韓小妹，毛振凱，鄧成進(jìn)

(1.水利部水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)總院，北京 100120；2.中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710065)

1 概述

自20世紀(jì)80年代從國(guó)外引進(jìn)面板堆石壩新型壩型以來(lái)，經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展和技術(shù)改進(jìn)創(chuàng)新，混凝土面板壩的設(shè)計(jì)和施工方法日趨成熟，混凝土面板壩的建設(shè)高度也不斷攀升，20世紀(jì)末、21世紀(jì)初，國(guó)內(nèi)相繼建成了一批壩高在200m左右的高混凝土面板堆石壩，在混凝土面板堆石壩壩體布置、筑壩材料、止水結(jié)構(gòu)、混凝土面板與趾板設(shè)計(jì)、壩基處理、施工方法、安全監(jiān)測(cè)和質(zhì)量控制等方面的關(guān)鍵技術(shù)都有了長(zhǎng)足的進(jìn)步。國(guó)內(nèi)已經(jīng)制定了面板堆石壩的設(shè)計(jì)相關(guān)規(guī)范[1- 4]只適用于壩高200m以下土石壩設(shè)計(jì)安全標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)內(nèi)水力水電工程界和學(xué)者從風(fēng)險(xiǎn)控制、可靠指標(biāo)、面板壩材料、結(jié)構(gòu)應(yīng)力特性和施工技術(shù)等方面研究特高面板壩的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、安全性和關(guān)鍵技術(shù)[5- 10]。

特高土石壩工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)少。截止2020年，我國(guó)已建及規(guī)劃中的200m以上的特高土石壩有10余座，目前土心墻堆石壩已經(jīng)發(fā)展到300m級(jí)，而已建面板壩壩高僅發(fā)展到233m級(jí)，壩高233m至250m級(jí)面板壩僅為在建的大石峽面板壩，壩高增加了約20m左右。目前國(guó)內(nèi)已建最高面板砂礫石壩為吉林臺(tái)壩，壩高157m，大石峽面板砂礫石壩較吉林臺(tái)壩跨越達(dá)90m，壩高量級(jí)直接跨到250m級(jí)。國(guó)內(nèi)在建的最高面板砂礫石壩為阿爾塔什面板壩，最大壩高164.8m，覆蓋層厚90m，加上覆蓋層厚度阿爾塔什實(shí)際上已經(jīng)達(dá)到250m級(jí)。國(guó)外最高的混凝土面板砂礫石壩為秘魯?shù)牟楦昀姘鍓危畲髩胃?11m，第二高為墨西哥的阿瓜密爾帕面板壩，最大壩高187m。

大石峽大壩自身特點(diǎn)突出。大石峽工程河谷系數(shù)2.4、右岸1/2壩高處發(fā)育古河槽、彎曲河道左凸右凹、河谷地形不對(duì)稱(chēng)等引起大壩壩軸向變形協(xié)調(diào)問(wèn)題突出。工程場(chǎng)地地震基本烈度為Ⅶ，大壩設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)及抗震措施均需要專(zhuān)門(mén)研究。大壩主要筑壩材料為天然砂礫料，天然砂礫料級(jí)配不均一、離散性明顯，壩體滲透安全穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)非常重要。本工程河谷狹窄，上游高趾墻高35m，高趾墻高度處于前列，高趾墻背后承受200m以上土壓力，高趾墻抗滑抗傾等安全穩(wěn)定尤為重要。

鑒于國(guó)內(nèi)土石壩相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范和施工規(guī)范不完全適用于壩高247m的大石峽特高壩，而大石峽地處自然環(huán)境、地形地質(zhì)條件等特殊性，引起面板砂礫石壩特有的安全問(wèn)題。大石峽水利樞紐工程于2019年11月已經(jīng)河床截流，目前正在開(kāi)展基礎(chǔ)開(kāi)挖和基礎(chǔ)防滲工作，大壩填筑工程還未開(kāi)展。因此，有必要總結(jié)大石峽開(kāi)展的前期設(shè)計(jì)研究項(xiàng)目成果和技施階段已經(jīng)開(kāi)展的部分現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)成果，再結(jié)合國(guó)內(nèi)外已建200m級(jí)特高土石壩(含面板壩)工程實(shí)踐、在建和規(guī)劃特高土石壩科研試驗(yàn)研究成果及設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，類(lèi)比分析國(guó)內(nèi)外土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范要求，從整體安全、穩(wěn)定安全、結(jié)構(gòu)安全等3個(gè)層次方面進(jìn)一步研究大石峽250m級(jí)特高土石壩安全標(biāo)準(zhǔn)。

