阿尔塔什水利枢纽工程坝体分区及坝料设计验证

袁 磊 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

阿尔塔什水利枢纽工程是叶尔羌河上最大的控制性山区水库工程，水库总库容为22.49亿m3，正常蓄水位1820.0m，电站装机容量755MW，工程等别为大(1)型Ⅰ等工程。枢纽工程由大坝、1#、2#表孔溢洪洞、中孔泄洪洞、1#、2#深孔放空排沙洞、发电引水系统、电站厂房、生态基流引水洞及其厂房、过鱼建筑物等主要建筑物构成。工程区地震基本烈度8度，抗震设防水准按100年超越概率2%确定，相应地震动峰值加速度为320.6gal，设计烈度9度。

2 坝料分区设计

大坝为混凝土面板砂砾石堆石坝，采用砂砾石料、爆破堆石料作为坝体填筑料，大坝坝长795m，最大坝高164.8m，趾板线长1082.3m，坝体填筑体积2500万m3，混凝土面板面积17.5万m2，覆盖层最大深度90m，防渗墙面积1.5万m2。

坝顶宽度按抗震、施工、运行和交通要求为12m宽，上游坝坡坡度为1∶1.7，下游坝坡坡度为1∶1.6，并在下游坡设三级“之”字形上坝公路，路宽15m，最大断面处相应下游综合坝坡1∶1.89。

2.1 坝址工程地质和坝料料源

坝址位于中山峡谷区，叶尔羌河自西向东流，坝址长约2.0km的河段为横向谷，河谷呈不对称宽“U”型，左岸坡度35°～40°，最大坡高426m；右岸坡度55°～80°，局部近直立，最大坡高610m。两岸基岩裸露，左岸以巨厚层状白云质灰岩和白云岩为主，走向与河谷基本正交，倾角陡，q≤5Lu的弱透水岩体垂直埋深93～110m；右岸以薄层灰岩、巨厚层白云质灰岩、泥灰岩、石英砂岩为主，岩层倾向上游偏岸里，为横向逆向坡，q≤5Lu的弱透水岩体垂直埋深45～105m；现代河床宽260～450m，地形平缓，主要由冲积砂卵砾石组成，局部夹透镜体状砂层，覆盖层厚度为50～94m，深槽位于河床中部略偏右侧。

各坝体填筑料料场距离坝址均较近。工程区河谷宽阔，在坝址上、下游河床滩地分布大量便于开采的砂砾石料。考虑坝体填筑及分期蓄水影响，主要选择坝址下游侧C3砂砾料场。该料场可利用漂石含量5%～12%、卵石含量28%～35%、砾石含量约38%、砂含量约17%，不均匀系数229.8，曲率系数16.8，上、下游砂砾料总储量为2640万m3；坝址区两岸基岩裸露，在坝址河岸选择2个爆破料场，上游左岸P1料场为中厚层灰岩和白云质灰岩，岩石中硬～坚硬，饱和抗压强度42～56MPa，裂隙发育，岩体完整性差，开挖料块径小于30cm。强风化层较薄，剥采比较低，获得率较高，可开采储量大于3600万m3。下游右岸P2料场为薄层灰岩和石英砂岩，岩石中硬，饱和抗压强度60MPa，开挖料块径小于30cm，风化层较厚，剥采比达1∶1.72，可开采储量大于2500万m3。

2.2 坝体分区和坝料设计

坝体分区自上游至下游分别为：上游盖重区、铺盖区，混凝土面板，垫层料、特殊垫层、过渡料区，砂砾料、爆破料堆石区，排水料区。

(1)上游铺盖区：顶高程1718.00m，顶宽5m，上游坡度1∶2，是形成面板上游的防渗补强区。其料源为泄水建筑物出口开挖的低液限粉土，T8土料场的料。

(2)上游盖重区：位于上游铺盖区上游，顶宽10m，上游坡度1∶2.5，采用开挖弃渣等任意粗粒材料。

(3)垫层料区：采用C3料场的筛分料，水平宽度3m，两岸和岸坡接触面处向下游延伸10m，厚度2m。Dmax≤60mm，小于5mm含量30%～45%，小于0.075mm含量8%，渗透系数控制为10-3～10-4cm/s。填筑标准要求相对紧密度Dr≥0.9。

