新疆大石峡特高土石坝设计安全控制指标研究

韩小妹，赵鹏强，毛振凯，杨春宝

(1.水利部水利水电规划设计总院，北京 100120;2.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，陕西 西安 710065)

1 概述

国内已经制定的面板堆石坝设计相关规范[1-2]只适用于坝高200m以下土石坝设计安全标准。国内水力水电工程界和学者从风险控制、可靠指标、面板坝材料、结构应力特性和施工技术等方面研究特高面板坝的设计标准、安全性和关键技术[3-7]。鉴于大石峡特高土石坝存在地震烈度高、河谷狭窄、左右岸地形不对称、河床镶嵌混凝土高趾墩、分区筑坝材料力学差异大、日温差大等特点，大石峡特高面板坝抗震安全和渗透稳定、坝体绝对变形和变形协调控制、高寒地区低温冻胀和冰拔等成为大石峡特高坝安全设计的关键。

大石峡水利枢纽工程于2019年11月已经河床截流，目前正在开展基础开挖和基础防渗工作，大坝填筑工程还未开展。因此，有必要总结大石峡开展的前期设计研究项目成果和技施阶段已经开展的部分现场试验成果，再结合国内外已建200m级特高土石坝(含面板坝)工程经验和教训、在建和规划特高土石坝科研试验研究成果及设计经验，类比分析国内外土石坝设计规范要求，从稳定安全、结构安全等2个层次方面进一步研究大石峡250m级特高土石坝设计安全指标。

2 总体变形安全控制指标

2.1 坝体沉降变形控制指标

200m级面板堆石坝[9]最大沉降平均1.1%，基本不超过最大坝高的1.5%，天生桥一级坝达到最大坝高的2.08%～2.19%。大石峡面板砂砾石坝的沉降率控制指标宜按照0.8%控制。

2.2 坝体水平位移控制指标

通常采用坝体水平位移特征值评价坝体变形性状，特征值计算公式[8]为：

CDu=Du/H或CDu=Du/Hmax

(1)

CDd=Dd/H或CDd=Dd/Hmax

(2)

式中，CDu、CDd—坝体向上游水平位移特征值和坝体向下游水平位移特征值；Du、Dd—坝体向上游、下游水平位移，m；H—坝高，m；Hmax—最大坝高，m。

200m级面板堆石坝水平位移特征值[9]，向上游0～-0.16%，向下游0.04%～0.36%，其中天生桥一级坝下游水平位移特征值相对较大，下游达到0.65%。坝高200～250m的面板坝水平位移特征值[9]，向上游0～-0.10%，向下游0～0.25%。大石峡大坝水平位移特征值计算值，向上游-0.05%，向下游0.16%。综合坝体变形控制和施工碾压质量要求，大石峡面板砂砾石坝的水平位移特征值分别按照，向上游-0.10%，向下游0.25%控制。

由于河床处坝较高，沉降大，两岸坝体沉降小，河床沉降的坝体拖曳两岸坝体，两岸坝体均向河床轴向位移。当两岸边坡陡峭，河床段与两岸岸坡堆石坝坝体过渡变形区域小，坝体轴向位移大，从而会影响面板垂直缝位移。

2.3 坝体轴向位移控制指标

采用坝体轴向位移特征值评价岸坡形状对坝体变形影响，其特征值计算公式[10]为：

CDz=Dzsinα/Hmax

(3)

式中，CDz—坝体轴向位移特征值；Dz—坝体轴向水平位移，m；Hmax—最大坝高，m；α—岸坡平均坡角。

由于两岸堆石体均指向河床变形，因此右岸岸坡平均坡角α的大小影响坝体指向左岸的轴向水平位移Dz，左岸岸坡平均坡角α的大小影响坝体指向右岸的轴向水平位移Dz。

猴子岩、水布垭、夹岩等坝[9]轴向位移特征值为0%～0.1%，玉龙喀什右岸坡度陡峭，稳定运行轴向位移相对较大，右岸指向左岸轴向位移特征值达到0.108%。猴子岩高面板坝河谷狭窄，两岸坡度60°～65°，局部有倒坡，在两岸岸坡附近和坝体底部设置主堆石特别碾压区，提高坝体压实度，大坝蓄水1年后实测轴向位移特征值最大仅0.027%。综合以上分析考虑，大石峡面板砂砾石坝在坝体施工碾压质量严格要求基础上，其轴向位移特征值按照0.1%控制。

