2024年4月26日发(作者：世婉秀)
水工与施工
文章编号
：
1
006
—
2610
(
2020
)
S2
—
0051
—
07
西北水电
•
2020
年
•
第
S2
期
51
新疆大石峡面板砂砾石坝坝体分区安全性分析
李学强二苗詰
-
邓成进
▽
(
1.
中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司
，
西安
710065
；
2.
西安理工大学岩土工程研究所
，
西安
710048
)
摘要:新疆大石峡水利枢纽工程地形地质条件复杂
，
坝址区地震基本烈度高
，
国内国际
250
m
级面板砂砾石坝建
设成功经验甚少
。大石峡坝址区分布有丰富的符合高面板坝筑坝材料工程特性要求的砂砾料
，
同时坝址区微晶灰
岩也是较优良的筑坝块石料
。
砂砾料具有变形指标较高
,
对坝体变形控制有利的突出优点
,
人工堆石料具有抗剪
强度高
、
抗震动力指标高
、
渗透抗震稳定性较好的有利条件
。
初设阶段通过面板砂砾石坝坝体分区设计研究
，
综合
利用
2
种材料的特点
，
推荐一种堆石料半包砂砾石料的坝体分区型式
，
在确保大坝变形控制的前提下
，
提高大坝的
抗震安全性
、
渗透稳定性
、
坝顶及坝坡抗滑
(
剪
)
安全性
，
进而确保大坝的综合安全
。
关键词:坝体分区
;
变形控制
;
抗震安全性
;
渗透稳定性
中图分类号:
TV641.4
文献标志码:
A
DOI
：
10.
3969/j
.
issn.
1006-2610.
2020.
S2.
011
Safety
Analysis
of
the
Zoning
of
Dashixia
Concrete
Faced
Sand
-
gravel
Dam
in
Xinjiang
LI
Xueqiang
1
,
MIAO
Zhe
1
,
DENG
Chengjin
1
，
2
(
1.
Powerchina
Northwest
Engineering
Corporation
Limited
,
Xi'an
710065,
China
；
2.
Institute
of
Geotechnical
Engineering
,
Xi'an
University
of
Technology
,
Xi'an
710048
,
China
)
Abstract
:
Dashixia
Water
Control
Project
in Xinjiang
has
complex
topographic
and
geological
conditions
,
and
the
basic
seismic
intensity
of
the
dam
site
area
is
high.
Few
250
m-level
concrete
faced
sand-gravel
dam
has
been
built
at
home
and
abroad.
The
Dashixia
dam
site
is
rich
in
sand
and
gravel
materials
that
meet
the
engineering
requirement
of
high
concrete
faced
dam.
At
the
same
time
,
the
microcrystal
line
limestone
at
the
dam
site
is
also
a
favorable
dam-embankment
material.
Sand
gravel
material has
the
outstanding
advantages
of
high
deformation
index
which
is
beneficial
to
dam
deformation
control.
Artificial
rockfill
material
has
the
advantages
of
high
shear
strength
,
high
vibration
resistance
index
,
and
good
permeability
and
seismic
stability.
In
the
preliminary
design
stage
,
through
the
design
of
the
dam
body
partition
of
the
concrete
faced
sand
-
gravel
dam
,
the
characteristics
of
the
two
materials
are
comprehensively
utilized
,
and
a
dam
body
partition
type
with
rockfill
material
half
surrounding
the
sand
-gravel
material
was
recommended
to
improve
the
anti-seismic
safety
,
seepage
stability
,
dam
crest
and
dam
slope
anti-sliding
(
shear
)
safety
of
the
dam
under
the
premise
of
ensuring
the
deformation
control
,
hence
ensuring
the
comprehensive
safety
of
the
dam.
