彭衛(wèi)軍

(新疆水利水電勘測設(shè)計研究院，烏魯木齊 830000)

?

玉龍喀什水利樞紐工程壩型選擇及混凝土面板堆石壩設(shè)計

彭衛(wèi)軍

(新疆水利水電勘測設(shè)計研究院，烏魯木齊 830000)

文章通過對國內(nèi)外部分高壩相關(guān)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析以及混凝土面板堆石壩和碾壓混凝土重力壩的綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，論證了混凝土面板堆石壩對新疆玉龍喀什水利樞紐工程區(qū)建設(shè)條件的適應(yīng)性，闡述了在9度地震設(shè)防的大溫差寒冷地區(qū)建設(shè)230m級高混凝土面板堆石壩的工程難點、技術(shù)風(fēng)險和在設(shè)計、施工中的應(yīng)對措施，從而對其他工程進(jìn)行壩型選擇并促進(jìn)相關(guān)壩型的推廣運(yùn)用提供參考和借鑒。

強(qiáng)震區(qū)；230m級；混凝土面板堆石壩；水利樞紐

1　工程概況及建設(shè)條件

玉龍喀什水利樞紐工程是和田河支流玉龍喀什河山區(qū)河段的控制性水利樞紐工程，為Ⅱ等大(2)型工程。最大壩高229.5m。

工程洪水標(biāo)準(zhǔn)按500 a一遇設(shè)計，5 000 a(土石壩)和2000年(混凝土壩)一遇校核，相應(yīng)洪峰流量為2164 m3/s、2784 m3/s和2537 m3/s。

壩址處河谷呈“V”型，正常蓄水位2170m時，河谷寬約440m。壩址區(qū)巖性主要為灰黑色的二云母石英片巖，片理產(chǎn)狀30～55°NW∠20～30°，巖體較完整。壩址區(qū)地質(zhì)構(gòu)造不發(fā)育，斷層規(guī)模較小。

本工程大壩建設(shè)條件具有以下特點：

1)工程區(qū)地處寒冷地區(qū)，降水量少，日照和蒸發(fā)強(qiáng)烈，溫差較大，氣候條件對壩型的選擇存在一定影響。

2)洪水以融雪型洪水為主，洪峰和洪量不大。

3)壩址場地的地震基本烈度為Ⅷ度。設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)對壅水建筑物取基準(zhǔn)期100 a內(nèi)超越概率P100為0.02，相應(yīng)基巖峰值加速度為350.5gal。地震烈度較高，壩型選擇必須滿足抗震需要。

4)壩址地形和工程地質(zhì)條件較好，可滿足多數(shù)壩型的建設(shè)要求。

5)天然骨料儲量不大，但存在合適的人工骨料料場。

6)爆破堆石料儲量豐富，運(yùn)距較短，飽和抗壓強(qiáng)度在37～47 MPa，稍偏低。

7)土料匱乏，分布零散，且質(zhì)量不佳。

2　壩型選擇

2.1比較壩型選擇

根據(jù)本工程的實際建設(shè)條件，滿足抗震要求是壩型選擇的首要標(biāo)準(zhǔn)。

國內(nèi)外強(qiáng)震區(qū)200m以上高壩統(tǒng)計表(已建)見表1。

表1中列出了國內(nèi)外修建在7度以上強(qiáng)震區(qū)的200m以上高壩共33座，其中混凝土壩25座，占總數(shù)的75.8%，混凝土壩中拱壩21座(含4座重力拱壩)，重力壩4座；當(dāng)?shù)夭牧蠅?座(心墻或斜心墻壩7座，斜墻壩1座)，占總數(shù)的24.2%。從中可以看出，拱壩由于其結(jié)構(gòu)上的特點，具有良好的抗震性能，同時壩體方量小、造價相對較低，因而在地形、地質(zhì)條件允許的情況下，成為強(qiáng)震區(qū)高壩的首選壩型。當(dāng)?shù)夭牧蠅沃行膲蛐毙膲我虺浞掷昧水?dāng)?shù)靥烊唤ㄖ牧?，造價相對低廉，在合理確定大壩體型、壩料分區(qū)及填筑標(biāo)準(zhǔn)等的前提下，采取適當(dāng)?shù)目拐鸺庸檀胧嗫色@得較高的抗震能力，因而在強(qiáng)震區(qū)高壩中亦應(yīng)用較多。重力壩雖然也具有較好的抗震性能，但壩體混凝土方量大，造價相對較高，因此在強(qiáng)震區(qū)高壩中雖有應(yīng)用，但數(shù)量相對較少。

表1　國內(nèi)外強(qiáng)震區(qū)200m以上高壩統(tǒng)計表(已建)

