河南宝泉电站上水库坝基开挖及控制

河南国网宝泉抽水蓄能电站上水库主坝基础开挖检测及控制 武警水电第二总队五支队 冯小明

『摘要』宝泉抽水蓄能电站上水库主坝为沥青混凝土面板堆石坝，坝高94.8米，坐落在深覆盖层“合适基础”上，“合适基础”开挖及控制是一个突出的问题，本文介绍了基础开挖和对“合适基础”各种检测控制情况，通过对基础开挖的过程和经济分析，提出了对“合适基础”理念的看法。

关键词：堆石坝 坝基开挖 合适基础 控制标准 干密度 变形模量 动力触探

1工程概况

宝泉抽水蓄能电站位于河南省新乡市辉县薄壁镇大王庙以上2.4km的峪河上，距辉县市约35km，距新乡市约57km。该电站是一座日调节纯抽水蓄能电站，总装机容量为1200MW。电站枢纽建筑物由上水库、下水库、输水系统、地下厂房洞室群、地面开关站等建筑物组成。上水库由主坝、副坝、库盆和排水洞组成，主坝为沥青混凝土面板堆石坝，库岸采用沥青混凝土面板防渗，库底采用粘土铺盖防渗；下水库利用已建的宝泉水库（浆砌石重力坝）加固改建而成；输水系统连接上、下水库，输水系统由引水系统和尾水系统组成，引水系统按两洞四机布置，尾水系统按两机合一洞布置；地下厂房洞室群内共安装4台单机容量为300MW立轴单级混流可逆式水泵水轮机组，总装机容量1200MW，年发电量20.10亿kW.h，年抽水耗电量26.42亿kW.h，综合效率0.76。

2 上水库主坝工程布置

上库工程位于宝泉村东1.0km的东沟内，由主坝、副坝、库盆、排水洞及拦渣坝等主要建筑物组成。主坝为沥青混凝土面板堆石坝，坝顶高程792.90m(正常设计高程791.9m，超高1m)，最大坝高94.8m，坝顶长度600.37m，坝顶宽度10.0m。正常蓄水位为789.60m，相应库容759.40×104m3，死水位758.00m，相应库容112.50×104m3。沥青混凝土面板厚度20.20cm，沥青混凝土面板坡比为1：1.7，面板下游依次为2.00m宽的垫层，4.00m宽的过渡层，过渡层后为主堆区，主堆在坝轴线784.00m高程处以1:0.2的边坡与次堆区相接。坝基在次堆区主河槽部位设有5.00m厚的排水带，两岸渐变为2.0m，主堆区为2.0m厚排水带，坝下游坡比为1：1.5，采用干砌石护坡。主坝坝后为弃渣场，弃渣场根据弃渣量设有两个弃渣平台，高程分别为740.00m和768.00m，边坡1：2.5，740平台以下设有两级5.0m宽马道，高程分别为725.00m和700.00m，主要堆放库区及坝基的开挖弃料，在弃渣场下游坡脚处设有一高度为11.0m

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的排水棱体。

3上水库主坝基础地质条件

上水库坝址处为U型河谷，河床高程685～710m，宽约100m，河床纵比降约10%。左岸为狼山，最大海拔高程为1080.10m，800m高程以上基岩基本裸露，800m高程以下多被坡积物覆盖，760m高程以上坡度较陡，约40°～50°，760m高程以下坡度稍缓，约20°～30°；右岸为关山，最大海拔高程为1283.00m，750m高程以上基岩裸露，平均坡度20°～30°；坝址区河床及两岸岸坡覆盖层为第四系坡、冲、洪积物，较厚，最深达40m，一般约20m左右。坝基和两岸岸坡基岩为寒武系馒头组，岩性为以泥灰岩为主，夹有钙质页岩、灰岩、白云岩等。两岸坝肩770m～810m高程为寒武系毛庄组砂质页岩、砂岩与灰岩互层及厚层鲕状灰岩。库底馒头组以下为汝阳组浅变质石英砂岩。

