathering and unloading and relaxation features of the rock mass in thisdam area are the major problems in the evaluation of available rock mass forHuangdeng hydropower station. In particular, rock mass weathering and unloadingproblems for the left side are conspicuous. By adopting multiple quantitative criteriato implement weathering and unloading evaluation for the rock mass in the dam area,the conclusions that the weathering and unloading depths for rock mass are deeperbecause of higher elevation and the weathering and unloading depths at the left side islarger than the right side.
(6) According to the rock mass utilization standard of dam foundation forestablished ultra high concrete gravity dam, the rock mass quality in Huangdeng damarea is estimated and the available upper limit of rock mass in Huangdeng dam area isobtained by combining with the data on the filed deformation test and wave speed testand so on. Moreover, the selected rock mass for constructing foundation is checked toprove it reaches the requirements on stress, deformation and stability for Huangdengultra high concrete gravity dam.
引文
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