隨著我國壩工界對筑壩材料各項性能的了解和認(rèn)識的逐步加深，特別是隨著與土石壩相關(guān)的國家科技攻關(guān)項目的開展，針對土石填筑壩地震破壞機(jī)理及散粒體結(jié)構(gòu)動力模型試驗技術(shù)、粗粒土測試技術(shù)和試驗方法以及本構(gòu)模型、土石壩動力分析方法以及高效-多功能-大規(guī)模數(shù)值分析軟件系統(tǒng)研發(fā)、高土石壩抗震措施等方面開展了系統(tǒng)、深入的研究，并逐步取得了成果，對我國強(qiáng)震區(qū)高土石壩的建設(shè)起到了極大的促進(jìn)作用，強(qiáng)震區(qū)高土石壩設(shè)計和建設(shè)迅猛發(fā)展[1]。

國內(nèi)地震區(qū)70m以上高土石壩工程統(tǒng)計表見表2。

表2列出了我國部分70m以上地震區(qū)土石壩的相關(guān)參數(shù)，共計20座。從中可以看出，國內(nèi)強(qiáng)震區(qū)高土石壩基本采用了黏土心墻壩、混凝土面板壩和瀝青混凝土心墻壩3種壩型。其中黏土心墻壩9座，占45%；混凝土面板壩8座，占40%；瀝青混凝土心墻壩3座，占15%。200m以上高壩8座，其中黏土心墻壩6座，占75%；混凝土面板壩2座，占25%。強(qiáng)震區(qū)瀝青混凝土心墻壩最大壩高尚未超過150m。

表2　國內(nèi)地震區(qū)70m以上高土石壩工程統(tǒng)計表

由于工程區(qū)及鄰近區(qū)域僅零星分布有少量風(fēng)積黃土，其質(zhì)量和儲量均不能滿足土質(zhì)防滲體土石壩的筑壩要求；同時本工程壩高>200m，且位于強(qiáng)震區(qū)，采用瀝青混凝土心墻壩尚無先例，故本工程壩型比選中選擇混凝土面板堆石壩作為當(dāng)?shù)夭牧蠅蔚拇韷涡蚚2]。

本工程河谷寬高比約為2.5，但壩址區(qū)基巖片理走向30°～55°，與壩軸線夾角較小，片理傾角20°～30°，傾NW(上游)，傾角偏小且傾向不利，不宜布置混凝土拱壩，故本工程選擇碾壓混凝土重力壩作為混凝土壩的代表壩型，參與壩型方案比較。

2.2比選壩型對本工程的適應(yīng)性

2.2.1混凝土面板堆石壩適應(yīng)性

根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)，1960年開始，面板堆石壩向150m級高壩發(fā)展。1990年以后，面板堆石壩開始向200m級高壩發(fā)展。據(jù)不完全統(tǒng)計，截至2011年9月，國際上已建、在建和擬建的混凝土面板堆石壩約570座。

我國自1985年開始引進(jìn)混凝土面板堆石壩筑壩技術(shù)，并經(jīng)歷了1985年至1990年以西北口為代表的引進(jìn)消化階段、1991年至2000年以天生橋一級為代表的自主創(chuàng)新階段和2000年至今以水布埡為代表的突破發(fā)展階段。據(jù)不完全統(tǒng)計，截至2009年底，中國壩高30m以上面板堆石壩已建約170座，在建、擬建各約40座，總數(shù)約260座。目前，最大壩高突破200m，深厚覆蓋層上建壩高度突破100m；150m級高壩技術(shù)日益成熟，取得200m級高壩筑壩的全套技術(shù)；壩體變形控制和面板防裂取得良好效果；面板堆石壩設(shè)計和施工等規(guī)范開始新一輪修訂；中國面板堆石壩技術(shù)水平躍居世界前列，筑壩技術(shù)走出國門；組織開展了300m級高面板堆石壩適應(yīng)性和對策研究。

我國四川岷江上壩高156m的紫坪鋪壩，經(jīng)受了烈度達(dá)9～10度的汶川特大地震的考驗，超過其設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，在世界已建大壩中也是最高的，但震損輕微，充分證明了面板堆石壩具有優(yōu)良的抗震性能。

新疆是全國率先引進(jìn)面板壩的省區(qū)，其筑壩技術(shù)一直處于國內(nèi)先進(jìn)水平。1981年在37.5m的深覆蓋層上建成第一座壩高42m的柯柯亞水庫，2000年建成第一座壩高67.5m的榆樹溝壩面溢流混凝土面板堆石壩，1995年開工建設(shè)當(dāng)時全國第二高壩的烏魯瓦提水庫，2006年建成的吉林臺一級水電站壩高目前列全國第六，同時也是全國已建工程中9度設(shè)防的最高混凝土面板砂礫-堆石壩。30 a來，共建成面板堆石壩19座，其中壩高100m以上的有8座，用實踐證明了面板壩壩型對新疆不同氣象、地形、地質(zhì)和天然建筑材料等條件下的適應(yīng)性，并在許多關(guān)鍵技術(shù)的研究與應(yīng)用方面有新的突破[3]。

