大石峽特高面板砂礫石壩設(shè)計(jì)安全標(biāo)準(zhǔn)及安全控制指標(biāo)研究

周 恒,李學(xué)強(qiáng),苗 喆,鄧成進(jìn),胡習(xí)文

(1.中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,西安 710065；2.新疆葛洲壩大石峽水利樞紐開(kāi)發(fā)有限公司，新疆 阿克蘇 843000)

0 前 言

面板堆石壩設(shè)計(jì)安全標(biāo)準(zhǔn)包括洪水、抗震、壩頂安全加高、壩坡穩(wěn)定安全等，對(duì)于壩高200 m級(jí)以下面板堆石壩的安全設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)可按規(guī)范的規(guī)定執(zhí)行。SL 228-2013《混凝土面板堆石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》中指出對(duì)于200 m以上高壩及特別重要的和復(fù)雜的工程，應(yīng)進(jìn)行專(zhuān)門(mén)研究。大石峽面板壩壩高量級(jí)由200 m級(jí)跨越到250 m級(jí)，已突破了現(xiàn)有面板堆石壩設(shè)計(jì)規(guī)范的適用范圍，需進(jìn)行專(zhuān)門(mén)研究。

大石峽工程技術(shù)條件復(fù)雜，壩址河道彎曲、河谷狹窄陡峻且為復(fù)式河谷，場(chǎng)地地震基本烈度高，天然砂礫料儲(chǔ)量豐富、土料缺乏，采用砂礫石料作為主要填筑料填筑的當(dāng)?shù)夭牧蠅危扑]的攔河壩為247 m高的混凝土面板壩砂礫石壩，高于已建國(guó)內(nèi)最高砂礫石面板壩吉林臺(tái)90 m，高于已建世界最高面板堆石壩水布埡14 m，其技術(shù)難度為面板壩之首。因此，為保證大石峽特高面板砂礫石壩設(shè)計(jì)安全可靠，大壩抗震、滲透穩(wěn)定、絕對(duì)變形和變形協(xié)調(diào)、接縫變形等安全控制指標(biāo)成為大壩安全設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問(wèn)題。

本文根據(jù)已建200 m級(jí)面板壩科研試驗(yàn)、設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和工程實(shí)踐[1-3]，并借鑒250～300 m級(jí)高面板壩相關(guān)研究成果[4-5]，研究論證并提出大石峽特高面板壩設(shè)計(jì)安全標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)控制指標(biāo)，為大石峽特高混凝土面板砂礫壩的長(zhǎng)期安全運(yùn)行提供支撐。

1 大石峽工程基本情況

1.1 地形地質(zhì)條件

大石峽水利樞紐工程位于新疆維吾爾自治區(qū)阿克蘇市溫宿縣與烏什縣境內(nèi)的庫(kù)瑪拉克河大石峽峽谷出口，下游距已建小石峽水電站約11 km，是國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)近期實(shí)施的172項(xiàng)重大水利工程建設(shè)項(xiàng)目之一。壩址區(qū)平面上呈彎曲河道地形，橫剖面為大致對(duì)稱(chēng)的“V”型復(fù)式狹窄河谷，河谷系數(shù)2.1，左岸坡陡峻，右岸因在1/2壩高附近發(fā)育規(guī)模較大的寬緩古河槽而相對(duì)較緩，古河槽堆積體厚度約60 m，將其挖除后河谷呈不對(duì)稱(chēng)復(fù)式河谷。

1.2 場(chǎng)地地震基本烈度高

工程區(qū)位于南天山隆起和塔里木盆地的交界地帶，屬南天山地震帶，新構(gòu)造活動(dòng)主要表現(xiàn)為差異性斷塊運(yùn)動(dòng)，地震地質(zhì)背景比較復(fù)雜，工程區(qū)新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈而頻繁。壩址場(chǎng)地50 a超越概率10%的基巖水平峰值加速度為176gal，相應(yīng)的地震基本烈度為Ⅶ度；100 a超越概率2%的地震動(dòng)峰值加速度為365 gal，100 a超越概率1%的地震動(dòng)峰值加速度為436 gal。壩址場(chǎng)地屬區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性較差區(qū)。

1.3 填筑材料

壩址區(qū)下游右岸S3料場(chǎng)天然砂礫料儲(chǔ)量豐富，開(kāi)采運(yùn)輸方便，運(yùn)距較近，儲(chǔ)(質(zhì))量滿足要求，是填筑高壩良好的天然建筑材料，但S3砂礫料場(chǎng)分布范圍大、厚度較淺、中等透水，離散性問(wèn)題較突出。