(4)过渡料区：水平宽4m，料源同垫层料，筛除150mm以上颗粒的砂砾料，级配连续，填筑标准要求相对紧密度Dr≥0.9。

(5)特殊垫层区：位于周边缝下游侧，采用C3料场小于20mm的筛分料。碾压层厚0.2m，以小机械人工碾压，填筑标准要求相对紧密度Dr≥0.9。

(6)砂砾料堆石区：位于过渡料区以下，由上、下游C1、C3料场开采上坝填筑。填筑标准要求相对紧密度Dr≥0.9。

(7)爆破料堆石区：位于砂砾料区下游，由在坝址上、下游河岸P1、P2石料场爆破开采，要求Dmax≤600mm，孔隙率n≤19%，干容重γd=22.0kN/m3。

(8)水平排水料区：采用上游P1石料场的爆破堆石料，要求5mm以下的含量小于15%，0.1mm以下的含量小于5%。在主堆石区砂砾石料下部与河床砂砾石结合部位，铺设排水条带，宽10m，厚2m，间隔20m设置一条；在次堆石区的下部设置厚10m排水条带，满河床铺设。

2.2.1垫层料设计

为使面板在库水压力作用下变形均匀协调，要求垫层料具有低压缩性和高抗剪强度，压实后有较大变形模量。当垫层料具有良好级配并碾压密实后，在下游过渡料的保护下，能够承受较大的水力比降，同时作为反滤体保护上游铺盖区的土料。根据C3料场颗分曲线，其中dmax≤60mm的砂砾料获得率平均为50%，60mm以下的砂砾料小于5mm粒径的含量满足30%～45%要求，级配连续。

(1)垫层料渗透试验：料源采用C3料场砂砾料筛分，室内试验表明垫层料小于5mm含量均值为36%，过渡料小于0.075mm的颗粒含量2%。采用一次性加压到位的方法施加水头，试验水头18cm，持续180min，细颗粒无跳动，此时渗透比降为0.43；试验水头36cm，持续180min，细颗粒被带走，此时渗透比降为0.86；试验表明本工程的垫层料在最大水头作用下，自身渗透稳定。

(2)垫层料与过渡料层间反滤关系

垫层料不均匀系数Cu为132～179，曲率系数Cc为0.1～4.7。选取垫层料5mm粒径以下细粒部分作为计算粒径，Cu为4.5～6.4，通过垫层料与过渡料间包络线上对下、下对下、均对均、下对上、上对下等全部可能层间反滤计算，保土性准则计算值为0.08～0.9，均小于4～5，排水性准则计算值为1.68～18.06，表明：垫层料不会因渗透水流作用而通过坝体过渡料被带走，仅个别特殊情况不满足排水性准则，但由于过渡料的渗透系数平均为2.5×10-3cm/s，垫层料的渗透系数平均值为4.5×10-4cm/s，两者渗透系数之比大于10，具有良好的透水性，能够将渗水排出，垫层料与过渡料之间可满足层间反滤要求。说明垫层料设计级配是合适的，选定垫层料采用C3料场筛除60mm以上颗粒的砂砾料。

2.2.2砂砾料和过渡料设计

由于本工程填筑量较大，砂砾料考虑采用C1、C3料场料源，过渡料采用C3料场筛除150mm以上颗粒的砂砾料，进行砂砾料与过渡料层间反滤计算。

过渡料不均匀系数Cu为133～250，曲率系数Cc为1.4～18.1。选取过渡料5mm粒径以下细粒部分作为计算粒径，Cu为3.9～6.2，通过过渡料与砂砾料全料间包络线全部可能层间反滤计算，保土性准则计算值为0.15～3.37，均小于4～5，排水性准则计算值为2.73～80.5，表明：过渡料不会因渗透水流作用而通过砂砾料被带走，仅个别特殊情况不满足排水性准则，砂砾料的渗透系数为5.9×10-3cm/s，过渡料的渗透系数平均为2.5×10-3cm/s，具有良好的透水性，能够通畅地将渗水排出，因而认为过渡料与砂砾料全料之间可满足层间关系要求。说明砂砾料和过渡料设计级配是合适的。选定C1、C3砂砾料场作为坝壳砂砾料场，取用料场全料。

