阿爾塔什水利樞紐工程壩體分區(qū)及壩料設(shè)計(jì)驗(yàn)證

袁 磊 馬洪玉

(新疆水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

1 工程概況

阿爾塔什水利樞紐工程是葉爾羌河上最大的控制性山區(qū)水庫工程，水庫總庫容為22.49億m3，正常蓄水位1820.0m，電站裝機(jī)容量755MW，工程等別為大(1)型Ⅰ等工程。樞紐工程由大壩、1#、2#表孔溢洪洞、中孔泄洪洞、1#、2#深孔放空排沙洞、發(fā)電引水系統(tǒng)、電站廠房、生態(tài)基流引水洞及其廠房、過魚建筑物等主要建筑物構(gòu)成。工程區(qū)地震基本烈度8度，抗震設(shè)防水準(zhǔn)按100年超越概率2%確定，相應(yīng)地震動峰值加速度為320.6gal，設(shè)計(jì)烈度9度。

2 壩料分區(qū)設(shè)計(jì)

大壩為混凝土面板砂礫石堆石壩，采用砂礫石料、爆破堆石料作為壩體填筑料，大壩壩長795m，最大壩高164.8m，趾板線長1082.3m，壩體填筑體積2500萬m3，混凝土面板面積17.5萬m2，覆蓋層最大深度90m，防滲墻面積1.5萬m2。

壩頂寬度按抗震、施工、運(yùn)行和交通要求為12m寬，上游壩坡坡度為1∶1.7，下游壩坡坡度為1∶1.6，并在下游坡設(shè)三級“之”字形上壩公路，路寬15m，最大斷面處相應(yīng)下游綜合壩坡1∶1.89。

2.1 壩址工程地質(zhì)和壩料料源

壩址位于中山峽谷區(qū)，葉爾羌河自西向東流，壩址長約2.0km的河段為橫向谷，河谷呈不對稱寬“U”型，左岸坡度35°～40°，最大坡高426m；右岸坡度55°～80°，局部近直立，最大坡高610m。兩岸基巖裸露，左岸以巨厚層狀白云質(zhì)灰?guī)r和白云巖為主，走向與河谷基本正交，傾角陡，q≤5Lu的弱透水巖體垂直埋深93～110m；右岸以薄層灰?guī)r、巨厚層白云質(zhì)灰?guī)r、泥灰?guī)r、石英砂巖為主，巖層傾向上游偏岸里，為橫向逆向坡，q≤5Lu的弱透水巖體垂直埋深45～105m；現(xiàn)代河床寬260～450m，地形平緩，主要由沖積砂卵礫石組成，局部夾透鏡體狀砂層，覆蓋層厚度為50～94m，深槽位于河床中部略偏右側(cè)。

各壩體填筑料料場距離壩址均較近。工程區(qū)河谷寬闊，在壩址上、下游河床灘地分布大量便于開采的砂礫石料?？紤]壩體填筑及分期蓄水影響，主要選擇壩址下游側(cè)C3砂礫料場。該料場可利用漂石含量5%～12%、卵石含量28%～35%、礫石含量約38%、砂含量約17%，不均勻系數(shù)229.8，曲率系數(shù)16.8，上、下游砂礫料總儲量為2640萬m3；壩址區(qū)兩岸基巖裸露，在壩址河岸選擇2個爆破料場，上游左岸P1料場為中厚層灰?guī)r和白云質(zhì)灰?guī)r，巖石中硬～堅(jiān)硬，飽和抗壓強(qiáng)度42～56MPa，裂隙發(fā)育，巖體完整性差，開挖料塊徑小于30cm。強(qiáng)風(fēng)化層較薄，剝采比較低，獲得率較高，可開采儲量大于3600萬m3。下游右岸P2料場為薄層灰?guī)r和石英砂巖，巖石中硬，飽和抗壓強(qiáng)度60MPa，開挖料塊徑小于30cm，風(fēng)化層較厚，剝采比達(dá)1∶1.72，可開采儲量大于2500萬m3。

2.2 壩體分區(qū)和壩料設(shè)計(jì)

壩體分區(qū)自上游至下游分別為：上游蓋重區(qū)、鋪蓋區(qū)，混凝土面板，墊層料、特殊墊層、過渡料區(qū)，砂礫料、爆破料堆石區(qū)，排水料區(qū)。