料場(chǎng)砂礫石為中密～密實(shí)，磨圓度好，巖性以花崗巖、砂巖和微晶灰?guī)r為主，少量礫巖、頁(yè)巖。卵石平均含量11.3%，含礫量平均66.9%，含砂量平均21.8%，含泥量4.6%，不均勻系數(shù)平均157.6，曲率系數(shù)平均5.7，屬不良級(jí)配。

圖1 壩址區(qū)復(fù)雜地形地質(zhì)條件

2 特高面板壩設(shè)計(jì)安全標(biāo)準(zhǔn)

大石峽特高面板壩設(shè)計(jì)安全標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)按規(guī)范規(guī)定的上限值取值，但考慮工程特點(diǎn)和重要性，通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)洪水、大壩地震安全加高、壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)等設(shè)計(jì)安全標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行專(zhuān)門(mén)論證，在規(guī)范規(guī)定的基礎(chǔ)上有所提高，有力確保工程安全可靠性。

2.1 設(shè)計(jì)洪水

從已建、在建的200 m以上高土石壩(大庫(kù))的設(shè)計(jì)和校核洪水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)看，幾乎全部按照規(guī)范GB 50201和SL252規(guī)定的1級(jí)土石壩設(shè)計(jì)和校核洪水的高限選取，大石峽面板壩應(yīng)按照1000年一遇洪水設(shè)計(jì)、可能最大洪水(PMF)即10000年進(jìn)行校核。

考慮可能最大洪水(PMF)成果的不確定性，以及冰川阻塞湖潰決型洪水的不確定性和偶然性，經(jīng)論證估算的設(shè)計(jì)洪水均方誤差在13.7%～14.9%之間，因此大石峽樞紐工程可能最大洪水(PMF)采用10000年一遇洪水再加15%的安全修正值。

2.2 大壩地震安全加高

在地震烈度Ⅷ度、Ⅸ度地區(qū)，地震引起的壩頂沉陷一般不超過(guò)壩高的1%[6]。國(guó)內(nèi)已建、在建和設(shè)計(jì)的200 m級(jí)面板堆石壩壩頂震陷率計(jì)算值在0.24%～0.65%之間，100～150 m級(jí)面板砂礫石壩震陷率計(jì)算值在0.45%附近。經(jīng)歷2008年“5.12”汶川大地震考驗(yàn)的紫坪鋪面板堆石壩(壩高156 m)壩頂最大震陷率約0.65%(>0.5g)。

大石峽面板砂礫石壩最大壩高247 m，已超過(guò)規(guī)范適應(yīng)的范圍，抗震超高安全性極為重要，因此壩頂?shù)卣鸢踩痈呷∽畲髩胃叩?.2%，地震沉陷在已有的動(dòng)力計(jì)算和經(jīng)驗(yàn)取值(壩頂震陷率1%)上再增加一定的裕度，壩頂?shù)卣鸢踩强煽氐摹?/p>

2.3 壩坡抗滑穩(wěn)定安全設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)SL 274-2020《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，按剛體極限平衡法，采用計(jì)及條塊間作用力的簡(jiǎn)化畢肖普法分析計(jì)算當(dāng)?shù)夭牧蠅螇纹路€(wěn)定性，1級(jí)建筑物其最小抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)正常運(yùn)用條件為1.50，非常運(yùn)用條件Ⅰ為1.30，非常運(yùn)用條件Ⅱ?yàn)?.20。根據(jù)收集到7座國(guó)內(nèi)已建、在建和設(shè)計(jì)的200 m以上高面板壩抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算值，將各工程的壩高及各工況計(jì)算壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)在圖3中展示。

物資采購(gòu)的質(zhì)量對(duì)企業(yè)產(chǎn)品品質(zhì)起著決定性作用。企業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中，原材料質(zhì)量、生產(chǎn)技術(shù)和管理等因素都對(duì)產(chǎn)品最終品質(zhì)產(chǎn)生影響，無(wú)疑原材料的質(zhì)量把關(guān)是影響產(chǎn)品品質(zhì)的第一道關(guān)卡。如果采購(gòu)工作中對(duì)物資的質(zhì)量把關(guān)不嚴(yán)，則無(wú)論生產(chǎn)技術(shù)水平多高、管理能力多強(qiáng)，最終生產(chǎn)出來(lái)的產(chǎn)品質(zhì)量都得不到保障，最終會(huì)影響企業(yè)的聲譽(yù)，并影響企業(yè)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展。