2 建筑物級(jí)別、洪水標(biāo)準(zhǔn)

大石峽水利樞紐工程水庫(kù)總庫(kù)容11.7億m3，總灌溉面積680.7萬(wàn)畝，工程承擔(dān)灌溉、防洪和發(fā)電等綜合利用任務(wù)的水利樞紐工程，最大壩高247m，電站總裝機(jī)容量750MW，根據(jù)總庫(kù)容和灌溉面積確定大石峽水利樞紐工程等別為Ⅰ等大(1)型工程，相應(yīng)混凝土面板壩級(jí)別為1級(jí)。

SL 44—2006《水利水電工程設(shè)計(jì)洪水計(jì)算規(guī)范》規(guī)定，對(duì)大型工程或重要的中型工程，用頻率分析法計(jì)算的校核標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)洪水，應(yīng)對(duì)資料條件、參數(shù)選用、抽樣誤差等進(jìn)行綜合分析檢查，如成果有偏小可能，應(yīng)加安全修正值，修正值不宜超過(guò)計(jì)算值的20%。

大石峽壩址所處的庫(kù)瑪拉克河流域干流全長(zhǎng)293km，其中境外河長(zhǎng)188km，境內(nèi)河長(zhǎng)105km?？刂普緟f(xié)合拉水文站以上集水面積12816km2，其中冰川覆蓋率接近25%，冰川融水量33.93億m3。我國(guó)境內(nèi)集水面積2170km2，占總集水面積的17%，見(jiàn)表1[10]。在我國(guó)境內(nèi)主要支流有阿合奇河、英沿河、鐵木爾蘇河。

表1 庫(kù)瑪拉克河流域各區(qū)間面積表[10] 單位：km2

根據(jù)零度層高度和降水資料統(tǒng)計(jì)，阿克蘇地區(qū)海拔高度在4000m以上的山區(qū)降水在6—9月多為固態(tài)降水。因此扣除海拔高度在4000m以上的流域面積，協(xié)合拉水文站到海拔4000m之間的流域面積為8206km2，該流域面積內(nèi)平均海拔高程為3375m。

由庫(kù)瑪拉克河協(xié)合拉水文站實(shí)測(cè)年最大流量前23位的洪水資料統(tǒng)計(jì)，洪水出現(xiàn)在7月、8月和9月分別有12年、10年和1年。根據(jù)氣象成因，對(duì)庫(kù)瑪拉克河流域前23年位洪水分析后認(rèn)為，洪水可分為3種類(lèi)型：暴雨融雪混合型洪水、升溫融雪(冰)型洪水、冰川阻塞湖潰決洪水；其中，23場(chǎng)洪水中發(fā)生暴雨融雪混合型洪水9次、升溫融雪(冰)型洪水11次、冰川阻塞湖潰決洪水3次(1956年無(wú)資料)。冰川阻塞湖潰決洪水是庫(kù)瑪拉克河流域最嚴(yán)重的洪水類(lèi)型，成因主要是冰川阻塞湖將其上游的夏季大量冰川融水蓄集起來(lái)，受氣溫變化的影響，湖內(nèi)冰下通道迅速擴(kuò)大，大量洪水急速排出。

從已建、在建的200m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)(見(jiàn)表2)[11]來(lái)看，各工程根據(jù)不同的典型年洪水推求的PMF洪水成果是不同，幾乎全部按照規(guī)范GB 50201和SL 252規(guī)定的1級(jí)土石壩設(shè)計(jì)和校核洪水的高限選取，如兩河口大壩根據(jù)1985年推求的PMF洪水成果，是頻率P=0.01%的洪水成果1.2倍。

表2 國(guó)內(nèi)已建、在建的200m以上高土石壩洪水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

由于大石峽水利樞紐下游存在溫宿縣、烏什縣和阿克蘇市等重要防洪對(duì)象，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，大石峽面板壩按照1000年一遇洪水設(shè)計(jì)、可能最大洪水(PMF)即10000年一遇加成15%進(jìn)行校核設(shè)計(jì)，達(dá)到規(guī)范的較高標(biāo)準(zhǔn)，其防洪安全是有保障的。

