大石门水利枢纽设计若干关键技术问题研究

李 江，柳 莹，杨玉生，3，王晓强，彭兆轩

(1.新疆水利水电规划设计管理局，新疆 乌鲁木齐 830000；2.新疆寒旱区水资源与生态水利工程研究中心，新疆 乌鲁木齐 830000；3.中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 100048；4.新疆水利水电勘测设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830000)

1 概述

新疆深居内陆，高山环列，湿润的海洋气流难以输送，呈现“冷、热、风、干”极端干燥的大陆性气候特点，水利工程建设面临高寒、高海拔、高地震、深厚覆盖层、多泥沙、少水文资料的特殊条件[1- 3]，使得水库大坝建设形成了以修筑当地材料坝为主的格局，且在建设上具有“高(高地震、高海拔)、深(深厚覆盖层、深切河谷)、软(软弱地基、软岩)、透(透水地基、渗透变形)、难(低温、高温、大风等恶劣施工条件)”的共性特点[4- 5]，这给新疆水库大坝建设和长期运行安全带来了挑战。以往的研究中，李江等[6]对新疆特殊条件下面板堆石坝和沥青混凝土心墙坝设计施工技术进展进行了总结；柳莹等[7]对复杂地震背景下新疆高土石坝抗震设计与应用实践进行了分析；徐燕[8]对新疆小型水库大坝设计要求进行了总结；赵妮[9]对新疆寒冷地区水库大坝设计及坝型选择相关问题进行了初步总结分析，部分研究者对新疆肯斯瓦特[10- 11]、吉林台[12]、下坂地[13]等已建典型工程坝体设计进行了总结。上述工作主要集中在挡水建筑物设计上，偏重于某一方面，如坝料设计、抗震设计、高边坡处理等。

“十四五”期间，新疆规划重点项目27项，大、中、小型水库大坝项目148座，绝大多数承担灌溉、供水、防洪兼顾发电任务，水库工程建设面临数量多、投资大、坝更高、难度大的形势，如在建的坝高247m的大石峡面板砂砾石坝，为世界最高的面板堆石坝；尼雅水利枢纽沥青心墙坝坝高134m，为国内在建最高的沥青心墙砂砾石坝。由于新疆干旱区灌溉农业的特点，兴建山区水库满足河道防洪、灌溉、供水、发电一直是水利工作的重点，同时也是当前实现节水的重要措施。为了实现节水、控水的目标，工程的建设周期通常更为紧迫，相关的设计、科研和施工填筑都处于高强度状态，这给设计和科研论证以及施工都提出了“及时、高效”的高强度实施要求。水库大坝建设呈现的投资大、数量大、规模大、难度大、强度高、要求高的特点，对建设科研、勘察设计都提出了更高的要求，科学的设计对保障今后一大批高土石坝的建设和后期运行安全十分重要。

本文以典型工程车尔臣河大石门水利枢纽设计为例，对新疆水利枢纽设计若干关键共性技术问题进行系统的研究总结分析，主要包括特殊地形地质条件下的坝型选择、狭窄深切河谷枢纽布置、抗震设计、坝址区高陡边坡处理、古河槽防渗处理、水库运行调度与排沙、施工导流与度汛等技术问题，以期为复杂筑坝环境条件下新疆土石坝水利枢纽工程建设提供借鉴和参考。

2 环境特点及技术问题

大石门水利枢纽总库容1.27亿m3，电站装机60MW，灌溉面积34.14万亩，为一等大(2)型工程[14]。拦河坝坝型为碾压式沥青混凝土心墙坝，最大坝高128.8m，坝顶长度205m。工程静态总投资187934万元，工程总投资为190081万元。图1为建成后的大石门水利枢纽工程。

图1 大石门水利枢纽工程

大石门水利枢纽工程的坝址区地震基本烈度为Ⅷ度，工程抗震设防烈度为IX度，坝址海拔超过2300m，坝轴线处为深度超过300m的“V”型深切河谷，两岸山坡高陡，谷底狭窄，宽高比接近1.5，左岸古河槽覆盖层厚度超过200m，此外车尔臣河多泥沙的问题在全疆河流中较为突出。