根據(jù)7座壩高200 m以上面板壩的壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)統(tǒng)計(jì)表明，正常運(yùn)用工況下抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均比規(guī)范規(guī)定的1.50大0.08～0.84；非常運(yùn)用工況(竣工期)下抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均比規(guī)范規(guī)定的1.30大0.21～1.10；地震工況下抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均比規(guī)范規(guī)定的1.20大0.10～0.46。各工程壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足規(guī)范規(guī)定，為安全起見(jiàn)，均留有一定安全裕度，200 m級(jí)以上高面板壩壩坡抗滑穩(wěn)定系數(shù)各種運(yùn)用工況均比規(guī)范規(guī)定的最小安全系數(shù)絕對(duì)值大0.08以上的安全裕度；整體呈現(xiàn)隨著壩高增加壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)的安全裕度越大的趨勢(shì)。

圖3 國(guó)內(nèi)已建、在建和設(shè)計(jì)的200 m以上>高面板壩抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)

根據(jù)陳祖煜院士的研究成果[7]，特高土石壩正常工況壩坡抗滑穩(wěn)定目標(biāo)可靠指標(biāo)取4.45～4.70，對(duì)應(yīng)壩坡抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)1.60～1.65；地震工況壩坡抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)1.30～1.35。

大石峽混凝土面板砂礫石壩為世界第一高面板壩，比已建的最高面板壩水布埡面板堆石壩還高14 m，主要筑壩材料砂礫料抗剪強(qiáng)度略低于堆石，從工程安全考慮，壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)應(yīng)留有一定裕度。結(jié)合7座高面板壩工程實(shí)踐統(tǒng)計(jì)和特高土石壩可靠度研究成果，最終確定的大石峽面板砂礫石壩各種運(yùn)用工況上、下游壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)可采取比規(guī)范規(guī)定的最小安全系數(shù)大0.1，正常運(yùn)用條件最小抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)(畢肖普法)為1.60，非常運(yùn)用條件Ⅰ為1.40，非常運(yùn)用條件Ⅱ?yàn)?.30。

大石峽面板砂礫石壩壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)比SL 274-2020《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的最小安全系數(shù)增大了1.07倍，在壩坡放緩、工程量增加有限的情況下，使得200 m以上高堆石壩能夠滿足抗滑穩(wěn)定要求。

3 特高面板壩壩體變形安全控制指標(biāo)

3.1 壩體沉降率控制指標(biāo)

根據(jù)水布埡、三板溪、洪家渡等200 m級(jí)高面板堆石壩沉降資料分析，壩體沉降總體變形規(guī)律為絕對(duì)沉降隨堆石填筑高度增加而增大，沉降趨勢(shì)隨時(shí)間的延長(zhǎng)而減緩，沉降極值與庫(kù)水相關(guān)不顯著，大部分沉降在施工期完成，約占總沉降值的80%～90%，堆石體后期約10%～20%的沉降主要是由堆石料自身蠕變和水荷載共同作用引起。采用塊石料填筑的200 m級(jí)面板堆石壩最大沉降平均1.1%，大部分工程不超過(guò)最大壩高的1.5%。

圖4 200 m級(jí)高面板堆石壩實(shí)測(cè)沉降率與壩高關(guān)系

初步設(shè)計(jì)階段收集到面板堆石壩(壩高150 m以上)和面板砂礫石壩(壩高100 m以上)沉降變形的計(jì)算值，通過(guò)統(tǒng)計(jì)和對(duì)比分析表明：① 150 m級(jí)高面板堆石壩平均沉降率為0.72%；② 100～150 m級(jí)高面板砂礫石壩壩體沉降率為0.4%～0.7%，平均值為0.50%；③ 面板堆石壩和面板砂礫石壩的沉降率對(duì)比表明，以砂礫石料為主要填筑材料的面板砂礫石壩約為同高度堆石壩的30%～60%。

實(shí)測(cè)資料分析表明，以塊石料為填筑材料的200 m級(jí)面板堆石壩最大沉降率的平均值為1.1%，為安全計(jì)，一般要求壩體最大變形控制在1%左右[8]。因此，若同等級(jí)別面板砂礫石壩的最大沉降率按堆石壩的60%計(jì)，則推測(cè)200 m級(jí)面板砂礫石壩的最大沉降率可按0.6%控制。100～150 m級(jí)、200 m級(jí)面板砂礫石壩最大沉降率分別為0.5%、0.6%，考慮大石峽面板砂礫石壩的高度突破250 m級(jí)，大石峽壩體最大沉降率可按照0.8%控制。

3.2 壩頂震陷率控制指標(biāo)

土石壩的地震永久變形是大壩設(shè)計(jì)和抗震安全性評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)。從現(xiàn)有統(tǒng)計(jì)資料來(lái)看，地震作用下碾壓土石壩壩頂?shù)呢Q向地震永久變形，即壩頂震陷，一般為0.16%～0.65%，不超過(guò)壩高的1%。

