新疆大石峽特高土石壩設計安全標準研究

韓小妹，毛振凱，鄧成進

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

1 概述

自20世紀80年代從國外引進面板堆石壩新型壩型以來，經過多年的發展和技術改進創新，混凝土面板壩的設計和施工方法日趨成熟，混凝土面板壩的建設高度也不斷攀升，20世紀末、21世紀初，國內相繼建成了一批壩高在200m左右的高混凝土面板堆石壩，在混凝土面板堆石壩壩體布置、筑壩材料、止水結構、混凝土面板與趾板設計、壩基處理、施工方法、安全監測和質量控制等方面的關鍵技術都有了長足的進步。國內已經制定了面板堆石壩的設計相關規范[1- 4]只適用于壩高200m以下土石壩設計安全標準。國內水力水電工程界和學者從風險控制、可靠指標、面板壩材料、結構應力特性和施工技術等方面研究特高面板壩的設計標準、安全性和關鍵技術[5- 10]。

特高土石壩工程設計經驗少。截止2020年，我國已建及規劃中的200m以上的特高土石壩有10余座，目前土心墻堆石壩已經發展到300m級，而已建面板壩壩高僅發展到233m級，壩高233m至250m級面板壩僅為在建的大石峽面板壩，壩高增加了約20m左右。目前國內已建最高面板砂礫石壩為吉林臺壩，壩高157m，大石峽面板砂礫石壩較吉林臺壩跨越達90m，壩高量級直接跨到250m級。國內在建的最高面板砂礫石壩為阿爾塔什面板壩，最大壩高164.8m，覆蓋層厚90m，加上覆蓋層厚度阿爾塔什實際上已經達到250m級。國外最高的混凝土面板砂礫石壩為秘魯的查戈拉面板壩，最大壩高211m，第二高為墨西哥的阿瓜密爾帕面板壩，最大壩高187m。

大石峽大壩自身特點突出。大石峽工程河谷系數2.4、右岸1/2壩高處發育古河槽、彎曲河道左凸右凹、河谷地形不對稱等引起大壩壩軸向變形協調問題突出。工程場地地震基本烈度為Ⅶ，大壩設防標準及抗震措施均需要專門研究。大壩主要筑壩材料為天然砂礫料，天然砂礫料級配不均一、離散性明顯，壩體滲透安全穩定標準非常重要。本工程河谷狹窄，上游高趾墻高35m，高趾墻高度處于前列，高趾墻背后承受200m以上土壓力，高趾墻抗滑抗傾等安全穩定尤為重要。

鑒于國內土石壩相關設計規范和施工規范不完全適用于壩高247m的大石峽特高壩，而大石峽地處自然環境、地形地質條件等特殊性，引起面板砂礫石壩特有的安全問題。大石峽水利樞紐工程于2019年11月已經河床截流，目前正在開展基礎開挖和基礎防滲工作，大壩填筑工程還未開展。因此，有必要總結大石峽開展的前期設計研究項目成果和技施階段已經開展的部分現場試驗成果，再結合國內外已建200m級特高土石壩(含面板壩)工程實踐、在建和規劃特高土石壩科研試驗研究成果及設計經驗，類比分析國內外土石壩設計規范要求，從整體安全、穩定安全、結構安全等3個層次方面進一步研究大石峽250m級特高土石壩安全標準。

2 建筑物級別、洪水標準

大石峽水利樞紐工程水庫總庫容11.7億m3，總灌溉面積680.7萬畝，工程承擔灌溉、防洪和發電等綜合利用任務的水利樞紐工程，最大壩高247m，電站總裝機容量750MW，根據總庫容和灌溉面積確定大石峽水利樞紐工程等別為Ⅰ等大(1)型工程，相應混凝土面板壩級別為1級。

SL 44—2006《水利水電工程設計洪水計算規范》規定，對大型工程或重要的中型工程，用頻率分析法計算的校核標準設計洪水，應對資料條件、參數選用、抽樣誤差等進行綜合分析檢查，如成果有偏小可能，應加安全修正值，修正值不宜超過計算值的20%。

大石峽壩址所處的庫瑪拉克河流域干流全長293km，其中境外河長188km，境內河長105km。控制站協合拉水文站以上集水面積12816km2，其中冰川覆蓋率接近25%，冰川融水量33.93億m3。我國境內集水面積2170km2，占總集水面積的17%，見表1[10]。在我國境內主要支流有阿合奇河、英沿河、鐵木爾蘇河。

