茨哈峡混凝土面板堆石坝技术可行性及大坝安全性初步研究

周 恒,翟迎春,张晓将,陆 希,徐宏璐

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司,西安 710065)

文章编号：1006—2610(2015)01—0025—05

茨哈峡混凝土面板堆石坝技术可行性及大坝安全性初步研究

周 恒,翟迎春,张晓将,陆 希,徐宏璐

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司,西安 710065)

茨哈峡水电站混凝土面板堆石坝最大坝高257.5 m，较目前混凝土面板堆石坝坝高水平有所突破，对茨哈峡大坝关键技术问题进行了初步研究，提出了有效的筑坝材料控制、变形控制、渗透稳定控制、坝体分区、坝体抗震等措施，通过论证认为茨哈峡水电站大坝建设有关技术问题可以基本落实，茨哈峡水电站混凝土面板堆石坝建设技术上是可行的、大坝安全性是有保障的。

混凝土面板堆石坝；砂砾石；坝料分区；变形控；渗透稳定；稳定控制；可行性；安全性；论证

1 工程概况

茨哈峡水电站是黄河龙羊峡以上水电开发规划17级中的第15级电站，电站位于青海省兴海县与同德县交界处的班多峡谷内，工程对外交通较便利。工程预可行性研究报告于2012年7月通过审查，目前正在开展可行性研究阶段论证及相关科研工作。

茨哈峡水电站水库正常蓄水位2 990 m，相应库容44.74亿m3，死水位2 980 m，调节库容5.28亿m3。电站装机容量2 600 MW，初拟装机4台，上游宁木特梯级电站投运后，茨哈峡水电站保证出力528.1 MW，多年平均年发电量91.45亿kWh，装机年利用小时数3 517 h。可研阶段通过坝址坝型专题研究论证，选择混凝土面板堆石坝作为推荐坝型，混凝土面板堆石坝最大坝高257.5 m。

茨哈峡水电工程地处高海拔严寒地区，自然环境条件差；工程地质条件较复杂，坝址区滑坡、变形体等物理地质现象发育；混凝土面板堆石坝坝高较目前混凝土面板坝建坝水平有所突破，关键技术问题突出，另外目前国内已建成的个别200 m级混凝土面板堆石坝出现了大坝变形较大、面板裂缝及挤压破坏等问题[1]。因此，对茨哈峡混凝土面板堆石坝技术可行性及大坝安全性开展了专题研究。

对于茨哈峡水电站大坝关键技术问题研究，进行了针对性的地质勘察、筑坝材料工程特性研究、坝体分区研究、坝体断面设计、坝体应力与变形控制、渗透稳定控制、坝体构造及坝体抗震措施等研究论证工作，研究工作结合《300 m级高面板堆石坝安全性及关键技术研究》科研课题，联合国内多家科研院所开展了大量研究及分析论证工作，取得了初步成果。本文对初步研究成果进行了总结。

2 技术可行性及大坝安全性初步研究

(1) 目前高土石坝建设经验及理论研究为茨哈峡混凝土面板堆石坝提供了支撑

从目前的建设技术水平及建设经验来看，坝高200 m级的混凝土面板堆石坝工程已建成的有水布垭、巴贡等10余座水电站工程，从设计科研、建设施工、运行管理等方面均取得了大量的工程实践经验，这些工程运行总体安全可靠，有关高面板坝设计研究理论、试验研究手段与设备、施工与建设管理水平等均有了较大的发展，为茨哈峡水电站工程混凝土面板坝的建设积累了重要的工程经验。目前300 m级面板堆石坝安全性及关键技术问题研究成果也表明，高面板堆石坝关键技术问题是可以得到解决的。

另外，目前中国已建成的最大坝高261.5 m的糯家渡水电站黏土心墙堆石坝，以及双江口、两河口水电站等300 m级黏土心墙堆石坝工程关键技术问题研究也取得了大量科研成果，其对堆石体材料特性研究、坝体变形机理、抗震措施等研究成果对茨哈峡混凝土面板坝设计亦具有重要的参考和借鉴意义，为茨哈峡大坝建设积累了重要的工程经验。

(2) 坝址地形地质条件好、建坝条件优越

茨哈峡水电站坝址区河道较顺直，河谷对称，岸坡呈“V”形，两岸岸坡平缓顺直，坡度42°～45°，坝顶两岸为宽阔的阶地平台。坝址区基岩为薄层～中厚的砂岩夹板岩、板岩夹砂岩等，两岸基岩裸露，河床部位覆盖层薄，厚度约5 m左右，下部基岩基本为弱风化。坝址区为横向谷，分布有宽约600 m的砂岩条带。坝轴线剖面见图1所示。

