馬洪玉

(新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

1 工程概況

玉龍喀什水利樞紐工程位于和田河支流玉龍喀什河中游河段上，壩址位于新疆和田地區(qū)和田縣，距和田市約95km。水庫(kù)總庫(kù)容5.36億m3，電站總裝機(jī)容量200MW，為Ⅱ等大(2)型工程，是玉龍喀什河山區(qū)河段的控制性水利樞紐工程，主要建設(shè)任務(wù)是在保證向塔里木河下泄生態(tài)水量目標(biāo)的前提下，通過與烏魯瓦提水利樞紐聯(lián)合調(diào)度，以調(diào)控生態(tài)輸水、灌溉補(bǔ)水為主，結(jié)合防洪，兼顧發(fā)電等綜合利用。工程由攔河壩、泄水建筑物(表孔溢洪洞、中孔泄洪洞、1#和2#深孔放空沖沙洞)、發(fā)電引水洞、地面廠房及過魚建筑物等主要建筑物組成。最大壩高233.5m，壩型為混凝土面板堆石壩，壩址區(qū)基本烈度為8度，大壩設(shè)計(jì)地震采用100年超越概率2%，峰值加速度為411g，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480g，是目前國(guó)內(nèi)200m級(jí)以上設(shè)計(jì)地震動(dòng)峰值加速度最高的面板壩。

2 窄深河槽處理方案選擇

2.1 窄深河床主要地形地質(zhì)條件

該工程面臨“復(fù)雜氣候特點(diǎn)、復(fù)雜地形地質(zhì)條件、超高壩、高震區(qū)和多沙”等多重復(fù)雜條件，其中壩址區(qū)窄深河槽是復(fù)雜地形條件的典型特征之一，具體表現(xiàn)為：工程壩址區(qū)河谷型態(tài)為“V”型河谷嵌套窄深河槽，河谷深300～1200m，谷底寬100～300m，高程2000～2020m以下河槽深切，槽底寬15～25m，岸邊河拔高一般30～45m，兩岸常形成近直立的陡崖。河床趾板區(qū)域窄深槽形態(tài)尤為突出，槽寬20～40m，左岸為河拔高40～45m的基巖陡坡，坡度60°～75°；右岸為河拔高30～40m的基巖陡坡，坡度55°左右；河谷形態(tài)如圖1所示。河床覆蓋砂礫石層，厚約23m，寬10～25m，兩側(cè)推測(cè)出露基巖坡度70°～80°，表部5～8m左右結(jié)構(gòu)松散，以下結(jié)構(gòu)中密-密實(shí)。河床下伏基巖為二云母石英片巖，屬中硬巖，強(qiáng)風(fēng)化層厚2～3m，弱風(fēng)化層厚12～15m。

圖1 河床趾板區(qū)河谷典型型態(tài)橫剖面

2.2 國(guó)內(nèi)外窄深河槽處理典型工程實(shí)例

目前，針對(duì)深切河槽地形的200m級(jí)面板堆石壩布置，普遍采用將趾板直接坐落于河槽基巖，或者采用河床趾墩修補(bǔ)缺失地形的方式，以下對(duì)國(guó)內(nèi)外3座200m級(jí)面板堆石壩、河槽采用趾墩方式修補(bǔ)缺失地形的類似工程進(jìn)行介紹。

冰島Karahnjukar混凝土面板壩[1]2009年建成，最大壩高198m。大壩位于強(qiáng)震區(qū)，采用玄武巖堆石料，上游壩坡1∶1.3，下游布置2級(jí)馬道，壩坡1∶1.25。河床呈典型的深槽地形，寬約60m，深40～60m，兩岸陡立，覆蓋層厚約10m，在河槽內(nèi)設(shè)40m高的重力式向上游形成犄角狀的高趾墩，趾板建于其頂部。

秘魯Chaglla混凝土面板壩[2]2017年建成，最大壩高211m。大壩位于地震區(qū)，上游采用砂礫料，下游采用灰?guī)r堆石料，上游壩坡1∶1.6，下游布置13級(jí)馬道，綜合壩坡1∶1.8。河床狹窄，覆蓋層厚約10m，施工期基于該特點(diǎn)，在河床設(shè)20m高的重力式趾墩，趾墩上游面直立，下游1∶2，趾板建于其頂部。