根據(jù)已建150～200 m級(jí)高面板壩工程動(dòng)力分析計(jì)算震陷值統(tǒng)計(jì)，以及對(duì)遭遇2008年“5.12”汶川大地震的紫坪鋪面板壩震害調(diào)查，考慮大石峽靜動(dòng)力計(jì)算成果[11-12]，確定大石峽面板砂礫石壩的震陷率控制指標(biāo)為0.6%～0.8%。

4 特高面板壩面板和接縫變形安全控制指標(biāo)

4.1 面板弦長(zhǎng)比安全控制指標(biāo)

面板作為面板壩的防滲主體，其變形與應(yīng)力性狀直接影響到大壩擋水防滲的性能。水庫(kù)蓄水后，面板整體向下游變形，最大撓曲變形一般發(fā)生在壩高的1/2～4/5范圍內(nèi)，弦長(zhǎng)比越大，面板局部彎矩就大，受拉面產(chǎn)生結(jié)構(gòu)裂縫的可能性較大。已建、在建的面板壩撓度及撓曲率情況統(tǒng)計(jì)表明，高面板壩的面板弦長(zhǎng)比在0.05%～0.26%之間，平均值為0.14%；砂礫石壩弦長(zhǎng)比平均值為0.13%，砂礫石壩普遍低于堆石壩。

目前已建200 m級(jí)面板壩的面板均出現(xiàn)不同程度的裂縫和擠壓破壞，但不影響大壩整體運(yùn)行安全。洪家渡、三板溪、水布埡、猴子巖、巴貢等的弦長(zhǎng)比分別為0.11%、0.05%、0.14%、0.16%、0.18%，而弦長(zhǎng)比較大的天生橋一級(jí)面板(0.26%)發(fā)生裂縫和破損的程度明顯較高。

綜合分析200 m級(jí)高面板壩弦長(zhǎng)比情況，以及工程實(shí)際運(yùn)行監(jiān)測(cè)情況，結(jié)合計(jì)算結(jié)果，為避免面板撓曲變形影響防滲結(jié)構(gòu)的有效性，大石峽特高面板砂礫石壩面板弦長(zhǎng)比按照0.2%進(jìn)行控制。

4.2 混凝土面板拉壓應(yīng)變控制指標(biāo)

國(guó)內(nèi)外200 m級(jí)高面板壩已開(kāi)始出現(xiàn)面板垂直接縫處混凝土擠壓破壞的現(xiàn)象，這些擠壓破壞主要由堆石體的過(guò)大變形引起，即堆石體變形受河谷地形影響，兩岸壩體軸向變形均指向河谷中央，混凝土面板受壩體軸向變形影響，岸坡附近面板軸向受拉、河谷中央面板軸向受壓，面板的擠壓破壞經(jīng)分析源于面板中過(guò)大的壓應(yīng)變。

通過(guò)實(shí)測(cè)資料分析，天生橋、三板溪、水布埡面板壩的順坡向最大壓應(yīng)變均大于800×10-6，最大拉應(yīng)變大于500×10-6；天生橋、水布埡、察汗烏蘇面板壩水平向最大壓應(yīng)變分別為948×10-6、680×10-6和740×10-6，三板溪水平向最大拉應(yīng)變994×10-6。實(shí)測(cè)拉應(yīng)變較大的面板壩面板裂縫較多，水平向壓應(yīng)變加大的壩出現(xiàn)面板擠壓破損或破壞。根據(jù)面板擠壓破壞實(shí)測(cè)壓應(yīng)變，以及有限元數(shù)值計(jì)算成果，和混凝土應(yīng)力應(yīng)變典型數(shù)值，大石峽混凝土面板擠壓臨界破壞壓應(yīng)變控制值為900×10-6。

4.3 接縫止水結(jié)構(gòu)變形安全控制指標(biāo)

國(guó)內(nèi)外面板壩實(shí)測(cè)周邊縫位移和壩高關(guān)系見(jiàn)圖5所示，整體上看隨著壩高的增加，實(shí)測(cè)周邊縫位移也增加。水布埡、猴子巖、巴貢、三板溪、洪家渡、天生橋一級(jí)、吉林臺(tái)等7座200 m級(jí)面板堆石壩周邊縫最大剪切位移3.5～43.7 mm、最大沉降位移26.6～45.3 mm、最大張開(kāi)位移8.6～17.2 mm，三向變位均小于50 mm，其中以水布埡周邊縫變位最大。

