大石峡特高面板砂砾石坝设计安全标准及安全控制指标研究

周 恒,李学强,苗 喆,邓成进,胡习文

(1.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司,西安 710065；2.新疆葛洲坝大石峡水利枢纽开发有限公司，新疆 阿克苏 843000)

0 前 言

面板堆石坝设计安全标准包括洪水、抗震、坝顶安全加高、坝坡稳定安全等，对于坝高200 m级以下面板堆石坝的安全设计标准可按规范的规定执行。SL 228-2013《混凝土面板堆石坝设计规范》中指出对于200 m以上高坝及特别重要的和复杂的工程，应进行专门研究。大石峡面板坝坝高量级由200 m级跨越到250 m级，已突破了现有面板堆石坝设计规范的适用范围，需进行专门研究。

大石峡工程技术条件复杂，坝址河道弯曲、河谷狭窄陡峻且为复式河谷，场地地震基本烈度高，天然砂砾料储量丰富、土料缺乏，采用砂砾石料作为主要填筑料填筑的当地材料坝，推荐的拦河坝为247 m高的混凝土面板坝砂砾石坝，高于已建国内最高砂砾石面板坝吉林台90 m，高于已建世界最高面板堆石坝水布垭14 m，其技术难度为面板坝之首。因此，为保证大石峡特高面板砂砾石坝设计安全可靠，大坝抗震、渗透稳定、绝对变形和变形协调、接缝变形等安全控制指标成为大坝安全设计的关键问题。

本文根据已建200 m级面板坝科研试验、设计经验和工程实践[1-3]，并借鉴250～300 m级高面板坝相关研究成果[4-5]，研究论证并提出大石峡特高面板坝设计安全标准和设计控制指标，为大石峡特高混凝土面板砂砾坝的长期安全运行提供支撑。

1 大石峡工程基本情况

1.1 地形地质条件

大石峡水利枢纽工程位于新疆维吾尔自治区阿克苏市温宿县与乌什县境内的库玛拉克河大石峡峡谷出口，下游距已建小石峡水电站约11 km，是国务院批准近期实施的172项重大水利工程建设项目之一。坝址区平面上呈弯曲河道地形，横剖面为大致对称的“V”型复式狭窄河谷，河谷系数2.1，左岸坡陡峻，右岸因在1/2坝高附近发育规模较大的宽缓古河槽而相对较缓，古河槽堆积体厚度约60 m，将其挖除后河谷呈不对称复式河谷。

1.2 场地地震基本烈度高

工程区位于南天山隆起和塔里木盆地的交界地带，属南天山地震带，新构造活动主要表现为差异性断块运动，地震地质背景比较复杂，工程区新构造运动强烈而频繁。坝址场地50 a超越概率10%的基岩水平峰值加速度为176gal，相应的地震基本烈度为Ⅶ度；100 a超越概率2%的地震动峰值加速度为365 gal，100 a超越概率1%的地震动峰值加速度为436 gal。坝址场地属区域构造稳定性较差区。

1.3 填筑材料

坝址区下游右岸S3料场天然砂砾料储量丰富，开采运输方便，运距较近，储(质)量满足要求，是填筑高坝良好的天然建筑材料，但S3砂砾料场分布范围大、厚度较浅、中等透水，离散性问题较突出。

料场砂砾石为中密～密实，磨圆度好，岩性以花岗岩、砂岩和微晶灰岩为主，少量砾岩、页岩。卵石平均含量11.3%，含砾量平均66.9%，含砂量平均21.8%，含泥量4.6%，不均匀系数平均157.6，曲率系数平均5.7，属不良级配。

图1 坝址区复杂地形地质条件

2 特高面板坝设计安全标准

大石峡特高面板坝设计安全标准应按规范规定的上限值取值，但考虑工程特点和重要性，通过对设计洪水、大坝地震安全加高、坝坡稳定安全系数等设计安全标准进行专门论证，在规范规定的基础上有所提高，有力确保工程安全可靠性。

2.1 设计洪水

从已建、在建的200 m以上高土石坝(大库)的设计和校核洪水设计标准来看，几乎全部按照规范GB 50201和SL252规定的1级土石坝设计和校核洪水的高限选取，大石峡面板坝应按照1000年一遇洪水设计、可能最大洪水(PMF)即10000年进行校核。

