西藏金河瓦托水电站坝基岩体与混凝土抗剪试验

楚少义 宋伟健 韩 飞 郭智阳 刘 拓 谭 春

(中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林 长春 130061)

1 工程概况

瓦托水电站是以发电为主、兼顾旅游等综合利用的中型水电枢纽工程，枢纽由右岸混凝土重力坝段、河床部位混凝土溢流坝段、左岸阶地混凝土重力坝段、左岸土石坝连接坝段及左岸坝后式厂房等组成，最大坝高69.75 m。坝址区为高山峡谷地貌，河谷呈“U”字型。试验区域出露的地层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。细砂岩，灰黑色，细砂状结构，层状构造，矿物成分主要为石英、长石、岩屑等，岩质较坚硬；泥质砂岩，灰黑色、泥质砂状结构，层状构造，矿物成分主要为粉砂屑、泥质等，微层理发育。

2 试验内容

坝基岩体与坝体混凝土的抗剪强度参数是混凝土重力坝计算抗滑稳定时最重要的参数，参数的确定和选取至关重要，直接关系到工程的稳定性和经济性。因此，对西藏金河瓦托电站坝基进行岩体与混凝土抗剪强度试验，根据试验结果进行建基面位置优化。由设计、地质、试验、监理、施工共同确定试验位置，确定在左岸坝址区进行两组岩体与混凝土抗剪试验，每组6个试验点，工程地质示意图和现场图如图1所示。

3 试验方法

在直剪试验中，剪切破坏遵循库仑准则，其表达式为：

τ=σtgφ+C。

其中，τ为施加在剪切面上的剪应力，MPa；σ为施加在剪切面上的法向应力，MPa；φ为材料的内摩擦角；C为材料的粘聚力，MPa。

直剪试验采用平推法，在人工泡水条件下进行，剪切荷载方向与工程水流推力方向一致。根据工程布设，瓦托水电站工程最大坝高69.75 m，坝基最大工程荷载为1.68 MPa，试验最大法向荷载宜为工程荷载的1.2倍，即试验最大法向为2.0 MPa，分六级施加，初步确定各级应力为0.5 MPa,0.8 MPa,1.1 MPa,1.4 MPa,1.7 MPa,2.0 MPa。

4 试验前期工作

4.1 试验场地清理

为了选取具有代表性的试验段及试验点，需对试验场地进行覆盖层开挖、清理，如图2所示。需要注意的是，开挖清理最好选择机械或者人工的方式，若采用爆破，则需在试验面上部预留50 cm的保护层，以防止对试验区域岩体产生震动或扰动。

4.2 直剪试验试点选择及加工

试验区域开挖、清理完成后，由业主、监理、设计、地质人员共同选择确定试验点位置，而后由试验人员进行试件加工。根据规范，试验的剪切面加工尺寸宜大于混凝土试体尺寸10 cm，实际剪切面面积不小于2 500 cm2，最小边长不应小于50 cm，剪切面表面起伏差宜为试体推力方向边长的1%～2%，各试体间距不宜小于试体推力方向的边长。混凝土试体浇筑前，将剪切面岩体表面清洗干净，混凝土试体高度不应小于推力方向边长的1/2，骨料的最大粒径不应大于试体最小边长的1/6。

为满足试验要求，减少岩体的扰动，试验采用逐级加工的方式，加工设备分为三级，一级为速率快、扰动大的风镐、岩体切割机，二级为速率中等、扰动较小的电锤、电钻，三级为速率慢、扰动小的角磨机、钢钎。首先采用电锤、岩体切割机在预定试验位置清除大块基岩，然后采用风镐、电锤清理小块基岩，最后采用角磨机、钢钎进行剪切面加工。剪切面加工完成后进行混凝土试件浇筑。现场工作图如图3所示。

4.3 反力装置

试验需要施加垂直、水平向荷载，采用锚杆提供反力荷载，现场图如图4所示。

垂直反力装置是由4根反力锚杆、1根传力工字钢、2块反力钢板组成。锚杆采用φ32 mm螺纹钢，每根锚杆长度600 cm，入岩深度400 cm，外露200 cm，锚杆孔直径为75 mm。反力钢板尺寸为70 cm×70 cm×8 cm，钢板的2个端点处加工φ35孔。工字钢尺寸为300 mm×200 mm，长4.0 m，工字钢两侧腰部焊接30 mm厚肋板。水平反力装置由岩坎、锚杆、工字钢等组成。在距试件90 cm，施加推力的一侧挖深40 cm，长90 cm，宽50 cm的岩槽，在相对试件一侧岩坎布置工字钢和4根锚杆，作为反力支撑。工字钢长度150 cm，翼宽150 mm。锚杆采用φ32 mm螺纹钢，每根锚杆长度400 cm，锚杆埋入基岩深度350 cm，锚杆孔直径为75 mm，外露部分用混凝土包封成反力座。

现场试验图如图5所示，最终的试点示意图如图6所示。

5 试验结果

本次岩体与混凝土抗剪试验在左岸坝址区进行2组12个抗剪试验。总体上看，各组规律较好，试验成果如下：

试验区域1：tgφ′=1.571，C′=0.983；tgφ=0.758，C=0.474 MPa。

试验区域2：tgφ′=1.539，C′=0.730；tgφ=0.696，C=0.507 MPa。

试验区域1的试验结果如表1所示，应力曲线如图7所示，试验区域2的试验结果如表2所示，应力曲线如图8所示。

表1 试验区域1抗剪断(抗剪)试验成果

表2 试验区域2抗剪断(抗剪)试验成果

6 结语

混凝土重力坝的抗滑稳定性计算是设计的重中之重。目前，坝基岩体与混凝土抗剪强度参数的选定主要有两种方法：其一是工程类比法，一般用于中小型工程或大型工程的规划、可行性研究阶段试验资料不足的情况下。其二是现场原位试验法，主要用于大型工程，在地质勘探洞内或坝基建基面上进行。通过国内有关工程经验，比如长江三峡水利枢纽工程、吉林丰满重建工程、广西大藤峡水利枢纽工程，采取在坝基建基面上进行抗剪试验，试验方法是可行的，试验成果科学合理，符合工程实际，使提供的抗剪强度与变形模量参数既保证大坝安全，又经济合理。