水利工程建基面确定与坝基岩体开挖

【摘要】随着水利工程建设要求的不断提高，研究其建基面确定与坝基岩体开挖凸显出重要意义。本文首先介绍了岩体质量分级，分析了坝基岩体利用情况回顾，研究了拱坝建基面优化。 
【关键词】水利工程；建基面确定；坝基岩体；开挖 
　　一、前言 
　　作为水利工程方面的一项重要工作，其建基面确定与坝基岩体开挖在近期得到了长足的发展和进步。该项课题的研究，将会更好地提升建基面确定与坝基岩体开挖的实践水平，从而有效优化水利工程的最终整体效果。 
　　二、岩体质量分级 
　　岩体质量分级是复杂岩体工程质量的分解和归纳，它既是研究岩体工程质量的一种手段，又是表征岩体工程特性的一种方法，是工程岩体稳定分析的基础，在工程设计和基础岩体工程间起着桥梁的作用。 
　　目前，以岩石强度、风化程度、岩体完整性和节理性状等参数对坝基岩体进行定性和定量评价的方法基本得到业界的认同；另外，加拿大地质专家康拜尔对我国二滩水电站咨询时，提出了岩体3级分类的简单分级方法：即将坝基岩体分为工程利用岩体、经过工程处理后可利用的岩体和不可利用的岩体3类，该分类在加拿大和南非某些工程都有应用。我国坝基岩体分类的研究工作起步较晚，从2O世纪5O年代至7O年代中期，主要以岩体风化程度作为岩体工程地质分类标准，并将这种分级列入《水利水电工程地质勘察规范》。随后，以中国科学院地质所谷德振教授为首创建的《岩体工程地质力学》分级方案在地下及地面工程岩体分类中得到广泛应用。进入2O世纪8O年代后，我国对坝基岩体分类及评价，已由单因素向多因素、由定性向定量方向发展。中国水利水电规划设计总院于1988年提出坝基岩体质量分级表，主要依据岩石强度、岩体结构特征、岩体受力条件3个基本因素进行分级，同时给出各类岩体力学参数，基本做到了定性与定量相结合；后期的小湾水电站坝基岩体质量分类、“三峡YZP法”岩体质量分类均主要是遵循此原则进行。 
　　三、坝基岩体利用情况回顾 
　　坝基岩体利用技术随工程地质勘探技术的提高和水电工程建设的实践不断发展和提高。早期的工程地质勘探仅仅提供一般的地质平面与剖面图，以后又在剖面图上增加了风化分带，基岩地质图也有所发展，20世纪70年代，发展为基岩利用等高线图，为设计人员提供了较大的方便。 
　　拱坝建基面确定多按岩体风化程度，倾向于多挖，一般高坝要求开挖到新鲜或微风化岩体，中低坝开挖到弱风化或半风化岩体，但是由于以下原因：1）高坝往往采取其他处理措施而降低开挖标准；2）有些中小型坝以开挖作为基础处理的主要手段。故要求较高；3）虽是同一风化程度而不同类型的岩石软硬、强度相差很大，岩性软弱的坝基要求较高，从而使高、低拱坝在开挖上往往无明显的界限，有些较高拱坝汗挖到微风化或弱风化岩石，而有些中小型拱坝反而要求开挖到新鲜岩石。因此，1985年颁布执行的《混凝土拱坝设计规范》第7.2.1条规定，“坝基开挖深度，除应满足第7.1.1条的要求外，还应根据坝传来的荷载、坝基内的应力分布情况、基岩的地质力学条件和物理力学性质、坝基处理的效果、工期和费用等综合研究确定。一般高坝应尽量开挖至新鲜或微风化的基岩，中坝应尽量开挖至微风化或弱风化中、下部的基岩。”与SDJ21―78第89条规定相比已经有所放宽，基本与1984年公布的SDJ21―78规范的补充规定中第6条一致，第6条为“混凝土重力坝的基础，高坝可建在新鲜、微1000风化或弱风化下部基岩上，中坝可建在微风化至弱风化上部基岩上，两岸地形较高部位的坝段，尚可适当放宽。具体开挖深度，应根据坝基的应力、岩石的力学指标、基础的变形和稳定性，结合上部结构对基础的要求和基础加固处理的效果，工期和费用等经过技术经济比较确定，设计采用的抗剪指标参数应与利用基岩的标准互相适应。” 