新疆大石峽混凝土面板壩[3]2020年主體工程開工建設(shè)，最大壩高247m。大壩位于強(qiáng)震區(qū)，壩體中部采用砂礫料，上下游側(cè)采用灰?guī)r堆石料，上游壩坡1∶1.6，下游布置12級(jí)馬道，綜合壩坡1gf∶1.76。河床呈深槽地形，寬40～60m，深約20m，覆蓋層厚7～10m，在河床設(shè)35m高的重力式高趾墩，趾墩上游面1∶0.3，下游1∶0.9，趾板建于其頂部。

2.3 窄深河槽處理方案擬定

針對(duì)超高面板堆石壩窄深河槽處理，我國(guó)專家也有非常深的研究，同時(shí)，有很多類似成功經(jīng)驗(yàn)值得分享與借鑒。如朱晟等人[4]研究表明，深“V”型河谷引的拱效應(yīng)，會(huì)導(dǎo)致河床壩段兩壩肩以下的面板下部的堆石應(yīng)力減小，模量降低，從而導(dǎo)致運(yùn)行期時(shí)，該部位的混凝土面板變形量增加較為明顯，對(duì)面板應(yīng)力控制不力。陳生水等人[5]、楊澤艷等人[6]、孔憲京等人[7]以紫坪鋪面板堆石壩為例，分析了高混凝土面板堆石壩的地震響應(yīng)，并結(jié)合震害調(diào)查結(jié)果分析了高混凝土面板堆石壩的地震損傷機(jī)理。地震導(dǎo)致岸坡附近左右壩段堆石體向河谷中央位移，致使岸坡附近面板垂直接縫發(fā)生拉伸破壞，河床中部垂直接縫及附近混凝土面板發(fā)生擠壓破壞。王國(guó)輝等人[8]在狹窄河谷采用超硬巖填筑高混凝土面板堆石壩，為減小大壩變形和不均勻變形，從河谷形狀、壩體填筑標(biāo)準(zhǔn)、壩體分區(qū)、碾壓機(jī)具及碾壓工藝、施工以及面板設(shè)計(jì)等幾個(gè)方面進(jìn)行了深入研究，提出一套適用于狹窄河谷高面板堆石壩的變形控制措施。張巖等人[9]考慮猴子巖大壩壩址河谷最為狹窄，在設(shè)計(jì)與施工規(guī)劃過程中采取河床深槽部位回填混凝土、兩岸壩肩設(shè)置特殊墊層區(qū)、預(yù)留足夠沉降期、提高堆石體的壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)、面板設(shè)置永久水平縫等多項(xiàng)工程措施控制拱效應(yīng)[10- 11]。

根據(jù)玉龍喀什河床趾板區(qū)深“V”型河谷地形地質(zhì)條件，壩體與岸坡連接部位的周邊縫變形協(xié)調(diào)問題較為突出，為更好地論證面板與河床壩基防滲體連接的合理性和可靠性，本工程在前人的研究成果基礎(chǔ)上，位于窄深河槽處也采用回填混凝土的形式，以修補(bǔ)河谷地形、減小河床與岸坡變形協(xié)調(diào)為前提，結(jié)合200m級(jí)面板堆石壩窄深河槽處理實(shí)例，擬定了常規(guī)趾板方案、低趾墩方案和高趾墩方案，各個(gè)方案局部典型剖面如圖2所示，對(duì)3個(gè)方案進(jìn)行綜合比較分析后確定窄深河槽處理方案。

2.3.1河床常規(guī)趾板方案

河床趾板基礎(chǔ)置于覆蓋層底部弱風(fēng)化基巖上，趾板底面開挖高程1945.0m，最大壩高230.5m，趾板線長(zhǎng)870m，該方案主要影響高程2045.0m以下壩體分區(qū)變化，自上游至下游為上游蓋重區(qū)、上游鋪蓋區(qū)、面板、趾板、墊層增模區(qū)、過渡區(qū)、堆石區(qū)。上游蓋重區(qū)位于分區(qū)上游，頂高程2045m，頂寬10m，上游坡比1∶2；上游鋪蓋區(qū)位于面板上游，頂高程2045m，頂寬8m，上游坡比1∶1.7；墊層增模區(qū)位于面板下游，頂高程2045m，頂寬5m，1980m以上傾向上游坡比1∶1.3，1980m至1962m傾向下游坡比1∶1，1962m以下河床內(nèi)水平填筑至壩軸線；過渡區(qū)位于增模區(qū)下游，頂高程2045m，頂寬5m，1980m以上傾向上游坡比1∶1.2，1980m至1967m傾向下游坡比1∶1，河床增模區(qū)以上填筑厚度5m；堆石區(qū)位于過渡區(qū)下游。

