周 恒,翟迎春,張曉將,陸 希,徐宏璐

(中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計研究院有限公司,西安 710065)

文章編號：1006—2610(2015)01—0025—05

茨哈峽混凝土面板堆石壩技術(shù)可行性及大壩安全性初步研究

周 恒,翟迎春,張曉將,陸 希,徐宏璐

(中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計研究院有限公司,西安 710065)

茨哈峽水電站混凝土面板堆石壩最大壩高257.5 m，較目前混凝土面板堆石壩壩高水平有所突破，對茨哈峽大壩關(guān)鍵技術(shù)問題進(jìn)行了初步研究，提出了有效的筑壩材料控制、變形控制、滲透穩(wěn)定控制、壩體分區(qū)、壩體抗震等措施，通過論證認(rèn)為茨哈峽水電站大壩建設(shè)有關(guān)技術(shù)問題可以基本落實，茨哈峽水電站混凝土面板堆石壩建設(shè)技術(shù)上是可行的、大壩安全性是有保障的。

混凝土面板堆石壩；砂礫石；壩料分區(qū)；變形控；滲透穩(wěn)定；穩(wěn)定控制；可行性；安全性；論證

1 工程概況

茨哈峽水電站是黃河龍羊峽以上水電開發(fā)規(guī)劃17級中的第15級電站，電站位于青海省興?？h與同德縣交界處的班多峽谷內(nèi)，工程對外交通較便利。工程預(yù)可行性研究報告于2012年7月通過審查，目前正在開展可行性研究階段論證及相關(guān)科研工作。

茨哈峽水電站水庫正常蓄水位2 990 m，相應(yīng)庫容44.74億m3，死水位2 980 m，調(diào)節(jié)庫容5.28億m3。電站裝機(jī)容量2 600 MW，初擬裝機(jī)4臺，上游寧木特梯級電站投運(yùn)后，茨哈峽水電站保證出力528.1 MW，多年平均年發(fā)電量91.45億kWh，裝機(jī)年利用小時數(shù)3 517 h。可研階段通過壩址壩型專題研究論證，選擇混凝土面板堆石壩作為推薦壩型，混凝土面板堆石壩最大壩高257.5 m。

茨哈峽水電工程地處高海拔嚴(yán)寒地區(qū)，自然環(huán)境條件差；工程地質(zhì)條件較復(fù)雜，壩址區(qū)滑坡、變形體等物理地質(zhì)現(xiàn)象發(fā)育；混凝土面板堆石壩壩高較目前混凝土面板壩建壩水平有所突破，關(guān)鍵技術(shù)問題突出，另外目前國內(nèi)已建成的個別200 m級混凝土面板堆石壩出現(xiàn)了大壩變形較大、面板裂縫及擠壓破壞等問題[1]。因此，對茨哈峽混凝土面板堆石壩技術(shù)可行性及大壩安全性開展了專題研究。

對于茨哈峽水電站大壩關(guān)鍵技術(shù)問題研究，進(jìn)行了針對性的地質(zhì)勘察、筑壩材料工程特性研究、壩體分區(qū)研究、壩體斷面設(shè)計、壩體應(yīng)力與變形控制、滲透穩(wěn)定控制、壩體構(gòu)造及壩體抗震措施等研究論證工作，研究工作結(jié)合《300 m級高面板堆石壩安全性及關(guān)鍵技術(shù)研究》科研課題，聯(lián)合國內(nèi)多家科研院所開展了大量研究及分析論證工作，取得了初步成果。本文對初步研究成果進(jìn)行了總結(jié)。

2 技術(shù)可行性及大壩安全性初步研究

(1) 目前高土石壩建設(shè)經(jīng)驗及理論研究為茨哈峽混凝土面板堆石壩提供了支撐

從目前的建設(shè)技術(shù)水平及建設(shè)經(jīng)驗來看，壩高200 m級的混凝土面板堆石壩工程已建成的有水布埡、巴貢等10余座水電站工程，從設(shè)計科研、建設(shè)施工、運(yùn)行管理等方面均取得了大量的工程實踐經(jīng)驗，這些工程運(yùn)行總體安全可靠，有關(guān)高面板壩設(shè)計研究理論、試驗研究手段與設(shè)備、施工與建設(shè)管理水平等均有了較大的發(fā)展，為茨哈峽水電站工程混凝土面板壩的建設(shè)積累了重要的工程經(jīng)驗。目前300 m級面板堆石壩安全性及關(guān)鍵技術(shù)問題研究成果也表明，高面板堆石壩關(guān)鍵技術(shù)問題是可以得到解決的。

