韓小妹，趙鵬強，毛振凱，楊春寶

(1.水利部水利水電規(guī)劃設(shè)計總院，北京 100120;2.中國電建集團西北勘測設(shè)計研究院有限公司，陜西 西安 710065)

1 概述

國內(nèi)已經(jīng)制定的面板堆石壩設(shè)計相關(guān)規(guī)范[1-2]只適用于壩高200m以下土石壩設(shè)計安全標準。國內(nèi)水力水電工程界和學(xué)者從風(fēng)險控制、可靠指標、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)計標準、安全性和關(guān)鍵技術(shù)[3-7]。鑒于大石峽特高土石壩存在地震烈度高、河谷狹窄、左右岸地形不對稱、河床鑲嵌混凝土高趾墩、分區(qū)筑壩材料力學(xué)差異大、日溫差大等特點，大石峽特高面板壩抗震安全和滲透穩(wěn)定、壩體絕對變形和變形協(xié)調(diào)控制、高寒地區(qū)低溫凍脹和冰拔等成為大石峽特高壩安全設(shè)計的關(guān)鍵。

大石峽水利樞紐工程于2019年11月已經(jīng)河床截流，目前正在開展基礎(chǔ)開挖和基礎(chǔ)防滲工作，大壩填筑工程還未開展。因此，有必要總結(jié)大石峽開展的前期設(shè)計研究項目成果和技施階段已經(jīng)開展的部分現(xiàn)場試驗成果，再結(jié)合國內(nèi)外已建200m級特高土石壩(含面板壩)工程經(jīng)驗和教訓(xùn)、在建和規(guī)劃特高土石壩科研試驗研究成果及設(shè)計經(jīng)驗，類比分析國內(nèi)外土石壩設(shè)計規(guī)范要求，從穩(wěn)定安全、結(jié)構(gòu)安全等2個層次方面進一步研究大石峽250m級特高土石壩設(shè)計安全指標。

2 總體變形安全控制指標

2.1 壩體沉降變形控制指標

200m級面板堆石壩[9]最大沉降平均1.1%，基本不超過最大壩高的1.5%，天生橋一級壩達到最大壩高的2.08%～2.19%。大石峽面板砂礫石壩的沉降率控制指標宜按照0.8%控制。

2.2 壩體水平位移控制指標

通常采用壩體水平位移特征值評價壩體變形性狀，特征值計算公式[8]為：

CDu=Du/H或CDu=Du/Hmax

(1)

CDd=Dd/H或CDd=Dd/Hmax

(2)

式中，CDu、CDd—壩體向上游水平位移特征值和壩體向下游水平位移特征值；Du、Dd—壩體向上游、下游水平位移，m；H—壩高，m；Hmax—最大壩高，m。

200m級面板堆石壩水平位移特征值[9]，向上游0～-0.16%，向下游0.04%～0.36%，其中天生橋一級壩下游水平位移特征值相對較大，下游達到0.65%。壩高200～250m的面板壩水平位移特征值[9]，向上游0～-0.10%，向下游0～0.25%。大石峽大壩水平位移特征值計算值，向上游-0.05%，向下游0.16%。綜合壩體變形控制和施工碾壓質(zhì)量要求，大石峽面板砂礫石壩的水平位移特征值分別按照，向上游-0.10%，向下游0.25%控制。

由于河床處壩較高，沉降大，兩岸壩體沉降小，河床沉降的壩體拖曳兩岸壩體，兩岸壩體均向河床軸向位移。當兩岸邊坡陡峭，河床段與兩岸岸坡堆石壩壩體過渡變形區(qū)域小，壩體軸向位移大，從而會影響面板垂直縫位移。

2.3 壩體軸向位移控制指標

采用壩體軸向位移特征值評價岸坡形狀對壩體變形影響，其特征值計算公式[10]為：

CDz=Dzsinα/Hmax

(3)

