新疆玉龙喀什大坝窄深河槽处理方案选择

马洪玉

(新疆水利水电勘测设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830000)

1 工程概况

玉龙喀什水利枢纽工程位于和田河支流玉龙喀什河中游河段上，坝址位于新疆和田地区和田县，距和田市约95km。水库总库容5.36亿m3，电站总装机容量200MW，为Ⅱ等大(2)型工程，是玉龙喀什河山区河段的控制性水利枢纽工程，主要建设任务是在保证向塔里木河下泄生态水量目标的前提下，通过与乌鲁瓦提水利枢纽联合调度，以调控生态输水、灌溉补水为主，结合防洪，兼顾发电等综合利用。工程由拦河坝、泄水建筑物(表孔溢洪洞、中孔泄洪洞、1#和2#深孔放空冲沙洞)、发电引水洞、地面厂房及过鱼建筑物等主要建筑物组成。最大坝高233.5m，坝型为混凝土面板堆石坝，坝址区基本烈度为8度，大坝设计地震采用100年超越概率2%，峰值加速度为411g，校核地震采用最大可信地震即100年超越概率1%，峰值加速度为480g，是目前国内200m级以上设计地震动峰值加速度最高的面板坝。

2 窄深河槽处理方案选择

2.1 窄深河床主要地形地质条件

该工程面临“复杂气候特点、复杂地形地质条件、超高坝、高震区和多沙”等多重复杂条件，其中坝址区窄深河槽是复杂地形条件的典型特征之一，具体表现为：工程坝址区河谷型态为“V”型河谷嵌套窄深河槽，河谷深300～1200m，谷底宽100～300m，高程2000～2020m以下河槽深切，槽底宽15～25m，岸边河拔高一般30～45m，两岸常形成近直立的陡崖。河床趾板区域窄深槽形态尤为突出，槽宽20～40m，左岸为河拔高40～45m的基岩陡坡，坡度60°～75°；右岸为河拔高30～40m的基岩陡坡，坡度55°左右；河谷形态如图1所示。河床覆盖砂砾石层，厚约23m，宽10～25m，两侧推测出露基岩坡度70°～80°，表部5～8m左右结构松散，以下结构中密-密实。河床下伏基岩为二云母石英片岩，属中硬岩，强风化层厚2～3m，弱风化层厚12～15m。

图1 河床趾板区河谷典型型态横剖面

2.2 国内外窄深河槽处理典型工程实例

目前，针对深切河槽地形的200m级面板堆石坝布置，普遍采用将趾板直接坐落于河槽基岩，或者采用河床趾墩修补缺失地形的方式，以下对国内外3座200m级面板堆石坝、河槽采用趾墩方式修补缺失地形的类似工程进行介绍。

冰岛Karahnjukar混凝土面板坝[1]2009年建成，最大坝高198m。大坝位于强震区，采用玄武岩堆石料，上游坝坡1∶1.3，下游布置2级马道，坝坡1∶1.25。河床呈典型的深槽地形，宽约60m，深40～60m，两岸陡立，覆盖层厚约10m，在河槽内设40m高的重力式向上游形成犄角状的高趾墩，趾板建于其顶部。

秘鲁Chaglla混凝土面板坝[2]2017年建成，最大坝高211m。大坝位于地震区，上游采用砂砾料，下游采用灰岩堆石料，上游坝坡1∶1.6，下游布置13级马道，综合坝坡1∶1.8。河床狭窄，覆盖层厚约10m，施工期基于该特点，在河床设20m高的重力式趾墩，趾墩上游面直立，下游1∶2，趾板建于其顶部。

新疆大石峡混凝土面板坝[3]2020年主体工程开工建设，最大坝高247m。大坝位于强震区，坝体中部采用砂砾料，上下游侧采用灰岩堆石料，上游坝坡1∶1.6，下游布置12级马道，综合坝坡1gf∶1.76。河床呈深槽地形，宽40～60m，深约20m，覆盖层厚7～10m，在河床设35m高的重力式高趾墩，趾墩上游面1∶0.3，下游1∶0.9，趾板建于其顶部。