根据现场开挖揭露的地质情况，坝址区河床覆盖层厚度10.20~23.30m。该区域以土夹石为主，含石量较高，一般在50％以上，相对密实。

右岸台地高程708~740m，为第四系坡积物（碎石土），碎石土厚度一般1.70~20.40m。上部相对松散，下部相对密实，呈半胶结和胶结体状态。

左岸台地高程710~750m，为第四系坡积（dlQ4）、冲~洪积物（al+plQ4）为主，厚度一般11.70~40.89m。根据开挖揭露的地质情况，该覆盖层地质情况相对较差，根据设计单位的地质分析，按不同成因类型将左岸坝基覆盖层分为三个区。其中以III-2区相对较差，为沟间洼地（泛滥洼地）堆积层，该区受东西两侧古冲沟影响和制约，在堆积物的组成上有其特殊性，在沉积物结构上它具有多元结构，在物质组成上以细粒和土层为主，在高程717.00m以上，以0.5~1.5m厚的粉质壤土含少量细砾，间杂厚0.2～0.3m不等的碎、砾石层或透镜体为主，具多层结构，较松散—中密。717.00m以下碎石含量有所增加，但碎石块度较小，一般2~5cm的居多。具有较大的可压缩性。特别是互层的高压缩性土，对坝体变形影响较大。

4坝基开挖标准及控制 4.1原设计坝基开挖标准

宝泉上水库主坝为沥青混凝土面板堆石坝，坝址处为深覆盖层、地质情况复杂，且存在高压缩性土层，易产生不均匀沉降等问题，由于沥青面板堆石坝对沉降变形要求严格，防止基础不均匀沉降是上水库主坝基础的主要问题，对主坝基础开挖最安全的方式应该是将覆盖层全部挖除，以岩体作为坝基。但设计单位为了满足业主减少工程量、节约工程投资的要求，同时又能保证坝体安全稳固，对坝基开挖提出了“合适基础”的理念，即坝基允许为覆盖层，但必须满足下列条件：

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（1）变形模量检测:鉴于左、右坝肩覆盖层基础较差，设计在左、右坝肩各布置一组进行变形模量检测，每组三个测试点。变形模量检测控制不小于50MPa。

（2）动力触探检测：对坝基范围内布置网点进行重Ⅱ型动力触探检测，按边长50m×50m布置方格网，在网格的每一个交点测试，试验孔深宜钻到基岩为止，不见基岩则控制不超过15m，基础控制动力触探击数不小于30击。

（3）填筑前的干密度检测（挖坑检测）：在坝基范围内布置网点挖坑取样检验，检验深度深入清基表面以下1.0m，方格网在河床部分按50m×50m，在两岸坝肩网点按25m×25m，在网格的每一个角点取样，测干密度、含水量、级配和压实度。要求基础干密度不得小于2.0t/m3，覆盖层含石量不得小于30％，压实度不小于95%，砂卵石地基相对密度不小于0.75。

根据“合适基础”条件，原设计坝基开挖按如下双重标准控制：一是按设计开挖剖面图进行控制，二是按剖面图开挖到位后按“合适基础”标准对非岩石基础进行各种检测试验，试验结果符合要求，即可作为主坝基础，否则继续进行开挖，直到符合要求为止。由于坝基开挖没有明确的开挖线，经参建四方（业主、设计、监理和施工单位）共同商定，在坝基开挖验收时，只验收两条线，即原地面线和实际开挖线，比一般基础开挖验收少一条设计开挖线。

4.2坝基检测项目调整

按照设计单位“合适基础”的要求，施工单位对坝基检测项目进行了工期安排，发现按照设计单位布置的检测项目，其数量较多，工期较长。例如动力触探整个坝基布置了134个点，计划3天两个点，需要近3个月的时间。如果再考虑不合格点二次开挖后的重新检测，工期还会延长，将会影响整个施工进度。其次根据已做的少量动力触探试验和控坑取样试验情况看，坝基覆盖层地质情况可以分为具有典型代表性的几个区，对于相同性质的区域，完全可以减少试验数量；且根据《岩土工程勘察规范GB50021-2001》中重型圆锥动力触探锤击数对碎石土密实度的分类（见表1），设计要求的锤击数指标明显偏高，若按此参数进行开挖控制，坝基绝大部分覆盖层将予挖除，不符合设计保留覆盖层的意图，因此施工单位提出对试验数量及参数进行调整的