式中，CDz—壩體軸向位移特征值；Dz—壩體軸向水平位移，m；Hmax—最大壩高，m；α—岸坡平均坡角。

由于兩岸堆石體均指向河床變形，因此右岸岸坡平均坡角α的大小影響壩體指向左岸的軸向水平位移Dz，左岸岸坡平均坡角α的大小影響壩體指向右岸的軸向水平位移Dz。

猴子巖、水布埡、夾巖等壩[9]軸向位移特征值為0%～0.1%，玉龍喀什右岸坡度陡峭，穩(wěn)定運行軸向位移相對較大，右岸指向左岸軸向位移特征值達到0.108%。猴子巖高面板壩河谷狹窄，兩岸坡度60°～65°，局部有倒坡，在兩岸岸坡附近和壩體底部設(shè)置主堆石特別碾壓區(qū)，提高壩體壓實度，大壩蓄水1年后實測軸向位移特征值最大僅0.027%。綜合以上分析考慮，大石峽面板砂礫石壩在壩體施工碾壓質(zhì)量嚴格要求基礎(chǔ)上，其軸向位移特征值按照0.1%控制。

2.4 壩面變形控制指標

2.4.1面板撓度位移控制指標

水庫蓄水后，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)，撓度越大，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。100m級以上高面板壩的面板撓曲率[9](面板撓度與面板斜長之比，即弦長比)在0.05%～0.26%之間，平均0.14%，其中堆石壩普遍高于砂礫石壩，砂礫石壩撓曲率平均0.13%。撓曲率較大的天生橋一級(0.26%)面板不同程度發(fā)生了裂縫和破損。

綜合分析200級以上高面板和100m級以上高面板壩撓曲率情況，以及工程實際運行監(jiān)測情況，當撓曲率小于0.2%，面板撓曲變形不會影響防滲結(jié)構(gòu)的有效性，所以大石峽面板砂礫石壩面板撓曲率，不考慮流變成果，撓曲率按照0.2%進行控制，如果考慮長期流變和地震影響，撓曲率按照0.25%進行控制。

2.4.2面板軸向位移控制指標

河谷狹窄，兩岸陡峭，不對稱地形，混凝土面板應(yīng)力變形性狀較差，易受擠壓和撓曲變形。除了猴子巖和江坪河寬高比小于2，高面板堆石壩蓄水后面板軸向位移特征值[9]大于0.2‰，巴貢、吉林臺一級、夾巖、大石峽、玉龍喀什、羊曲面板軸向位移特征值[9]為0.08‰～0.2‰，因此大石峽面板軸向位移特征值能按照0.2‰控制。

2.5 水庫大壩放空能力控制指標

初期蓄水、水位變化、面板滲漏及降水都會引起堆石體變形。水位變化，即水荷載施加或消減的，將引起壩體應(yīng)力應(yīng)變重新分布。對于壩高200～300m高水頭大壩，設(shè)置高、中、低分級泄洪和放空措施，有助于科學(xué)分級泄洪和放空，合理控制庫水位消落速度，有利于大壩應(yīng)力應(yīng)變重分布，同時為面板、墊層和止水結(jié)構(gòu)具備可修復(fù)條件，提高大壩防滲體可靠性。

2.5.1水庫放空系數(shù)

壩高150m以上面板壩專門設(shè)置放空洞放空系數(shù)(H1/H，其中H1為最低泄水建筑物進口底板與壩頂?shù)拇怪本嚯x，H為最大壩高)為0.41～0.79[9]，平均為0.58；泄洪排沙洞兼放空洞放空系數(shù)為0.10～0.46[9]，平均為0.33。大石峽面板壩水庫放空系數(shù)0.55，在面板壩專門放空洞平均放空系數(shù)0.58附近。

2.5.2水庫放空水位消落速度

目前各水庫水位消落速度見表1。由表1可以看出，黏土心墻土石壩和瀝青混凝土心墻土石壩正常運行緊急檢修、放空水庫水位消落速度約為3m/d，非常放空水庫水位消落速度小于10m/d；面板堆石壩填筑體透水性好，正常運行緊急檢修、放空水庫和非常放空水庫水位消落速度基本上小于10m/d[9]。猴子巖面板壩水庫水位最大消落速度為56.25m/d，當水庫水位消落到1785～1787m后，水庫水位消落速度小于6.63m/d。夾巖水庫水位消落速度基本上控制在1.88～4.3m/d之內(nèi)，水庫泄洪能力大，可以有序控制水庫水位消落。大石峽面板壩初擬正常檢修最大放空速度為8m/d，應(yīng)急最大放空速度為10m/d，介于面板壩水庫水位消落速度平均值之內(nèi)。