2.2.2碾壓混凝土重力壩適應(yīng)性

碾壓混凝土壩是混凝土筑壩技術(shù)的一項革新，在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上具有顯著的優(yōu)越性。從20世紀(jì)60年代碾壓混凝土筑壩技術(shù)開始投入實用，至今已得到了越來越廣泛的應(yīng)用并取得了長足的進(jìn)步和發(fā)展。

我國從1978年開始研究研究應(yīng)用碾壓混凝土技術(shù)，結(jié)合中國的自然條件和施工技術(shù)水平，認(rèn)真吸取了RCD和RCC的經(jīng)驗和教訓(xùn)，發(fā)展了采用高摻粉煤灰、中等膠凝材料、大倉面薄層鋪筑、連續(xù)碾壓上升、二級配碾壓混凝土防滲的施工方法，使碾壓混凝土筑壩技術(shù)達(dá)到了一個較高水平，形成了一整套建造碾壓混凝土壩的技術(shù)。目前，我國碾壓混凝土筑壩技術(shù)已經(jīng)非常成熟，達(dá)到世界先進(jìn)及領(lǐng)先水平。至今，已建成碾壓混凝土壩41座。目前在建12座，正在規(guī)劃、設(shè)計及即將施工的17座。此外，還有不少的碾壓混凝土圍堰工程。

新疆在上世紀(jì)90年代末期引進(jìn)RCC壩，于2000年建成了石門子拱壩(壩高109m)，該工程是我國首次在高寒地區(qū)建成的碾壓混凝土高拱壩。而后又引進(jìn)了碾壓混凝土重力壩，先后建成了喀臘塑克水利樞紐(壩高121.5m)、特克斯山口水電站(壩高49.8m)及沖乎爾水電站(壩高74.0m)，這些大壩均處于高寒和高地震區(qū)，其中喀臘塑克水利樞紐是我國乃至世界上首次在高緯度地區(qū)修建的壩高最高、工程量最大的百米級全斷面碾壓混凝土重力壩。上述工程的建設(shè)，在新技術(shù)、新材料、新工藝引進(jìn)吸收和理論研究、技術(shù)創(chuàng)新等方面進(jìn)行了大量有益的探索。特別是在“冷、熱、風(fēng)、干”等不利因素的對策方面，為新疆乃至全國在類似環(huán)境條件下的筑壩技術(shù)提供了寶貴經(jīng)驗[4]。

2.3兩壩型技術(shù)風(fēng)險及應(yīng)對措施

對本工程而言，采用混凝土面板堆石壩或碾壓混凝土重力壩在設(shè)計、施工和運(yùn)行管理等方面都有著較為成熟的理論和經(jīng)驗，因而均是可行的。但結(jié)合工程區(qū)建設(shè)條件，也都存在著一定的工程難度和技術(shù)風(fēng)險。

2.3.1混凝土面板堆石壩

目前已建成的面板堆石壩多采用經(jīng)驗型設(shè)計和筑壩技術(shù)，基本上是在總結(jié)以往大壩經(jīng)驗的基礎(chǔ)上適當(dāng)提高，并越建越好。出現(xiàn)的主要問題集中在壩體變形大或面板裂縫多或壩體滲漏量大等，問題多由變形不穩(wěn)定引起，但均是安全的。分析其原因，在于堆石體是典型的巖土結(jié)構(gòu)，具有復(fù)雜性、不確定性和多相耦合性，由于受到試驗手段的限制，在高圍壓和高應(yīng)力的條件下，其填筑料的物理力學(xué)性能很難通過室內(nèi)試驗準(zhǔn)確把握，但面板堆石壩的結(jié)構(gòu)和分區(qū)特點決定了其天然具有良好的抗滑穩(wěn)定性、抗?jié)B穩(wěn)定性，所以雖出現(xiàn)了一些問題，但安全性仍是有保障的。

實踐證明，問題的出現(xiàn)可通過選用抗壓強(qiáng)度較高的堆石料原巖、確定合理的堆石級配及孔隙率；減小上游與下游堆石體的模量差、采用大噸位的碾壓設(shè)備、堆石填筑總體平衡上升、采取預(yù)沉降措施、臨時斷面蓄水預(yù)壓等壩體變形控制的集成技術(shù)措施予以消除或降低。