圖2 不同方案局部典型剖面圖

2.3.2河床低趾墩方案

為解決河槽底部覆蓋層以下更窄河槽地形缺失問題，趾墩頂高程與覆蓋層頂基本平齊，趾墩兩端頭置于基巖弱風(fēng)化層中部，并結(jié)合兩岸趾板線布置，使其相對(duì)平順。河床覆蓋層1965.0m高程以下深槽設(shè)置混凝土趾墩，趾板置于趾墩頂部，與河床部位面板銜接。趾墩底面開挖高程為1942.0m，最大壩高233.5m，趾板線長(zhǎng)825m。該方案與常規(guī)趾板方案不同之處主要在于1965.0m河床趾板以下設(shè)置低趾墩，趾墩下游側(cè)至壩軸線采用C10混凝土對(duì)河槽基礎(chǔ)進(jìn)行填補(bǔ)整平至1965m。

低趾墩為混凝土重力式結(jié)構(gòu)，軸線平行壩軸線，墩高23m，橫河向長(zhǎng)度31.8m，頂寬20m，上游坡比1∶0.3，下游坡度1∶0.85。趾墩采用C9025F150W10三級(jí)配混凝土，設(shè)一道縱縫，縫面設(shè)置兩道銅止水。趾墩頂部高程1965.0m以上混凝土趾板寬15m、厚1.5m，趾板基礎(chǔ)與高趾墩頂面連接層面按施工縫處理。

2.3.3河床高趾墩方案

河谷整體“V”型河槽1985.0m高程以下設(shè)置混凝土趾墩，此段趾板建基要求同低趾墩方案，趾板線長(zhǎng)789m，該方案同低趾墩方案不同之處在于趾墩下游1985m至1962m設(shè)置膠凝砂礫石區(qū)，頂寬30m，下游坡比1∶3，坡下游側(cè)設(shè)置墊層料及過渡料，水平寬度分別為13.5m及9.5m。

高趾墩結(jié)構(gòu)為混凝土重力式結(jié)構(gòu)，墩頂高程1985.0m，墩高43m，橫河向長(zhǎng)度77m，頂寬17m，上游坡比1∶0.3，下游坡度1∶0.85。趾墩采用C9025F150W10三級(jí)配混凝土，設(shè)兩道縱縫，縫面設(shè)置兩道銅止水。趾墩頂部高程1985.0m以上趾板寬12m，厚1.2m，布置在墩頂上游側(cè)，趾板基礎(chǔ)與高趾墩頂面連接層面按施工縫處理，趾墩兩側(cè)端頭與左右岸趾板平順銜接。

2.4 方案比較

2.4.1地形地質(zhì)適應(yīng)性比較

常規(guī)趾板方案受地形影響較大，河床趾板位于河床弱風(fēng)化上限，趾板前緣有F4斷層通過，河床窄深，為改善面板及其接縫止水結(jié)構(gòu)受力和變形條件，需盡量平順兩岸及河床趾板布置，從而導(dǎo)致兩岸趾板及其下游墊層、過渡料區(qū)開挖量較大；低趾墩方案將覆蓋層以下深槽采用趾墩修補(bǔ)，趾墩位于河床弱風(fēng)化中上部，利用河床右岸基巖階地，適當(dāng)改善深河槽問題；高趾墩方案結(jié)合深河槽地形全斷面布置，能夠較徹底的解決“V”型河槽地形缺失問題。從適應(yīng)地形地質(zhì)條件比較，高趾墩方案較優(yōu)。