表1 水庫放空水位消落速度匯總表

3 壩體變形協(xié)調(diào)控制指標

3.1 壩體分區(qū)變形協(xié)調(diào)指標

3.1.1壩體沉降協(xié)調(diào)準則

可用下式表示：

(4)

(5)

式中，Si、Si+1—壩體i點、i+1點的沉降，cm；yi、yi+1—壩體i點、i+1點在上下游方向的坐標，cm；xi、xi+1—壩體i點、i+1點在壩軸線方向的坐標，cm；[I]—壩體允許傾度。

3.1.2壩體水平位移協(xié)調(diào)準則

包括壩體上下游方向位移協(xié)調(diào)準則和壩體軸向位移協(xié)調(diào)，可以下式表示：

(6)

(7)

式中,DByi、DByi+1—壩體i點、i+1點在上下游方向水平位移，cm；DBxi+1、DBxi—壩體i點、i+1點在壩軸線方向水平位移，cm；[T]—壩體材料允許變位差。

部分面板壩順河向沉降傾度[I]和水平變位差[T]匯總見表2[9]。從表2可以看出，大部分面板壩工程通過安全監(jiān)測得出的順水流向[I]和[T]小于1%，河谷陡峭、寬高比達到1.19的猴子巖大壩[I]和[T]的計算值和實測值均小于1%。結(jié)合大石峽大壩三維有限元計算沉降傾度分布，大石峽大壩壩體分區(qū)協(xié)調(diào)變形控制標準為[I]和[T]均小于1%。大石峽大壩左岸“壩0+000.00m～壩右0+117.50m”段壩基地形起伏，上、下游均產(chǎn)生“細、長、薄”填筑體，特別是上游填筑區(qū)厚度0～40m，最大高度247m，開挖坡比緩于1∶1.6，[T]容易超過警戒值1%，建議加強岸坡壩基開挖削坡和填筑處理，防止薄層填筑體與岸坡形成兩張皮。

表2 部分面板堆石壩順河向沉降傾度[I]和水平變位差[T]匯總表

3.2 壩體填筑區(qū)與岸坡的變形協(xié)調(diào)控制指標

3.2.1堆石體與岸坡相交處變形協(xié)調(diào)控制指標

國內(nèi)部分面板堆石壩壩軸向沉降位移、水平位移典型特征值及沉降傾度[I]、水平變位差[T]詳見表3。由表3可以看出，大部分工程通過實測數(shù)據(jù)得出的面板堆石壩壩軸向[I]和[T]小于1%，其中寬高比達到1.74的九甸峽大壩的[I]約為1.2%，河谷陡峭、寬高比(1.19)最小的猴子巖大壩壩軸向[I]和[T]的實測值小于1%。大石峽大壩寬高比為2.33，三維有限元計算分析得出，除了蓄水期壩軸向的[I]達到1.1%，略微大于1%，其他[I]值和各工況下的[T]均小于1%。鑒于大石峽、九甸峽大壩河谷狹窄，兩岸陡峭，壩殼填筑區(qū)填筑料變形模量系數(shù)均大于1000，但是其[I]均為1.1%～1.2%。雖然通過現(xiàn)代碾壓設(shè)備，筑壩料壓實度提高，變形模量系數(shù)提高，且大石峽大壩兩岸高陡岸坡設(shè)置了增模膠凝砂礫石分區(qū)料，減小該部位總的變形量和不均勻變形梯度。因此大石峽大壩壩軸向[I]和[T]均按照1%控制。

表3 部分面板堆石壩壩軸向沉降傾度[I]和水平變位差[T]匯總表

3.2.2面板垂直縫和水平縫位移控制指標

采用考慮壩高和河谷性狀影響的面板垂直縫位移特征值CDv，計算公式為：

(8)

