白鹤滩水电站特高拱坝设计关键技术研究

徐建荣，何明杰，张伟狄，王建新

（中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，311122，杭州）

一、坝址区工程地质条件

坝址河段长约1.7 km，两岸山体雄厚，正常蓄水位河谷宽449～534 m，宽高比1.8～2.2，坝基岩体为玄武岩，具备高拱坝建设条件。坝址主要工程地质特征为：河谷呈不对称的“Ⅴ”形，右岸山体陡峻，左岸相对较缓；两岸地质条件差异大，右岸岩体弱卸荷带水平深度一般小于50 m，风化卸荷较浅。左岸强卸荷带水平深度一般为20～60 m，最深达 109 m，岩体风化卸荷较深；坝区为倾向南东的单斜构造，各岩流层顶部形成层间错动带，岩流层内则随机发育层内错动带；坝基岩体主要为块状玄武岩，河床部位出露角砾熔岩。坝基中下部出露的柱状节理玄武岩，完整性较差，呈柱状镶嵌结构。坝基地应力大，主应力量值为8～11 MPa，解除围压后柱状节理玄武岩易松弛，其力学指标将降低。

二、深切狭谷中高拱坝枢纽布置

白鹤滩水电站具有 “窄河谷、高拱坝、巨泄量、多机组”的特点，建筑物众多，两岸地形、边坡（坝肩）稳定、泥石流沟、泄洪消能方式、地下引水发电系统等因素，将影响狭窄河谷巨型电站枢纽的布置。

拱坝坝址左岸受边坡内发育的深强卸荷裂隙制约，右岸受深切的大寨沟影响。左岸顺河流方向的深强卸荷裂隙最大水平埋深达109 m，与顺层的层间错动带C3-1及陡倾断层f114构成潜在不稳定块体，无法成为拱坝坝肩抗力体。左岸选择强卸荷块体上游完整山体作为拱坝抗力体，强卸荷不稳定块体远离拱坝抗力体，作为水垫塘边坡，需确保坝肩稳定和边坡稳定。两岸坝肩位置确定后，电站右岸进水口将位于大寨沟出口右侧。大寨沟为大型泥石流沟，采用出口改道的方式，将泥石流排导至上游库内后，排除了泥石流危及右岸电站进水口正常运行的风险。

枢纽最大下泄流量达42300 m3/s，泄洪功率达90000 MW，采用坝身布置表孔与深孔、下游设水垫塘与二道坝、岸边布置泄洪洞的泄水建筑物布置格局与消能方式。右岸无泄洪洞进口布置位置，泄洪洞全部布置于左岸，出口选择离坝址较远且河道较为宽阔的白鹤滩滩地附近，坝身泄洪消能区和泄洪洞泄洪消能区相互独立，克服了狭谷河段水体消能容量不足的困难，避免了下泄水流对两岸高陡深卸荷发育边坡的严重冲刷，有利于枢纽的长期运行安全。

左岸地下厂房地质条件较好，引水发电系统的布置主要保证输水系统尽量顺畅，厂房轴线选择N20°E。层间错动带C2斜切边墙中下部，经抗剪洞置换处理后对厂房洞室围岩稳定的影响得到有效控制。右岸地下厂房位置受拱坝布置和进水口地形条件限制，进水口布置在大寨沟沟口，位置调整的余地较小。第一主应力方向N0°～20°E，厂房轴线选择 N10°W。 尾水隧洞与导流隧洞结合布置，避免了因专设导流隧洞挤占下游有限的出口布置位置，减少了洞身工程量。

三、不对称特高拱坝设计

坝址河谷地形和地质条件均存在不对称性。右岸地形高陡，左岸相对较缓。左岸岩体卸荷深度大于右岸，坝基开挖加剧了两岸地形不对称性。

左岸 665～545 m、右岸 590～545 m段坝基为P2β33第一类柱状节理玄武岩，发育原生柱状节理，为柱状镶嵌结构，其岩体强度、变形模量均低于非柱状节理玄武岩，且开挖易松弛。河床部位出露P2β32-3层角砾熔岩，岩体完整性好，但其厚度仅6～11 m，下部发育P2β32-2第二类柱状节理玄武岩，岩性与第一类柱状节理玄武岩相似。故河床建基面充分利用角砾熔岩，采用了不对称建基面布置，左岸顺角砾熔岩层顶面开挖，作为河床建基面岩体。因此，拱坝中心线偏右岸，左岸半弦长较右岸最大长80 m。左侧拱承载大，而地基条件略弱于右岸。拱坝建基面布置见图1。

图1 拱坝建基面布置示意图（拱轴线剖面）

坝址地形地质的不对称性对拱端推力分布、坝体位移及应力分布均有明显影响，且反映出左岸坝基略弱于右岸的特点。采取了选用对地形不对称适应性更好的椭圆拱圈线形、利用完整性较好的微新角砾熔岩作为河床部位拱坝基础、减小柱状节理玄武岩出露范围、左岸坝顶设置混凝土垫座、适当外移左岸中上部建基面、拱坝中下部及河床部位设置扩大基础等多项综合措施。白鹤滩拱坝体形结构见图2。