Key
words
:
dam
zoning
；
deformation
control
；
seismic
safety
；
seepage
stability
0
前言
大石峡水利枢纽工程位于新疆阿克苏市温宿县
与乌什县交界的阿克苏河一级支流一一库玛拉克河
上
，
是
《
新疆阿克苏河支流库玛拉克河河段水电规
划报告
》
推荐的库玛拉克河在境内河段上
4
个梯级
的龙头水库
。
坝址位于大石峡峡谷出口处
，
距下游
在建的小石峡坝址约
11
km,
距协和拉水文站约
14
km,
距阿克苏市约
100
km,
交通比较方便
［
1-2
］
。
大石峡水利枢纽工程拦河坝采用混凝土面板砂
砾石坝
,
混凝土面板坝趾板建在基岩上
，
河床修建高
收稿日期
：
2020-09-28
作者简介
:
李学强
(1964
-
),
男
，
陕西省神木市人
，正高级工程
35
m
的高趾墩
，
最大坝高
247
m
。
根据国内外超高
面板坝的研究经验
,250
m
级面板坝变形控制是大
师
，
西北院副总工程师
，
从事水利水电工程设计与咨询管理工作
•
坝安全控制的核心因素
［
3-5
］
。
工程坝址有储量丰
52
李学强
，
苗喆
，
邓成进
.
新疆大石峡面板砂砾石坝坝体分区安全性分析
富
、
开采方便
、
变形指标高
、
抗震和抗剪指标满足工
程要求的砂砾石料
，
因此工程大坝结构型式首选砂
量系数的指数
n
=
0
.
31
-
0
.
50,
大石峡砂砾料模量
系数
K
=1
294,
模量系数的指数
n
=
0.
32,
总体看处
砾石料为坝体主体筑坝材料
。
但砂砾料级配不均
一
、
渗透性相对较弱
，
而枢纽建筑开挖和左坝头料场
于上述统计指标的中上限
，
也远高于大石峡灰岩堆
石料模量系数
K
=1
105
、
模量系数的指数
n
=
0.22
的力学参数
。
大石峡面板坝砂砾料的压缩特性要好
爆破开采的弱风化灰岩渣料渗透稳定性相对较
好
［
6-7
］
。
如何合理经济地在坝体分区结构上利用
2
种筑坝材料的特点
，
提高坝体变形控制
、
渗透稳定和
于灰岩堆石料
，
将其作为承载主体置于坝体上游和
中间部位有利于超高坝的变形控制
，
堆石料的抗剪
强度高于砂砾料
，
将其布置在坝顶和下游坝坡能够
提高坝坡的抗滑稳定性
。
抗震安全性
，
是大石峡面板砂砾石坝坝体分区设计
安全性研究的关键问题之一
。
初步设计阶段依据
2
种材料的工程特性
，
从坝
坡稳定及坝体应力变形安全
、
渗透稳定安全
、
抗震安
全性等方面
，
对混凝土面板砂砾石坝分区进行安全
性研究
,最终选定面板砂砾石坝分区方案
,
并对大石
峡混凝土面板坝分区安全性进行评价和分析
。
1
坝体分区设计方案
1
.
1
筑坝材料的工程特性
大石峡坝址附近有丰富的天然砂砾石料料源
，
其中
S3
料场砂砾料储量达
3
300
万
m
3
以上
,
S4
料
场砂砾料储量达
400
万
m
3
,
勘察成果表明
，
砂砾石
料作为面板坝坝体填筑料
,
质量满足相关技术要求
,
储量丰富
，
其中
S4
料场砂砾料颗粒较粗
、
渗透性约
为
S3
料场砂砾料渗透性的
3
倍
。
坝址区出露岩性主要为微晶灰岩
，
左岸坝肩坝
顶高程以上微晶灰岩料场
，
有用料储量丰富
,
满足用
量需求
，
灰岩平均饱和抗压强度近
60
MPa
，
为中硬
岩
，
质量指标满足填筑堆石料要求
。
可研及初设阶段对砂砾料和灰岩堆石料开展了
相对密度试验
、
压缩试验
、
大三轴试验
、
流变试验
、
渗
透试验以及动力试验
。
砂砾料级配良好且连续
，
在
垂直荷载
6
MPa
量级下压缩模量达
209
MPa
（
饱
和
）
,
渍
。
值
49
.
0
毅
~50
.
2
毅
,
模量系数
K
值
1
191
〜
1
688,
渗透系数
1.1X10
-3
cm/s
；
弱风化微晶灰岩堆
石料在垂直荷载
6
MPa
量级下压缩模量达
89
MPa
，
渍
。
值
51.5
。
~53.2
毅,模量系数
K
值
919
~
1
352,
渗
透系数
1.0X10
-2
cm/s
o
砂砾料弱风化灰岩料均具
有高压缩模量和低压缩特性
,
相比较而言
，
砂砾料压
缩模量明显高于灰岩堆石料
，
而灰岩堆石料的抗剪
强度要高于砂砾料
，
渗透特性也要明显好于砂砾料
。
从已建
、
在建的百米级以上砂砾石坝砂砾料的
大三轴试验统计成果
（
表
1
）
［8-11
］
,
大多数砂砾料模
量系数
K
=900
~1
420,
个别低至
550
、
高至
1
840,
模
1
.