2.4.2河谷區(qū)趾板及壩體結(jié)構(gòu)布置比較

從趾板線布置與面板受力狀況比較，常規(guī)趾板方案上、下趾板布置不平順，對(duì)面板受力最為不利；高趾墩方案趾墩布置于河床，充分利用趾墩對(duì)深河槽的改造抬高河床趾板基礎(chǔ)，改善左右岸1985.0m高程上、下趾板布置的平順度，以及面板的受力狀況，同時(shí)，趾墩基礎(chǔ)遠(yuǎn)離F4斷層，基本消除了F4斷層的影響；低趾墩方案介于兩者之間。

河床段壩體結(jié)構(gòu)分區(qū)比較，常規(guī)趾板方案分區(qū)簡(jiǎn)單，受力及變形狀態(tài)明確；低趾墩方案趾墩下游側(cè)布置基礎(chǔ)找平區(qū)，受力及變形狀態(tài)較明確；高趾墩方案趾墩下游側(cè)分區(qū)較復(fù)雜，設(shè)置了基礎(chǔ)找平區(qū)和膠凝砂礫石區(qū)，減小了深河槽對(duì)面板下部壩體變形拱效應(yīng)約束的影響，整體變形協(xié)調(diào)可控。綜合比較，高趾墩方案趾板布置較平順，壩體變形可控、面板受力狀況較優(yōu)。

2.4.3面板長(zhǎng)度及運(yùn)行檢修影響

常規(guī)趾板方案最長(zhǎng)面板406.6m，低趾墩方案最長(zhǎng)面板370.5m，高趾墩方案最長(zhǎng)面板334.5m，相對(duì)常規(guī)趾板分別相差36.1、72.1m，面板縮短比率為9%、18%。不同長(zhǎng)度的面板在相同填筑標(biāo)準(zhǔn)及荷載作用下的變形不同，較短的面板變形小，可改善面板受力狀況，降低周邊縫以及垂直縫的相對(duì)位移，減小止水設(shè)計(jì)難度。同時(shí)河床設(shè)置安全性較高的重力擋墻式趾墩，可避免河槽區(qū)檢修，降低面板檢修難度?；谏鲜鎏攸c(diǎn)，高趾墩方案優(yōu)勢(shì)較明顯。

2.4.4施工條件

從施工條件來(lái)看，三種處理方案在大壩一期填筑時(shí)段略有差異。常規(guī)趾板方案大壩趾板澆筑及大壩填筑無(wú)制約，大壩填筑平齊上升，強(qiáng)度較小且均勻，施工較為便利；低、高趾墩方案較常規(guī)趾板方案差異較大，在混凝土澆筑時(shí)需布置大型設(shè)備進(jìn)行大體積混凝土的澆筑施工，施工布置相對(duì)復(fù)雜，填筑施工受趾墩澆筑限制需分臺(tái)階進(jìn)行，待趾墩澆筑完成后才具備平齊上升條件，大壩填筑強(qiáng)度不均勻。三個(gè)方案僅于壩體填筑前兩年施工強(qiáng)度略有差異，對(duì)工程整體工期無(wú)影響，總體施工進(jìn)度相同。

圖3 有限元計(jì)算網(wǎng)格圖

2.4.5受力計(jì)算分析

壩體變形控制及相應(yīng)面板應(yīng)力狀態(tài)是河床深河槽處理方案的關(guān)鍵核心，為詳細(xì)了解窄深河槽處理方案對(duì)壩體、面板、周邊縫在各工況下的應(yīng)力和變形數(shù)值及其一般規(guī)律，合理地確定窄深河槽處理方案，由中國(guó)水利水電科學(xué)研究院對(duì)面板壩河床深槽處理各方案標(biāo)準(zhǔn)橫剖面進(jìn)行了二維有限元靜、動(dòng)力計(jì)算分析。

為準(zhǔn)確模擬和分析壩體、面板及周邊縫的靜、動(dòng)力變形情況，有限元計(jì)算網(wǎng)格對(duì)上述實(shí)際結(jié)構(gòu)進(jìn)行了較為準(zhǔn)確的刻畫，趾板和面板的外形、周邊縫等都按照實(shí)際情況進(jìn)行了描繪。如圖3所示。根據(jù)非線性靜、動(dòng)力計(jì)算分析的需要，網(wǎng)格剖分和計(jì)算分析根據(jù)實(shí)際的大壩填筑施工次序考慮了逐級(jí)加載過程。為考察水庫(kù)蓄水對(duì)各構(gòu)筑物的影響，本次分析還對(duì)水庫(kù)蓄水至正常蓄水位并達(dá)到穩(wěn)定滲流后的壩體、面板及周邊縫的靜、動(dòng)力應(yīng)力變形進(jìn)行研究。