(1)上游鋪蓋區(qū)：頂高程1718.00m，頂寬5m，上游坡度1∶2，是形成面板上游的防滲補(bǔ)強(qiáng)區(qū)。其料源為泄水建筑物出口開挖的低液限粉土，T8土料場的料。

(2)上游蓋重區(qū)：位于上游鋪蓋區(qū)上游，頂寬10m，上游坡度1∶2.5，采用開挖棄渣等任意粗粒材料。

(3)墊層料區(qū)：采用C3料場的篩分料，水平寬度3m，兩岸和岸坡接觸面處向下游延伸10m，厚度2m。Dmax≤60mm，小于5mm含量30%～45%，小于0.075mm含量8%，滲透系數(shù)控制為10-3～10-4cm/s。填筑標(biāo)準(zhǔn)要求相對緊密度Dr≥0.9。

(4)過渡料區(qū)：水平寬4m，料源同墊層料，篩除150mm以上顆粒的砂礫料，級配連續(xù)，填筑標(biāo)準(zhǔn)要求相對緊密度Dr≥0.9。

(5)特殊墊層區(qū)：位于周邊縫下游側(cè)，采用C3料場小于20mm的篩分料。碾壓層厚0.2m，以小機(jī)械人工碾壓，填筑標(biāo)準(zhǔn)要求相對緊密度Dr≥0.9。

(6)砂礫料堆石區(qū)：位于過渡料區(qū)以下，由上、下游C1、C3料場開采上壩填筑。填筑標(biāo)準(zhǔn)要求相對緊密度Dr≥0.9。

(7)爆破料堆石區(qū)：位于砂礫料區(qū)下游，由在壩址上、下游河岸P1、P2石料場爆破開采，要求Dmax≤600mm，孔隙率n≤19%，干容重γd=22.0kN/m3。

(8)水平排水料區(qū)：采用上游P1石料場的爆破堆石料，要求5mm以下的含量小于15%，0.1mm以下的含量小于5%。在主堆石區(qū)砂礫石料下部與河床砂礫石結(jié)合部位，鋪設(shè)排水條帶，寬10m，厚2m，間隔20m設(shè)置一條；在次堆石區(qū)的下部設(shè)置厚10m排水條帶，滿河床鋪設(shè)。

2.2.1墊層料設(shè)計(jì)

為使面板在庫水壓力作用下變形均勻協(xié)調(diào)，要求墊層料具有低壓縮性和高抗剪強(qiáng)度，壓實(shí)后有較大變形模量。當(dāng)墊層料具有良好級配并碾壓密實(shí)后，在下游過渡料的保護(hù)下，能夠承受較大的水力比降，同時作為反濾體保護(hù)上游鋪蓋區(qū)的土料。根據(jù)C3料場顆分曲線，其中dmax≤60mm的砂礫料獲得率平均為50%，60mm以下的砂礫料小于5mm粒徑的含量滿足30%～45%要求，級配連續(xù)。

(1)墊層料滲透試驗(yàn)：料源采用C3料場砂礫料篩分，室內(nèi)試驗(yàn)表明墊層料小于5mm含量均值為36%，過渡料小于0.075mm的顆粒含量2%。采用一次性加壓到位的方法施加水頭，試驗(yàn)水頭18cm，持續(xù)180min，細(xì)顆粒無跳動，此時滲透比降為0.43；試驗(yàn)水頭36cm，持續(xù)180min，細(xì)顆粒被帶走，此時滲透比降為0.86；試驗(yàn)表明本工程的墊層料在最大水頭作用下，自身滲透穩(wěn)定。