2
坝体分区设计
根据上述
2
种主要筑坝材料的工程特性
，
为充
分发挥各材料的特点
，
拟定
3
种分区方案对混凝土
面板砂砾石坝分区进行研究
。
表
1
国内已建
、
在建百米级以上砂砾石坝砂砾料
三轴试验成果
坝名
坝料
Pd
渍
驻渍
/(g-cm
-3
)
/
（
毅
）
/
（
毅
）
K
n
大石峡砂砾料
2.27
50.1
6.3
1294
0.32
0.74
吉林台
砂砾料
2.19
51.0
7.0
1840
0.29
0.88
江坪河砂砾料
2.25
48.4
5.5
1065
0.50
0.86
茨哈峡
砂砾料
2.2653.5
8.3
1300
0.32
0.682
乌鲁瓦提
砂砾料
2.25
43.0
3.0
900
0.35
0.75
黑泉
砂砾料
2.24
46.2
7.1
1420
0.34
0.89
察汗乌苏
砂砾料
2.3451.9
8.9
1250
0.31
0.851
那兰
砂砾料
2.20
49.0
6.0
1100
0.42
0.78
公伯峡
砂砾料
2.25
60.0
15.8
1200
0.350.61
珊溪
砂砾料
2.23
47.9
5.0
550
0.781
0.924
肯斯瓦特
砂砾料
2.
14
53.5
11.5
650
0.39
0.849
大石峡
灰岩堆石
2.22
53.2
9.0
1105
0.22
0.65
（
1
）
分区方案
1
：
依据
SL
228-2013
（
混凝土面
板堆石坝设计规范
》
第
3.2
节
“
坝体分区
”
第
3.2.3
条
“
用砂砾石填筑的坝体可参照图
3.
2.
3
进行分
区
”
的规定
，
以及参考国内已建百米级级砂砾石面
板坝工程的成功运行经验
,
结合坝体变形控制
、
渗流
控制
、
坝料料源
、
开挖料利用
、
运用要求等具体情况
进行综合分析
，
分区结构总体格局是上游为抗变形
能力强的砂砾料区
、
下游为抗剪强度高抗滑能力强
的灰岩堆石区
，
初步拟定混凝土面板砂砾石坝坝料
分区为
:
坝体从上游至下游分为
9
个区
，
分别为上游
防渗补强区
（
1A
、
1B
）
、
防渗面板
（
F
）
、
垫层区
（
2A
）
、
特殊垫层区
（
2B
）
、
排水料区
（
3E
）
、
主砂砾石区
（
3B
）
、
下游堆石料区
（
3C
）
、下游块石护坡
（
3D
）。排
水区又分为竖向排水和水平排水
,
水平排水上游与
竖向排水连接
，
下游延伸到下游堆石区
。
分区方案
1
标准剖面见图
1
。
西北水电
•
2020
年
•
第
S2
期
F
：
防渗面板
；
2A:
垫层区
3E:
排水料区
；
3B:
主砂砾石区
3C:
下游堆石料区
53
1
•
3
各分区方案坝体变形和渗流控制条件分析
各分区方案主要差别表现在坝体分区如何利用
砂砾料和堆石料
，
砂砾料区和堆石料区将直接影响
3C
坝体变形和渗透稳定
,
最终成为控制超高面板坝安
全性重要因素之一
。
(1)
分区方案
1
砂砾料区占坝体总填筑量的
图
1
分区方案
1
标准剖面图
70%
，
堆石料占坝体总填筑量约
20%
；主要利用工
程开挖料
，
采用压缩模量大
、
抗变形能力强的砂砾料
作为堆石体的主体
,
坝体变形控制条件较好
,
将砂砾
(2)
分区方案
2
：
为了利于坝体排水
，
减小大坝
总填筑量
，
在坝体上游坝坡附近设置堆石区
,
并放陡
上游坡比
,
形成混凝土面板砂砾石坝分区方案
2,
即
“
金包银
”
方案
，
分区方案
2
标准剖面见图
2o
图
2
分区方案
2
标准剖面图
坝体分区方案
2
与分区方案
1
的主要区别有如
下几点
:
①
将
“
L
”
型排水体的上游
、
底部和顶部由
砂砾石填筑改为块石体填筑
,
取消
“
L
”
型排水分区
；
②
上游坝坡坡比由
1
:
1.60
调整为
1
:
1.55
；
③
垫
层下部增设水平宽度
5.0m
的
3A
过渡料区
。
(3)
分区方案
3
：
充分利用砂砾石料抗变形能
力强和堆石料渗透性强
、
静动抗剪强度高的优点
，
考
虑水库运行消落大
(
最大消落深度
110
m)
，
在排水
体上游死水位
1
590.