　　而我国《水利水电工程地质勘察规范》附录中对岩石风化程度的划分主要从岩石的颜色、光泽、岩体组织结构的变化及破碎程度、矿物成分的变化、物理力学特性的变化等主要特征，在现场凭肉眼鉴定进行风化分类，是定性的，于受到主观的影响，在判断上很难排除个人偏见，在工程实践中往往很难有一致的看法，大多都比较保守，而且以岩石风化带作为坝基岩体开挖标准并不能反映岩石本身的强度和变形特征。完整的、无裂隙的弱风化岩石，其变形模量也可能比裂隙发育的新鲜岩石高。对于坝肩抗滑稳定，则主要受缓倾角的软弱夹层控制。 
　　四、拱坝建基面优化 
　　一般认为，坝基嵌入深度越大，基岩完整性越好，其承载力越高，对坝体的应力和变形越有利，大坝安全度越高。从工程的稳定性看，坝体坐落在比较完整的基础上无疑会安全些。然而，当基岩完整性越好时，基础的刚度也越大，会促使坝基上游大面积拉力区的扩展。此外，致密的岩石其排水性也差。由此可见，最佳的嵌入深度是由一些相互矛盾的要求决定的。因此对设计方案必须进行仔细的研究分析。岩石基础只要没有大裂隙和夹层切割，就是在风化带里其承载能力也是很大的，因而，把坝体放到有裂隙和可变形的岩石上，既可以满足技术上的要求，也能满足经济上的要求，并能保证建筑物有足够的安全度。高拱坝一般建在深山峡谷地区，坝基嵌入深度过大，坝基大量开挖也会带来其他的技术问题，如坝基上、下游高边坡的稳定问题、由于高地应力引起的岩体工程问题、因坝轴线加长引起的工程荷载增大问题等。高边坡的支护需要挂网、喷锚等工程措施，需要增加钢材、混凝土、劳力、时间，而且开挖后还需要运输，不仅浪费大量的人力、物力，还会给施工造成干扰，增加施工难度，影响整个工期。工作量增加造成工期延后，使电站的投资成本增加。坝体深嵌不仅加大了坝体承受水压力的面积，增大了坝体的总荷载，同时增加了坝体混凝土的工程量。 
　　拱坝建基面优化设计方法的一大进步就是从传统的定性确定向定量确定过渡。其前提条件是坝基勘探技术的进步以及拱坝计算手段和计算方法的不断完善。岩体质量分级法起源于20世纪40年代，由于该法综合考虑了岩体结构特性、岩石强度、变形特性、渗透性、初始应力状态等，已经成为当今建拱坝基面地质评判的主要依据。岩石质量分级法已经逐步由单因素分级向多因素分级，从定性向半定量方向发展。“七五”攻关时，结合二滩、李家峡工程建基面优化，总结出了一套程序、方法。如：将坝体和坝基视为整体，着眼于深化坝体工程特性的认识，加强各种因素偶合作用的分析和坝工建筑物最佳体型的研究以及技术经济的综合论证；研究明确影响建基面的主要因素，并对其做出了评价；对坝基岩体进行质量分级并提出合理的力学参数；对坝轴线位置进行优选，最大限度地回避不利，因素，尽量避免高地应力集中区，最充分地利用有利条件；深入研究了弱风化岩体的可利用性。 
　　五、结束语 
　　通过对水利工程建基面确定与坝基岩体开挖的相关研究，我们可以发现，该项工作的顺利开展，有赖于对多项影响因素的掌控，有关人员应该从水利工程建设的客观实际出发，研究制定最为符合实际的建基面确定与坝基岩体开挖方案。 
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