另外，目前中國已建成的最大壩高261.5 m的糯家渡水電站黏土心墻堆石壩，以及雙江口、兩河口水電站等300 m級黏土心墻堆石壩工程關(guān)鍵技術(shù)問題研究也取得了大量科研成果，其對堆石體材料特性研究、壩體變形機(jī)理、抗震措施等研究成果對茨哈峽混凝土面板壩設(shè)計亦具有重要的參考和借鑒意義，為茨哈峽大壩建設(shè)積累了重要的工程經(jīng)驗。

(2) 壩址地形地質(zhì)條件好、建壩條件優(yōu)越

茨哈峽水電站壩址區(qū)河道較順直，河谷對稱，岸坡呈“V”形，兩岸岸坡平緩順直，坡度42°～45°，壩頂兩岸為寬闊的階地平臺。壩址區(qū)基巖為薄層～中厚的砂巖夾板巖、板巖夾砂巖等，兩岸基巖裸露，河床部位覆蓋層薄，厚度約5 m左右，下部基巖基本為弱風(fēng)化。壩址區(qū)為橫向谷，分布有寬約600 m的砂巖條帶。壩軸線剖面見圖1所示。

圖1 壩軸線剖面圖

近期建成的個別200 m級面板壩出現(xiàn)面板脫空和面板擠壓破壞等問題，主要原因是由于岸坡部位與主河床部位堆石體變形不協(xié)調(diào)、變形偏大引起的。茨哈峽大壩布置在壩址區(qū)600 m寬的砂巖條帶范圍內(nèi)，河床趾板坐落于弱風(fēng)化基巖中下部，堆石體基礎(chǔ)清挖河床覆蓋層后坐落于弱風(fēng)化基巖上。由于壩址河谷對稱性好、兩岸岸坡坡度平緩順直、趾板線平順、趾板下游岸坡較緩，兩岸岸坡部位堆石體向主河床逐漸加厚、縱向變形梯度連續(xù)，堆石體變形不均勻造成的面板周邊縫變形、河床面板擠壓及墊層坡面開裂等問題相對不突出。壩址地形地質(zhì)條件對大壩及面板等防滲系統(tǒng)的變形協(xié)調(diào)控制創(chuàng)造了有利條件。茨哈峽壩址地形地質(zhì)條件好，建壩條件優(yōu)越。

(3) 天然砂礫石料是理想的筑壩材料

茨哈峽水電站壩址區(qū)筑壩塊石料為砂巖夾板巖料。弱風(fēng)化及微新砂巖單軸飽和抗壓強(qiáng)度大于60 MPa，屬堅硬巖，軟化系數(shù)0.77；板巖料飽和抗壓強(qiáng)度30～40 MPa，為中硬巖，軟化系數(shù)較低，為0.67，為控制壩體變形需要嚴(yán)格控制板巖含量。茨哈峽筑壩砂巖塊石料中板巖含量較大(板巖含量一般大于30%)，筑壩塊石料總體質(zhì)量較差，可選擇質(zhì)量較好的開挖料用于下游堆石區(qū)。

筑壩砂礫石料分布在大壩左岸壩肩階地平臺，運(yùn)距近、儲量豐富。對砂礫石料工程特性研究表明，砂礫石料各項技術(shù)指標(biāo)滿足筑壩材料要求[2]，是茨哈峽大壩理想的筑壩材料。砂礫石料主要工程特性如下。

1) 料層分布均一：大量地質(zhì)勘察表明，砂礫石料料層分布均一，料層中砂層透鏡體厚度小(一般10～30 cm)、延伸短(最長5～10 m)，無泥土類夾層。料層平面和立面范圍內(nèi)無明顯顆粒粗細(xì)分層性變化，各粒級含量較穩(wěn)定。