00
m
高程以下仍然采用抗变
形能力强的砂砾料
,
但是从
S4
料场优选渗透性较强
的砂砾料填筑
;
1
590.00
m
高程以上直至坝顶采用
透水强堆石料填筑
，
既强化了死水位以上填筑料的
排水能力
，
又提高了死水位以下砂砾料的渗透性
，
满
足水库大变幅下的快速排渗
，
同时也提高了上游坝
坡和坝顶在地震情况下的抗滑稳定安全性
。
上游坝
坡坡比仍然按照面板砂砾石坝上游坝坡采用砂砾料
石布置在上游坝壳
，
然后将堆石料布置在下游坝壳
,
坝体变形和防渗结构的变形较小
。
由于砂砾料级配
不均一
、
渗透性相对较弱
，
故在砂砾石体内设置竖向
排水区和水平排水区
，
将可能的渗水平顺排至坝外
,
保持大坝砂砾石主体处于干燥(或非饱和)状态
。
(2)
分区方案
2
砂砾料区占坝体总填筑量的
50%
，
堆石料占坝体总填筑量约
40%,
采用渗透性
强
、
渗透安全性大的堆石料布置在上游迎水面和底
部排水通道上
，
能将渗水快速排至坝外
,
保持大坝砂
砾石主体处于干燥状态
，
渗流控制安全条件较好
。
但由于堆石靠近面板布置其压缩模量小于砂砾料
,
防渗结构变形略大
。
(3)
分区方案
3
砂砾料区占坝体总填筑量的
60%
，
堆石料占坝体总填筑量约
30%,
上游坝坡死
水位以下采用的砂砾料
，
上游坝坡死水位以上采用
强透水的堆石料
，
加强了死水位以上水位变幅区的
强透水性
，
使得死水位以上砂砾石坝体在各种运行
状态包括极端情况下处于干燥状态
，
死水位以下砂
砾石坝体也能保持干燥
(
或非饱和)状态
。
上游坝
坡死水位以下采用压缩模量大
、
抗变形能力强的砂
砾料,防渗结构的变形相对于方案
2
将有所改善
。
通过上述对各分区方案的坝体变形和渗流控制
条件定性分析可知
,3
种分区方案均可行
，
但坝体变
形和渗流控制的条件有所差异
,
各有侧重
,
分区方案
3
综合了
2
种材料的优点
，
坝体变形和渗流控制的
综合安全性能略优
。
2
坝体稳定变形安全性分析及评价
2
.
1
各分区方案坝坡稳定计算及评价
方案
1
的上游填筑料采用砂砾石料
，
上游坡比
为
1
:
1.6
；
方案
2
的上游填筑料采用堆石料
，
坡比
54
李学强
，
苗喆
，
邓成进
.
新疆大石峡面板砂砾石坝坝体分区安全性分析
为
1
：
1.55
；
方案
3
的上游填筑料下部采用砂砾石
表
4
运行期
3
种分区方案大坝变形计算结果对比表
料
，
上部采用堆石料
，
上游坡比为
1
:
1.6o
各分区
的下游填筑料均采用砂砾石料
，
但分区方案
2
和分
（
考虑流变
）
分区
方案
坝体
区方案
3
坝顶采用了块石料
，
下游坡比均保持不变。
通过刚体极限平衡法计算各方案坝坡稳定安全系
沉降
坝顶沉降
/
cm
/
cm
144.
6
146.
7
145.