2.1 高地震

根据新疆防御自然灾害研究所的工程项目场地地震安全性评价报告[15]，大石门水利枢纽在区域构造上属塔里木陆块与塔里木陆块南缘活动带交界部位其南北两侧分别有阿尔金断裂和江尕勒萨依断裂，两断裂相距8.2km。阿尔金断裂是一条巨型断层，长达1600余km，该断裂位于本工程研究区域的中部，距坝址最近仅3.5km，是近场区最重要的地震活动断裂。阿尔金断裂是全新世活动断裂，现代活动亦十分强烈，根据地质研究及现代地壳形变GPS测量结果，断裂的左旋水平运动速率在7～12mm/a。江尕勒萨依断裂为活动断裂，距工程区最近4.5km，对工程区影响不大。

枢纽区处于阿尔金断裂的下盘，距全新世活动的阿尔金断裂较近，又位于阿尔金地震带，南部跨越巴颜喀拉山地震带，处在库拉木勒克7.5级潜在震源区内，极有可能发生强烈地震活动。根据新疆防御自然灾害研究所调查分析可知，坝址区50年超越概率10%和5%、50年和100年超越概率2%的场地基岩动峰值加速度分别为260.9g、363.0g、516.5g、643.3g，对应地震基本烈度均为Ⅷ度，抗震设计烈度为Ⅸ度，区域地震动参数区划如图2所示[15]。

图2 区域地震动参数区划图

2.2 狭窄河谷和高边坡

大石门水库坝址处深切河谷达300m级，河谷底部宽仅10～20m，坝顶轴线长205m，两岸岸坡坡度多在50°～80°左右，局部近直立。根据地勘资料探明边坡岩性、高度和级别，是合理有效处理高边坡的重要依据。现场踏勘和地勘确定对工程安全有影响的高边坡统计见表1。

表1 大石门水库高边坡统计表

2.3 古河槽渗漏

2.4 大温差

车尔臣河流域地处中纬度地带的欧亚大陆腹地，远离海洋。南部横卧青藏高原、昆仑山及阿尔金山，暖湿空气不易流入。北面有天山阻隔，水汽来源较少，仅有干冷空气从东北方袭来，并受浩瀚沙漠的影响，流域气候呈温带极度干旱大陆性荒漠气候。气候特征表现为气温年、月、日相差大，光照充足、热量丰沛、冬冷夏热、降水极少、空气干燥、蒸发量大、多大风以及风沙天气。坝址区多年平均气温、历年极端最高、最低气温分别为10.5、41.3、-26.4℃。

图4 左岸地层探洞

图5 左岸地层探洞内的局部架空结构

2.5 多泥沙

车尔臣河汛期水量高度集中，泥沙问题较为突出。泥沙主要来自山高坡陡、植被覆盖率低、地表风化层分布广泛、水土流失严重的流域中上游山区。大石门坝址处多年平均流量为27.6m3/s，多年平均输沙率为208.19kg/s，多年平均悬移质输沙量、推移质输沙量、平均输沙总量分别为656.55×104、98.48×104、755.03×104t。车尔臣河河道两岸岩石剧烈风化，沿河两岸赋存松散风积物受汛期融冰融雪洪水及暴雨洪水裹挟进入河道，总体呈现水大沙多，水小沙少的水沙关系，其年际、年内变化与径流的变化基本一致，丰水期即为丰沙期。多年月平均最大、最小含沙量分别为16.758、0.235kg/m3，5—8月和连续最大5个月(4—8月)输沙量分别占全年输沙量的82.9%、94.3%，

2.6 筑坝环境带来的关键技术问题

大石门水利枢纽筑坝环境的上述特点，对工程建设带来的难题主要在于以下方面：

(1)工程抗震设防烈度为Ⅸ度，大坝坝高超过100m，大坝坝型选择和设计上必须关注大坝抗震安全问题。

(2)300m深切狭窄河谷和陡峻的岸坡会导致坝体存在显著的拱效应问题，大坝的变形控制难度很大，坝型选择必须考虑变形控制的问题。

(3)狭窄河谷也使得泄水建筑物及电站厂房布置难度增大、施工道路布置困难，这给大坝设计和泄水建筑物及电站厂房布置带来挑战。

(4)古河槽透水地基渗透系数K>10-2cm/s，允许水力比降[J]<0.1，使得必须关注水库防渗和渗透变形控制问题。

(5)河流多泥沙对大坝的设计也有重要影响，其主要危害是不合理的调度影响水库兴利库容，大流量宣泄易造成蓄水困难，小流量宣泄泥沙不宜出库，因此需研究采用合理的“蓄清排浑”的泥沙调度运行方式。