2) 級配連續(xù)：砂礫石料原巖以砂巖、花崗巖等硬巖為主，少量為板巖及風(fēng)化花崗巖。砂礫料天然干密度2.16 g/cm3，天然孔隙率20.6%，最大粒徑400 mm，礫石(大于5 mm)含量80%～85%，平均83.6%；小于5 mm含量為15%～20%，平均16.4%；含泥量(小于0.075 mm)平均為4%。砂礫石料級配連續(xù)、光滑、凹面向上，各粒級組含量穩(wěn)定，不均勻系數(shù)Cu在136～364之間，曲率系數(shù)Cc在1.8～15之間，與吉林臺、大石峽、阿瓜米爾巴、薩爾瓦興娜等水電站工程筑壩砂礫石料工程特性接近，滿足規(guī)范要求。

3) 壓實性好：茨哈峽水電站現(xiàn)場碾壓試驗研究表明，隨著振動碾壓擊實功的增加，礫石料可達(dá)到較高的干密度、較小的孔隙率。相對密度(現(xiàn)場密度筒法)在0.92～0.95時，干密度為2.34～2.36 g/cm3，換算成孔隙率為12%左右，較塊石料相比可達(dá)到較高的干密度和較低的孔隙率，壓實性好，有利于壩體和面板等防滲系統(tǒng)的變形協(xié)調(diào)控制。

圖2 室內(nèi)壓縮試驗研究成果圖

4) 壓縮模量高：室內(nèi)壓縮試驗和現(xiàn)場大型洞內(nèi)載荷試驗研究成果見圖2所示。 研究成果表明，砂礫石料隨著壓力級別的提高，壓縮模量逐步增大，沒有出現(xiàn)模量的拐點，在6 MPa軸向壓力級別下壓縮模量達(dá)到了350，表現(xiàn)出了較好的抗變形能力；而塊石料在一定壓力級別以下，壓縮模量隨壓力的增加而增大，在0.4～0.8 MPa壓力時模量達(dá)到最大，最大壓縮模量約170，高于此壓力壓縮模量隨壓力的增加而減小，出現(xiàn)了拐點，這與高圍壓條件下塊石料棱角發(fā)生破碎以及塊石料中板巖含量較大有關(guān)，不利于壩體后期變形控制。茨哈峽水電站采用砂礫石料筑壩優(yōu)于塊石料。

5) 應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系：室內(nèi)大三軸試驗成果表明，砂礫石料E-B模型參數(shù)的模量K值為1 580～1 700、Kb值在930以上，較塊石料分別高20%以上。

6) 抗剪強(qiáng)度指標(biāo)：室內(nèi)大三軸試驗成果表明，砂礫石料的Φо值為52.5(飽和)與塊石料相近，ΔΦ值為7.95(飽和)略低于塊石料。其規(guī)律與壓縮試驗成果相吻合。

7) 滲透性：砂礫石料滲透系數(shù)介于10-2～10-3cm/s之間，滲透穩(wěn)定性較差，需要設(shè)置排水區(qū)和反濾保護(hù)等措施。

通過壩料工程特性研究，茨哈峽天然砂礫石料和塊石料相比具有磨圓度好、變形模量高、壓實性好、后期變形小的特點。砂礫石料滲透穩(wěn)定性差的問題，通過設(shè)置壩體排水和反濾保護(hù)等措施來解決。筑壩材料工程特性研究及壩料分區(qū)方案選擇論證成果表明，茨哈峽水電站工程主要采用砂礫石料筑壩方案，大壩主要技術(shù)指標(biāo)優(yōu)于塊石料筑壩方案，天然砂礫石料是茨哈峽水電站工程理想的筑壩材料。茨哈峽天然砂礫石儲量豐富、開采運(yùn)輸條件好、砂礫石筑壩技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)優(yōu)越。