式中，Dv—面板垂直縫位移，mm；Hmax—最大壩高，m；αmax—最陡段岸坡坡角。

天生橋一級壩的CDv為1.60×10-4，珊溪大壩垂直縫位移特征值CDv為0.94×10-4，水布埡、洪家渡、紫坪鋪和馬鹿塘二期等其余已建的面板堆石壩的CDv為(0.06～0.67)×10-4，在建的大石峽(采用灰?guī)r筑壩料)、玉龍喀什(采用花崗巖筑壩料)大壩垂直縫位移特征值CDv為(0.19～0.55)×10-4，大部分面板堆石壩垂直縫位移特征值均比天生橋一級壩和珊溪小，這說明提高堆石壩體的填筑密實度和變形模量，減小堆石壩體的變形，從而會減小面板垂直縫位移特征值。根據(jù)大石峽大壩計算分析的垂直縫位移值，結(jié)合類比工程成果，大石峽面板堆石壩垂直縫位移特征值CDv控制在0.8×10-4之內(nèi)。

3.2.3周邊縫變形安全控制指標

采用考慮壩高和岸坡等影響因素的周邊縫位移特征值，計算公式為：

(9)

(10)

式中，Ds—周邊縫位移的合位移；O、S、T—周邊縫張開位移、沉降和剪切位移，mm；H—壩高，m；αmax—最陡段岸坡坡角。

考慮壩高和岸坡坡角對周邊縫剪切位移影響，周邊縫位移特征值CDs較好地表征了堆石壩體變形對周邊縫位移的影響程度。壩高在100m以上的CDs

為(0.14～2.84)×10-4，猴子巖、水布埡、天生橋一級等特高壩的CDs為(1.07～2.00)×10-4，巴貢、江坪河等特高壩的CDs為(0.14～0.41)×10-4，根據(jù)計算分析得出的周邊縫成果，預(yù)估大石峽和玉龍喀什CDs為(0.50～0.72)×10-4。因此建議大石峽大壩周邊縫位移特征值CDs控制在1×10-4之內(nèi)。

國內(nèi)面板堆石壩工程實測周邊縫最大張開位移1.8～20.92mm，最大沉降位移3.09～49.38mm，最大剪切位移1.74～43.7mm，三向變位均小于50mm。

水布埡接縫止水研究結(jié)果表明，銅止水的鼻寬d為30mm、鼻高H為105mm、銅片厚度t為1.0mm，在張開50mm、沉陷100mm和剪切50mm接縫位移作用下不會破壞。

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，經(jīng)計算分析并考慮一定的安全裕度，周邊縫三向變位分別按沉降100mm、張開50mm和剪切65mm控制，小于已建猴子巖面板壩沉降100mm、張開100mm和剪切65mm的控制指標，目前的止水結(jié)構(gòu)和工藝完全能夠適應(yīng)大石峽250m級高面板砂礫石壩的接縫止水結(jié)構(gòu)的設(shè)計要求。

3.3 面板與墊層的變形協(xié)調(diào)控制指標

根據(jù)猴子巖、黔中平寨、溧陽上庫等面板堆石壩面板與墊層脫空、錯動變形及蓄水情況，當面板脫空-20～10mm、錯動變形-3～10mm時，面板與墊層接觸良好，水庫正常蓄水、面板滲漏小，因此建議大石峽面板壩的面板與墊層脫空指標控制在-20～10mm，錯動變形控制在-3～10mm之內(nèi)。

4 滲流安全控制指標

4.1 滲透穩(wěn)定

已建的150～200m級高混凝土面板壩混凝土面板頂部厚度大多為0.3m，厚度漸增梯度0.0035左右，正在建設(shè)和剛竣工的200m級高混凝土面板壩混凝土面板，其頂部厚度0.4～0.5m，漸增梯度0.0035，底部厚度在1.1m左右，水力梯度在185～200之間，均沒有超過規(guī)范規(guī)定的高限200。大石峽面板壩面板最大水力梯度為182，面板水力梯度處于150～200m級高混凝土面板壩面板水力梯度平均值，處于200m級高混凝土面板壩高混凝土面板壩面板水力梯度下限，因此其安全富裕度較大。

150～200m級高面板壩趾板水力梯度通常在3～20范圍之內(nèi)。大石峽面板壩工程混凝土趾板水力梯度4.0～17.1，小于新鮮微風(fēng)化基巖允許水力梯度不大于20，處于150～200m級高面板壩趾板水力梯度常規(guī)取值范圍之內(nèi)。