表1 庫瑪拉克河流域各區間面積表[10] 單位：km2

根據零度層高度和降水資料統計，阿克蘇地區海拔高度在4000m以上的山區降水在6—9月多為固態降水。因此扣除海拔高度在4000m以上的流域面積，協合拉水文站到海拔4000m之間的流域面積為8206km2，該流域面積內平均海拔高程為3375m。

由庫瑪拉克河協合拉水文站實測年最大流量前23位的洪水資料統計，洪水出現在7月、8月和9月分別有12年、10年和1年。根據氣象成因，對庫瑪拉克河流域前23年位洪水分析后認為，洪水可分為3種類型：暴雨融雪混合型洪水、升溫融雪(冰)型洪水、冰川阻塞湖潰決洪水；其中，23場洪水中發生暴雨融雪混合型洪水9次、升溫融雪(冰)型洪水11次、冰川阻塞湖潰決洪水3次(1956年無資料)。冰川阻塞湖潰決洪水是庫瑪拉克河流域最嚴重的洪水類型，成因主要是冰川阻塞湖將其上游的夏季大量冰川融水蓄集起來，受氣溫變化的影響，湖內冰下通道迅速擴大，大量洪水急速排出。

從已建、在建的200m以上高土石壩(大庫)的設計和校核洪水設計標準(見表2)[11]來看，各工程根據不同的典型年洪水推求的PMF洪水成果是不同，幾乎全部按照規范GB 50201和SL 252規定的1級土石壩設計和校核洪水的高限選取，如兩河口大壩根據1985年推求的PMF洪水成果，是頻率P=0.01%的洪水成果1.2倍。

表2 國內已建、在建的200m以上高土石壩洪水設計標準

由于大石峽水利樞紐下游存在溫宿縣、烏什縣和阿克蘇市等重要防洪對象，考慮可能最大洪水(PMF)成果的不確定性，以及冰川阻塞湖潰決型洪水的不確定性和偶然性，大石峽面板壩按照1000年一遇洪水設計、可能最大洪水(PMF)即10000年一遇加成15%進行校核設計，達到規范的較高標準，其防洪安全是有保障的。

3 抗震設計標準

目前我國土木工程設防標準為“小震不壞、中震可修、大震不倒”。面板壩工程設防類別為甲類的水工建筑物，在基本烈度的基礎上提高1度作為設計烈度。國內已建、在建200m以上高土石壩設防地震情況見表3[11]。大石峽面板壩的設防烈度為Ⅷ度，其設計地震采用100年超越概率2%，峰值加速度為0.365g，校核地震采用最大可信地震即100年超越概率1%，峰值加速度為0.436g，極限抗震能力可為0.55g～0.60g。大石峽土石壩與國內兩河口、糯扎渡等10座特高土石壩的設計地震和校核地震頻率相同，按照上述標準開展大壩抗震設計，大石峽大壩抗震安全應是有保障的。

表3 國內已建、在建的200m以上高土石壩設防烈度及加速度

4 大壩安全加高標準

擋水建筑物為當地材料壩且為1級建筑物時，壩頂部安全加高值為：正常運行條件1.5m，非常運行條件0.7m。水利行業工程的非常運行條件下，壩頂部安全加高值為0.7m，相對水電工程加高值1.0m，其安全富裕度較小。

大石峽面板壩建基在基巖上，壩體主堆石采用抗震能力較強的堆石料，地震涌浪高度取1.5m(約為最大壩高的0.6%)；壩頂震陷率取最大壩高的1.2%，地震沉陷約為3.0m，超過目前工程常用1%最大壩高取值，壩頂震陷率1.2%是完全可控的，且具有一定的安全裕度。

大石峽水庫在正常蓄水條件或者校核洪水位下，壩址上游右岸直線距離1.7km處的Ⅳ#變形體A區在暴雨工況條件下處于極限平衡到不穩定狀態。當大石峽水庫正常蓄水位下發生地震時，地震工況和滑坡涌浪疊加時，地震震陷計算值約為1.5m，地震涌浪計算值約為1.24m，滑坡涌浪計算值約為1.86m。從極端災害控制確保涌浪不翻壩考慮，壩前涌浪加高按照水科院經驗公式和潘家錚法兩種方法計算，考慮一定的安全裕度(1.35倍安全系數)，壩前涌浪加高按2.5m考慮。相對羊曲水電站和公伯峽水電站壩前滑坡涌浪高度3.5～3.87m[5]，大石峽水庫壩前滑坡涌浪計算值安全富裕度相對較小。