本工程大壩采用爆破堆石料作為主要的筑壩材料，因而結(jié)合已建工程經(jīng)驗和試驗研究及理論計算的最新成果，通過合理選擇體型和分區(qū)及壓實標(biāo)準(zhǔn)，并采取必要的抗震加固措施，完全能夠滿足壩體抗滑、抗?jié)B和抗震穩(wěn)定性要求。

本工程最大壩高229.5m，壩體變形控制要求較高。為控制壩體變形，目前國內(nèi)外200m級高面板壩均采用硬巖堆石料，其原巖飽和抗壓強(qiáng)度一般在60～80Mpa以上。而根據(jù)地勘資料，本工程壩址附近的P2爆破料場巖塊弱風(fēng)化樣天然密度2.75g/cm3，自然吸水率0.30%，飽和吸水率0.34%，干抗壓強(qiáng)度67Mpa，飽和抗壓強(qiáng)度37Mpa，軟化系數(shù)0.55；新鮮巖樣天然密度2.77g/cm3，自然吸水率0.26%，飽和吸水率0.30%，干抗壓強(qiáng)度71Mpa，飽和抗壓強(qiáng)度47Mpa，軟化系數(shù)0.66；屬中硬巖類，與以往的工程實踐之間存在著一定的差距。P1料場為花崗巖料場，天然密度2.63～2.66g/cm3，自然吸水率0.39～0.46%，飽和吸水率0.52～0.63%，干抗壓強(qiáng)度108～134MPa，飽和抗壓強(qiáng)度88～101MPa，屬硬巖類。質(zhì)量基本滿足要求，儲量豐富，但距壩址區(qū)11～13km，運(yùn)距較遠(yuǎn)。

有研究資料表明，對于200m以上的超高面板堆石壩，壩體后期的體積流變與剪切流變的變形量較大，對面板及趾板等防滲結(jié)構(gòu)造成很大的安全隱患。因此，壩體變形控制是本工程設(shè)計的難點，其重點在于減小面板澆筑后的堆石體變形以及堆石體分區(qū)間的不均勻變形[5]。

對本工程而言，不能夠?qū)崿F(xiàn)對壩體變形的合理控制，將導(dǎo)致墊層料坡面開裂、面板與墊層料間脫空、面板結(jié)構(gòu)性裂縫和垂直縫擠壓破壞、接縫止水結(jié)構(gòu)受損等現(xiàn)象，從而造成大壩滲漏及安全性下降等后果。因而存在一定的技術(shù)風(fēng)險。

為此，本工程混凝土面板堆石壩方案設(shè)計和施工中應(yīng)采取以下綜合措施，以確保工程安全：

2.3.1.1設(shè)計措施

1)開展高面板堆石壩筑壩材料工程特性的研究，主要包括：堆石材料在高應(yīng)力水平、復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的強(qiáng)度和變形特性；堆石材料在高應(yīng)力條件下的顆粒破碎及其對材料工程特性的影響；堆石材料的蠕變特性、蠕變機(jī)理、及影響因素；不同應(yīng)力狀態(tài)下堆石材料工程特性隨時間的變化規(guī)律；堆石材料參數(shù)的室內(nèi)外特性差異等；同時盡早開展爆破和碾壓等現(xiàn)場試驗，并結(jié)合室內(nèi)試驗，分析料場巖體不同礦物組成含量變化、風(fēng)化程度等的分布情況及其對巖塊抗壓強(qiáng)度等物理力學(xué)指標(biāo)的影響，準(zhǔn)確把握壩料特性，明確料場可開采范圍。

2)正確認(rèn)識筑壩材料物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)，合理利用工程區(qū)天然筑壩材料，正確選擇孔隙率等密實度參數(shù)，盡可能提高堆石壩填筑密實度；陡邊坡附近設(shè)特別碾壓區(qū)；適當(dāng)提高下游堆石區(qū)的填筑密實度，減少上、下游堆石區(qū)的模量差；減小軟巖料填筑范圍并盡量靠壩的下游側(cè)設(shè)置；盡可能協(xié)調(diào)壩體各部位變形，并降低堆石體后期沉降量。

3)壩體填筑分區(qū)的填料級配，應(yīng)滿足極端條件下壩料的滲透穩(wěn)定要求。

4)合理確定面板分縫分塊，并可考慮部分面板采用雙層配筋、纖維混凝土等，以提高混凝土面板適應(yīng)壩體變形的能力，必要時結(jié)合分期施工縫設(shè)置水平永久縫。

5)采取適當(dāng)加大面板頂部最小厚度、改進(jìn)面板受壓垂直縫細(xì)部設(shè)計(如淺化頂部V形槽、降低底部止水片的鼻子高度、底部砂漿墊層不侵占面板承壓斷面等)、接縫處增設(shè)抗擠壓鋼筋、受壓垂直縫內(nèi)設(shè)彈性材料等措施，防止面板擠壓破壞。