3 抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

目前我國(guó)土木工程設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)為“小震不壞、中震可修、大震不倒”。面板壩工程設(shè)防類(lèi)別為甲類(lèi)的水工建筑物，在基本烈度的基礎(chǔ)上提高1度作為設(shè)計(jì)烈度。國(guó)內(nèi)已建、在建200m以上高土石壩設(shè)防地震情況見(jiàn)表3[11]。大石峽面板壩的設(shè)防烈度為Ⅷ度，其設(shè)計(jì)地震采用100年超越概率2%，峰值加速度為0.365g，校核地震采用最大可信地震即100年超越概率1%，峰值加速度為0.436g，極限抗震能力可為0.55g～0.60g。大石峽土石壩與國(guó)內(nèi)兩河口、糯扎渡等10座特高土石壩的設(shè)計(jì)地震和校核地震頻率相同，按照上述標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)展大壩抗震設(shè)計(jì)，大石峽大壩抗震安全應(yīng)是有保障的。

表3 國(guó)內(nèi)已建、在建的200m以上高土石壩設(shè)防烈度及加速度

4 大壩安全加高標(biāo)準(zhǔn)

擋水建筑物為當(dāng)?shù)夭牧蠅吻覟?級(jí)建筑物時(shí)，壩頂部安全加高值為：正常運(yùn)行條件1.5m，非常運(yùn)行條件0.7m。水利行業(yè)工程的非常運(yùn)行條件下，壩頂部安全加高值為0.7m，相對(duì)水電工程加高值1.0m，其安全富裕度較小。

大石峽面板壩建基在基巖上，壩體主堆石采用抗震能力較強(qiáng)的堆石料，地震涌浪高度取1.5m(約為最大壩高的0.6%)；壩頂震陷率取最大壩高的1.2%，地震沉陷約為3.0m，超過(guò)目前工程常用1%最大壩高取值，壩頂震陷率1.2%是完全可控的，且具有一定的安全裕度。

大石峽水庫(kù)在正常蓄水條件或者校核洪水位下，壩址上游右岸直線距離1.7km處的Ⅳ#變形體A區(qū)在暴雨工況條件下處于極限平衡到不穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)大石峽水庫(kù)正常蓄水位下發(fā)生地震時(shí)，地震工況和滑坡涌浪疊加時(shí)，地震震陷計(jì)算值約為1.5m，地震涌浪計(jì)算值約為1.24m，滑坡涌浪計(jì)算值約為1.86m。從極端災(zāi)害控制確保涌浪不翻壩考慮，壩前涌浪加高按照水科院經(jīng)驗(yàn)公式和潘家錚法兩種方法計(jì)算，考慮一定的安全裕度(1.35倍安全系數(shù))，壩前涌浪加高按2.5m考慮。相對(duì)羊曲水電站和公伯峽水電站壩前滑坡涌浪高度3.5～3.87m[5]，大石峽水庫(kù)壩前滑坡涌浪計(jì)算值安全富裕度相對(duì)較小。

采用莆田試驗(yàn)站公式計(jì)算波浪爬高，按不同運(yùn)行工況下計(jì)算大石峽面板壩壩頂安全超高，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4[12]。

表4 大石峽面板壩壩頂高程計(jì)算結(jié)果匯總 單位：m

當(dāng)中孔泄洪排沙洞失靈、失去泄流能力，且電站不參與泄洪的極端情況下，僅由表孔溢洪道分別下泄設(shè)計(jì)頻率(P=0.1%)洪水，此時(shí)對(duì)應(yīng)的壩前水位小于1705m，僅由表孔下泄P=0.01%洪水，此時(shí)對(duì)應(yīng)的壩前水位1706m，低于壩頂高程1707m，說(shuō)明了大石峽壩頂超高能滿足應(yīng)急情況下泄洪超高。

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

國(guó)內(nèi)、外已建混凝土面板砂礫石壩上游壩坡大多在1∶1.5～1∶1.6之間；已建的水布埡、猴子巖、江坪河、巴貢、三板溪、洪家渡、天生橋等7座200m級(jí)的混凝土面板堆石壩，上游壩坡坡比為1∶1.3～1∶1.4，下游壩坡坡比為1∶1.3～1∶1.7。由于大石峽面板壩壩高和設(shè)防加速度均處于國(guó)內(nèi)前列，上游壩坡為1∶1.60，下游壩坡綜合坡比1∶1.76。相對(duì)國(guó)內(nèi)其他高面板砂礫石壩，大石峽大壩上、下游綜合坡比相對(duì)較緩。