考虑可能最大洪水(PMF)成果的不确定性，以及冰川阻塞湖溃决型洪水的不确定性和偶然性，经论证估算的设计洪水均方误差在13.7%～14.9%之间，因此大石峡枢纽工程可能最大洪水(PMF)采用10000年一遇洪水再加15%的安全修正值。

2.2 大坝地震安全加高

在地震烈度Ⅷ度、Ⅸ度地区，地震引起的坝顶沉陷一般不超过坝高的1%[6]。国内已建、在建和设计的200 m级面板堆石坝坝顶震陷率计算值在0.24%～0.65%之间，100～150 m级面板砂砾石坝震陷率计算值在0.45%附近。经历2008年“5.12”汶川大地震考验的紫坪铺面板堆石坝(坝高156 m)坝顶最大震陷率约0.65%(>0.5g)。

大石峡面板砂砾石坝最大坝高247 m，已超过规范适应的范围，抗震超高安全性极为重要，因此坝顶地震安全加高取最大坝高的1.2%，地震沉陷在已有的动力计算和经验取值(坝顶震陷率1%)上再增加一定的裕度，坝顶地震安全是可控的。

2.3 坝坡抗滑稳定安全设计标准

根据SL 274-2020《碾压式土石坝设计规范》规定，按刚体极限平衡法，采用计及条块间作用力的简化毕肖普法分析计算当地材料坝坝坡稳定性，1级建筑物其最小抗滑稳定安全系数正常运用条件为1.50，非常运用条件Ⅰ为1.30，非常运用条件Ⅱ为1.20。根据收集到7座国内已建、在建和设计的200 m以上高面板坝抗滑稳定安全系数计算值，将各工程的坝高及各工况计算坝坡稳定安全系数在图3中展示。

物资采购的质量对企业产品品质起着决定性作用。企业产品生产过程中，原材料质量、生产技术和管理等因素都对产品最终品质产生影响，无疑原材料的质量把关是影响产品品质的第一道关卡。如果采购工作中对物资的质量把关不严，则无论生产技术水平多高、管理能力多强，最终生产出来的产品质量都得不到保障，最终会影响企业的声誉，并影响企业的长远发展。

根据7座坝高200 m以上面板坝的坝坡稳定安全系数统计表明，正常运用工况下抗滑稳定安全系数均比规范规定的1.50大0.08～0.84；非常运用工况(竣工期)下抗滑稳定安全系数均比规范规定的1.30大0.21～1.10；地震工况下抗滑稳定安全系数均比规范规定的1.20大0.10～0.46。各工程坝坡稳定安全系数均满足规范规定，为安全起见，均留有一定安全裕度，200 m级以上高面板坝坝坡抗滑稳定系数各种运用工况均比规范规定的最小安全系数绝对值大0.08以上的安全裕度；整体呈现随着坝高增加坝坡稳定安全系数的安全裕度越大的趋势。

图3 国内已建、在建和设计的200 m以上>高面板坝抗滑稳定安全系数

根据陈祖煜院士的研究成果[7]，特高土石坝正常工况坝坡抗滑稳定目标可靠指标取4.45～4.70，对应坝坡抗滑稳定最小安全系数1.60～1.65；地震工况坝坡抗滑稳定最小安全系数1.30～1.35。

大石峡混凝土面板砂砾石坝为世界第一高面板坝，比已建的最高面板坝水布垭面板堆石坝还高14 m，主要筑坝材料砂砾料抗剪强度略低于堆石，从工程安全考虑，坝坡稳定安全系数应留有一定裕度。结合7座高面板坝工程实践统计和特高土石坝可靠度研究成果，最终确定的大石峡面板砂砾石坝各种运用工况上、下游坝坡抗滑稳定安全系数设计标准可采取比规范规定的最小安全系数大0.1，正常运用条件最小抗滑稳定安全系数(毕肖普法)为1.60，非常运用条件Ⅰ为1.40，非常运用条件Ⅱ为1.30。

大石峡面板砂砾石坝坝坡抗滑稳定安全系数比SL 274-2020《碾压式土石坝设计规范》规定的最小安全系数增大了1.07倍，在坝坡放缓、工程量增加有限的情况下，使得200 m以上高堆石坝能够满足抗滑稳定要求。