6)擬定稍大的分縫允許位移設(shè)計值，并據(jù)此確定相應(yīng)的止水結(jié)構(gòu)，以提高周邊縫、垂直縫、水平縫對壩體變形的適應(yīng)能力。同時接縫止水結(jié)構(gòu)從單一止水型或自愈型向止水與自愈相結(jié)合型發(fā)展。

2.3.1.2施工措施

1)采取提高壓實機(jī)具功能、減薄鋪料厚度、充分加水等措施提高壩料填筑密實度。冬季不能灑水時，采取減薄層厚、增加碾重和碾壓遍數(shù)等保證壓實質(zhì)量；

2)結(jié)合施工導(dǎo)流、進(jìn)度控制和壩體變形控制等要求來進(jìn)行壩體填筑分期；壩體上、下游和左右岸填筑考慮壩體變形控制要求，堆石填筑總體平衡上升；下游面超高填筑；分期面板上部堆石體超高5～20m；

3)合理設(shè)置預(yù)沉降時間和速率控制指標(biāo)，適當(dāng)延長面板澆筑前的預(yù)沉降期，待面板下部的堆石體變形速率趨于收斂后再澆面板；

4)加強(qiáng)對面板的養(yǎng)護(hù)與保護(hù)，對面板脫空部位進(jìn)行自流式注漿；

5)合理安排壩體度汛和分期蓄水方案，導(dǎo)流洞設(shè)置工作弧門，靈活控制施工期壩前水位，利用水荷載預(yù)壓以加快堆石體初期變形，防止壩體開裂；

6)采取GPS監(jiān)控系統(tǒng)、附加質(zhì)量法密度檢測等措施有效監(jiān)控堆石填筑質(zhì)量。

2.3.2碾壓混凝土重力壩

與常態(tài)混凝土壩相比，碾壓混凝土壩的溫控與防裂具有新的特點。由于摻入粉煤灰，使早期水化熱較低，壩體溫度下降緩慢，早期壓應(yīng)力略有增加。同時，也帶來一些不利因素，由于碾壓混凝土用水量少，加冰十分困難；其施工工藝要求一般不埋冷卻水管，對削減水化熱溫升不利；采用通倉澆筑，不設(shè)縱縫，增加了基礎(chǔ)約束應(yīng)力。另一方面，北方寒冷地區(qū)碾壓混凝土體每年4—10月為施工期，冬季停止混凝土施工，這種間歇式的施工方法，加之冬季寒冷的氣候條件和較大的內(nèi)外溫差，在越冬面附近的上下游面部位有明顯應(yīng)力集中現(xiàn)象，而該部位混凝土恰是低溫季節(jié)澆筑，抗拉強(qiáng)度低于其它部位混凝土，極易產(chǎn)生水平向溫度裂縫。

工程經(jīng)驗和理論研究都表明，碾壓混凝土壩溫度應(yīng)力是導(dǎo)致壩體裂縫的主要因素，其他荷載所引起的應(yīng)力與溫度應(yīng)力相比相對較小，溫度應(yīng)力起著控制作用。寒冷地區(qū)碾壓混凝土重力壩具有代表性的溫度裂縫主要包括：

1)上、下游壩面的劈頭裂縫。

2)強(qiáng)約束區(qū)長間歇頂面(包括越冬面)的縱向裂縫。

3)永久底孔、導(dǎo)流底孔四周的環(huán)形裂縫。

4)溢流壩反弧段的縱向裂縫。

5)越冬層面附近上、下游側(cè)水平施工縫的開裂。

本工程所在地區(qū)多年平均氣溫11.0℃，最高月平均氣溫23.8℃，最低月平均氣溫-5.1℃，極端最高氣溫37.5℃，極端最低氣溫-23.5℃；多年平均降水量55.1mm；多年平均蒸發(fā)量為3485.8mm(ф20cm型蒸發(fā)器)；年平均風(fēng)速為2.09m/s，多年平均最大風(fēng)速14.3m/s；最大凍土深67cm；最大積雪深度14cm；年凍融循環(huán)次數(shù)為78.83次；多年平均日照時數(shù)2610.5h；多年平均相對濕度42%。

由于工程地處寒冷地區(qū)，采用碾壓混凝土筑壩面臨著惡劣的氣候條件和長間歇通倉澆筑的問題，如何防止或減少壩體的溫度裂縫是在寒冷地區(qū)修建碾壓混凝土重力壩面臨的嚴(yán)峻課題。