(4) 選擇了合理的壩料分區(qū)及壩體斷面方案

根據(jù)塊石料及砂礫石料工程特性，茨哈峽水電站工程分別擬定了全塊石料方案、砂礫石外包塊石料方案、以砂礫石料為主的分區(qū)方案、壩體中部排水體方案及排水體上移方案等6個筑壩材料分區(qū)方案進(jìn)行研究論證。計算分析表明，采用全塊石料方案壩體沉降變形約為采用以砂礫石料為主的分區(qū)方案的2倍。從壩體變形控制及改善面板應(yīng)力方面考慮，以砂礫石料為主的壩體分區(qū)方案優(yōu)勢明顯；排水體由壩體中部上移至與過渡區(qū)相鄰時，對壩體變形略有影響但滲透穩(wěn)定安全性較好。從技術(shù)經(jīng)濟(jì)因素綜合考慮，初步推薦以砂礫石料為主、排水體上移至與過渡區(qū)相鄰的壩體分區(qū)方案，見圖3所示。

圖3 壩體斷面分區(qū)圖 單位：m

推薦的壩體分區(qū)方案壩體填筑量約3 780萬m3。大壩上游壩坡1∶1.6，下游壩坡1∶1.5，并布置有12 m寬上壩公路，綜合坡比1∶1.74。與已建工程比較，茨哈峽水電站壩坡相對較緩，壩坡選擇留有適當(dāng)余地。

砂礫石料布置于壩體上游堆石區(qū)，承受主要水荷載，對控制壩體變形起關(guān)鍵性作用；下游區(qū)結(jié)合建筑物開挖料的利用、壩坡穩(wěn)定、抗震等要求布置下游塊石料堆石區(qū)(控制砂巖中板巖含量不大于30%)；上游砂礫石區(qū)與下游堆石區(qū)之間銜接坡比采用1∶1。墊層料區(qū)采用頂部寬4 m、底部寬8 m的變厚度形式，過渡料區(qū)采用頂部寬6 m、底部寬12 m的變厚度形式。各料區(qū)被保護(hù)料與保護(hù)料間能滿足濾土準(zhǔn)則，但由于砂礫石料滲透系數(shù)小，不滿足排水準(zhǔn)則，故在過渡料區(qū)下游設(shè)置“L”形排水區(qū)來滿足自由排水的要求，排水區(qū)采用篩除5 mm以下顆粒的砂礫石料。排水區(qū)兩側(cè)布置反濾料區(qū)。參考心墻堆石壩的成功經(jīng)驗，在大壩上下游壩坡分別設(shè)置了棄碴壓坡區(qū)。

(5) 壩體變形達(dá)到已建的200 m級面板壩的變形量級水平

中國水科院、南京水科院、大連理工大學(xué)等科研單位分別采用不同的模型對茨哈峽水電站混凝土面板堆石壩進(jìn)行了三維有限元應(yīng)力應(yīng)變分析，計算結(jié)果基本一致：蓄水期壩體最大沉降145 cm，壩體沉降率約0.571%。計算成果表明，采用砂礫石料筑壩方案壩體沉降變形是塊石料筑壩方案的45%，水平位移為70%～87%，面板撓度約為50%。砂礫石料筑壩較塊石料筑壩在變形控制方面具有明顯優(yōu)勢。

根據(jù)有關(guān)資料，巴貢水電站2008年10月實測大壩最大沉降為227.5 cm，為壩高的1.11%；水布埡水電站實測大壩最大沉降[3]為245.1 cm，占壩高的1.05%；三板溪水電站2008年8實測大壩最大沉降為175.1 cm，占壩高的0.96%；洪家渡水電站2007年12月實測大壩最大沉降為135.6 cm，占壩高的0.76%。茨哈峽水電站壩體沉降變形可以控制在200 m級面板壩的沉降變形量級水平。

(6) 面板應(yīng)力應(yīng)變控制

根據(jù)面板混凝土有限元計算成果，面板最大撓度值為57.22 cm，發(fā)生在Ⅲ期面板下部；面板水平向最大壓應(yīng)力21.2 MPa左右，最大壓應(yīng)變達(dá)776.45×10-6，發(fā)生在2 926.6 m高程；面板順坡向最大壓應(yīng)力20.23 MPa，最大壓應(yīng)變達(dá)644.47×10-6，均發(fā)生面板底部。面板垂直縫的最大張開、壓縮變形分別為11 mm和14 mm；周邊縫最大張開值36 mm。計算時垂直縫寬度采用30 mm，小于巴貢、巴拉格蘭德及肯柏諾沃水電站壩面板的垂直縫寬度，從周邊縫的最大張開值來看，增加垂直縫寬度及減小接縫材料壓縮模量還可優(yōu)化改善面板應(yīng)力應(yīng)變。對于順河向壓應(yīng)力及應(yīng)變較大的問題，可通過設(shè)置水平施工縫、適當(dāng)加厚面板、加設(shè)抗擠壓鋼筋等措施予以解決。