(6)工程区温差大，年有效施工时间仅7个月，狭窄河谷施工干扰大，沥青心墙施工、坝体填筑、边坡处理等施工工期紧、强度高、难度大。

3 关键技术措施研究

3.1 坝型选择

本工程坝址区基岩为承载能力弱的中硬岩和软岩，不适宜修建100m级的混凝土坝。因此，在坝型比选时综合坝址区狭窄河谷条件、地质条件和当地天然筑坝材料等因素，选择确定筑坝主体填筑料为砂砾石料，坝型比选考虑表面防渗的面板坝和防渗体位于坝体内部的沥青混凝土心墙坝，坝型比选见表2。

表2 大石门水利枢纽坝型比选表[17]

经综合比选分析，2个坝型在筑坝材料、坝体渗透稳定性以及坝体抗震性能方面基本一致，但坝址区两岸岸坡高陡，节理裂隙发育，崩塌和坠石会对面板坝造成一定的隐患，且趾板布置和施工临时交通布置较为困难，工程量较大；沥青坝心墙位于坝体内部，不易受气候条件的影响，心墙基础开挖简单，施工方便，导流建筑物规模和工程投资较面板坝小。因此，最终选择了碾压式沥青混凝土心墙砂砾石坝作为推荐坝型。

从沥青心墙坝特点和建设技术上来说，沥青混凝土心墙呈黏弹-塑性，延展性好，能更好地适应由静力和地震荷载引起的基础沉陷和坝体变形，因而沥青混凝土心墙坝对变形控制的要求相对较低，相对于面板堆石坝其对地质条件适应性更强，且对坝体填筑料的性能要求也低于面板坝，位于坝体内部的沥青心墙在大温差下的耐久性也要优于暴露于坝体外部的面板。再者沥青直心墙结构形式简单、断面小、施工方便，沥青混凝土心墙的施工速度不会降低土石坝其他各区的施工速度，且沥青混凝土在低温、高温和大风环境下连续施工的技术已经获得长足的进步，碾压层面施工控制温度在-50～100℃范围内，能够保证沥青混凝土心墙的碾压质量[4]。

3.2 狭窄深切河谷枢纽布置

坝址区呈深“V”型河谷，两岸山坡高陡，谷底狭窄，左岸岩体地质条件较为复杂，水工建筑物枢纽布置是困扰设计工作者的一大难题。由于受坝址区地形、地质条件限制，底孔泄洪洞、表孔溢洪洞均无空间布置底流消力池消能工，通过类似工程经验比较以及水工模型试验研究，可采用挑流方式消能。根据洞线尽可能短且顺直的原则，底孔泄洪洞、表孔溢洪洞出口位置应布置在坝后下游右转小河弯处。考虑泄洪系统在枢纽总布置上没有明显具有比较意义的布置方案，同时坝后地面厂房两岸比岸坡高陡，处理工作量较大，施工布置与导流难度大，因此本工程总体布置方案主要针对推荐厂址发电厂房布置进行综合技术经济比较。

枢纽布置原则和最终方案为：表孔溢洪洞以减小洞长、节约投资为控制原则，布置在距坝轴线约125m处的坝前右岸凹槽；底孔泄洪洞进口与发电洞进口的布置重点考虑避免洪水期泥沙的影响，采用联合方式布置在坝前河道近90°河湾前的右岸；底孔泄洪洞、表孔溢洪洞轴线近平行布置，导流洞根据底孔泄洪洞轴线布置，底孔泄洪洞在进口闸井后通过龙抬头方式与导流洞结合；发电厂房为地面厂房，布置在右岸河床边，距坝轴线向下游330m处，尾水通过与河道轴线平行的尾水管排入下游河道[18]。古河槽570m长(桩号为古0+000m—古0+570m)的帷幕灌浆廊道沿坝轴线方向设在左岸坝顶高程2300m处，200m深帷幕下游布置主排水洞、交通兼排水洞及滤水花管排水孔幕。

3.3 高沥青坝抗震设计

大石门水利枢纽沥青心墙砂砾石坝抗震设计烈度为Ⅸ度，设防类别为乙类。为保证大坝抗震安全，从坝顶安全超高、上下游坝坡设计、填筑标准、碾压控制、下游压重以及地震监测等方面综合进行抗震设计。

(1)考虑足够的地震涌浪高度和地震附加沉陷。本工程坝顶高程主要受地震工况控制，其中地震涌浪高度和地震附加沉陷的取值尤为关键。按规范要求，地震涌浪高度一般采用0.5～1.5m，按地震烈度大小和坝前水深，地震涌浪高度选用大值1.5m。地震附加沉陷一般按坝高1%取值，考虑到本工程的设防烈度高，地震附加沉陷采用2.0m，比常规多取0.7m。