同時，工程區(qū)日照強(qiáng)烈、降水量小、蒸發(fā)劇烈、風(fēng)力較強(qiáng)、氣候干燥，碾壓混凝土在運(yùn)輸、卸料、攤鋪、碾壓和覆蓋過程中失水現(xiàn)象將較為嚴(yán)重，如何采取有效措施解決由于失水過快引發(fā)的碾壓混凝土可碾性和層間結(jié)合質(zhì)量問題也是碾壓混凝土筑壩技術(shù)面臨的又一難題。

另外，壩址區(qū)巖性主要為灰黑色的二云母石英片巖，片理產(chǎn)狀30～55°NW∠20～30°，走向與壩軸線交角較小，緩傾上游，多有變化，對壩體穩(wěn)定不利；基巖允許承載力3～5MPa，相對較低，根據(jù)目前設(shè)計的大壩體型，地震工況下基底應(yīng)力接近承載力上限。

為此，借鑒以往相近地區(qū)的經(jīng)驗，本工程碾壓混凝土重力壩方案設(shè)計與施工需采取以下措施來發(fā)揮優(yōu)勢并確保工程安全：

2.3.2.1設(shè)計措施

1)深入調(diào)查基巖片理產(chǎn)狀、變化和不利組合情況；通過多種方法準(zhǔn)確把握壩基巖體不同礦物組成含量變化分布情況及其對巖體允許承載力、抗剪強(qiáng)度、彈變模量等物理力學(xué)指標(biāo)的影響，以及混凝土與基巖間抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的變化情況；

2)結(jié)合本工程建筑材料特性，開展壩體各材料分區(qū)的碾壓和常態(tài)混凝土配合比研究，特別是寒冷地區(qū)高碾壓混凝土壩壩體防滲技術(shù)研究，在滿足各分區(qū)設(shè)計功能的前提下，充分利用工程區(qū)資源，盡量減少膠凝材料用量，降低混凝土水化熱；同時具有良好的可碾性、抗?jié)B性、抗裂性、層面結(jié)合性能及抗凍融能力；

3)結(jié)合工程實際，開展本工程碾壓混凝土溫度場變化規(guī)律研究，合理確定溫控指標(biāo)和溫控措施，提出切實可行的壩體及層面保溫、保濕工程措施，特別是冬季及寒潮來臨前的混凝土保護(hù)措施。

2.3.2.2施工措施

1)依據(jù)倉面氣候條件，動態(tài)調(diào)整VC值；采用霧化水汽進(jìn)行失水補(bǔ)償和增加倉面空氣濕度，提高層間結(jié)合質(zhì)量；采用斜層碾壓工藝，縮短層間間歇時間；高溫、多風(fēng)時段及時做好倉面覆蓋保濕，以保證RCC可碾性及層間結(jié)合質(zhì)量；

2)采取施工溫控防裂技術(shù)措施：增加儲料堆高度、保證料流風(fēng)冷時間、采用保溫、遮陽廊道及二次制冷等其他技術(shù)措施降低混凝土出機(jī)口溫度；控制澆筑層厚度和上下層澆筑間歇時間、摻加緩凝高效減水劑、混凝土運(yùn)輸車安裝液壓防曬板保溫、縮短混凝土從拌和到倉面碾壓的時間等措施減少澆筑過程溫升；

3)根據(jù)設(shè)計要求，及時完成碾壓混凝土表面(上下游面、分期外露面、越冬層面等)保溫施工。

2.4壩型比選及結(jié)論

結(jié)合上述分析，可以發(fā)現(xiàn)對本工程而言，推薦壩址建設(shè)條件對兩壩型均不存在較大的不利因素。由于壩高較大、地震烈度較高，兩壩型均存在著一定的工程難點和技術(shù)風(fēng)險，但通過合理的設(shè)計和良好的施工控制可以予以消除或降低。

本工程采用混合式開發(fā)方式，兩種壩型發(fā)電引水系統(tǒng)和廠房布置基本相同；泄洪建筑物規(guī)模不大，右岸為有利于土石壩布置泄水建筑物的凸岸，重力壩方案壩身泄洪的優(yōu)勢不明顯；重力壩方案河床覆蓋層和壩基巖石開挖量大，混凝土用量多，有效施工期短，且采用人工骨料，故投資遠(yuǎn)大于混凝土面板堆石壩方案(面板壩靜態(tài)投資39.1億元，重力壩52.8億元)，總工期(面板壩5.5 a，重力壩8 a)亦較長。

因此，設(shè)計最終推薦土石壩為基本壩型，以混凝土面板堆石壩為代表壩型。

3　混凝土面板堆石壩設(shè)計

本工程面板堆石壩壩頂高程2174.50m；“L”形C30鋼筋混凝土防浪墻高4.9m，頂高程2175.40m。最大壩高229.5 m。壩頂寬度為12m。壩長484.65m。混凝土面板堆石壩標(biāo)準(zhǔn)橫剖面圖見圖1。