國(guó)內(nèi)水布埡、猴子巖、巴貢、阿爾塔什、南俄3、滾哈布奇勒、如美、茨哈峽、古水、馬吉等10座[11]典型特高面板堆石壩的壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)，正常工況下最小值為1.51，竣工期最小值為1.51，地震工況下最小值為1.30；國(guó)內(nèi)糯扎渡、瀑布溝、兩河口、雙江口、長(zhǎng)河壩等5座[11]典型特高心墻壩的壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)，正常工況下最小值為1.675，竣工期最小值為1.726，地震工況下最小值為1.34。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)比規(guī)范規(guī)定的最小安全系數(shù)大0.1，最終確定的最小抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)(畢肖普法)，正常運(yùn)用條件1.60，非常運(yùn)用條件Ⅰ下1.40，非常運(yùn)用條件Ⅱ下1.30，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)增大了約1.07倍左右，壩坡穩(wěn)定有安全保證。

6 基礎(chǔ)穩(wěn)定安全標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)壩高200m級(jí)面板壩工程類(lèi)比分析，大石峽大壩趾板建基面根據(jù)不同高程擬定于弱風(fēng)化中下部、上部和強(qiáng)風(fēng)化底部，高趾墩建基面擬定于弱風(fēng)化中下部基巖面，堆石體基礎(chǔ)清除表層覆蓋層和危巖體，分部位控制削坡比例和補(bǔ)坡，大石峽大壩各部位建基面控制標(biāo)準(zhǔn)安全富裕度適中。

在建的大石峽、玉龍喀什和羊曲3座大壩[11]面板上游河床部位均布置高趾墩，墻后土壓力各工況按照主動(dòng)土壓力計(jì)算，其高趾墩壩基抗滑整體穩(wěn)定按照剛體極限平衡分析，采用抗剪斷或抗剪法計(jì)算。大石峽大壩高趾墩抗滑穩(wěn)定系數(shù)，基本組合下為7.0，特殊組合Ⅰ下為6.98，特殊組合Ⅱ下為2.43，其抗滑穩(wěn)定系數(shù)均高出重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范要求，其抗滑穩(wěn)定系數(shù)相比玉龍喀什和羊曲安全富裕度適中。鑒于通過(guò)有限元計(jì)算分析得到的竣工期高趾墻后土壓力約為庫(kù)倫理論計(jì)算得到的主動(dòng)土壓力的2.05倍，指向上游的順河向變形與高度的比值約為0.556%，小于發(fā)生主動(dòng)應(yīng)力狀態(tài)的位移量(0.1%～0.5%)，建議墩后土壓力按照靜止土壓力復(fù)核大石峽面板壩高趾墩的穩(wěn)定和基底應(yīng)力。

國(guó)內(nèi)已建200m級(jí)高面板壩的防浪墻[5]為“L”或“凵”型，墻高為5～6m。大石峽面板壩上游防浪墻“L”型，墻高為4.7m，墻高在國(guó)內(nèi)已建200m級(jí)高面板壩當(dāng)中是最低的，有利于壩體抗震安全。大石峽防浪墻壩頂“L”型防浪墻抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)基本組合下為13.2，特殊組合Ⅰ下為4.87，特殊組合Ⅱ下為1.32；抗傾覆整體系數(shù)基本組合下為10.8，特殊組合Ⅰ下為10.55，特殊組合Ⅱ下為3.31；基底應(yīng)力不均勻系數(shù)基本組合下為1.1，特殊組合Ⅰ下為1.28，特殊組合Ⅱ下為2.81，說(shuō)明了防浪墻抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)和抗傾覆整體系數(shù)的安全富裕度均大，特殊組合-Ⅱ工況基底應(yīng)力不均勻系數(shù)2.81，超過(guò)中等堅(jiān)實(shí)土的應(yīng)力不均勻系數(shù)允許值2.5，建議技施階段復(fù)核防浪墻尺寸。

7 筑壩料壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)

已建、在建百米級(jí)以上混凝土面板砂礫石壩砂礫料相對(duì)密度統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表5[11]，面板砂礫石壩墊層料(反濾料)、過(guò)渡料和壩殼砂礫料相對(duì)密度一般不小于0.8～0.9[11]。大石峽面板壩墊層料(反濾料)、過(guò)渡料和壩殼砂礫料相對(duì)密度設(shè)計(jì)要求(不小于0.9)目前處于國(guó)內(nèi)上限值。結(jié)合大石峽大壩砂礫料現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)，從碾壓工藝可行性和控制大壩壩體變形考慮，建議大石峽面板主砂礫石區(qū)(3BA)相對(duì)密度≥0.91；砂礫料特別碾壓區(qū)(3BB)相對(duì)密度≥0.92，碾壓遍數(shù)比常規(guī)(10遍)增加2遍。