2.3 窄深河槽处理方案拟定

针对超高面板堆石坝窄深河槽处理，我国专家也有非常深的研究，同时，有很多类似成功经验值得分享与借鉴。如朱晟等人[4]研究表明，深“V”型河谷引的拱效应，会导致河床坝段两坝肩以下的面板下部的堆石应力减小，模量降低，从而导致运行期时，该部位的混凝土面板变形量增加较为明显，对面板应力控制不力。陈生水等人[5]、杨泽艳等人[6]、孔宪京等人[7]以紫坪铺面板堆石坝为例，分析了高混凝土面板堆石坝的地震响应，并结合震害调查结果分析了高混凝土面板堆石坝的地震损伤机理。地震导致岸坡附近左右坝段堆石体向河谷中央位移，致使岸坡附近面板垂直接缝发生拉伸破坏，河床中部垂直接缝及附近混凝土面板发生挤压破坏。王国辉等人[8]在狭窄河谷采用超硬岩填筑高混凝土面板堆石坝，为减小大坝变形和不均匀变形，从河谷形状、坝体填筑标准、坝体分区、碾压机具及碾压工艺、施工以及面板设计等几个方面进行了深入研究，提出一套适用于狭窄河谷高面板堆石坝的变形控制措施。张岩等人[9]考虑猴子岩大坝坝址河谷最为狭窄，在设计与施工规划过程中采取河床深槽部位回填混凝土、两岸坝肩设置特殊垫层区、预留足够沉降期、提高堆石体的压实标准、面板设置永久水平缝等多项工程措施控制拱效应[10- 11]。

根据玉龙喀什河床趾板区深“V”型河谷地形地质条件，坝体与岸坡连接部位的周边缝变形协调问题较为突出，为更好地论证面板与河床坝基防渗体连接的合理性和可靠性，本工程在前人的研究成果基础上，位于窄深河槽处也采用回填混凝土的形式，以修补河谷地形、减小河床与岸坡变形协调为前提，结合200m级面板堆石坝窄深河槽处理实例，拟定了常规趾板方案、低趾墩方案和高趾墩方案，各个方案局部典型剖面如图2所示，对3个方案进行综合比较分析后确定窄深河槽处理方案。

2.3.1河床常规趾板方案

河床趾板基础置于覆盖层底部弱风化基岩上，趾板底面开挖高程1945.0m，最大坝高230.5m，趾板线长870m，该方案主要影响高程2045.0m以下坝体分区变化，自上游至下游为上游盖重区、上游铺盖区、面板、趾板、垫层增模区、过渡区、堆石区。上游盖重区位于分区上游，顶高程2045m，顶宽10m，上游坡比1∶2；上游铺盖区位于面板上游，顶高程2045m，顶宽8m，上游坡比1∶1.7；垫层增模区位于面板下游，顶高程2045m，顶宽5m，1980m以上倾向上游坡比1∶1.3，1980m至1962m倾向下游坡比1∶1，1962m以下河床内水平填筑至坝轴线；过渡区位于增模区下游，顶高程2045m，顶宽5m，1980m以上倾向上游坡比1∶1.2，1980m至1967m倾向下游坡比1∶1，河床增模区以上填筑厚度5m；堆石区位于过渡区下游。

图2 不同方案局部典型剖面图

2.3.2河床低趾墩方案

为解决河槽底部覆盖层以下更窄河槽地形缺失问题，趾墩顶高程与覆盖层顶基本平齐，趾墩两端头置于基岩弱风化层中部，并结合两岸趾板线布置，使其相对平顺。河床覆盖层1965.0m高程以下深槽设置混凝土趾墩，趾板置于趾墩顶部，与河床部位面板衔接。趾墩底面开挖高程为1942.0m，最大坝高233.5m，趾板线长825m。该方案与常规趾板方案不同之处主要在于1965.0m河床趾板以下设置低趾墩，趾墩下游侧至坝轴线采用C10混凝土对河槽基础进行填补整平至1965m。