8
周边缝
面板
挠度
剪切位移
沉降
张拉位移
/
cm
/
mm
/
mm
/
mm
数
，
分析和评价各方案的坝坡稳定安全性
。
3
种分
区方案上下游坝坡稳定计算成果见表
2o
表
2
3
种分区方案坝坡稳定安全系数计算成果表
分区方案
1
工况
方案
1
方案
2
方案
3
40.
5
44.
7
42.
3
78.9
92.
7
87.
0
47.
1
48.
7
47.
8
44.
5
52.
3
46.
5
22.
2
23.2
22.
8
（
1
）
坝体沉降变形
分区方案
2
分区方案
3
分区方案
1
、
方案
2
和方案
3
坝体总沉降量分
上游坡
下游坡
上游坡
下游坡
上游坡下游坡
正常蓄水位
-
1.951
-
2.017
-
2.017
竣工期
1.8671.9851.935
2.030
1.947
2.030
正常
+
设计地震
-
1.387
/
1.448
-
1.448
正常
+
校核地震
-
1.273
/
1.326
-
1.326
3
种分区方案在各种运行工况下坝坡抗滑稳定
安全系数均大于规范要求的安全系数允许值
，
不会
发生失稳破坏且具有一定的安全储备
。
从上下游坝坡稳定计算结果来看
，
分区方案
1
上游坝壳采用砂砾石料
,
而分区方案
2
和方案
3
上
游坝壳及坝顶均采用堆石料
，
故方案
1
安全系数比
方案
2
和方案
3
的低,安全裕度略小
。
计算表明
，
砂
砾石面板坝上游坝壳和坝顶一定范围采用堆石料,
有利于其抗滑稳定安全性
。
2
.
2
分区方案大坝变形性状安全性分析及评价
在面板堆石坝设计中
,
坝体的变形控制是一项
最重要的控制目标
,
面板的应力
、
接缝的变位等无一
不与此密切相关
，
过大的坝体变形是导致面板堆石
坝周边缝止水破坏
、
面板挠度过大
、
面板结构性裂
缝
、
垂直缝挤压破坏等一系列问题的根源
。
因此
，
大
坝分区设计应把控制坝体变形
、
减小坝体变形量的
问题放在首位
。
各分区方案采用三维有限元计算,
分析大坝变形性状安全性
，
堆石体本构采用南水模
型
,
接触面
（
面板和垫层
、
采用
Goodman
单元
，
周边
缝止水采用连接单元模拟
，
垂直缝采用分离缝模
拟
[12]
o
坝体
3
种分区方案的变形计算结果对比见
表
3
,
考虑流变后大坝变形计算结果对比见表
4
。
表
3
蓄水期
3
种分区方案大坝变形计算结果对比表
（
不考虑流变
）
分区
坝体
面板
周边缝
方案
沉降
挠度
剪切位移
沉降
张拉位移
/
cm
/
cm
/
mm
/
mm
/
mm
方案
1
116.3
37.
1
29.
8
33.
9
15.1
方案
2
116.8
49.
6
32.
9
41.
7
15.3
方案
3
116.5
41.
6
30.
735.
2
15.2
别为
116.3
、
116.8
、
116.5
cm,3
种分区方案坝体沉
降约占最大坝高的
0.47%
；
考虑流变后各方案坝体
总沉降量分别为
144.6
、
146.7
、
145.8
cm,
考虑流变
后沉降变形增大
，
约占最大坝高的
0.59%o
由于
3
种分区方案坝体的中部均采用砂砾石料
，
分区方案
对坝体的沉降变形控制和影响基本相同
，
沉降变形
基本相当
，
均小于经验控制沉降率
1%
，
且变形分布
也符合规律
。
（
2
）
混凝土面板挠度
分区方案
1
、
方案
2
和方案
3
面板挠度分别为
37.
1,49.
6,41.
6
cm,
考虑流变后面板挠度分别为
78.
9
、
92.
7
、
87.