圖5 國(guó)內(nèi)外面板壩周邊縫位移分布

水布埡接縫止水研究結(jié)果表明[13]，銅止水的鼻寬d=30 mm、鼻高H=105 mm、銅片厚度t=1.0 mm，在張開(kāi)50 mm、沉陷100 mm和剪切50 mm接縫位移作用下不會(huì)破壞。300 m級(jí)高面板堆石壩適應(yīng)性及對(duì)策研究成果表明[14]，銅止水采用鼻高H=150 mm、鼻寬d=30 mm，并在翼板上單面復(fù)合85 mm寬、3 mm厚的GB止水板，可以滿足300 m級(jí)面板堆石壩的接縫止水承受100 mm的沉陷變形、100 mm的張開(kāi)變形和80 mm的剪切變形，以及350 m的水頭作用，提出300 m級(jí)高面板堆石壩按沉降100 mm、剪切80 mm和張拉100 mm進(jìn)行止水結(jié)構(gòu)變形控制。

根據(jù)大石峽靜動(dòng)力分析周邊縫接縫變形成果，參照已建200 m級(jí)高面板壩接縫止水結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)控制值，以及300 m級(jí)面板壩相關(guān)研究成果，最終確定大石峽面板壩接縫止水結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)控制指標(biāo)，沉降100 mm、剪切65 mm和張拉50 mm。大石峽面板砂礫石壩主要填筑體為砂礫料，壓縮模量高、抗變形能力強(qiáng)，并考慮一定的安全裕度，止水結(jié)構(gòu)和工藝完全能夠適應(yīng)大石峽250 m級(jí)特高面板砂礫石壩接縫止水結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求。

5 滲流穩(wěn)定安全控制指標(biāo)

墊層料作為第二道防滲線，當(dāng)極端工況墊層直接擋水時(shí)，將承擔(dān)全部水頭；當(dāng)面板發(fā)生開(kāi)裂或破損時(shí)，墊層料將承擔(dān)破損位置處大部分滲流水頭。墊層料如果發(fā)生滲透破壞，庫(kù)水將通過(guò)滲透破壞部位發(fā)生較大的滲漏量，其后堆石體浸潤(rùn)面抬高、滲透坡降增大，導(dǎo)致發(fā)生滲透破壞細(xì)顆粒流失，或者堆石抗剪參數(shù)降低影響壩坡穩(wěn)定，最終危及壩體整體安全，因此，墊層料的滲透穩(wěn)定性尤為重要。

通過(guò)調(diào)研統(tǒng)計(jì)150 m級(jí)以上高面板壩的最大可承受的水力梯度平均約為50，根據(jù)大石峽面板壩工程墊層料滲透試驗(yàn)，當(dāng)滲流方向自上而下，其滲透試驗(yàn)破壞坡降≥110.7，水力梯度控制指標(biāo)按照50控制，則安全系數(shù)為2.2。大石峽面板壩墊層料水力梯度控制指標(biāo)取50，墊層料寬度取5.0 m，能夠滿足墊層料的水力梯度要求。

6 結(jié) 論

(1) 考慮大石峽特高面板壩工程特點(diǎn)和重要性，確定的設(shè)計(jì)洪水、大壩地震安全加高、壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)等設(shè)計(jì)安全標(biāo)準(zhǔn)在規(guī)范規(guī)定的基礎(chǔ)上有所提高，其中最大洪水(PMF)采用10000年一遇洪水再加15%；各種運(yùn)用工況上、下游壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)比規(guī)范規(guī)定的最小安全系數(shù)大0.1；地震安全加高取最大壩高的1.2%。

(2) 通過(guò)面板砂礫石壩和面板堆石壩工程對(duì)比分析，結(jié)合大石峽工程技術(shù)條件，提出了壩體最大沉降率(0.8%)、震陷率控制指標(biāo)(0.6%～0.8%)等大石峽特高面板壩壩體變形安全控制指標(biāo)。

(3) 通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)、數(shù)值計(jì)算分析、工程經(jīng)驗(yàn)類(lèi)比以及規(guī)程規(guī)范規(guī)定，提出了大石峽特高面板壩面板弦長(zhǎng)比(0.2%)、面板拉壓應(yīng)變(900×10-6)、接縫變形、墊層滲透等安全控制指標(biāo)。

上述設(shè)計(jì)控制指標(biāo)的確定，為大石峽特高面板砂礫石壩的設(shè)計(jì)安全可靠性提供依據(jù)，研究成果可為后續(xù)特高面板壩設(shè)計(jì)提供參考，為更高級(jí)別的高面板壩安全控制指標(biāo)的確定提供借鑒。