近期建成的200 m級面板壩不同程度的出現(xiàn)了面板脫空和面板擠壓破壞等問題，分析出現(xiàn)這些問題的主要原因是由于岸坡部位與主河床部位堆石體變形不協(xié)調(diào)、變形偏大引起的。茨哈峽水電站壩址河谷對稱性好，兩岸岸坡平緩順直，堆石體變形不協(xié)調(diào)造成的墊層坡面開裂及面板擠壓破壞等問題相對不是特別突出。面板脫空、面板間縫擠壓破壞等問題，可以通過一定的工程技術(shù)措施予以預(yù)防，下階段尚需要進(jìn)一步研究解決。

(7) 大壩滲透穩(wěn)定性滿足要求

針對茨哈峽水電站天然砂礫石料滲透穩(wěn)定性較差的問題，設(shè)置排水區(qū)和反濾保護(hù)等措施后，經(jīng)過滲流分析，各計算工況下各類壩料之間滿足滲透穩(wěn)定要求，不會發(fā)生滲透破壞。面板和墊層料承擔(dān)主要滲透水頭，墊層料之后浸潤線較低。正常蓄水位工況，面板最大滲透坡降176.8，墊層料最大滲透坡降0.035，過渡料最大滲透坡降0.026，砂礫石料最大滲透坡降0.02，均滿足各料層允許坡降要求。設(shè)置“L”形排水料區(qū)及上下游反濾料區(qū)后，各料區(qū)被保護(hù)料與保護(hù)料之間能滿足濾土排水準(zhǔn)則，大壩滲透穩(wěn)定性滿足要求。

(8) 大壩抗震安全性有保障

壩體三維有限元動力應(yīng)力應(yīng)變分析表明，壩頂區(qū)域壩體動力反應(yīng)放大明顯，永久變形隨壩高的增加而增大，最大值位于河谷中央壩頂。設(shè)計地震和校核地震工況，面板壓應(yīng)力滿足C30混凝土強(qiáng)度要求，拉應(yīng)力局部超過允許值，面板頂部附近存在發(fā)生局部拉裂破壞的可能性，下一步仍需要研究論證。

設(shè)計地震和校核地震工況，面板周邊縫、垂直縫變位較靜力條件下均有所增加，但均在采用的止水材料變形適應(yīng)范圍內(nèi)。設(shè)計地震和校核地震工況，壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)滿足規(guī)范要求，僅下游壩坡頂部局部會有塊石松動、滾落現(xiàn)象，需要采取針對性的抗震構(gòu)造措施。

總之，在動力狀態(tài)下，茨哈峽水電站混凝土面板砂礫石壩壩坡穩(wěn)定，應(yīng)力變形性狀較好，接縫變位都在采用的止水結(jié)構(gòu)可適應(yīng)的變形范圍內(nèi)，大壩抗震安全性是有保證的。

(9) 優(yōu)化施工組織設(shè)計、采取較嚴(yán)格的碾壓施工控制標(biāo)準(zhǔn)

茨哈峽水電站導(dǎo)流流量相對較小，樞紐采用圍堰全年擋水、導(dǎo)流隧洞泄洪的導(dǎo)流方式。施工期大壩擋水度汛問題相對不突出，壩體施工可采用適當(dāng)?shù)氖┕すて?、常?guī)的填筑強(qiáng)度水平、上下游堆石體同步上升的方法，以控制施工質(zhì)量、延長壩體預(yù)沉降時間。