采用莆田試驗站公式計算波浪爬高，按不同運行工況下計算大石峽面板壩壩頂安全超高，計算結果見表4[12]。

表4 大石峽面板壩壩頂高程計算結果匯總 單位：m

當中孔泄洪排沙洞失靈、失去泄流能力，且電站不參與泄洪的極端情況下，僅由表孔溢洪道分別下泄設計頻率(P=0.1%)洪水，此時對應的壩前水位小于1705m，僅由表孔下泄P=0.01%洪水，此時對應的壩前水位1706m，低于壩頂高程1707m，說明了大石峽壩頂超高能滿足應急情況下泄洪超高。

5 壩坡抗滑穩定安全設計標準

國內、外已建混凝土面板砂礫石壩上游壩坡大多在1∶1.5～1∶1.6之間；已建的水布埡、猴子巖、江坪河、巴貢、三板溪、洪家渡、天生橋等7座200m級的混凝土面板堆石壩，上游壩坡坡比為1∶1.3～1∶1.4，下游壩坡坡比為1∶1.3～1∶1.7。由于大石峽面板壩壩高和設防加速度均處于國內前列，上游壩坡為1∶1.60，下游壩坡綜合坡比1∶1.76。相對國內其他高面板砂礫石壩，大石峽大壩上、下游綜合坡比相對較緩。

國內水布埡、猴子巖、巴貢、阿爾塔什、南俄3、滾哈布奇勒、如美、茨哈峽、古水、馬吉等10座[11]典型特高面板堆石壩的壩坡抗滑穩定安全系數，正常工況下最小值為1.51，竣工期最小值為1.51，地震工況下最小值為1.30；國內糯扎渡、瀑布溝、兩河口、雙江口、長河壩等5座[11]典型特高心墻壩的壩坡抗滑穩定安全系數，正常工況下最小值為1.675，竣工期最小值為1.726，地震工況下最小值為1.34。大石峽面板砂礫石壩各種運用工況上、下游壩坡抗滑穩定安全系數設計標準比規范規定的最小安全系數大0.1，最終確定的最小抗滑穩定安全系數(畢肖普法)，正常運用條件1.60，非常運用條件Ⅰ下1.40，非常運用條件Ⅱ下1.30，抗滑穩定安全系數比SL 274—2020《碾壓式土石壩設計規范》規定的最小安全系數增大了約1.07倍左右，壩坡穩定有安全保證。

6 基礎穩定安全標準

根據壩高200m級面板壩工程類比分析，大石峽大壩趾板建基面根據不同高程擬定于弱風化中下部、上部和強風化底部，高趾墩建基面擬定于弱風化中下部基巖面，堆石體基礎清除表層覆蓋層和危巖體，分部位控制削坡比例和補坡，大石峽大壩各部位建基面控制標準安全富裕度適中。

在建的大石峽、玉龍喀什和羊曲3座大壩[11]面板上游河床部位均布置高趾墩，墻后土壓力各工況按照主動土壓力計算，其高趾墩壩基抗滑整體穩定按照剛體極限平衡分析，采用抗剪斷或抗剪法計算。大石峽大壩高趾墩抗滑穩定系數，基本組合下為7.0，特殊組合Ⅰ下為6.98，特殊組合Ⅱ下為2.43，其抗滑穩定系數均高出重力壩設計規范要求，其抗滑穩定系數相比玉龍喀什和羊曲安全富裕度適中。鑒于通過有限元計算分析得到的竣工期高趾墻后土壓力約為庫倫理論計算得到的主動土壓力的2.05倍，指向上游的順河向變形與高度的比值約為0.556%，小于發生主動應力狀態的位移量(0.1%～0.5%)，建議墩后土壓力按照靜止土壓力復核大石峽面板壩高趾墩的穩定和基底應力。

國內已建200m級高面板壩的防浪墻[5]為“L”或“凵”型，墻高為5～6m。大石峽面板壩上游防浪墻“L”型，墻高為4.7m，墻高在國內已建200m級高面板壩當中是最低的，有利于壩體抗震安全。大石峽防浪墻壩頂“L”型防浪墻抗滑穩定安全系數基本組合下為13.2，特殊組合Ⅰ下為4.87，特殊組合Ⅱ下為1.32；抗傾覆整體系數基本組合下為10.8，特殊組合Ⅰ下為10.55，特殊組合Ⅱ下為3.31；基底應力不均勻系數基本組合下為1.1，特殊組合Ⅰ下為1.28，特殊組合Ⅱ下為2.81，說明了防浪墻抗滑穩定安全系數和抗傾覆整體系數的安全富裕度均大，特殊組合-Ⅱ工況基底應力不均勻系數2.81，超過中等堅實土的應力不均勻系數允許值2.5，建議技施階段復核防浪墻尺寸。