表1 碎石土密实度按N63.5分类

重型动力触探锤击数N63.5 N63.5≤5 5＜N63.5≤10 密实度 松散 稍密 重型动力触探锤击数N63.5 10＜N63.5≤20 N63.5＞20 密实度 中密 密实 建议，设计单位经过认真研究，认为根据坝体受力部位和坝基不同区域覆盖层特性的不同，应予分别对待，同意对坝基检测项目和数量进行适当的调整。

考虑到坝基覆盖层比较深，且坝高近100m，对以第四系坡积、冲积为主的两岸

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坝肩，特别是左岸坝肩存在互层高压缩性土层，由于对基础变形影响较大，应为基础检测重点。对主堆石料由于是承受和传递水荷载的主要部分，兼作坝体排水体，其变形对面板安全有较大影响，要求其有较低的压缩性和较高的抗剪强度，也应作为基础检测重点。而对坝基的河床部位，由于覆盖层为冲~洪积物为主，基础相对较好且地质结构基本相似；次堆石区位于大坝主堆后部干燥区，主要起到维持坝体稳定作用，由于坝上、下游边坡较缓，且主坝坝后有将近70.0m高，300m厚的堆渣体，坝体整体稳定不存在问题。因此对坝基河床部位及次堆石区的坝基检测和处理均可以简化。同时考虑施工期及坝基地质构造的因素，整个坝基检测项目的数量可以根据坝基部位的不同，予以减少。

关于坝基的检测控制标准，参照已建工程经验（如天荒坪电站等），和坝体沉降变形计算，最终控制标准以坝基排水带上部不小于35 MPa控制，根据这一原则，设计单位对坝基检测项目和标准做了如下简化和调整：

（1）填筑前的干密度检测；调整为坝基在主堆石区采用50×50m网格布置，次堆石区采用100×100m网格布置。检测要求不变，但基础标准按碾压后的干密度不小于2.0t/m3控制，基础碾压机械不小于20t，碾压遍数按8遍控制。

（2）变形模量检测：主要放在主堆区，调整为两岸坝肩各为一组，每一组改为两个检测点。在进行变形模量检测的同时，对坝基覆盖层进行纵横波测试，以计算原位变形模量泊松比值。

（3）动力触探检测；主坝主河槽部位：布置8个点，其中主堆4个点，次堆4个点。主坝两岸坝基部位，次堆区取消，仅在主堆区布置；主堆区左坝肩布置5个点，右坝肩布置2个。

（4）高密度电法检测；为进一步摸清坝基覆盖层是否存在架空和孔洞现象，为及早给坝基基础检测提供资料，设计单位提出了增加高密度电法对坝基进行覆盖层检测。根据电磁波从发射到接收的传播时间、幅度、与波形等资料推断覆盖层的孔洞分布情况。

4.3基础检测实施及成果

4.3.1动力触探检测

在按设计开挖剖面图完成“一控”开挖后，即按照设计单位要求的布点，进行覆盖层动力触探检测试验。在实施过程中，根据基础开挖揭露的地质情况看，右坝肩胶结比较好，取消了1个；左坝肩地质条件相对较差，特别是III-2区的沟间洼地（泛滥洼地）堆积层，另外又增加了三个点，最后控制为17个点。按照不同区域，动力触探试验检测情况如下：