(2)墊層料與過渡料層間反濾關(guān)系

墊層料不均勻系數(shù)Cu為132～179，曲率系數(shù)Cc為0.1～4.7。選取墊層料5mm粒徑以下細(xì)粒部分作為計(jì)算粒徑，Cu為4.5～6.4，通過墊層料與過渡料間包絡(luò)線上對下、下對下、均對均、下對上、上對下等全部可能層間反濾計(jì)算，保土性準(zhǔn)則計(jì)算值為0.08～0.9，均小于4～5，排水性準(zhǔn)則計(jì)算值為1.68～18.06，表明：墊層料不會因滲透水流作用而通過壩體過渡料被帶走，僅個別特殊情況不滿足排水性準(zhǔn)則，但由于過渡料的滲透系數(shù)平均為2.5×10-3cm/s，墊層料的滲透系數(shù)平均值為4.5×10-4cm/s，兩者滲透系數(shù)之比大于10，具有良好的透水性，能夠?qū)B水排出，墊層料與過渡料之間可滿足層間反濾要求。說明墊層料設(shè)計(jì)級配是合適的，選定墊層料采用C3料場篩除60mm以上顆粒的砂礫料。

2.2.2砂礫料和過渡料設(shè)計(jì)

由于本工程填筑量較大，砂礫料考慮采用C1、C3料場料源，過渡料采用C3料場篩除150mm以上顆粒的砂礫料，進(jìn)行砂礫料與過渡料層間反濾計(jì)算。

過渡料不均勻系數(shù)Cu為133～250，曲率系數(shù)Cc為1.4～18.1。選取過渡料5mm粒徑以下細(xì)粒部分作為計(jì)算粒徑，Cu為3.9～6.2，通過過渡料與砂礫料全料間包絡(luò)線全部可能層間反濾計(jì)算，保土性準(zhǔn)則計(jì)算值為0.15～3.37，均小于4～5，排水性準(zhǔn)則計(jì)算值為2.73～80.5，表明：過渡料不會因滲透水流作用而通過砂礫料被帶走，僅個別特殊情況不滿足排水性準(zhǔn)則，砂礫料的滲透系數(shù)為5.9×10-3cm/s，過渡料的滲透系數(shù)平均為2.5×10-3cm/s，具有良好的透水性，能夠通暢地將滲水排出，因而認(rèn)為過渡料與砂礫料全料之間可滿足層間關(guān)系要求。說明砂礫料和過渡料設(shè)計(jì)級配是合適的。選定C1、C3砂礫料場作為壩殼砂礫料場，取用料場全料。

2.2.3爆破堆石料設(shè)計(jì)

選定P1、P2石料場開采的石料，壩體堆石料同樣必須具有較高強(qiáng)度和較低的壓縮沉陷量。壓實(shí)后具有自由排水性能。碾壓式堆石壩所用堆石，希望級配良好，振動碾壓后孔隙率小，壓實(shí)干容量大，壓縮性小、抗剪強(qiáng)度大。初步確定爆破堆石料要求：最大粒徑≤600mm，小于5mm含量應(yīng)<20%，小于0.075mm含量<5%，Cu>25，連續(xù)級配。

砂礫料不均勻系數(shù)Cu為56.4～277，曲率系數(shù)Cc為5～16.8。選取砂礫料5mm粒徑以下細(xì)粒部分作為計(jì)算粒徑，Cu為3.77～10.38，通過砂礫料全料與爆破堆石料全料間包絡(luò)線全部可能層間反濾計(jì)算，保土性準(zhǔn)則計(jì)算值為0.79～2.65，均小于4～5，排水性準(zhǔn)則計(jì)算值為16.36～81.63，均大于5。說明兩壩料間滿足層間關(guān)系要求，堆石料設(shè)計(jì)級配是合適的。

2.2.4水平排水料設(shè)計(jì)

由于主堆石區(qū)的壩殼砂礫石料采用C3料場的砂礫石料，其滲透系數(shù)為5.9×10-3cm/s，具有透水性強(qiáng)的特點(diǎn)，可不設(shè)排水料。但考慮次堆石區(qū)的爆破料飽和抗壓強(qiáng)度為40～90MPa，施工過程中次堆石區(qū)的爆破料在大型機(jī)械碾壓過程中會有部分料破碎；主堆石區(qū)的砂礫石料存在粒徑不均一、滲水各向異性的問題，在河床部位設(shè)置水平排水料。初步采用P1料場的爆破堆石料，除5mm以下的含量小于15%，0.1mm以下的含量小于5%外，級配要求與次堆石區(qū)基本一致，不做嚴(yán)格要求。