3 特高面板坝坝体变形安全控制指标

3.1 坝体沉降率控制指标

根据水布垭、三板溪、洪家渡等200 m级高面板堆石坝沉降资料分析，坝体沉降总体变形规律为绝对沉降随堆石填筑高度增加而增大，沉降趋势随时间的延长而减缓，沉降极值与库水相关不显著，大部分沉降在施工期完成，约占总沉降值的80%～90%，堆石体后期约10%～20%的沉降主要是由堆石料自身蠕变和水荷载共同作用引起。采用块石料填筑的200 m级面板堆石坝最大沉降平均1.1%，大部分工程不超过最大坝高的1.5%。

图4 200 m级高面板堆石坝实测沉降率与坝高关系

初步设计阶段收集到面板堆石坝(坝高150 m以上)和面板砂砾石坝(坝高100 m以上)沉降变形的计算值，通过统计和对比分析表明：① 150 m级高面板堆石坝平均沉降率为0.72%；② 100～150 m级高面板砂砾石坝坝体沉降率为0.4%～0.7%，平均值为0.50%；③ 面板堆石坝和面板砂砾石坝的沉降率对比表明，以砂砾石料为主要填筑材料的面板砂砾石坝约为同高度堆石坝的30%～60%。

实测资料分析表明，以块石料为填筑材料的200 m级面板堆石坝最大沉降率的平均值为1.1%，为安全计，一般要求坝体最大变形控制在1%左右[8]。因此，若同等级别面板砂砾石坝的最大沉降率按堆石坝的60%计，则推测200 m级面板砂砾石坝的最大沉降率可按0.6%控制。100～150 m级、200 m级面板砂砾石坝最大沉降率分别为0.5%、0.6%，考虑大石峡面板砂砾石坝的高度突破250 m级，大石峡坝体最大沉降率可按照0.8%控制。

3.2 坝顶震陷率控制指标

土石坝的地震永久变形是大坝设计和抗震安全性评价的重要指标。从现有统计资料来看，地震作用下碾压土石坝坝顶的竖向地震永久变形，即坝顶震陷，一般为0.16%～0.65%，不超过坝高的1%。

根据已建150～200 m级高面板坝工程动力分析计算震陷值统计，以及对遭遇2008年“5.12”汶川大地震的紫坪铺面板坝震害调查，考虑大石峡静动力计算成果[11-12]，确定大石峡面板砂砾石坝的震陷率控制指标为0.6%～0.8%。

4 特高面板坝面板和接缝变形安全控制指标

4.1 面板弦长比安全控制指标

面板作为面板坝的防渗主体，其变形与应力性状直接影响到大坝挡水防渗的性能。水库蓄水后，面板整体向下游变形，最大挠曲变形一般发生在坝高的1/2～4/5范围内，弦长比越大，面板局部弯矩就大，受拉面产生结构裂缝的可能性较大。已建、在建的面板坝挠度及挠曲率情况统计表明，高面板坝的面板弦长比在0.05%～0.26%之间，平均值为0.14%；砂砾石坝弦长比平均值为0.13%，砂砾石坝普遍低于堆石坝。

目前已建200 m级面板坝的面板均出现不同程度的裂缝和挤压破坏，但不影响大坝整体运行安全。洪家渡、三板溪、水布垭、猴子岩、巴贡等的弦长比分别为0.11%、0.05%、0.14%、0.16%、0.18%，而弦长比较大的天生桥一级面板(0.26%)发生裂缝和破损的程度明显较高。

综合分析200 m级高面板坝弦长比情况，以及工程实际运行监测情况，结合计算结果，为避免面板挠曲变形影响防渗结构的有效性，大石峡特高面板砂砾石坝面板弦长比按照0.2%进行控制。

4.2 混凝土面板拉压应变控制指标

国内外200 m级高面板坝已开始出现面板垂直接缝处混凝土挤压破坏的现象，这些挤压破坏主要由堆石体的过大变形引起，即堆石体变形受河谷地形影响，两岸坝体轴向变形均指向河谷中央，混凝土面板受坝体轴向变形影响，岸坡附近面板轴向受拉、河谷中央面板轴向受压，面板的挤压破坏经分析源于面板中过大的压应变。