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a 次堆区

根据次堆区4个钻孔的动力触探试验资料，不同深度及孔位的平均锤击数为16，换算变形模量约在36.5MPa左右。

b 主堆区

（1）河床部分：河床坝基总共布置了4个点，不同深度及孔位的平均锤数为14，换算变形模量在33.5MPa左右。

（2）右岸坝基覆盖层：只作了一个点，不同深度平均锤击数16击，换算变形模量在37MPa左右。

（3）左岸坝基覆盖层：总共布置了8个点，其中一个点因在基岩上，未进行试验成果分析，其余7个点的平均锤数为12，换算变形模量在30MPa左右。

坝基覆盖层动力触探试验各点检测成果见表2。

表2 动力触探试验成果表 孔号 E9 E10 F2 F3 G3 G4 JB1 JB2 JB3 JB5 JB7 JB8 JB9 JB10 JB17 JB18 位置 主堆河床 主堆河床 次堆区 次堆区 次堆区 次堆区 主堆右岸 主堆左岸 主堆左岸 主堆河床 主堆左岸 主堆左岸 主堆左岸 主堆河床 主堆左岸 主堆左岸 平均击数 16 14 18 14 16 15 16 9 11 12 11 11 11 12 13 16 推测变形模量 （Mpa） 38 35 42 33 36 35 37 23 28 30 28 28 29 31 32 36 JB16点位于主堆左岸，因在基岩上，未列入表中 备注 4.3.2变形模量检测

根据设计单位调整后的变形模量检测布点要求，在左、右坝肩各布置2个点。但随着右坝肩开挖后地质情况的进一步揭示，右坝肩基础大部分为胶结体，胶结体强度

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较高，机械不能直接开挖，需采用爆破，经设计现场勘察研究，认为此胶结体完全符合建基要求，相应部位变形模量检测予以取消。最后仅检测了左岸坝肩两个点，第一个点位于左坝肩716.27m高程，靠近坝前趾的上游侧；第二点位于左坝肩708.50m高程，主堆区的中部，高压缩区（III-2区）的下部。经检测左岸坝肩的变形模量分别为20.73MPa和26.88MPa，不满足“合适基础”要求，需对此部位进行挖除处理。

4.3.3 干密度检测

完成动力触探试验和变形模量检测试验并证实合格后，对整个覆盖层坝基挖探坑检测，原来不满足2.0t/m3的坝基采用20t以上振动碾碾压8遍后，干密度得到相应提高，一般可达到2.02~2.12 t/m3。但左坝肩III-2区高压缩性土层，由于原状土干密度比较低，1.2~1.6 t/m3左右，碾压8遍后干密度难以达到2.0 t/m3以上，因此对此部位覆盖层进行挖除处理。

4.3.4高密度电法

由于受现场施工影响，高密度电法仅在左岸坝段布置，沿左坝肩737高程等高线从主堆到次堆布置一条线，经检测左岸坝基没有发现大的孔洞现象，但由于仅布置了一条线，代表性较差，高密度电法的检测结果仅供参考。

5坝基开挖综合控制 5.1一般控制

（1）按设计开挖剖面图进行初步开挖，即坝基覆盖层清3.0m，覆盖层小于3.0m的，清到基岩为止；裸露基岩清1.0m。

（2）初步开挖完成后，即按“合适基础”条件进行动力触探、变形模量等检测试验，如果符合要求，则对基础进行碾压做探坑试验，否则继续进行开挖处理。

（3）若碾压后的基础探坑试验指标符合要求，则该覆盖层可作建基面，开挖作业完成，否则继续开挖处理（实际施工中为了节约工期，一般在开挖初步完成后，与动力触探和变形模量试验同步进行基础原始探坑试验，检测其碾压前干密度，据此推断碾压后干密度是否符合要求，减少需继续开挖的中间延误时间）。

（4）由于受基础探坑检测数量的限制，在开挖过程中，对于没有布置探坑的部位，若发现（一般目测）碎石含量较小（低于30％），仍需进行挖除处理。

（5）在冬季施工时，坝基开挖满足要求后，不能及时填筑的坝基，在填筑前还应清除表层0.2~0.3m厚的冻土层。

5.2其他控制

根据现场逐步开挖情况，坝基开挖除进行了上述控制外，在开挖施工过程中，还暴露了一些其他问题：

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（1）设计坝肩开挖没有严格的坡比要求，剖面图显示左坝肩725.00m，右坝肩715.00m以上挖到基岩且裸露基岩挖1.0m，以下覆盖层基础顺自然坡开挖，但现场实际地质及地形情况为770高程以上大部分为基岩裸露且为陡坎，按设计剖面图开挖不仅施工相当困难，且开挖后左右坝肩坡度较陡，不利于坝体填筑料与岸坡的衔接。