通過現(xiàn)場碾壓試驗，選擇較嚴(yán)格的壩料碾壓參數(shù)及控制標(biāo)準(zhǔn)。初步選擇上游堆石區(qū)砂礫石料碾壓參數(shù)及控制標(biāo)準(zhǔn)如下：

32 t自行式振動碾，10%灑水量，鋪層厚度60 cm，碾壓變數(shù)10遍，干密度2.36 g/cm3，相對密度大于0.95。

32 t自行式振動碾，10%灑水量，鋪層厚度80 cm，碾壓變數(shù)12遍，干密度2.34 g/cm3，相對密度大于0.92。

(10) 極限安全條件下，大壩具備水庫放空、面板檢修的條件

面板接縫失效的極端情況壩體滲流分析顯示，面板接縫失效時，墊層承擔(dān)了大部分的滲透坡降，墊層滲流出口的坡降較低，小于40，滲流擴(kuò)散范圍有限。根據(jù)壩料反濾試驗成果，茨哈峽水電站面板壩墊層料可以承受較高的滲透坡降，臨界坡降150，破壞坡降大于200，面板接縫失效極端情況下滲透穩(wěn)定滿足要求。

通過高面板壩面板應(yīng)力特性及地震動力研究，茨哈峽水電站面板壩具備一定的極限抗震能力。從研究成果看控制壩體極限抗震能力的指標(biāo)主要為壩坡抗震能力、混凝土面板抗震能力、止水結(jié)構(gòu)抗震能力、下游壩坡抗震構(gòu)造措施。

可研階段在右岸增設(shè)1條放空洞，可以在枯水期放空庫水位至上游壓坡體高程附近，放空后庫容剩余率約30%，在枯水期可以為面板創(chuàng)造大于4個月的檢修時間，為面板檢修提供了條件。當(dāng)面板發(fā)生裂縫、止水局部破壞以及地震等極端條件下面板出現(xiàn)較嚴(yán)重的破壞時，可以在枯水期放空水庫并進(jìn)行大壩檢修、面板修復(fù)，為工程提供了重要的安全條件。

3 結(jié) 語

茨哈峽水電站混凝土面板堆石壩初步研究表明，對大壩采取有效的筑壩材料控制、變形控制、滲透穩(wěn)定控制、壩體構(gòu)造措施、壩體抗震措施以及施工控制標(biāo)準(zhǔn)等措施，加之目前建設(shè)管理水平、施工技術(shù)有了較大進(jìn)步，茨哈峽大壩建設(shè)有關(guān)技術(shù)問題可以基本落實，并通過進(jìn)一步研究論證可以得到解決。茨哈峽水電站混凝土面板堆石壩技術(shù)上是可行的，大壩安全性是有保障的。

[1] 水電水利規(guī)劃總院.土石壩技術(shù)2011年論文集[M].北京：中國電力出版社，2012.

[2] DL/T 5016-2011,混凝土面板堆石壩設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國電力出版社，2011.

[3] 楊啟貴.水布埡面板堆石壩筑壩技術(shù)[M].北京：中國水利電力出版社，2010.

Study on Technical Feasibility and Dam Safety of CFRD, Cihaxia Hydropower Project

ZHOU Heng, ZHAI Ying-chun, ZHANG Xiao-jiang, LU Xi, XU Hong-lu

(POWERCHINA Xibei Engineering Corporation Limited, Xi'an 710065, China)

The maximum height of CFRD, Cihaxia Hydropower Project, is 257.5 m. Compared with the existing CFRD, this CFRD is a little higher. Therefore, the key technical issues of the dam are studied primarily. Measures in terms of the effective control of embankment materials, deformation control, seepage stability control, dam body zoning, aseismicity of dam body, etc are provided. Through demonstration, it approves that the key technical issues on the dam construction are solved. Construction of the CFRD, Cihaxi Hydropower Project, is feasible technically. Its safety is secured.

CFRD; sandy gravel; embankment material zoning; deformation control; seepage stability; stability control; feasibility; safety; demonstration

2014-11-26

周恒(1970- )，男，甘肅省靖遠(yuǎn)縣人，教授級高工，主要從事水電水利工程設(shè)計研究工作.

TV641.4+3

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10.3969/j.issn.1006-2610.2015.01.007