图1 坝轴线剖面图

近期建成的个别200 m级面板坝出现面板脱空和面板挤压破坏等问题，主要原因是由于岸坡部位与主河床部位堆石体变形不协调、变形偏大引起的。茨哈峡大坝布置在坝址区600 m宽的砂岩条带范围内，河床趾板坐落于弱风化基岩中下部，堆石体基础清挖河床覆盖层后坐落于弱风化基岩上。由于坝址河谷对称性好、两岸岸坡坡度平缓顺直、趾板线平顺、趾板下游岸坡较缓，两岸岸坡部位堆石体向主河床逐渐加厚、纵向变形梯度连续，堆石体变形不均匀造成的面板周边缝变形、河床面板挤压及垫层坡面开裂等问题相对不突出。坝址地形地质条件对大坝及面板等防渗系统的变形协调控制创造了有利条件。茨哈峡坝址地形地质条件好，建坝条件优越。

(3) 天然砂砾石料是理想的筑坝材料

茨哈峡水电站坝址区筑坝块石料为砂岩夹板岩料。弱风化及微新砂岩单轴饱和抗压强度大于60 MPa，属坚硬岩，软化系数0.77；板岩料饱和抗压强度30～40 MPa，为中硬岩，软化系数较低，为0.67，为控制坝体变形需要严格控制板岩含量。茨哈峡筑坝砂岩块石料中板岩含量较大(板岩含量一般大于30%)，筑坝块石料总体质量较差，可选择质量较好的开挖料用于下游堆石区。

筑坝砂砾石料分布在大坝左岸坝肩阶地平台，运距近、储量丰富。对砂砾石料工程特性研究表明，砂砾石料各项技术指标满足筑坝材料要求[2]，是茨哈峡大坝理想的筑坝材料。砂砾石料主要工程特性如下。

1) 料层分布均一：大量地质勘察表明，砂砾石料料层分布均一，料层中砂层透镜体厚度小(一般10～30 cm)、延伸短(最长5～10 m)，无泥土类夹层。料层平面和立面范围内无明显颗粒粗细分层性变化，各粒级含量较稳定。

2) 级配连续：砂砾石料原岩以砂岩、花岗岩等硬岩为主，少量为板岩及风化花岗岩。砂砾料天然干密度2.16 g/cm3，天然孔隙率20.6%，最大粒径400 mm，砾石(大于5 mm)含量80%～85%，平均83.6%；小于5 mm含量为15%～20%，平均16.4%；含泥量(小于0.075 mm)平均为4%。砂砾石料级配连续、光滑、凹面向上，各粒级组含量稳定，不均匀系数Cu在136～364之间，曲率系数Cc在1.8～15之间，与吉林台、大石峡、阿瓜米尔巴、萨尔瓦兴娜等水电站工程筑坝砂砾石料工程特性接近，满足规范要求。

3) 压实性好：茨哈峡水电站现场碾压试验研究表明，随着振动碾压击实功的增加，砾石料可达到较高的干密度、较小的孔隙率。相对密度(现场密度筒法)在0.92～0.95时，干密度为2.34～2.36 g/cm3，换算成孔隙率为12%左右，较块石料相比可达到较高的干密度和较低的孔隙率，压实性好，有利于坝体和面板等防渗系统的变形协调控制。

图2 室内压缩试验研究成果图

4) 压缩模量高：室内压缩试验和现场大型洞内载荷试验研究成果见图2所示。 研究成果表明，砂砾石料随着压力级别的提高，压缩模量逐步增大，没有出现模量的拐点，在6 MPa轴向压力级别下压缩模量达到了350，表现出了较好的抗变形能力；而块石料在一定压力级别以下，压缩模量随压力的增加而增大，在0.4～0.8 MPa压力时模量达到最大，最大压缩模量约170，高于此压力压缩模量随压力的增加而减小，出现了拐点，这与高围压条件下块石料棱角发生破碎以及块石料中板岩含量较大有关，不利于坝体后期变形控制。茨哈峡水电站采用砂砾石料筑坝优于块石料。

5) 应力应变关系：室内大三轴试验成果表明，砂砾石料E-B模型参数的模量K值为1 580～1 700、Kb值在930以上，较块石料分别高20%以上。

6) 抗剪强度指标：室内大三轴试验成果表明，砂砾石料的Φо值为52.5(饱和)与块石料相近，ΔΦ值为7.95(饱和)略低于块石料。其规律与压缩试验成果相吻合。

7) 渗透性：砂砾石料渗透系数介于10-2～10-3cm/s之间，渗透稳定性较差，需要设置排水区和反滤保护等措施。

通过坝料工程特性研究，茨哈峡天然砂砾石料和块石料相比具有磨圆度好、变形模量高、压实性好、后期变形小的特点。砂砾石料渗透稳定性差的问题，通过设置坝体排水和反滤保护等措施来解决。筑坝材料工程特性研究及坝料分区方案选择论证成果表明，茨哈峡水电站工程主要采用砂砾石料筑坝方案，大坝主要技术指标优于块石料筑坝方案，天然砂砾石料是茨哈峡水电站工程理想的筑坝材料。茨哈峡天然砂砾石储量丰富、开采运输条件好、砂砾石筑坝技术经济指标优越。