河床砂礫石不均勻系數(shù)Cu為229～525，曲率系數(shù)Cc為0.7～35。選取河床砂礫石5mm粒徑以下細(xì)粒部分作為計(jì)算粒徑，Cu為2.8～15.7，通過排水料與河床砂礫石料間包絡(luò)線全部可能層間反濾計(jì)算，保土性準(zhǔn)則計(jì)算值為2.3～4.9，均小于5，排水性準(zhǔn)則計(jì)算值為58～379，均大于5，說明排水料設(shè)計(jì)級配是合適的。

3 壩體應(yīng)力應(yīng)變分析成果

3.1 分析方法

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際壩料填筑情況，委托中國水利水電科學(xué)研究院、大連理工大學(xué)及河海大學(xué)對面板壩設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了三維有限元靜、動力計(jì)算分析。采用鄧肯-張E-B模型用于砂礫堆石料、爆破堆石料、壩基砂礫石、墊層料的本構(gòu)模型。采用時域分析方法，選用等效線性模型進(jìn)行大壩三維有限元動力分析，考慮大壩和壩基的相互作用，計(jì)算大壩在設(shè)定地震和一致概率地震的設(shè)計(jì)地震強(qiáng)度以及校核地震強(qiáng)度工況下的動力反應(yīng)，研究地震過程中壩體的地震加速度反應(yīng)。采用應(yīng)變勢的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ陀?jì)算地震永久變形，分析震后壩體的變形。

3.2 參數(shù)取值(見表1- 2)

表1 鄧肯張E-B模型計(jì)算參數(shù)

表2 最大動剪切模量系數(shù)K和指數(shù)n

將Gmax/G和阻尼比λ與動剪應(yīng)變γ的動力試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，得到動剪模量G與動剪應(yīng)變γ、阻尼比λ與動剪應(yīng)變γ的關(guān)系曲線，壩體砂礫石料與爆破料的壩體D=300mm及D=800mm(Kc=2.0)。歸一動剪切模量Gd/Gmax～剪應(yīng)變關(guān)系曲線如圖1所示。

圖1 歸一化的動剪切模量Gd /dmax和等效阻尼比λ關(guān)系曲線

3.3 計(jì)算成果

中國水利水電科學(xué)研究院計(jì)算成果：根據(jù)現(xiàn)有計(jì)算參數(shù)和分析結(jié)果，阿爾塔什混凝土面板壩能夠滿足靜力工況和給定場地相關(guān)反應(yīng)譜地震工況下的安全性要求，壩體具備較高的抗震安全裕度。在場地相關(guān)反應(yīng)譜設(shè)計(jì)地震和校核地震工況下，壩頂及壩頂附近下游壩坡區(qū)域的反應(yīng)加速度較大，存在堆石松動和滑落的可能性；場地相關(guān)反應(yīng)譜校核地震動作用下下游壩坡抗震穩(wěn)定安全系數(shù)時程曲線最小值均大于1，單元抗震安全系數(shù)小于1的區(qū)域均只存在于壩頂靠近下游壩坡側(cè)表層，壩坡的局部和整體抗震穩(wěn)定性良好。

大連理工大學(xué)計(jì)算成果：阿爾塔什混凝土面板壩設(shè)計(jì)方案在技術(shù)上是可行的，工程采取了適當(dāng)有效的抗震措施。如：適當(dāng)預(yù)留大壩沉降超高，增加面板配筋率、改善面板配筋重點(diǎn)部位并采用纖維混凝土等，提高周邊縫及面板分縫止水變形能力，在高壩段壩體下游坡設(shè)置加筋措施等，大壩在施工、運(yùn)行以及地震工況下的安全性可以得到保障，可以抵御超設(shè)計(jì)地震荷載的考驗(yàn)。

河海大學(xué)計(jì)算成果：采用施工筑壩材料試驗(yàn)參數(shù)計(jì)算得到的大壩變形與應(yīng)力分布合理，設(shè)定地震作用下大壩基本滿足抗震安全要求。

綜上認(rèn)為阿爾塔什面板壩設(shè)計(jì)方案在技術(shù)上是可行的，采用施工筑壩材料試驗(yàn)參數(shù)計(jì)算得到的大壩變形與應(yīng)力分布合理，壩體具備較高的抗震安全裕度，具備良好的抵抗地震變形的能力。計(jì)算成果見表3。