我國近期中、高面板堆石壩墊層區(qū)(2A)具有下列共同特性：

(1)墊層區(qū)水平寬度2～5m，以3、4m為多，約占一半以上；壩高不小于150m的高壩墊層區(qū)水平寬度大多為4m。

(2)墊層料的滲透系數(shù)大多為1×10-3～10-4cm/s，只有個別的工程是1×10-2cm/s。寒冷地區(qū)存在凍脹問題，水庫水位變化速度快且變幅大，為保證面板穩(wěn)定，墊層區(qū)應(yīng)有較好的排水性能，因此其滲透系數(shù)宜為1×10-2～10-3cm/s。

(3)高面板壩墊層料允許滲透坡降為1～40。

大石峽墊層區(qū)等寬布置，水平寬度5m，居于高面板壩墊層寬度上限。大石峽面板壩工程墊層料滲透穩(wěn)定試驗得出，滲流方向自下而上，其臨界坡降2.17，根據(jù)工程重要性，按照滲透坡降安全系數(shù)k在2～3考慮，允許坡降為0.70～1.0，安全考慮采用0.70；滲流方向自上而下，其破壞坡降≥110.7，按照安全系數(shù)2～3，允許坡降為35～55，安全考慮允許坡降采用40。

4.2 滲漏量控制指標

目前對大壩滲流量大小沒有統(tǒng)一界定，工程常從以下3個方面分析滲流量是否滿足工程安全：

(1)是否滿足壩體和壩基滲透穩(wěn)定。

(2)壩體和壩基每秒總滲流量通常應(yīng)小于入庫多年徑流量的1%。

(3)兩岸繞壩滲流不危及大壩左右岸下游山體邊坡穩(wěn)定。

壩高200～250m級面板堆石壩滲流量控制標準詳見表4，由表4可以看出，壩高200～250m級面板壩每秒總滲流量通常應(yīng)小于入庫多年徑流量的1%，甚至遠小于最枯月徑流量的1%。大石峽在正常蓄水位情況下壩址區(qū)域總滲漏量73.72L/s，占多年平均徑流的0.05%，占最枯月平均徑流0.30%，大壩滲漏總量與入庫徑流比重很小，說明大石峽壩基和兩岸防滲標準安全富裕度大。目前各高壩滲漏量統(tǒng)計平均值為65.7L/s，大石峽混凝土面板砂礫石壩在正常蓄水位下的總滲漏量為73.72L/s，略高于高面板壩滲流量平均值。

表4 壩高200～250m級面板防滲下面板堆石壩滲流量控制標準表

5 地震震陷安全控制指標

雖然地震具有不確定性，我國大陸內(nèi)地震主要發(fā)生在西南和西北。結(jié)合紫坪鋪、碧口、水牛家和蹺磧4座大壩經(jīng)歷強震后的震損現(xiàn)象，總結(jié)分析特高面板壩動力計算分析和三維振動臺試驗成果，特高面板壩的震陷率一般為0.16%～0.65%，平均震陷率0.40%。對于壩高100～200m的面板堆石壩，沉陷率普遍在0.6%以上，而面板砂礫石壩的沉降率基本上不超過0.6%。從震陷變形協(xié)調(diào)控制角度，大石峽面板砂礫石壩的震陷率應(yīng)不超過0.8%；從壩頂超高角度考慮，壩頂震陷率采用1.2%。

6 耐久性控制指標

6.1 設(shè)計使用年限和耐久性指標關(guān)系

除了港珠澳大橋工程設(shè)計合理使用年限為120年以外，我國水利以外其他土木行業(yè)工程設(shè)計使用年限最高為100年，其配套的混凝土耐久性設(shè)計規(guī)范或標準適用年限也是不超過100年。港珠澳大橋工程除了滿足100年使用年限的耐久性指標外，針對工程運行海水環(huán)境，在氯離子擴散系數(shù)、透氣性和電阻率等方面提出更高要求。雖然現(xiàn)有規(guī)范[11]規(guī)定了Ⅰ等水庫工程合理使用年限為150年，但是僅明確提出合理使用年限100年以下耐久性指標，沒有提出合理使用年限150年的耐久性指標。目前系統(tǒng)研究使用年限150年的耐久性設(shè)計和標準的水利工程還很少，目前僅先通過大石峽混凝土耐久性試驗初步成果，先判斷大石峽混凝土試驗材料和混凝土是否能達到100年使用年限的標準要求，然后再類比行業(yè)規(guī)范和工程案例成果，盡可能提出使用年限150年的耐久性指標或大石峽進一步開展研究的試驗建議。