低趾墩为混凝土重力式结构，轴线平行坝轴线，墩高23m，横河向长度31.8m，顶宽20m，上游坡比1∶0.3，下游坡度1∶0.85。趾墩采用C9025F150W10三级配混凝土，设一道纵缝，缝面设置两道铜止水。趾墩顶部高程1965.0m以上混凝土趾板宽15m、厚1.5m，趾板基础与高趾墩顶面连接层面按施工缝处理。

2.3.3河床高趾墩方案

河谷整体“V”型河槽1985.0m高程以下设置混凝土趾墩，此段趾板建基要求同低趾墩方案，趾板线长789m，该方案同低趾墩方案不同之处在于趾墩下游1985m至1962m设置胶凝砂砾石区，顶宽30m，下游坡比1∶3，坡下游侧设置垫层料及过渡料，水平宽度分别为13.5m及9.5m。

高趾墩结构为混凝土重力式结构，墩顶高程1985.0m，墩高43m，横河向长度77m，顶宽17m，上游坡比1∶0.3，下游坡度1∶0.85。趾墩采用C9025F150W10三级配混凝土，设两道纵缝，缝面设置两道铜止水。趾墩顶部高程1985.0m以上趾板宽12m，厚1.2m，布置在墩顶上游侧，趾板基础与高趾墩顶面连接层面按施工缝处理，趾墩两侧端头与左右岸趾板平顺衔接。

2.4 方案比较

2.4.1地形地质适应性比较

常规趾板方案受地形影响较大，河床趾板位于河床弱风化上限，趾板前缘有F4断层通过，河床窄深，为改善面板及其接缝止水结构受力和变形条件，需尽量平顺两岸及河床趾板布置，从而导致两岸趾板及其下游垫层、过渡料区开挖量较大；低趾墩方案将覆盖层以下深槽采用趾墩修补，趾墩位于河床弱风化中上部，利用河床右岸基岩阶地，适当改善深河槽问题；高趾墩方案结合深河槽地形全断面布置，能够较彻底的解决“V”型河槽地形缺失问题。从适应地形地质条件比较，高趾墩方案较优。

2.4.2河谷区趾板及坝体结构布置比较

从趾板线布置与面板受力状况比较，常规趾板方案上、下趾板布置不平顺，对面板受力最为不利；高趾墩方案趾墩布置于河床，充分利用趾墩对深河槽的改造抬高河床趾板基础，改善左右岸1985.0m高程上、下趾板布置的平顺度，以及面板的受力状况，同时，趾墩基础远离F4断层，基本消除了F4断层的影响；低趾墩方案介于两者之间。

河床段坝体结构分区比较，常规趾板方案分区简单，受力及变形状态明确；低趾墩方案趾墩下游侧布置基础找平区，受力及变形状态较明确；高趾墩方案趾墩下游侧分区较复杂，设置了基础找平区和胶凝砂砾石区，减小了深河槽对面板下部坝体变形拱效应约束的影响，整体变形协调可控。综合比较，高趾墩方案趾板布置较平顺，坝体变形可控、面板受力状况较优。

2.4.3面板长度及运行检修影响

常规趾板方案最长面板406.6m，低趾墩方案最长面板370.5m，高趾墩方案最长面板334.5m，相对常规趾板分别相差36.1、72.1m，面板缩短比率为9%、18%。不同长度的面板在相同填筑标准及荷载作用下的变形不同，较短的面板变形小，可改善面板受力状况，降低周边缝以及垂直缝的相对位移，减小止水设计难度。同时河床设置安全性较高的重力挡墙式趾墩，可避免河槽区检修，降低面板检修难度。基于上述特点，高趾墩方案优势较明显。

2.4.4施工条件

从施工条件来看，三种处理方案在大坝一期填筑时段略有差异。常规趾板方案大坝趾板浇筑及大坝填筑无制约，大坝填筑平齐上升，强度较小且均匀，施工较为便利；低、高趾墩方案较常规趾板方案差异较大，在混凝土浇筑时需布置大型设备进行大体积混凝土的浇筑施工，施工布置相对复杂，填筑施工受趾墩浇筑限制需分台阶进行，待趾墩浇筑完成后才具备平齐上升条件，大坝填筑强度不均匀。三个方案仅于坝体填筑前两年施工强度略有差异，对工程整体工期无影响，总体施工进度相同。