2.2.3爆破堆石料设计

选定P1、P2石料场开采的石料，坝体堆石料同样必须具有较高强度和较低的压缩沉陷量。压实后具有自由排水性能。碾压式堆石坝所用堆石，希望级配良好，振动碾压后孔隙率小，压实干容量大，压缩性小、抗剪强度大。初步确定爆破堆石料要求：最大粒径≤600mm，小于5mm含量应<20%，小于0.075mm含量<5%，Cu>25，连续级配。

砂砾料不均匀系数Cu为56.4～277，曲率系数Cc为5～16.8。选取砂砾料5mm粒径以下细粒部分作为计算粒径，Cu为3.77～10.38，通过砂砾料全料与爆破堆石料全料间包络线全部可能层间反滤计算，保土性准则计算值为0.79～2.65，均小于4～5，排水性准则计算值为16.36～81.63，均大于5。说明两坝料间满足层间关系要求，堆石料设计级配是合适的。

2.2.4水平排水料设计

由于主堆石区的坝壳砂砾石料采用C3料场的砂砾石料，其渗透系数为5.9×10-3cm/s，具有透水性强的特点，可不设排水料。但考虑次堆石区的爆破料饱和抗压强度为40～90MPa，施工过程中次堆石区的爆破料在大型机械碾压过程中会有部分料破碎；主堆石区的砂砾石料存在粒径不均一、渗水各向异性的问题，在河床部位设置水平排水料。初步采用P1料场的爆破堆石料，除5mm以下的含量小于15%，0.1mm以下的含量小于5%外，级配要求与次堆石区基本一致，不做严格要求。

河床砂砾石不均匀系数Cu为229～525，曲率系数Cc为0.7～35。选取河床砂砾石5mm粒径以下细粒部分作为计算粒径，Cu为2.8～15.7，通过排水料与河床砂砾石料间包络线全部可能层间反滤计算，保土性准则计算值为2.3～4.9，均小于5，排水性准则计算值为58～379，均大于5，说明排水料设计级配是合适的。

3 坝体应力应变分析成果

3.1 分析方法

根据现场实际坝料填筑情况，委托中国水利水电科学研究院、大连理工大学及河海大学对面板坝设计方案进行了三维有限元静、动力计算分析。采用邓肯-张E-B模型用于砂砾堆石料、爆破堆石料、坝基砂砾石、垫层料的本构模型。采用时域分析方法，选用等效线性模型进行大坝三维有限元动力分析，考虑大坝和坝基的相互作用，计算大坝在设定地震和一致概率地震的设计地震强度以及校核地震强度工况下的动力反应，研究地震过程中坝体的地震加速度反应。采用应变势的经验模型计算地震永久变形，分析震后坝体的变形。

3.2 参数取值(见表1- 2)

表1 邓肯张E-B模型计算参数

表2 最大动剪切模量系数K和指数n

将Gmax/G和阻尼比λ与动剪应变γ的动力试验数据进行回归分析，得到动剪模量G与动剪应变γ、阻尼比λ与动剪应变γ的关系曲线，坝体砂砾石料与爆破料的坝体D=300mm及D=800mm(Kc=2.0)。归一动剪切模量Gd/Gmax～剪应变关系曲线如图1所示。

图1 归一化的动剪切模量Gd /dmax和等效阻尼比λ关系曲线

3.3 计算成果

中国水利水电科学研究院计算成果：根据现有计算参数和分析结果，阿尔塔什混凝土面板坝能够满足静力工况和给定场地相关反应谱地震工况下的安全性要求，坝体具备较高的抗震安全裕度。在场地相关反应谱设计地震和校核地震工况下，坝顶及坝顶附近下游坝坡区域的反应加速度较大，存在堆石松动和滑落的可能性；场地相关反应谱校核地震动作用下下游坝坡抗震稳定安全系数时程曲线最小值均大于1，单元抗震安全系数小于1的区域均只存在于坝顶靠近下游坝坡侧表层，坝坡的局部和整体抗震稳定性良好。