2.4 坝面变形控制指标

2.4.1面板挠度位移控制指标

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，挠度越大，面板局部弯矩就大，受拉面产生结构裂缝的可能性较大。100m级以上高面板坝的面板挠曲率[9](面板挠度与面板斜长之比，即弦长比)在0.05%～0.26%之间，平均0.14%，其中堆石坝普遍高于砂砾石坝，砂砾石坝挠曲率平均0.13%。挠曲率较大的天生桥一级(0.26%)面板不同程度发生了裂缝和破损。

综合分析200级以上高面板和100m级以上高面板坝挠曲率情况，以及工程实际运行监测情况，当挠曲率小于0.2%，面板挠曲变形不会影响防渗结构的有效性，所以大石峡面板砂砾石坝面板挠曲率，不考虑流变成果，挠曲率按照0.2%进行控制，如果考虑长期流变和地震影响，挠曲率按照0.25%进行控制。

2.4.2面板轴向位移控制指标

河谷狭窄，两岸陡峭，不对称地形，混凝土面板应力变形性状较差，易受挤压和挠曲变形。除了猴子岩和江坪河宽高比小于2，高面板堆石坝蓄水后面板轴向位移特征值[9]大于0.2‰，巴贡、吉林台一级、夹岩、大石峡、玉龙喀什、羊曲面板轴向位移特征值[9]为0.08‰～0.2‰，因此大石峡面板轴向位移特征值能按照0.2‰控制。

2.5 水库大坝放空能力控制指标

初期蓄水、水位变化、面板渗漏及降水都会引起堆石体变形。水位变化，即水荷载施加或消减的，将引起坝体应力应变重新分布。对于坝高200～300m高水头大坝，设置高、中、低分级泄洪和放空措施，有助于科学分级泄洪和放空，合理控制库水位消落速度，有利于大坝应力应变重分布，同时为面板、垫层和止水结构具备可修复条件，提高大坝防渗体可靠性。

2.5.1水库放空系数

坝高150m以上面板坝专门设置放空洞放空系数(H1/H，其中H1为最低泄水建筑物进口底板与坝顶的垂直距离，H为最大坝高)为0.41～0.79[9]，平均为0.58；泄洪排沙洞兼放空洞放空系数为0.10～0.46[9]，平均为0.33。大石峡面板坝水库放空系数0.55，在面板坝专门放空洞平均放空系数0.58附近。

2.5.2水库放空水位消落速度

目前各水库水位消落速度见表1。由表1可以看出，黏土心墙土石坝和沥青混凝土心墙土石坝正常运行紧急检修、放空水库水位消落速度约为3m/d，非常放空水库水位消落速度小于10m/d；面板堆石坝填筑体透水性好，正常运行紧急检修、放空水库和非常放空水库水位消落速度基本上小于10m/d[9]。猴子岩面板坝水库水位最大消落速度为56.25m/d，当水库水位消落到1785～1787m后，水库水位消落速度小于6.63m/d。夹岩水库水位消落速度基本上控制在1.88～4.3m/d之内，水库泄洪能力大，可以有序控制水库水位消落。大石峡面板坝初拟正常检修最大放空速度为8m/d，应急最大放空速度为10m/d，介于面板坝水库水位消落速度平均值之内。

表1 水库放空水位消落速度汇总表

3 坝体变形协调控制指标

3.1 坝体分区变形协调指标

3.1.1坝体沉降协调准则

可用下式表示：

(4)

(5)

式中，Si、Si+1—坝体i点、i+1点的沉降，cm；yi、yi+1—坝体i点、i+1点在上下游方向的坐标，cm；xi、xi+1—坝体i点、i+1点在坝轴线方向的坐标，cm；[I]—坝体允许倾度。

3.1.2坝体水平位移协调准则

包括坝体上下游方向位移协调准则和坝体轴向位移协调，可以下式表示：

(6)

(7)

式中,DByi、DByi+1—坝体i点、i+1点在上下游方向水平位移，cm；DBxi+1、DBxi—坝体i点、i+1点在坝轴线方向水平位移，cm；[T]—坝体材料允许变位差。

部分面板坝顺河向沉降倾度[I]和水平变位差[T]汇总见表2[9]。从表2可以看出，大部分面板坝工程通过安全监测得出的顺水流向[I]和[T]小于1%，河谷陡峭、宽高比达到1.19的猴子岩大坝[I]和[T]的计算值和实测值均小于1%。结合大石峡大坝三维有限元计算沉降倾度分布，大石峡大坝坝体分区协调变形控制标准为[I]和[T]均小于1%。大石峡大坝左岸“坝0+000.00m～坝右0+117.50m”段坝基地形起伏，上、下游均产生“细、长、薄”填筑体，特别是上游填筑区厚度0～40m，最大高度247m，开挖坡比缓于1∶1.6，[T]容易超过警戒值1%，建议加强岸坡坝基开挖削坡和填筑处理，防止薄层填筑体与岸坡形成两张皮。