圖1　混凝土面板堆石壩標(biāo)準(zhǔn)橫剖面圖

上游壩坡坡度為1∶1.5；下游壩坡上部坡度為1∶1.5，下部坡度為1∶1.4，為解決施工及運(yùn)行期的交通問題，在下游坡設(shè)12m寬，縱坡為8%的“之”字形上壩公路，則最大斷面處下游平均壩坡坡度為1∶1.882。下游壩坡采用水平3m厚的超徑塊石壓坡。

面板混凝土采用C30 F300 W12，頂部厚度0.4m，底部厚度1.20m。距表面15cm處設(shè)一層鋼筋網(wǎng)，雙向布置，其豎向配筋率為0.5%，水平向配筋率為0.4%。河床部位受壓區(qū)面板寬12m(28塊)，岸坡部位受拉區(qū)面板寬6m(左岸11塊，右岸11塊)。

趾板采用水平趾板。高程2005m以下寬度為12m；高程2005m～2095m寬度為10m；高程2095m～2148m寬度為8m；高程2148m以上為6m。趾板厚度分別為1.0m、1.0m、0.8m、0.6m。趾板內(nèi)部設(shè)一層雙向鋼筋，配筋率為0.4%，趾板底部設(shè)置錨筋，將趾板錨固在基巖上。

周邊縫設(shè)置底部、中部、頂部三道止水，張性板間縫設(shè)置底部、頂部兩道止水，壓性板間縫設(shè)置一道底止水，面板和防浪墻間的水平縫設(shè)置底、頂兩道止水。周邊縫采用瀝青松木板作為填縫材料。

底止水采用銅止水，周邊縫為F形，板間縫為W形。中止水采用橡膠止水。頂止水采用GB柔性填料止水，頂止水設(shè)PVC蓋板保護(hù)，用角鋼、膨脹螺栓固定。

壩體填筑分區(qū)從上游至下游分別為上游蓋重區(qū)、上游鋪蓋區(qū)、混凝土面板、墊層料區(qū)、過渡料區(qū)、爆破堆石料區(qū)、利用料區(qū)。

1)上游鋪蓋區(qū)：位于面板上游，頂高程2045.00m，頂寬5m，上游坡度1：1.6，其料源為工程區(qū)零散分布的風(fēng)積黃土。

2)上游蓋重區(qū)：位于上游鋪蓋區(qū)上游，頂高程2045.00m，頂寬10m，上游坡度1：2，采用開挖棄渣等任意粗粒材料。

3)墊層料區(qū)：水平寬度4m，要求Dmax≤80mm，小于5mm的含量為35%～55%，小于0.075mm含量不大于8%，滲透系數(shù)控制在10-3cm/s～10-4cm/s。設(shè)計孔隙率n≤15%。采用P1料場爆破料加工制備。

4)過渡料區(qū)：水平寬6m，材料來源同墊層料。Dmax≤150mm，小于5mm含量20～35%，小于0.075m含量<5%，級配連續(xù)，設(shè)計孔隙率n≤18%。

5)墊層特別級配小區(qū)：采用P1料場小于20mm的破碎篩分料。碾壓層厚0.2m，以小機(jī)械人工碾壓，設(shè)計孔隙率n≤15%。

6)堆石料區(qū)：堆石料由石料場爆破開采。要求Dmax≤600mm，設(shè)計孔隙率n≤20%。為控制壩體變形，壩軸線下游25m、高程2124.50m以下采用P2料場及各建筑物開挖的云母石英片巖爆破料，即下游堆石區(qū)；其余部位均采用P1石料場的花崗巖爆破料，即主堆石區(qū)。

趾板、墊層基礎(chǔ)置于弱風(fēng)化巖石基礎(chǔ)上。河床趾板底面高程為1945.00m。趾板巖石開挖臨時邊坡為1∶0.3，永久邊坡為1∶0.5，覆蓋層開挖邊坡為1∶1.5。填筑體基礎(chǔ)清除表面物理力學(xué)性質(zhì)低于壩體填筑標(biāo)準(zhǔn)的覆蓋層，岸坡松散堆積物全部清除。

趾板設(shè)置固結(jié)灌漿，孔、排距3m，深度8m。壩基帷幕防滲深度按壩基透水率小于3Lu和1/3～1/2水頭控制，趾板下帷幕深度為20～50m，兩排，帷幕孔的孔距2m。兩壩肩設(shè)置灌漿廊道，左、右壩肩廊道分別長30m和80m，帷幕深度20m，雙排設(shè)置。