图3 有限元计算网格图

2.4.5受力计算分析

坝体变形控制及相应面板应力状态是河床深河槽处理方案的关键核心，为详细了解窄深河槽处理方案对坝体、面板、周边缝在各工况下的应力和变形数值及其一般规律，合理地确定窄深河槽处理方案，由中国水利水电科学研究院对面板坝河床深槽处理各方案标准横剖面进行了二维有限元静、动力计算分析。

为准确模拟和分析坝体、面板及周边缝的静、动力变形情况，有限元计算网格对上述实际结构进行了较为准确的刻画，趾板和面板的外形、周边缝等都按照实际情况进行了描绘。如图3所示。根据非线性静、动力计算分析的需要，网格剖分和计算分析根据实际的大坝填筑施工次序考虑了逐级加载过程。为考察水库蓄水对各构筑物的影响，本次分析还对水库蓄水至正常蓄水位并达到稳定渗流后的坝体、面板及周边缝的静、动力应力变形进行研究。

为考察水库蓄水对各构筑物的影响，本次分析还对水库蓄水至正常蓄水位并达到稳定渗流后的坝体、面板及周边缝的静、动力应力变形进行研究。各方案静力工况、设计校核地震动作用下主要计算成果见表1—2。

2.4.6比选结论

通过上述比较，常规趾板方案坝体结构相对简单，施工工艺较为单一，但开挖、填筑工程量略大，趾板长度及河床面板较长，受深槽地形影响较大。高趾墩方案较为彻底地解决了窄深河槽地形缺失问题，开挖量略小；趾墩顶高程大于下游水位，施工期可不设置反向排水；混凝土量、固结灌浆量等均有所增加，混凝土浇筑及基础处理时间略长；可减小上游趾板总长度，极大缩短面板长度，同时可避开深槽两岸f4断层等不利地质构造。低趾墩方案介于以上两方案之间，仅能部分解决深槽问题，但趾墩相对较低，趾墩设计要求相对较低。

对比常规趾板方案计算成果，大坝增设高趾墩能适当减少坝体沉降变形，并改善面板受力情况，有效减小面板的拉应力，所以从二维有限元计算结果来看，增设高趾墩是有利的。

综合分析，相对常规趾板方案和低趾墩方案，大坝增设高趾墩减小了深河槽对面板下部坝体变形拱效应约束的影响，极大地缩短了面板长度，改善了面板受力，有效减小面板拉应力；极端情况下河槽部位趾墩可认为相当可靠，不需检修，极大地降低了水下面板检查和修复的难度，较为彻底地解决河床深槽问题；同时避开河床段不利构造f4断层。虽然高趾墩方案大坝直接费略大于常规趾板，但投资占比仅为大坝直接费的1%，本着工程永久运行安全考虑，玉龙喀什大坝河床段窄深河槽处理推荐采用高趾墩方案。

表1 正常运行期静力计算成果汇总

表2 校核地震动作用下各方案坝体地震反应分析成果

3 结论

新疆玉龙喀什大坝和世界上已建成的坝高最高的水布垭、正在建设的世界第一坝高大石峡大坝同为250m级的高面板堆石坝，坝址处河谷呈“V”型，河槽窄深，两岸地形不对称。本文通过不同方案对比分析，对河床段窄深河槽处理采用了带有高趾墩的复式结构高面板坝型式，更好地弥补了地形缺陷，改善了面板整体应力应变水平，且在可维修性及抗震安全性方面较常规趾板方案具有一定优势，对控制本工程大坝总体变形更为有利。

然而，增设高趾墩后，为减小其与坝体堆石料的可变形压缩高度和沉降变形梯度差，各坝料分区间尽可能变形协调就带来了较大挑战；同时，目前尚未有已建工程关于高趾墩墩后堆石体土压力的监测资料，今后需结合相关监测数据对其体型设计做进一步的验证。依此，为位于窄深河槽处的300m级面板坝设计提供借鉴。