表2 部分面板堆石坝顺河向沉降倾度[I]和水平变位差[T]汇总表

3.2 坝体填筑区与岸坡的变形协调控制指标

3.2.1堆石体与岸坡相交处变形协调控制指标

国内部分面板堆石坝坝轴向沉降位移、水平位移典型特征值及沉降倾度[I]、水平变位差[T]详见表3。由表3可以看出，大部分工程通过实测数据得出的面板堆石坝坝轴向[I]和[T]小于1%，其中宽高比达到1.74的九甸峡大坝的[I]约为1.2%，河谷陡峭、宽高比(1.19)最小的猴子岩大坝坝轴向[I]和[T]的实测值小于1%。大石峡大坝宽高比为2.33，三维有限元计算分析得出，除了蓄水期坝轴向的[I]达到1.1%，略微大于1%，其他[I]值和各工况下的[T]均小于1%。鉴于大石峡、九甸峡大坝河谷狭窄，两岸陡峭，坝壳填筑区填筑料变形模量系数均大于1000，但是其[I]均为1.1%～1.2%。虽然通过现代碾压设备，筑坝料压实度提高，变形模量系数提高，且大石峡大坝两岸高陡岸坡设置了增模胶凝砂砾石分区料，减小该部位总的变形量和不均匀变形梯度。因此大石峡大坝坝轴向[I]和[T]均按照1%控制。

表3 部分面板堆石坝坝轴向沉降倾度[I]和水平变位差[T]汇总表

3.2.2面板垂直缝和水平缝位移控制指标

采用考虑坝高和河谷性状影响的面板垂直缝位移特征值CDv，计算公式为：

(8)

式中，Dv—面板垂直缝位移，mm；Hmax—最大坝高，m；αmax—最陡段岸坡坡角。

天生桥一级坝的CDv为1.60×10-4，珊溪大坝垂直缝位移特征值CDv为0.94×10-4，水布垭、洪家渡、紫坪铺和马鹿塘二期等其余已建的面板堆石坝的CDv为(0.06～0.67)×10-4，在建的大石峡(采用灰岩筑坝料)、玉龙喀什(采用花岗岩筑坝料)大坝垂直缝位移特征值CDv为(0.19～0.55)×10-4，大部分面板堆石坝垂直缝位移特征值均比天生桥一级坝和珊溪小，这说明提高堆石坝体的填筑密实度和变形模量，减小堆石坝体的变形，从而会减小面板垂直缝位移特征值。根据大石峡大坝计算分析的垂直缝位移值，结合类比工程成果，大石峡面板堆石坝垂直缝位移特征值CDv控制在0.8×10-4之内。

3.2.3周边缝变形安全控制指标

采用考虑坝高和岸坡等影响因素的周边缝位移特征值，计算公式为：

(9)

(10)

式中，Ds—周边缝位移的合位移；O、S、T—周边缝张开位移、沉降和剪切位移，mm；H—坝高，m；αmax—最陡段岸坡坡角。

考虑坝高和岸坡坡角对周边缝剪切位移影响，周边缝位移特征值CDs较好地表征了堆石坝体变形对周边缝位移的影响程度。坝高在100m以上的CDs

为(0.14～2.84)×10-4，猴子岩、水布垭、天生桥一级等特高坝的CDs为(1.07～2.00)×10-4，巴贡、江坪河等特高坝的CDs为(0.14～0.41)×10-4，根据计算分析得出的周边缝成果，预估大石峡和玉龙喀什CDs为(0.50～0.72)×10-4。因此建议大石峡大坝周边缝位移特征值CDs控制在1×10-4之内。

国内面板堆石坝工程实测周边缝最大张开位移1.8～20.92mm，最大沉降位移3.09～49.38mm，最大剪切位移1.74～43.7mm，三向变位均小于50mm。

水布垭接缝止水研究结果表明，铜止水的鼻宽d为30mm、鼻高H为105mm、铜片厚度t为1.0mm，在张开50mm、沉陷100mm和剪切50mm接缝位移作用下不会破坏。