(2)放缓坝坡。根据筑坝材料的特性，结合新疆高震区典型已建、在建工程，确定其上游坝坡上部和下部分别为1∶2.75和1∶2.5，边坡高程2265.0m处设置2m宽马道。下游坝坡采用1∶1.8～1∶1.6，结合坝后“之”字形上坝公路，则最大断面下游平均坡度约为1∶2.32。

(3)加宽加固坝顶。规范规定高坝的坝顶宽度可选10～15m，本工程坝高128.8m，取坝顶宽度为12m。为增强坝体抗震能力，在地震反应强烈的上、下游坝坡布置土工格栅，在上游坝坡2229.0m高程以上、下游坝坡2270.0m高程以上分别采用0.3m厚的C30钢筋混凝土护坡和0.2m厚钢筋混凝土板，上、下游坝坡底部分别采用厚1.0m抛石护坡和0.4m厚干砌石护坡。

(4)采用较高的填筑压实标准，严格控制坝体填筑质量。增加坝体密实度是全局性的抗震措施，为减小地震沉陷，坝体砂砾石料的设计填筑标准为Dr≥0.85，堆石料的设计填筑标准为孔隙率n≤20%。结合当前大吨位振动碾压设备和信息化施工监控系统，在施工过程中严格控制铺土层厚度、碾压遍数以及加水量等施工参数，做好过程控制，从而可有效地减少坝体地震沉陷。

(5)加强沥青心墙与基座及岸坡的连接。本工程沥青心墙与基座的连接部位心墙厚度逐渐扩大至1.2m，接触部位铺设沥青玛蹄脂并采用铜片止水；岸坡连接部位坡度不陡于1∶0.5，并浇注1.0m厚的混凝土底板与心墙扩大的端部连接，接触部位涂刷沥青涂料和沥青玛蹄脂，以提高地震时坝体的防渗性能。

(6)坝后压重。利用坝基清理及开挖弃料，在坝坡脚与电站尾水渠导墙之间堆放压重，增强坝坡抗震稳定性。

(7)加强地震监测。在近库区组建地震台网，布设四个地震监测子台；在坝体坡脚处、中部和坝顶不同高程处各设1台强震仪，适时进行地震监测。

3.4 高边坡处理

依据岩性的不同，边坡分为岩质边坡、砂砾石边坡和土质边坡。对高边坡的处理加固需结合边坡类型，采取适当的加固措施。表孔溢洪洞进口高边坡、底孔泄洪洞与发电洞联合进水口开挖高边坡和厂房开挖高边坡均为岩质边坡，大坝下游左岸为砂砾石边坡。

对于岩质开挖边坡，每10m设一宽2m的马道，岩石表面挂网喷10cm厚的防护混凝土，岩面设置梅花型交错布置的锚杆，间、排距为2m。为防止马道下部岩体应力破坏，在每级马道下部设1000kN吨级预应力锚索，间距为5、10m，长度为20、25m。为防止水库水位骤降时基岩渗水压力对高边坡稳定的影响，对库内基岩边坡，在死水位以上的坡面上设孔径5cm、深4m的排水孔，间、排距为3m。大坝下游左岸砂砾石边坡设计削坡坡度为1∶1，每10m设一宽2m的马道，底部砂砾石与基岩接触面马道宽5m，并设2m高混凝土挡土墙作拦护，以拦护可能沿坡面滑落的砾石块，保证厂房安全，挡土墙底部设排水孔排泄砂砾石坡面水。

3.5 古河槽防渗处理

表3 水库左岸古河槽不同防渗处理方案下渗漏量计算结果

图6 水库左岸年渗漏量统计图

图7 古河槽年渗漏量与帷幕处理长度的关系

根据地勘和不同方案的渗流计算结果，经过综合比较分析后推荐方案3为最终处理方案，即在左坝肩设置长度为570m的双排灌浆帷幕，排距2.0m，孔距3.0m，梅花形布置，孔深按入岩以下5m控制。针对灌浆帷幕设计方案，在现场灌浆试验基础上，总结了一种新的深厚覆盖层快捷灌浆方法，在国内首创了200余m深厚砂砾石层纯帷幕灌浆垂直防渗处理技术，大幅度提高了深厚砂砾石层的防渗性能。