通过实测资料分析，天生桥、三板溪、水布垭面板坝的顺坡向最大压应变均大于800×10-6，最大拉应变大于500×10-6；天生桥、水布垭、察汗乌苏面板坝水平向最大压应变分别为948×10-6、680×10-6和740×10-6，三板溪水平向最大拉应变994×10-6。实测拉应变较大的面板坝面板裂缝较多，水平向压应变加大的坝出现面板挤压破损或破坏。根据面板挤压破坏实测压应变，以及有限元数值计算成果，和混凝土应力应变典型数值，大石峡混凝土面板挤压临界破坏压应变控制值为900×10-6。

4.3 接缝止水结构变形安全控制指标

国内外面板坝实测周边缝位移和坝高关系见图5所示，整体上看随着坝高的增加，实测周边缝位移也增加。水布垭、猴子岩、巴贡、三板溪、洪家渡、天生桥一级、吉林台等7座200 m级面板堆石坝周边缝最大剪切位移3.5～43.7 mm、最大沉降位移26.6～45.3 mm、最大张开位移8.6～17.2 mm，三向变位均小于50 mm，其中以水布垭周边缝变位最大。

图5 国内外面板坝周边缝位移分布

水布垭接缝止水研究结果表明[13]，铜止水的鼻宽d=30 mm、鼻高H=105 mm、铜片厚度t=1.0 mm，在张开50 mm、沉陷100 mm和剪切50 mm接缝位移作用下不会破坏。300 m级高面板堆石坝适应性及对策研究成果表明[14]，铜止水采用鼻高H=150 mm、鼻宽d=30 mm，并在翼板上单面复合85 mm宽、3 mm厚的GB止水板，可以满足300 m级面板堆石坝的接缝止水承受100 mm的沉陷变形、100 mm的张开变形和80 mm的剪切变形，以及350 m的水头作用，提出300 m级高面板堆石坝按沉降100 mm、剪切80 mm和张拉100 mm进行止水结构变形控制。

根据大石峡静动力分析周边缝接缝变形成果，参照已建200 m级高面板坝接缝止水结构的设计控制值，以及300 m级面板坝相关研究成果，最终确定大石峡面板坝接缝止水结构设计控制指标，沉降100 mm、剪切65 mm和张拉50 mm。大石峡面板砂砾石坝主要填筑体为砂砾料，压缩模量高、抗变形能力强，并考虑一定的安全裕度，止水结构和工艺完全能够适应大石峡250 m级特高面板砂砾石坝接缝止水结构的设计要求。

5 渗流稳定安全控制指标

垫层料作为第二道防渗线，当极端工况垫层直接挡水时，将承担全部水头；当面板发生开裂或破损时，垫层料将承担破损位置处大部分渗流水头。垫层料如果发生渗透破坏，库水将通过渗透破坏部位发生较大的渗漏量，其后堆石体浸润面抬高、渗透坡降增大，导致发生渗透破坏细颗粒流失，或者堆石抗剪参数降低影响坝坡稳定，最终危及坝体整体安全，因此，垫层料的渗透稳定性尤为重要。

通过调研统计150 m级以上高面板坝的最大可承受的水力梯度平均约为50，根据大石峡面板坝工程垫层料渗透试验，当渗流方向自上而下，其渗透试验破坏坡降≥110.7，水力梯度控制指标按照50控制，则安全系数为2.2。大石峡面板坝垫层料水力梯度控制指标取50，垫层料宽度取5.0 m，能够满足垫层料的水力梯度要求。

6 结 论

(1) 考虑大石峡特高面板坝工程特点和重要性，确定的设计洪水、大坝地震安全加高、坝坡稳定安全系数等设计安全标准在规范规定的基础上有所提高，其中最大洪水(PMF)采用10000年一遇洪水再加15%；各种运用工况上、下游坝坡抗滑稳定安全系数比规范规定的最小安全系数大0.1；地震安全加高取最大坝高的1.2%。

(2) 通过面板砂砾石坝和面板堆石坝工程对比分析，结合大石峡工程技术条件，提出了坝体最大沉降率(0.8%)、震陷率控制指标(0.6%～0.8%)等大石峡特高面板坝坝体变形安全控制指标。

(3) 通过室内试验、数值计算分析、工程经验类比以及规程规范规定，提出了大石峡特高面板坝面板弦长比(0.2%)、面板拉压应变(900×10-6)、接缝变形、垫层渗透等安全控制指标。

上述设计控制指标的确定，为大石峡特高面板砂砾石坝的设计安全可靠性提供依据，研究成果可为后续特高面板坝设计提供参考，为更高级别的高面板坝安全控制指标的确定提供借鉴。