0
cm,
从面板挠度极值分布看
，
极值
基本位于
1/2
坝高以下
。
由于混凝土面板的应力变
形直接受其下部堆石材料变形特性的影响
，
分区方
案
1
上游坝壳全部采用砂砾料
，
面板挠度最小
，
分区
方案
2
上游坝壳采用堆石料
，
面板挠度最大
，
分区方
案
3
上游坝壳顶上部为堆石料
、
下部为砂砾料
,
面板
挠度介于分区方案
1
和方案
3
之间
。
（
3
）
周边缝变位
由于岸坡地形以及低部位作用水头较大
，
周边
缝变位极值发生在右岸古河槽以下低高程位置
，
在
1/2
坝高以下
。
周边缝的变位也受其压覆堆石材料
的变形特性控制
，
分区方案
2
和分区方案
3
上游坝
壳靠近面板
1/2
坝高以下为砂砾料
，
分区方案
2
上
游坝壳靠近面板均为堆石料
，
故分区方案
1
和分区
方案
3
周边缝接缝变形基本相当
（
分区方案
1
略
小
）
，
分区方案
2
接缝变形较大
。
经分析各分区方案坝体变形
、
面板接缝变位均
能满足坝体安全要求
。
分区方案
2
上游坝壳全部采
用堆石料
，
沉降变形
、
面板挠度
、
接缝变形均最大
。
上述分析表明
，
分区方案
1
和方案
3
上游坝壳部分
西北水电
•
2020
年
•
第
S2
期
55
或全部采用砂砾石料
，
有利于坝体变形控制,安全性
优
，
堆石半包砂砾石的方案
3
次之
，
方案
1
略差
。
3
.
2
坝体各分区渗透稳定性评价
相对较好
。
3
坝体渗流变形稳定安全性评价及
分析
分别对各分区方案进行了三维渗流分析,计算参
数见表
5,
计算工况包括稳定渗流
、
面板局部破损和
3
个分区方案主要分区的渗透坡降计算结果对
比见表
6
，
下游坝坡最高逸出点及出逸坡降见表
7
。
表
6
3
种分区方案各工况坝体主要分区最大渗透坡降表
正常
止水
极端工况坡降
工况
蓄水位
坡降
破损
坡降
160.08
垫层挡水垫层挡水允许坡降
（
1570m
）
-
（
1643m
）
-
垫层直接挡水
，
从防渗系统水头削减
、
坝体渗流量
、
各
分区渗透坡降等对比分析各坝型的渗流安全性
。
面板
176.99
0.15
200
40
分区
方案
垫层区
0.577.33
11.18
反滤
表
5
3
种分区方案从上游至下游各分区渗透系数表
/
(
cm
•
s
-1
)
坝
型
分区方案
面板
垫层
过渡层
砂砾料
排水
堆石料
分区方案
1
1.0x10
-7
0.82X10
-3
-
1.0x10
-3
9x10
-1
1.25X10
-1
分区方案
2
1.0x10
-7
0.82X10
-3
5
x
10
-2
--
1.25X10
-1
分区方案
3
1.0x10
-7
0.82X10
-3
5
x
10
-2
3x10
-3
-
1.25X10
-1
3
.
1
各分区方案渗控措施有效性分析
图
4
列出了国内外面板坝稳定渗漏量与坝高关
系
，
图中未给出渗漏量过大
（
大于
300
L/s
）
和过小
（
小于
10
L/s
）
的结果
。
从图
4
中可以看出
，
渗漏量
统计平均值为
65.7
L/s,
大石峡面板坝
3
个分区方
案在防渗结构完好
、
正常蓄水位下的总渗漏量分别
为
70.3
、
75.0
、
73.7
L/s,
略高于统计平均值
,
表明大
石峡渗流控制措施布置合理可行
。
图
4
国内外面板坝稳定渗漏量与坝高关系图
各方案分区设计中排水分区的排水能力影响控
制:分区方案
1
竖向排水分区宽度小
、
排水能力受到
一定的影响
，
其渗流量最小
;
分区方案
2
上游坝壳全
为堆石料
，
故其排水能力最强渗流量最大
;
分区方案
3
死水位以上排水体为堆石料区
、
死水位以下仍为竖
向排水体
,
故其排水能力介于分区方案
1
和分区方案
2
之间
。
所以从快速排出坝体上游渗流水的排水能
力角度考虑
，
方案
2
即由堆石包裹砂砾石的方案最
1
0.06
0.09
0.370.69
0.2
主堆砂砾料
0.070.09
0.27
0.33
0.15
〜
0.20
面板
187.19
179.83
--
200
分区
垫层区
0.17
0.63
9.88
15.51
40
方案
过渡区
0.09
0.13
0.44
0.82
0.2
2
主堆砂砾料
0.031
0.033
0.18
0.21
0.15
〜
0.20
面板
177.34
160.47
--
200
分区
垫层区
0.15
0.587.73
13.12
40
方案
过渡区
0.03
0.05
0.15
0.27
0.2
3
主堆砂砾料
0.070.09
0.2
0.22
0.15
〜
0.20
表
7
3
种分区方案各工况下游坝坡最高逸出点
及出逸坡降表
正常
止水
极端工况坡降
工况
蓄水位
破损
垫层挡水
垫层挡水
坡降坡降
(1570m)(1643m)
分区
下游坝坡出
方案
逸点高程
1485.31
1485.69
1495.72
1485.87
1
1
/m
出逸坡降
0.07
0.