（2）右坝肩按设计要求715.00m以上挖到基岩，施工中发现右坝肩在730.0以下部分覆盖层胶结比较好，其胶结强度远大于一般页岩和泥灰岩，机械不能直接开挖，需进行爆破开挖，若仍按照原设计开挖到基岩已不是很合适。

（3）坝肩覆盖层坡度较陡，按设计开挖后坡顶、坡面均无施工道路和操作平台，如何进行斜坡上的基础碾压问题。

（4）坝肩在覆盖层小于3.0m的部位（一般在730.00以上至坝顶791.60m高程区间）按设计要求清到基岩出露为止，覆盖层开挖后，出露基岩呈不规则凸起和台阶状，局部有倒坡，凸起和台阶高度0.5～2.0左右，不利于坝体填筑施工。

根据现场开挖情况，为保证坝肩填筑质量，参建四方经过现场综合分析研究，采取了如下措施：

（1）为保证坝肩结合坡的质量，便于控制，对覆盖层边坡一般不陡于1：1.0，局部按不陡于1：0.6控制（如原设计要求应该挖到基岩的左坝肩出现了覆盖层冲沟，且冲沟不大时）；对岩石边坡按不陡于1：0.6控制。

（2）左、右坝肩按原设计应该挖到基岩的部位，若满足现有地面以下开挖3.0m，遇胶结比较好的土夹石覆盖层，边坡不陡于1：1.0时可不再开挖。

（3）对坝肩过陡的覆盖层结合坡，采用一般振动碾进行斜坡爬坡振动试验，根据爬坡振动试验，振动碾爬坡最大高度可达到1.5m，由于主坝最大填筑厚度为1.2m，因此根据坝体分层填筑时，对斜坡分层进行爬坡碾压，以控制斜坡碾压的质量。

（4）对于岩石凸起、台阶和倒坡，根据对坝上游面板的影响距离考虑其处理措施：倒坡全部清除；凸起和台阶距上游面板距离超过15.0m的区域，一般可不作开挖处理，但要大致顺坡整理；距上游面板15.0m区域进行二次顺坡开挖。

6坝基开挖过程及技术经济情况

河南国网宝泉抽水蓄能电站上库工程主坝基于2004年6月10日开始开挖，于当年12月下旬按设计剖面图完成“一控”开挖，总计开挖土石方42.51万m3，与设计提供的合同开挖量45.003万m3基本接近。随后施工单位按“合适基础”要求对保留的覆盖层进行各种检测试验，在试验结果不满足设计要求的情况下，于2005年1月上旬开始“二控”开挖，并根据开挖后基础检测情况于1月31日从符合要求的坝基最低部位——减压沟开始进行坝体填筑施工。此后开挖、检测与填筑一直同时进行施工。截止2005年6月底，坝体已整体填筑到710.00高程（次堆区局部填筑到723.00

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高程）情况下，坝基还在进行III-2区715.00m～730.00m高程间高压缩性覆盖层开挖，开挖土石方总量已达61.61万m3，超出合同工程量37%，且因坝基开挖未完成，一直影响坝体填筑施工的进度。不计算“一控”开挖后进行“二控”开挖的二次开挖增加费、对“合适基础”技术指标进行研究论证的技术费及工期延误间接费，仅从最后开挖的工程总量上，就远超出了合同计划费用，使坝基开挖成为上库工程一项费用“非受控”项目。

7结束语

在水利水电工程建设中，基础开挖是一项必不可少的工序，且在工程总投资中占有较大的比重。传统的基础开挖方式，以结构形体需要设计开挖图，并主要以开挖平面图作为施工的依据和控制标准。为了减少工程量，达到节约投资的目的，在土石坝基础开挖中引入一种没有严格开挖施工标准的“合适基础”理念（不以施工图标示尺寸为开挖标准），虽然是一种很好的偿试，具有较强的开拓和创新精神，但由于地质条件的差异性和变化性，以及对覆盖层承载及变形能力的不可掌握性，使其在开挖过程中呈现一种边开挖边检测的“试试看”状态，从而造成了施工工期和投资的不可控性。因此，作为一种新的基础设计理念，本人认为尚需进行更深入的研究和探讨，在形成成熟的设计施工技术以前，应尽量少用这种设计和施工方式。

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