图2 白鹤滩拱坝体形结构示意图

四、柱状节理玄武岩坝基防松弛开挖保护

坝基左岸高程665 m以下、右岸高程590 m以下出露P2β33层柱状节理玄武岩，该层柱状节理发育，柱体长度一般 2～3 m，直径 13～25 cm，柱体内发育微裂隙，完整性较差，其变形模量等力学指标相对较低，开挖后易松弛。柱状节理玄武岩工程特性研究甚少，将柱状节理玄武岩作为高拱坝基础更是首次。

围绕柱状节理玄武岩工程特性和应用技术，从柱状节理玄武岩作为特高拱坝坝基可行性、拱坝结构适应性、爆破开挖技术、防松弛保护措施及松弛预测方法等方面开展了大量地质勘探、现场试验和分析研究，形成了“厚层保护、灌浆固结、深层锚固、精准控制爆破”的松弛控制技术体系。左岸同时控制岩体卸荷松弛与错动带剪切变形，采取预留保护层+保护层盖重固结灌浆+预应力锚索的综合处理措施。右岸以控制岩体卸荷松弛为主，采取预留保护层+保护层盖重固结灌浆+锚筋桩预先锚固的防松弛措施。开挖完成后，柱状节理玄武岩松弛层岩体波速3500～4000 m/s，与非松弛岩体相比，波速下降24%～30%，但仍维持原柱状镶嵌结构，未出现松散解体现象，保证了开挖后的高拱坝坝基岩体满足质量要求。

五、强震区高拱坝抗震评价及措施

白鹤滩拱坝依据《中国地震动参数区划图》（GB 18306—2015）、《水电工程水工建筑物抗震设计规范》（NB 35047—2015）进行抗震安全评价，新规范在设计地震动参数、设计反应谱、大坝混凝土及地基岩体动态性能参数以及拱坝动力分析方法、内容和深度等方面均有较大变化，对拱坝抗震提出了更高的要求。

除采用常规方法评价拱坝抗震性能外，深入研究了坝体横缝张合、地基辐射阻尼、拱坝与垫座及地基相互作用、地基软弱结构面组合块体及渗水压力等因素对拱坝抗震性能的影响，采用三维非线性有限元法和地震动力模型试验法进行了多项研究。主要结论为：

设计地震作用下，坝体应力满足要求，仅建基面应力集中区和下游坝面中上部很小区域坝体存在轻微损伤，拱坝、坝肩位移在震后均基本回复到静态位置；坝踵区开裂深度约为大坝底厚10%，尚未达到大坝帷幕；拱坝横缝开度不超过40 mm，不会破坏横缝止水设施。校核地震作用下，大坝地基系统未出现位移突变和工作性态转折性变化。设计、校核地震作用下，拱坝—地基系统整体稳定。拱坝的地震超载能力受两岸坝肩局部块体的稳定控制，大坝—地基系统的抗震超载安全系数不小于1.7。

可见，设计地震作用下的拱坝强度和稳定能够满足抗震设计要求，校核地震作用下的大坝地基系统满足不溃坝的设防目标。鉴于工程重要性和抗震标准高，针对地震响应较大的部位加强了坝体构造设计及基础处理措施，主要包括：优化坝体与扩大基础及垫座的衔接体形，采用强度等级高的混凝土，上下游坝面布置抗震钢筋，加强近坝抗力体锚固，强化软弱结构面置换处理和坝基固结灌浆。

图3 低热水泥与中热水泥混凝土温度应力过程示意图

六、低热水泥混凝土温度控制设计

白鹤滩拱坝是首次全坝应用低热水泥混凝土的300 m级高拱坝。通过系统比较开挖料加工的玄武岩骨料与料场开采的灰岩骨料，选择旱谷地料场灰岩骨料，配制的大坝四级配混凝土C18040 线胀系数为 5～5.5×10-6/℃，热力学性能较优；低热水泥混凝土绝热温升约23℃，与中热水泥混凝土相比，绝热温升降低4～6℃。同时，全面对比中热、低热水泥混凝土力学性能和全过程温控特性，针对低热水泥混凝土早期强度相对较低的特点，提出了加强早期保护和适应干热、大风、温差大的气候特征的保温措施。充分利用低热水泥混凝土发热量相对较低、发热速率较慢的特点，混凝土最高温度得到有效控制。优化调整温控措施后，大坝混凝土各项温控指标控制保证率大大提高，拱坝混凝土抗裂安全系数由1.8提高到2.0。截至目前，大坝已浇筑约460万m3，最大浇筑高度173 m，坝体混凝土未发现温度裂缝。低热水泥与中热水泥混凝土温度应力过程见图3。

七、结 语

白鹤滩水电站是世界上在建规模最大的水电站工程，是国内坝址地形地质条件最为复杂的特高拱坝工程之一。工程建设标准高、要求严，力争实现精品工程、无缝大坝的目标。面对300 m级特高拱坝工程面临边坡深部强卸荷对拱坝布置的重大影响、首次利用柱状节理玄武岩作为拱坝坝基、不对称拱坝体形结构设计、强震作用下高拱坝抗震、首次全坝应用低热水泥混凝土等重大技术难题，白鹤滩建设者完成了大量的勘探、试验、设计、论证等研究工作，取得了丰厚的成果，大量成果具有创新性，为白鹤滩水电站工程建设提供了有力的技术支撑，对拱坝技术发展具有积极的意义，也可为其他工程建设提供参考。