6.2 合理使用年限100年的設(shè)計安全控制指標

為滿足合理使用年限100年，大石峽面板壩混凝土中的氯離子含量不應(yīng)大于0.06%；混凝土天然砂礫石骨料具有潛在有害的堿-硅酸反應(yīng)，混凝土摻入粉煤灰摻量不低于25%后，混凝土堿活性抑制效果顯著。使用堿活性骨料配制混凝土?xí)r，水泥堿含量不宜大于0.60%；摻和料宜優(yōu)先采用粉煤灰，粉煤灰宜采用Ⅰ級或Ⅱ級的F類粉煤灰，堿含量不宜大于2.00%，混凝土中最大總堿量限制2.5kg/m3。F類粉煤灰游離氧化鈣含量≤1.0%，C類粉煤灰游離氧化鈣含量≤4.0%。面板混凝土等級：一期面板，C9035W12F200，二期、三期面板，C9035W12F300，采用二級配，極限拉應(yīng)變不小于100×10-6，極限壓應(yīng)變不小于900×10-6；高趾墩混凝土等級最終取為迎水面C30W10F100(二)和內(nèi)部C25W10F100(三)。面板和高趾墩混凝土等級均比規(guī)范規(guī)定提高一個等級，混凝土等級耐久性設(shè)計有安全富裕度。早期混凝土抗裂等級處于L-Ⅳ，單位面積上的總開裂面積100mm2/m2≤C<400mm2/m2；后期混凝土抗碳化等級可處于T-Ⅳ，碳化深度0.1mm≤d<10mm。

6.3 合理使用年限由100年提高到150年的安全控制指標和使用措施

考慮到面板和趾板滲徑短、高趾墩長期處于水下無法檢修，為了本工程合理使用年限由100年提高到150年，大石峽面板和高趾墩混凝土不采用具有堿活性的天然骨料；面板和趾板混凝土宜摻膨脹劑和纖維，早期混凝土抗裂等級處于L-Ⅴ，單位面積上的總開裂面積C<100mm2/m2，后期混凝土抗碳化等級處于T-Ⅴ，碳化深度d<0.1mm。

目前寒冷地區(qū)面板防冰凍常采用涂刷涂層材料弱化冰凍粘結(jié)力、加熱融冰及面板混凝土增柔增韌性能等措施。大石峽擬采用聚脲對面板進行耐久性防護，招標和施詳階段仍需開展物理實驗進行對比分析研究，提出適應(yīng)大石峽高面板壩寒冷、水位變幅大地區(qū)的混凝土耐久性、防凍害涂層材料。

從弱化止水結(jié)構(gòu)與冰凍結(jié)粘結(jié)力、改善止水結(jié)構(gòu)附近水域溫度分布等方面提升止水結(jié)構(gòu)抗冰凍性能，下一步擬開展止水結(jié)構(gòu)抗冰凍措施。

7 結(jié)語

鑒于現(xiàn)有已建特高土石壩不超過10座，已建的特高面板壩僅有水布埡、猴子巖、江坪河、巴貢(西北院設(shè)計)等，經(jīng)歷強震的150m級以上的面板壩僅有紫坪鋪一座，研究提出的大石峽特高土石壩設(shè)計控制指標明顯具有工程自身特點，目前還不能發(fā)展成為設(shè)計安全標準。特別是大石峽大壩河谷左右岸和上下地形均不對稱，河谷狹窄，壩體變形協(xié)調(diào)問題突出，壩體變形協(xié)調(diào)控制指標還在探索，將會隨著大石峽大壩施工和蓄水過程中監(jiān)測數(shù)據(jù)和反演分析成果進行逐步完善。提出的大石峽設(shè)計安全控制指標，不僅有利于指導(dǎo)大石峽特高土石壩安全建設(shè)和運行管理，同時為補充完善特高壩設(shè)計的規(guī)范條文提供參考。