11
0.32
0.40
分区
下游坝坡出
方案
逸点高程
1485.
13
1485.17
1497.84
1492.11
2
/m
出逸坡降
0.06
0.07
0.51
0.75
分区
下游坝坡出
方案
逸点高程
1485.39
1485.81
1495.75
1487.00
3
/m
出逸坡降
0.08
0.
11
0.33
0.48
由表
6
、
7
可知
，
在渗控措施有效及周边缝止水
失效的情况下
,3
个分区方案的渗透坡降和出逸坡
降均小于允许坡降
，
大坝渗透稳定性满足要求
。
从坝体防渗
、
排水效果综合分析
，
分区方案
1
和
分区方案
3
对控制渗流量
、
垫层渗透坡降有利
，
方案
2
和方案
3
对被保护主堆砂砾料的渗透坡降有利
。
因此
,
为了减小坝体渗流量
,
减小第
2
道防渗线垫层
料
、
被保护主堆砂砾料和下游坝坡的渗透
（
出逸
）
坡
降
，分区方案
3
防渗
、
排水综合效果最优
。
4
坝体抗震安全性分析及评价
大石峡大坝动力计算模型采用等价黏弹性模型
,
56
李学强
，
苗喆
，
邓成进
.
新疆大石峡面板砂砾石坝坝体分区安全性分析
计算边界为固定边界
、
一致性均匀输入
［
13
］
。
地震采
(2)
坝体残余变形
用场地设定地震时程曲线见图
5o
混凝土面板砂砾
砂砾料的残余变形参数要低于堆石料
,
故坝体
石坝
3
种分区方案设计地震动力计算成果见表
8o
(1)
坝体动反应
中部砂砾石多的残余变形小
、
堆石料厚度大的残余
变形必然大
，
分区方案
1
、
分区方案
2
、
分区方案
3
的
地震残余变形分别为
89.3
、
99.2
、
94.
1
cm
。
分区方
大坝的动力反应随高程增加反应增大
,4/5
坝
高以上坝体动力反应较大
，
“
鞭梢效应
”
明显
,3
种分
案
2
比分区方案
1
大
11%
,
比分区方案
3
大
5.4%o
灰岩堆石料完全包裹砂砾料的分区方案
2
使得上游
区坝高相同
,
所以坝顶动力反应基本相当
,
设计地震
坝轴线加速度放大倍数
2.31
〜
2.
33,
顺河向加速度
放大倍数
2.
63
〜
2.
91,
垂直向向加速度放大倍数
坝体的地震残余变形最大
，
该变形方式对上游防渗
体系的应力变形影响较大
，
而上游坝壳顶部是堆石
、
底部是砂砾料的分区方案
3
则坝体地震残余变形有
2.
57
〜
2.
88,
由于砂砾料相较堆石料具有较高的动
模量
、
较小的阻尼比
，
所以分区方案
1
动反应最强
所改善
，
分区方案
1
则残余变形最小
。
烈
,
方案
2
和方案
3
略小且基本相当
。
图
5
场地相关反应谱及地震动加速度时程
(
100
年超越概率
2%
)
表
8
3
种分区方案设计地震动力计算成果表
加速度放大倍数
坝体永久变形
/cm
顺河向
垂直向
地震作用引起的面板增量变形
/cm
周边缝
/
mm
分区方案
坝轴向
顺河向
垂直向
2.
88
2.
57
2.
68
坝轴向
指向左岸
4.
6
6.
4
5.
4
指向右岸
4.
5
7.
3
5.
8
法向
剪切位移
46.7
49.0
47.8
沉降
张拉位移
23.3
25.0
23.9
分区方案
1
分区方案
2
分区方案
3
2.