表3 計(jì)算成果匯總表

4 壩體變形及滲壓監(jiān)測成果

大壩工程于2015年6月10日開工，2016年4月19日大壩首層填筑。 2018年5月28日完成一期面板澆筑，頂高程1715m。 2019年5月25日完成二期面板澆筑，頂高程1776m。2019年9月大壩填筑至防浪墻底高程1822.3m。2019年11月26日順利完成水庫初期下閘蓄水。以下閘蓄水為界，施工期監(jiān)測成果及初期運(yùn)行期監(jiān)測成果如下。

4.1 施工期監(jiān)測成果

以中國水利水電科學(xué)研究院應(yīng)力應(yīng)變分析成果為準(zhǔn)，與施工期監(jiān)測資料對比，蓄水前大壩(壩體與覆蓋層)累計(jì)最大沉降量600.3mm，小于計(jì)算值828.2mm；水平位移向上游累計(jì)位移33.8mm，小于計(jì)算值155.8mm；向下游累計(jì)位移50.2mm，小于計(jì)算值261.6mm。

施工期的監(jiān)測資料表明，蓄水前壩基最大沉降測點(diǎn)在壩軸線位置，總沉降量513.7mm，沉降量占其測點(diǎn)下部堆石體與覆蓋層總厚度65m(覆蓋層厚度55m，壩體填筑厚度10m)的0.79%，占覆蓋層厚度55m的0.93%。壩體最大沉降測點(diǎn)在壩體主堆石區(qū)與下游堆石區(qū)分界線下游的第一個測點(diǎn)，該測點(diǎn)處于壩體下游堆石區(qū)的利用料區(qū)，總沉降量600.3mm，沉降量占壩體與覆蓋層之和196.8m的0.31%?？傮w來看，壩體內(nèi)部沉降呈連續(xù)、漸變變化，縱、橫向變形分布基本協(xié)調(diào)，各測點(diǎn)沉降值與上覆堆石體的厚度相關(guān)，壩基、壩體各測點(diǎn)沉降量分布規(guī)律性較好，符合土石壩沉降變形分布的一般規(guī)律。壩體最大沉降量在0+475m斷面的壩下0-081m位置，其總沉降量600.3mm中有364.4mm是壩基沉降貢獻(xiàn)的，壩基沉降量占其總沉降量的60.7%，壩體實(shí)際最大沉降量235.9mm，占其目前填筑壩高131.8m的0.18%；壩體主堆石區(qū)實(shí)際最大沉降量在壩0+305m斷面的壩上0+056m位置，減去壩基貢獻(xiàn)沉降量后，其實(shí)際沉降量為150.7mm，占其目前填筑壩高127.0m的0.12%，與同等類型工程類比，本工程目前施工期沉降量略偏小。

4.2 初期運(yùn)行期監(jiān)測成果

截止2020年4月16日監(jiān)測資料表明，庫水位累計(jì)上升51m(1721m高程)，大壩累計(jì)最大沉降為724.5mm，沉降量占壩體與覆蓋層之和196.8m的0.37%，水平位移最大值為64mm，占壩高比0.04%，壩體沉降漸變連續(xù)、分布協(xié)調(diào)，符合同類土石壩沉降變形分布的一般規(guī)律，未發(fā)生異常變化。面板底部累計(jì)沉降量55.7mm，面板內(nèi)應(yīng)力值在-82.9～66.6MPa；周邊縫最大開合度為11.6mm，最大剪切變形34.4mm，最大相對沉降變形48.7mm；連接板累計(jì)沉降30.6mm，連接板接縫最大開合度13.1mm，最大剪切變形10.0mm，最大相對沉降變形24.8mm；面板止水系統(tǒng)正常運(yùn)行，周邊縫位移變化基本穩(wěn)定。

5 結(jié)論

本工程是修建在強(qiáng)震區(qū)、深厚覆蓋層上的高混凝土面板砂礫石堆石壩，最大沉降變形厚度達(dá)258m。大壩已于2019年9月填筑至防浪墻底高程，一、二期混凝土面板已澆筑完成，庫水位已累計(jì)上升51m。從目前監(jiān)測資料可知，大壩總體變形量較小，應(yīng)力分布符合同類工程一般規(guī)律。