(4) 选择了合理的坝料分区及坝体断面方案

根据块石料及砂砾石料工程特性，茨哈峡水电站工程分别拟定了全块石料方案、砂砾石外包块石料方案、以砂砾石料为主的分区方案、坝体中部排水体方案及排水体上移方案等6个筑坝材料分区方案进行研究论证。计算分析表明，采用全块石料方案坝体沉降变形约为采用以砂砾石料为主的分区方案的2倍。从坝体变形控制及改善面板应力方面考虑，以砂砾石料为主的坝体分区方案优势明显；排水体由坝体中部上移至与过渡区相邻时，对坝体变形略有影响但渗透稳定安全性较好。从技术经济因素综合考虑，初步推荐以砂砾石料为主、排水体上移至与过渡区相邻的坝体分区方案，见图3所示。

图3 坝体断面分区图 单位：m

推荐的坝体分区方案坝体填筑量约3 780万m3。大坝上游坝坡1∶1.6，下游坝坡1∶1.5，并布置有12 m宽上坝公路，综合坡比1∶1.74。与已建工程比较，茨哈峡水电站坝坡相对较缓，坝坡选择留有适当余地。

砂砾石料布置于坝体上游堆石区，承受主要水荷载，对控制坝体变形起关键性作用；下游区结合建筑物开挖料的利用、坝坡稳定、抗震等要求布置下游块石料堆石区(控制砂岩中板岩含量不大于30%)；上游砂砾石区与下游堆石区之间衔接坡比采用1∶1。垫层料区采用顶部宽4 m、底部宽8 m的变厚度形式，过渡料区采用顶部宽6 m、底部宽12 m的变厚度形式。各料区被保护料与保护料间能满足滤土准则，但由于砂砾石料渗透系数小，不满足排水准则，故在过渡料区下游设置“L”形排水区来满足自由排水的要求，排水区采用筛除5 mm以下颗粒的砂砾石料。排水区两侧布置反滤料区。参考心墙堆石坝的成功经验，在大坝上下游坝坡分别设置了弃碴压坡区。

(5) 坝体变形达到已建的200 m级面板坝的变形量级水平

中国水科院、南京水科院、大连理工大学等科研单位分别采用不同的模型对茨哈峡水电站混凝土面板堆石坝进行了三维有限元应力应变分析，计算结果基本一致：蓄水期坝体最大沉降145 cm，坝体沉降率约0.571%。计算成果表明，采用砂砾石料筑坝方案坝体沉降变形是块石料筑坝方案的45%，水平位移为70%～87%，面板挠度约为50%。砂砾石料筑坝较块石料筑坝在变形控制方面具有明显优势。

根据有关资料，巴贡水电站2008年10月实测大坝最大沉降为227.5 cm，为坝高的1.11%；水布垭水电站实测大坝最大沉降[3]为245.1 cm，占坝高的1.05%；三板溪水电站2008年8实测大坝最大沉降为175.1 cm，占坝高的0.96%；洪家渡水电站2007年12月实测大坝最大沉降为135.6 cm，占坝高的0.76%。茨哈峡水电站坝体沉降变形可以控制在200 m级面板坝的沉降变形量级水平。

(6) 面板应力应变控制

根据面板混凝土有限元计算成果，面板最大挠度值为57.22 cm，发生在Ⅲ期面板下部；面板水平向最大压应力21.2 MPa左右，最大压应变达776.45×10-6，发生在2 926.6 m高程；面板顺坡向最大压应力20.23 MPa，最大压应变达644.47×10-6，均发生面板底部。面板垂直缝的最大张开、压缩变形分别为11 mm和14 mm；周边缝最大张开值36 mm。计算时垂直缝宽度采用30 mm，小于巴贡、巴拉格兰德及肯柏诺沃水电站坝面板的垂直缝宽度，从周边缝的最大张开值来看，增加垂直缝宽度及减小接缝材料压缩模量还可优化改善面板应力应变。对于顺河向压应力及应变较大的问题，可通过设置水平施工缝、适当加厚面板、加设抗挤压钢筋等措施予以解决。

近期建成的200 m级面板坝不同程度的出现了面板脱空和面板挤压破坏等问题，分析出现这些问题的主要原因是由于岸坡部位与主河床部位堆石体变形不协调、变形偏大引起的。茨哈峡水电站坝址河谷对称性好，两岸岸坡平缓顺直，堆石体变形不协调造成的垫层坡面开裂及面板挤压破坏等问题相对不是特别突出。面板脱空、面板间缝挤压破坏等问题，可以通过一定的工程技术措施予以预防，下阶段尚需要进一步研究解决。