为防止库水从古河槽灌浆帷幕绕渗并从近坝处渗流出溢，进一步保证下游左岸边坡不产生渗漏破坏，本工程还利用左岸坝后下游现有的交通洞兼设排水洞，并从交通洞适当位置向上游设置一段长140m的主排水洞。通过“上堵下排”的防控措施对左岸高边坡起了双重保障作用。

3.6 水库运行调度与排沙措施

大石门水利枢纽的调节库容为0.99亿m3，车尔臣河坝址处的年径流量8.71亿m3，其库容系数为0.11，为不完全年调节。坝址断面的多年平均入库悬移质输沙量为657万t(约505万m3)，多年平均入库推移质输沙量为98万t(约55万m3)，则库沙比为20.9，属于泥沙问题严重的水库。

通过对大石门水利枢纽断面泥沙统计资料分析，汛期6、7、8月份是输沙量最大的月份，其中7月份最大，8月份次之，6月份再次之。从工程效益与兴利指标的角度出发，对水库泥沙采用“拦”或“排”的调度运行方式，片面地将泥沙全部拦在库内或全部排出库外都是不经济的。因此，采用“蓄清排浑”的泥沙调度运行方式，即水库每年6、7月份为排沙期，在此期间控制水库在2245m水位运行，根据入库含沙量及流量的大小采取相机排沙的泥沙调度运行方式。当上游发生日均含沙量大于20kg/m3洪水的时候，且日均起涨流量大于90m3/s，可相机进行排沙。新疆克孜尔水库即采用此种排沙措施，下暴雨时开启泄洪冲沙闸，若有浑水流出，说明发生了异重流，即相机进行排沙，出库水流变清时关闭泄洪冲沙闸。8月份水库开始蓄水，但因为还在汛期，最高水位不能高于汛期水位(2291.0m)，9月份汛期结束，水库可在满足下游用水的前提下，择机蓄水至正常蓄水位，满足枯水期的基本民生用电需求及解决来年的春灌缺水问题。

3.7 施工导流与度汛

坝址不具备分期导流条件，经过方案比选，最终导流方式采用围堰一次断流，右岸导流洞过流的方式。考虑到工程投资与施工工期，将导流洞与永久泄洪洞结合使用，即导流兼底孔泄洪洞。

车尔臣河每年7—8月为主汛期，4—6月为前汛期，9月—次年3月为比较稳定的平、枯水期。在48个月的施工期内，坝体施工导流需要满足施工经历2个汛期时的度汛要求，考虑填筑强度、库区水文情势划分为3个施工导流时段[22]，各时段起止时间、挡水结构物、防洪标准和洪峰流量以及相应的泄流方式见表4。

表4 施工导流与度汛安排

对于坝体度汛工况，经调洪演算，最高库水位为2246.4m，导流洞最大下泄流量为728.1m3/s。这就要求在第二个汛期来临之前大坝填筑高程不能低于2250.0m高程，坝体填筑高度不得低于74m。根据施工进度计划，坝体填筑即沥青心墙月填筑高度为8～10m，坝体填筑进度完全可以满足坝体度汛的要求。

4 结语

大石门水利枢纽是目前已建抗震设防烈度Ⅸ区最高的沥青混凝土心墙坝，由于独特的地质、地形条件及气候条件，在大坝设计施工中遇到了高地震、高边坡、大温差、多泥沙以及古河槽深厚覆盖层等诸多问题，使得建坝条件极其恶劣，其建设难度全国罕见。本文针对以上建坝难点，从坝型选择、枢纽布置、抗震设计、古河槽防渗及高边坡处理等方面进行了系统的研究分析。

沥青心墙坝更加适应狭窄深切河谷，建筑物布置较紧凑，而面板坝因其趾板受限于高陡边坡，布置及施工极其困难；大坝抗震设计烈度为Ⅸ度，除常规抗震措施外，还应充分预留涌浪高度和地震附加沉陷、设置土工格栅、放缓上下游坝坡、调整坝体结构、提高填筑标准、增强连接部位防渗性能以及进行地震安全监测等；对于高边坡处理每10m设置1条马道，且高陡边坡采用挂网喷混凝土+系统锚杆+预应力锚索处理；对大坝左岸古河槽进行长度为570m的帷幕灌浆，同时在左岸坝后下游设排水洞以有效减小渗漏破坏；采用“蓄清排浑”的泥沙调度运行方式，可在一定程度上减少水库泥沙淤积。

大石门水利枢纽工程完成了高坝抗震、高边坡处理、古河槽渗控等成套技术，为大石门水利枢纽工程的建设和运行安全提供了关键技术支撑，对国内外类似工程的建设具有一定的借鉴意义。