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，经计算分析并考虑一定的安全裕度，周边缝三向变位分别按沉降100mm、张开50mm和剪切65mm控制，小于已建猴子岩面板坝沉降100mm、张开100mm和剪切65mm的控制指标，目前的止水结构和工艺完全能够适应大石峡250m级高面板砂砾石坝的接缝止水结构的设计要求。

3.3 面板与垫层的变形协调控制指标

根据猴子岩、黔中平寨、溧阳上库等面板堆石坝面板与垫层脱空、错动变形及蓄水情况，当面板脱空-20～10mm、错动变形-3～10mm时，面板与垫层接触良好，水库正常蓄水、面板渗漏小，因此建议大石峡面板坝的面板与垫层脱空指标控制在-20～10mm，错动变形控制在-3～10mm之内。

4 渗流安全控制指标

4.1 渗透稳定

已建的150～200m级高混凝土面板坝混凝土面板顶部厚度大多为0.3m，厚度渐增梯度0.0035左右，正在建设和刚竣工的200m级高混凝土面板坝混凝土面板，其顶部厚度0.4～0.5m，渐增梯度0.0035，底部厚度在1.1m左右，水力梯度在185～200之间，均没有超过规范规定的高限200。大石峡面板坝面板最大水力梯度为182，面板水力梯度处于150～200m级高混凝土面板坝面板水力梯度平均值，处于200m级高混凝土面板坝高混凝土面板坝面板水力梯度下限，因此其安全富裕度较大。

150～200m级高面板坝趾板水力梯度通常在3～20范围之内。大石峡面板坝工程混凝土趾板水力梯度4.0～17.1，小于新鲜微风化基岩允许水力梯度不大于20，处于150～200m级高面板坝趾板水力梯度常规取值范围之内。

我国近期中、高面板堆石坝垫层区(2A)具有下列共同特性：

(1)垫层区水平宽度2～5m，以3、4m为多，约占一半以上；坝高不小于150m的高坝垫层区水平宽度大多为4m。

(2)垫层料的渗透系数大多为1×10-3～10-4cm/s，只有个别的工程是1×10-2cm/s。寒冷地区存在冻胀问题，水库水位变化速度快且变幅大，为保证面板稳定，垫层区应有较好的排水性能，因此其渗透系数宜为1×10-2～10-3cm/s。

(3)高面板坝垫层料允许渗透坡降为1～40。

大石峡垫层区等宽布置，水平宽度5m，居于高面板坝垫层宽度上限。大石峡面板坝工程垫层料渗透稳定试验得出，渗流方向自下而上，其临界坡降2.17，根据工程重要性，按照渗透坡降安全系数k在2～3考虑，允许坡降为0.70～1.0，安全考虑采用0.70；渗流方向自上而下，其破坏坡降≥110.7，按照安全系数2～3，允许坡降为35～55，安全考虑允许坡降采用40。

4.2 渗漏量控制指标

目前对大坝渗流量大小没有统一界定，工程常从以下3个方面分析渗流量是否满足工程安全：

(1)是否满足坝体和坝基渗透稳定。

(2)坝体和坝基每秒总渗流量通常应小于入库多年径流量的1%。

(3)两岸绕坝渗流不危及大坝左右岸下游山体边坡稳定。

坝高200～250m级面板堆石坝渗流量控制标准详见表4，由表4可以看出，坝高200～250m级面板坝每秒总渗流量通常应小于入库多年径流量的1%，甚至远小于最枯月径流量的1%。大石峡在正常蓄水位情况下坝址区域总渗漏量73.72L/s，占多年平均径流的0.05%，占最枯月平均径流0.30%，大坝渗漏总量与入库径流比重很小，说明大石峡坝基和两岸防渗标准安全富裕度大。目前各高坝渗漏量统计平均值为65.7L/s，大石峡混凝土面板砂砾石坝在正常蓄水位下的总渗漏量为73.72L/s，略高于高面板坝渗流量平均值。

表4 坝高200～250m级面板防渗下面板堆石坝渗流量控制标准表

5 地震震陷安全控制指标

虽然地震具有不确定性，我国大陆内地震主要发生在西南和西北。结合紫坪铺、碧口、水牛家和跷碛4座大坝经历强震后的震损现象，总结分析特高面板坝动力计算分析和三维振动台试验成果，特高面板坝的震陷率一般为0.16%～0.65%，平均震陷率0.40%。对于坝高100～200m的面板堆石坝，沉陷率普遍在0.6%以上，而面板砂砾石坝的沉降率基本上不超过0.6%。从震陷变形协调控制角度，大石峡面板砂砾石坝的震陷率应不超过0.8%；从坝顶超高角度考虑，坝顶震陷率采用1.2%。