(7) 大坝渗透稳定性满足要求

针对茨哈峡水电站天然砂砾石料渗透稳定性较差的问题，设置排水区和反滤保护等措施后，经过渗流分析，各计算工况下各类坝料之间满足渗透稳定要求，不会发生渗透破坏。面板和垫层料承担主要渗透水头，垫层料之后浸润线较低。正常蓄水位工况，面板最大渗透坡降176.8，垫层料最大渗透坡降0.035，过渡料最大渗透坡降0.026，砂砾石料最大渗透坡降0.02，均满足各料层允许坡降要求。设置“L”形排水料区及上下游反滤料区后，各料区被保护料与保护料之间能满足滤土排水准则，大坝渗透稳定性满足要求。

(8) 大坝抗震安全性有保障

坝体三维有限元动力应力应变分析表明，坝顶区域坝体动力反应放大明显，永久变形随坝高的增加而增大，最大值位于河谷中央坝顶。设计地震和校核地震工况，面板压应力满足C30混凝土强度要求，拉应力局部超过允许值，面板顶部附近存在发生局部拉裂破坏的可能性，下一步仍需要研究论证。

设计地震和校核地震工况，面板周边缝、垂直缝变位较静力条件下均有所增加，但均在采用的止水材料变形适应范围内。设计地震和校核地震工况，坝坡稳定安全系数满足规范要求，仅下游坝坡顶部局部会有块石松动、滚落现象，需要采取针对性的抗震构造措施。

总之，在动力状态下，茨哈峡水电站混凝土面板砂砾石坝坝坡稳定，应力变形性状较好，接缝变位都在采用的止水结构可适应的变形范围内，大坝抗震安全性是有保证的。

(9) 优化施工组织设计、采取较严格的碾压施工控制标准

茨哈峡水电站导流流量相对较小，枢纽采用围堰全年挡水、导流隧洞泄洪的导流方式。施工期大坝挡水度汛问题相对不突出，坝体施工可采用适当的施工工期、常规的填筑强度水平、上下游堆石体同步上升的方法，以控制施工质量、延长坝体预沉降时间。

通过现场碾压试验，选择较严格的坝料碾压参数及控制标准。初步选择上游堆石区砂砾石料碾压参数及控制标准如下：

32 t自行式振动碾，10%洒水量，铺层厚度60 cm，碾压变数10遍，干密度2.36 g/cm3，相对密度大于0.95。

32 t自行式振动碾，10%洒水量，铺层厚度80 cm，碾压变数12遍，干密度2.34 g/cm3，相对密度大于0.92。

(10) 极限安全条件下，大坝具备水库放空、面板检修的条件

面板接缝失效的极端情况坝体渗流分析显示，面板接缝失效时，垫层承担了大部分的渗透坡降，垫层渗流出口的坡降较低，小于40，渗流扩散范围有限。根据坝料反滤试验成果，茨哈峡水电站面板坝垫层料可以承受较高的渗透坡降，临界坡降150，破坏坡降大于200，面板接缝失效极端情况下渗透稳定满足要求。

通过高面板坝面板应力特性及地震动力研究，茨哈峡水电站面板坝具备一定的极限抗震能力。从研究成果看控制坝体极限抗震能力的指标主要为坝坡抗震能力、混凝土面板抗震能力、止水结构抗震能力、下游坝坡抗震构造措施。

可研阶段在右岸增设1条放空洞，可以在枯水期放空库水位至上游压坡体高程附近，放空后库容剩余率约30%，在枯水期可以为面板创造大于4个月的检修时间，为面板检修提供了条件。当面板发生裂缝、止水局部破坏以及地震等极端条件下面板出现较严重的破坏时，可以在枯水期放空水库并进行大坝检修、面板修复，为工程提供了重要的安全条件。

3 结 语

茨哈峡水电站混凝土面板堆石坝初步研究表明，对大坝采取有效的筑坝材料控制、变形控制、渗透稳定控制、坝体构造措施、坝体抗震措施以及施工控制标准等措施，加之目前建设管理水平、施工技术有了较大进步，茨哈峡大坝建设有关技术问题可以基本落实，并通过进一步研究论证可以得到解决。茨哈峡水电站混凝土面板堆石坝技术上是可行的，大坝安全性是有保障的。

[1] 水电水利规划总院.土石坝技术2011年论文集[M].北京：中国电力出版社，2012.

[2] DL/T 5016-2011,混凝土面板堆石坝设计规范[S].北京：中国电力出版社，2011.

[3] 杨启贵.水布垭面板堆石坝筑坝技术[M].北京：中国水利电力出版社，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，甘肃省靖远县人，教授级高工，主要从事水电水利工程设计研究工作.

TV641.4+3

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2015.01.007