大连理工大学计算成果：阿尔塔什混凝土面板坝设计方案在技术上是可行的，工程采取了适当有效的抗震措施。如：适当预留大坝沉降超高，增加面板配筋率、改善面板配筋重点部位并采用纤维混凝土等，提高周边缝及面板分缝止水变形能力，在高坝段坝体下游坡设置加筋措施等，大坝在施工、运行以及地震工况下的安全性可以得到保障，可以抵御超设计地震荷载的考验。

河海大学计算成果：采用施工筑坝材料试验参数计算得到的大坝变形与应力分布合理，设定地震作用下大坝基本满足抗震安全要求。

综上认为阿尔塔什面板坝设计方案在技术上是可行的，采用施工筑坝材料试验参数计算得到的大坝变形与应力分布合理，坝体具备较高的抗震安全裕度，具备良好的抵抗地震变形的能力。计算成果见表3。

表3 计算成果汇总表

4 坝体变形及渗压监测成果

大坝工程于2015年6月10日开工，2016年4月19日大坝首层填筑。 2018年5月28日完成一期面板浇筑，顶高程1715m。 2019年5月25日完成二期面板浇筑，顶高程1776m。2019年9月大坝填筑至防浪墙底高程1822.3m。2019年11月26日顺利完成水库初期下闸蓄水。以下闸蓄水为界，施工期监测成果及初期运行期监测成果如下。

4.1 施工期监测成果

以中国水利水电科学研究院应力应变分析成果为准，与施工期监测资料对比，蓄水前大坝(坝体与覆盖层)累计最大沉降量600.3mm，小于计算值828.2mm；水平位移向上游累计位移33.8mm，小于计算值155.8mm；向下游累计位移50.2mm，小于计算值261.6mm。

施工期的监测资料表明，蓄水前坝基最大沉降测点在坝轴线位置，总沉降量513.7mm，沉降量占其测点下部堆石体与覆盖层总厚度65m(覆盖层厚度55m，坝体填筑厚度10m)的0.79%，占覆盖层厚度55m的0.93%。坝体最大沉降测点在坝体主堆石区与下游堆石区分界线下游的第一个测点，该测点处于坝体下游堆石区的利用料区，总沉降量600.3mm，沉降量占坝体与覆盖层之和196.8m的0.31%。总体来看，坝体内部沉降呈连续、渐变变化，纵、横向变形分布基本协调，各测点沉降值与上覆堆石体的厚度相关，坝基、坝体各测点沉降量分布规律性较好，符合土石坝沉降变形分布的一般规律。坝体最大沉降量在0+475m断面的坝下0-081m位置，其总沉降量600.3mm中有364.4mm是坝基沉降贡献的，坝基沉降量占其总沉降量的60.7%，坝体实际最大沉降量235.9mm，占其目前填筑坝高131.8m的0.18%；坝体主堆石区实际最大沉降量在坝0+305m断面的坝上0+056m位置，减去坝基贡献沉降量后，其实际沉降量为150.7mm，占其目前填筑坝高127.0m的0.12%，与同等类型工程类比，本工程目前施工期沉降量略偏小。

4.2 初期运行期监测成果

截止2020年4月16日监测资料表明，库水位累计上升51m(1721m高程)，大坝累计最大沉降为724.5mm，沉降量占坝体与覆盖层之和196.8m的0.37%，水平位移最大值为64mm，占坝高比0.04%，坝体沉降渐变连续、分布协调，符合同类土石坝沉降变形分布的一般规律，未发生异常变化。面板底部累计沉降量55.7mm，面板内应力值在-82.9～66.6MPa；周边缝最大开合度为11.6mm，最大剪切变形34.4mm，最大相对沉降变形48.7mm；连接板累计沉降30.6mm，连接板接缝最大开合度13.1mm，最大剪切变形10.0mm，最大相对沉降变形24.8mm；面板止水系统正常运行，周边缝位移变化基本稳定。

5 结论

本工程是修建在强震区、深厚覆盖层上的高混凝土面板砂砾石堆石坝，最大沉降变形厚度达258m。大坝已于2019年9月填筑至防浪墙底高程，一、二期混凝土面板已浇筑完成，库水位已累计上升51m。从目前监测资料可知，大坝总体变形量较小，应力分布符合同类工程一般规律。