7 筑壩料壓實標準

已建、在建百米級以上混凝土面板砂礫石壩砂礫料相對密度統計見表5[11]，面板砂礫石壩墊層料(反濾料)、過渡料和壩殼砂礫料相對密度一般不小于0.8～0.9[11]。大石峽面板壩墊層料(反濾料)、過渡料和壩殼砂礫料相對密度設計要求(不小于0.9)目前處于國內上限值。結合大石峽大壩砂礫料現場碾壓試驗，從碾壓工藝可行性和控制大壩壩體變形考慮，建議大石峽面板主砂礫石區(3BA)相對密度≥0.91；砂礫料特別碾壓區(3BB)相對密度≥0.92，碾壓遍數比常規(10遍)增加2遍。

表5 已建、在建百米級以上混凝土面板砂礫石壩砂礫料相對密度統計表

已建、在建200m級面板堆石壩工程堆石填筑控制標準見表6[11]。國內面板堆石壩碎石墊層料孔隙率一般不大于15.4%～19%，碎石過渡料孔隙率一般不大于17%～21%，壩殼堆石料孔隙率一般不大于19%～22%[11]。大石峽大壩下游堆石區堆石孔隙率設計要求不大于19%，上游主堆石區堆石孔隙率不大于18%，堆石孔隙率均處于國內上限值。目前僅開展了大壩下游堆石區現場碾壓試驗，建議盡快開展上游主堆石區現場碾壓試驗，驗證孔隙率設計要求。

表6 已建、在建200m級面板堆石壩工程堆石填筑控制標準

壩高100～200m的土石壩[11]筑壩堆石料有軟巖現象，且軟化系數低于0.75，但是已建的壩高200～300m的面板壩[11]筑壩堆石料基本為硬巖，且軟化系數均大于0.75。大石峽筑壩堆石料采用左岸壩頭弱風化微晶灰巖料，飽和抗壓強度>38MPa，屬于硬巖，達到SL 251—2015《水利水電工程天然建筑材料勘察規程》要求，但是軟化系數低于0.75，甚至小到0.57。軟化系數低，滲水后容易產生濕化變形，建議大石峽面板壩上游堆石料，增設豎向排水帶，防止蓄水后濕化變形明顯。

相對國內其他面板壩砂礫料和堆石料級配，大石峽大壩砂礫料細粒含量偏大，接近30%；由于下游堆石區料源裂隙發育，爆破后最大粒徑400mm偏小，下游堆石區流變將會較大，因此建議優化下游堆石區填筑施工組織，提前填筑下游堆石區，預留下游堆石區沉降穩定期。

國內200m級面板壩工程筑壩料碾壓參數見表7[11]。為滿足施工強度和筑壩料壓實度，大石峽大壩的下游堆石區和砂礫料碾壓機械噸位(36t)要求最大，超過國內土石壩目前壓實機械噸位25～32t，攤鋪厚度(86cm)和碾壓遍數(加水8遍，不加水10遍)處于國內土石壩平均設計值。盡管大石峽大壩碾壓機械噸位(36t)最大，但是碾壓機械噸位對壩殼砂礫石料和下游堆石區破碎料影響較小。在36t自行式振動碾下，砂礫石平均破碎率為1.9%，上游主堆石破碎率平均為4.6%，碾壓機械大噸位對壩殼料破碎率影響小。

表7 國內200m級面板壩工程筑壩料碾壓參數

8 結語

雖然我國在特高壩建設方面已經取得了巨大成就，但是也有少量特高面板壩未完全認清自身特點，曾經出現壩體裂縫、滲漏等問題，甚至需要降低庫水位進行維修加固。我國未來還有一批特高壩需要建設，如壩高250～300m茨哈峽、如美、古水等特高面板壩正處于前期設計。總結分析大石峽特高土石壩的設計安全標準，指出了大石峽大壩設計未來研究的問題，有利于指導大石峽特高土石壩安全建設，同時為正處于前期設計的壩高250～300m茨哈峽、如美、古水等特高面板壩安全建設提供參考。