6 耐久性控制指标

6.1 设计使用年限和耐久性指标关系

除了港珠澳大桥工程设计合理使用年限为120年以外，我国水利以外其他土木行业工程设计使用年限最高为100年，其配套的混凝土耐久性设计规范或标准适用年限也是不超过100年。港珠澳大桥工程除了满足100年使用年限的耐久性指标外，针对工程运行海水环境，在氯离子扩散系数、透气性和电阻率等方面提出更高要求。虽然现有规范[11]规定了Ⅰ等水库工程合理使用年限为150年，但是仅明确提出合理使用年限100年以下耐久性指标，没有提出合理使用年限150年的耐久性指标。目前系统研究使用年限150年的耐久性设计和标准的水利工程还很少，目前仅先通过大石峡混凝土耐久性试验初步成果，先判断大石峡混凝土试验材料和混凝土是否能达到100年使用年限的标准要求，然后再类比行业规范和工程案例成果，尽可能提出使用年限150年的耐久性指标或大石峡进一步开展研究的试验建议。

6.2 合理使用年限100年的设计安全控制指标

为满足合理使用年限100年，大石峡面板坝混凝土中的氯离子含量不应大于0.06%；混凝土天然砂砾石骨料具有潜在有害的碱-硅酸反应，混凝土掺入粉煤灰掺量不低于25%后，混凝土碱活性抑制效果显著。使用碱活性骨料配制混凝土时，水泥碱含量不宜大于0.60%；掺和料宜优先采用粉煤灰，粉煤灰宜采用Ⅰ级或Ⅱ级的F类粉煤灰，碱含量不宜大于2.00%，混凝土中最大总碱量限制2.5kg/m3。F类粉煤灰游离氧化钙含量≤1.0%，C类粉煤灰游离氧化钙含量≤4.0%。面板混凝土等级：一期面板，C9035W12F200，二期、三期面板，C9035W12F300，采用二级配，极限拉应变不小于100×10-6，极限压应变不小于900×10-6；高趾墩混凝土等级最终取为迎水面C30W10F100(二)和内部C25W10F100(三)。面板和高趾墩混凝土等级均比规范规定提高一个等级，混凝土等级耐久性设计有安全富裕度。早期混凝土抗裂等级处于L-Ⅳ，单位面积上的总开裂面积100mm2/m2≤C<400mm2/m2；后期混凝土抗碳化等级可处于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年的安全控制指标和使用措施

考虑到面板和趾板渗径短、高趾墩长期处于水下无法检修，为了本工程合理使用年限由100年提高到150年，大石峡面板和高趾墩混凝土不采用具有碱活性的天然骨料；面板和趾板混凝土宜掺膨胀剂和纤维，早期混凝土抗裂等级处于L-Ⅴ，单位面积上的总开裂面积C<100mm2/m2，后期混凝土抗碳化等级处于T-Ⅴ，碳化深度d<0.1mm。

目前寒冷地区面板防冰冻常采用涂刷涂层材料弱化冰冻粘结力、加热融冰及面板混凝土增柔增韧性能等措施。大石峡拟采用聚脲对面板进行耐久性防护，招标和施详阶段仍需开展物理实验进行对比分析研究，提出适应大石峡高面板坝寒冷、水位变幅大地区的混凝土耐久性、防冻害涂层材料。

从弱化止水结构与冰冻结粘结力、改善止水结构附近水域温度分布等方面提升止水结构抗冰冻性能，下一步拟开展止水结构抗冰冻措施。

7 结语

鉴于现有已建特高土石坝不超过10座，已建的特高面板坝仅有水布垭、猴子岩、江坪河、巴贡(西北院设计)等，经历强震的150m级以上的面板坝仅有紫坪铺一座，研究提出的大石峡特高土石坝设计控制指标明显具有工程自身特点，目前还不能发展成为设计安全标准。特别是大石峡大坝河谷左右岸和上下地形均不对称，河谷狭窄，坝体变形协调问题突出，坝体变形协调控制指标还在探索，将会随着大石峡大坝施工和蓄水过程中监测数据和反演分析成果进行逐步完善。提出的大石峡设计安全控制指标，不仅有利于指导大石峡特高土石坝安全建设和运行管理，同时为补充完善特高坝设计的规范条文提供参考。