表5 已建、在建百米級(jí)以上混凝土面板砂礫石壩砂礫料相對(duì)密度統(tǒng)計(jì)表

已建、在建200m級(jí)面板堆石壩工程堆石填筑控制標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表6[11]。國(guó)內(nèi)面板堆石壩碎石墊層料孔隙率一般不大于15.4%～19%，碎石過(guò)渡料孔隙率一般不大于17%～21%，壩殼堆石料孔隙率一般不大于19%～22%[11]。大石峽大壩下游堆石區(qū)堆石孔隙率設(shè)計(jì)要求不大于19%，上游主堆石區(qū)堆石孔隙率不大于18%，堆石孔隙率均處于國(guó)內(nèi)上限值。目前僅開(kāi)展了大壩下游堆石區(qū)現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)，建議盡快開(kāi)展上游主堆石區(qū)現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)，驗(yàn)證孔隙率設(shè)計(jì)要求。

表6 已建、在建200m級(jí)面板堆石壩工程堆石填筑控制標(biāo)準(zhǔn)

壩高100～200m的土石壩[11]筑壩堆石料有軟巖現(xiàn)象，且軟化系數(shù)低于0.75，但是已建的壩高200～300m的面板壩[11]筑壩堆石料基本為硬巖，且軟化系數(shù)均大于0.75。大石峽筑壩堆石料采用左岸壩頭弱風(fēng)化微晶灰?guī)r料，飽和抗壓強(qiáng)度>38MPa，屬于硬巖，達(dá)到SL 251—2015《水利水電工程天然建筑材料勘察規(guī)程》要求，但是軟化系數(shù)低于0.75，甚至小到0.57。軟化系數(shù)低，滲水后容易產(chǎn)生濕化變形，建議大石峽面板壩上游堆石料，增設(shè)豎向排水帶，防止蓄水后濕化變形明顯。

相對(duì)國(guó)內(nèi)其他面板壩砂礫料和堆石料級(jí)配，大石峽大壩砂礫料細(xì)粒含量偏大，接近30%；由于下游堆石區(qū)料源裂隙發(fā)育，爆破后最大粒徑400mm偏小，下游堆石區(qū)流變將會(huì)較大，因此建議優(yōu)化下游堆石區(qū)填筑施工組織，提前填筑下游堆石區(qū)，預(yù)留下游堆石區(qū)沉降穩(wěn)定期。

國(guó)內(nèi)200m級(jí)面板壩工程筑壩料碾壓參數(shù)見(jiàn)表7[11]。為滿足施工強(qiáng)度和筑壩料壓實(shí)度，大石峽大壩的下游堆石區(qū)和砂礫料碾壓機(jī)械噸位(36t)要求最大，超過(guò)國(guó)內(nèi)土石壩目前壓實(shí)機(jī)械噸位25～32t，攤鋪厚度(86cm)和碾壓遍數(shù)(加水8遍，不加水10遍)處于國(guó)內(nèi)土石壩平均設(shè)計(jì)值。盡管大石峽大壩碾壓機(jī)械噸位(36t)最大，但是碾壓機(jī)械噸位對(duì)壩殼砂礫石料和下游堆石區(qū)破碎料影響較小。在36t自行式振動(dòng)碾下，砂礫石平均破碎率為1.9%，上游主堆石破碎率平均為4.6%，碾壓機(jī)械大噸位對(duì)壩殼料破碎率影響小。

表7 國(guó)內(nèi)200m級(jí)面板壩工程筑壩料碾壓參數(shù)

8 結(jié)語(yǔ)

雖然我國(guó)在特高壩建設(shè)方面已經(jīng)取得了巨大成就，但是也有少量特高面板壩未完全認(rèn)清自身特點(diǎn)，曾經(jīng)出現(xiàn)壩體裂縫、滲漏等問(wèn)題，甚至需要降低庫(kù)水位進(jìn)行維修加固。我國(guó)未來(lái)還有一批特高壩需要建設(shè)，如壩高250～300m茨哈峽、如美、古水等特高面板壩正處于前期設(shè)計(jì)?？偨Y(jié)分析大石峽特高土石壩的設(shè)計(jì)安全標(biāo)準(zhǔn)，指出了大石峽大壩設(shè)計(jì)未來(lái)研究的問(wèn)題，有利于指導(dǎo)大石峽特高土石壩安全建設(shè)，同時(shí)為正處于前期設(shè)計(jì)的壩高250～300m茨哈峽、如美、古水等特高面板壩安全建設(shè)提供參考。