為考察水庫(kù)蓄水對(duì)各構(gòu)筑物的影響，本次分析還對(duì)水庫(kù)蓄水至正常蓄水位并達(dá)到穩(wěn)定滲流后的壩體、面板及周邊縫的靜、動(dòng)力應(yīng)力變形進(jìn)行研究。各方案靜力工況、設(shè)計(jì)校核地震動(dòng)作用下主要計(jì)算成果見表1—2。

2.4.6比選結(jié)論

通過上述比較，常規(guī)趾板方案壩體結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，施工工藝較為單一，但開挖、填筑工程量略大，趾板長(zhǎng)度及河床面板較長(zhǎng)，受深槽地形影響較大。高趾墩方案較為徹底地解決了窄深河槽地形缺失問題，開挖量略小；趾墩頂高程大于下游水位，施工期可不設(shè)置反向排水；混凝土量、固結(jié)灌漿量等均有所增加，混凝土澆筑及基礎(chǔ)處理時(shí)間略長(zhǎng)；可減小上游趾板總長(zhǎng)度，極大縮短面板長(zhǎng)度，同時(shí)可避開深槽兩岸f4斷層等不利地質(zhì)構(gòu)造。低趾墩方案介于以上兩方案之間，僅能部分解決深槽問題，但趾墩相對(duì)較低，趾墩設(shè)計(jì)要求相對(duì)較低。

對(duì)比常規(guī)趾板方案計(jì)算成果，大壩增設(shè)高趾墩能適當(dāng)減少壩體沉降變形，并改善面板受力情況，有效減小面板的拉應(yīng)力，所以從二維有限元計(jì)算結(jié)果來(lái)看，增設(shè)高趾墩是有利的。

綜合分析，相對(duì)常規(guī)趾板方案和低趾墩方案，大壩增設(shè)高趾墩減小了深河槽對(duì)面板下部壩體變形拱效應(yīng)約束的影響，極大地縮短了面板長(zhǎng)度，改善了面板受力，有效減小面板拉應(yīng)力；極端情況下河槽部位趾墩可認(rèn)為相當(dāng)可靠，不需檢修，極大地降低了水下面板檢查和修復(fù)的難度，較為徹底地解決河床深槽問題；同時(shí)避開河床段不利構(gòu)造f4斷層。雖然高趾墩方案大壩直接費(fèi)略大于常規(guī)趾板，但投資占比僅為大壩直接費(fèi)的1%，本著工程永久運(yùn)行安全考慮，玉龍喀什大壩河床段窄深河槽處理推薦采用高趾墩方案。

表1 正常運(yùn)行期靜力計(jì)算成果匯總

表2 校核地震動(dòng)作用下各方案壩體地震反應(yīng)分析成果

3 結(jié)論

新疆玉龍喀什大壩和世界上已建成的壩高最高的水布埡、正在建設(shè)的世界第一壩高大石峽大壩同為250m級(jí)的高面板堆石壩，壩址處河谷呈“V”型，河槽窄深，兩岸地形不對(duì)稱。本文通過不同方案對(duì)比分析，對(duì)河床段窄深河槽處理采用了帶有高趾墩的復(fù)式結(jié)構(gòu)高面板壩型式，更好地彌補(bǔ)了地形缺陷，改善了面板整體應(yīng)力應(yīng)變水平，且在可維修性及抗震安全性方面較常規(guī)趾板方案具有一定優(yōu)勢(shì)，對(duì)控制本工程大壩總體變形更為有利。

然而，增設(shè)高趾墩后，為減小其與壩體堆石料的可變形壓縮高度和沉降變形梯度差，各壩料分區(qū)間盡可能變形協(xié)調(diào)就帶來(lái)了較大挑戰(zhàn)；同時(shí)，目前尚未有已建工程關(guān)于高趾墩墩后堆石體土壓力的監(jiān)測(cè)資料，今后需結(jié)合相關(guān)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)其體型設(shè)計(jì)做進(jìn)一步的驗(yàn)證。依此，為位于窄深河槽處的300m級(jí)面板壩設(shè)計(jì)提供借鑒。