壩體的抗震措施結(jié)合壩體結(jié)構(gòu)、壩殼料設(shè)計統(tǒng)一考慮，參考國內(nèi)外已建類似工程經(jīng)驗，考慮以下8個方面：

1)考慮足夠的地震涌浪高度和地震附加沉陷。本工程地震涌浪高度選用1.0m，地震附加沉陷采用2.2m。

2)適當(dāng)加寬壩頂，降低壩頂?shù)卣鹆ψ饔?，并防止因壩頂堆石體塌滑而造成上游面板破壞，類比國內(nèi)外強(qiáng)震區(qū)高壩工程實例，壩頂寬度采用12m。

3)適當(dāng)放緩上、下游壩坡。上游壩坡1∶1.5，下游“之”字形道路之間壩坡1∶1.4，平均壩坡為1∶1.882。

4)適當(dāng)提高壩殼料的壓實標(biāo)準(zhǔn)，要求砂礫料的相對緊密度Dr≥0.85，堆石料填筑孔隙率n≤15%～20%。

5)加強(qiáng)混凝土面板、趾板及壩體各分區(qū)間及其與壩基和岸坡的連接，防止地震情況下應(yīng)力或變形過大而造成破壞。

6)選用能夠適應(yīng)較大變形的接縫止水結(jié)構(gòu)，確保接縫止水結(jié)構(gòu)的有效性；在混凝土面板上游側(cè)設(shè)置防滲補(bǔ)強(qiáng)區(qū)，并于周邊縫下設(shè)一墊層特別級配小區(qū)，形成反濾，以防止周邊縫在地震時張開破壞而引起大量滲漏。

7)在受壓區(qū)面板接縫之間填塞瀝青松木板等材料，防止面板擠壓破壞。

8)在壩頂以下一定范圍(約1/3～1/5壩高)內(nèi)采取敷設(shè)阻滑鋼筋網(wǎng)或土工格柵等輔助抗震措施。

4　結(jié)　語

鑒于本工程壩高近230m，地震設(shè)防烈度達(dá)9度，在國內(nèi)尚屬首例，壩址區(qū)附近P2料場距壩址2～3km，巖性為二云母石英片巖，巖石強(qiáng)度偏低不滿足目前國內(nèi)外200m級碾壓式土石壩填筑材料一般要求。P1料場距壩址11～13km，巖性為細(xì)粒二長花崗巖，二者儲量均較為豐富，但運(yùn)距相差較大。

工程設(shè)計期間將綜合分析室內(nèi)及現(xiàn)場碾壓試驗成果，進(jìn)行堆石壩體三維有限元靜、動力分析研究。了解采用二云母石英片巖作為主要壩體填筑材料時壩體和面板在各種工作狀態(tài)下的性狀。

對初步擬定的方案進(jìn)行二維有限元靜、動力計算，根據(jù)計算成果分析方案的優(yōu)缺點，并通過適當(dāng)?shù)姆治鲇嬎?，最終確定結(jié)構(gòu)安全、經(jīng)濟(jì)、可行的推薦方案；采用三維有限元靜、動力分析方法對推薦方案進(jìn)行詳細(xì)的結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定計算，復(fù)核大壩各工況的壩坡穩(wěn)定性及堆石壩的動力反應(yīng)特性，分析壩體應(yīng)力與變形，分析面板及周邊縫、垂直縫應(yīng)力與變形，并對抗震安全性做綜合評價，提出抗震加固措施。同時結(jié)合掌握的其他工程已有的計算結(jié)果進(jìn)行類比分析，提出設(shè)計改進(jìn)意見，為合理確定大壩材料選擇和分區(qū)設(shè)計提供依據(jù)。

[1]賈金生，等.高壩建設(shè)與運(yùn)行管理的技術(shù)進(jìn)展——中國大壩協(xié)會2014學(xué)術(shù)年會論文集[M].鄭州：黃河水利出版社,2014：66-78.

[2]酈能惠.高混凝土面板堆石壩新技術(shù)[M].北京：中國水利水電出版社,2007：32-41.

[3]關(guān)志誠.混凝土面板堆石壩筑壩技術(shù)與研究[M].北京：中國水利水電出版社,2005：112-156.

[4]鄧銘江，等.新疆壩工建設(shè)[M].北京：中國水利水電出版社,2011：36-40.

[5]孫恭堯，等.高碾壓混凝土重力壩[M].北京：中國電力出版社,2003：66-69.

1007-7596(2016)05-0057-08

2016-03-15

彭衛(wèi)軍(1969-)，男，新疆五家渠人，教授級高級工程師，現(xiàn)任新疆水利水電勘測設(shè)計研究院副總工程師。

TV64

B