33
2.
31
2.
32
2.
91
2.
63
2.
71
49.4
58.2
51.7
89.3
99.2
94.
1
87.9
97.7
92.7
47.5
51.5
48.2
(3)
面板的动反应
设计地震作用引起的面板增量挠度与坝体分区
2
、
分区方案
3
周边缝的剪切位移分别为
46.
7
mm
、
49.
0
mm
和47.
8
mm
。
灰岩堆石料完全包裹砂砾料
方案关系密切
。
分区方案
2
为灰岩堆石料完全包裹
砂砾料
，
面板增量挠度最大
，
达到
97.7
cm
；
分区方
案
1
上游坝壳全部为砂砾料
，
面板增量挠度最小
，
为
的分区方案
2
接缝位移最大
，
上游坝壳全为砂砾料
的分区方案
1
接缝位移最小
，
而上游坝壳顶部是堆
石
、
底部是砂砾料的分区方案
3
则介于其中
。
各分
87.9
cm
；
而分区方案
3
上游坝壳的上部为堆石料
、
区方案周边缝接缝各向位移均能适应目前止水结构
的变形要求
。
下部为砂砾料
，
计算值则介于分区方案
1
和分区方
案
2
之间
，
为
92.
7
cm,
比方案
2
有很好的改善
。
综上所述
,
在地震工况下
,
方案
2
采用堆石料完
(4)
接缝的位移
地震作用下面板接缝位移大小与坝体残余变形
全包裹砂砾料
，
上游坝体的地震残余变形最大
，
上游
防渗体系应力变形均最大
，
方案
1
最小
，
方案
2
介于
两者之间
。
考虑方案
1
坝坡稳定安全系数最低
，
故
大小正相关
，
设计地震作用下分区方案
1
、
分区方案
西北水电
•
2020
年
•
第
S2
期
57
分区方案
3
上游坝壳顶部材料堆石
,
底部采用砂砾
采用分区方案
3
,
即堆石料半包砂砾石料的坝体分
料
，
抗震安全性相对较好
。
区型式
。
5
结
语
本文依据
2
种材料的工程特性
，
对混凝土面板
砂砾石坝分区进行研究
,
重点对坝体变形控制
、
渗透
参考文献
：
[1]
中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司
•
新疆大石峡水
利枢纽工程初步设计报告
[R]
•
西安：中国电建集团西北勘测
设计研究院有限公司
,2019.
[2]
稳定及抗震安全性
3
个方面进行坝体分区安全性研
究
。
研究表明
3
种坝体分区方案变形控制和渗透稳
中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司
•
新疆大石峡水
利枢纽工程面板砂砾石坝关键技术研究报告
[R].
西安
：
中国
电建集团西北勘测设计研究院有限公司,2019.
[3]
定及抗震安全性都在正常和可控范围内
，
3
种分区
方案均可行
，
但在变形控制和渗透稳定上还是有所
湛正刚
，
杨泽艳
,
蔡大勇
•
洪家渡面板堆石坝筑坝技术总结概
要
[J].
面板堆石坝工程
,2007(4)
：
87-102.
差异
。
通过坝体分区比较
，
最终选择了安全性综合
较优的方案
。
[4]
姚福海
，
朱永国•
大渡河猴子岩窄河谷
、
深基坑
、200
m
级混凝
土面板堆石坝变形规律研究与启示
[C]//水库大坝高质量建
设与绿色发展
--
中国大坝工程学会
2018
学术年会论文集
,
(1)
从坝体变形控制来看
,3
种分区方案坝体
主体基本为砂砾料
,
坝体沉降变形基本相当
;
而面板
[5]
2018.
杨泽艳
，
蒋国澄•洪家渡
200
m
级高面板堆石坝变形控制技术
及接缝变形受其压覆材料的工程特性影响最大
，
分
区方案
1
面板挠度和接缝变形较小
，
分区方案
2
面
板挠度和接缝变形最大
，
分区方案
3
与分区方案
1
[6]
[C]//
中国水利学会
％
中国大坝协会
•
第
1
届堆石坝国际研讨
会论文集
,2009:43-49.
李雷
,
盛金保
•
沟后坝砂砾料的工程特性
[J].
水利水运科学研
究
,2000(03):27-32.
相当略大
。
(2)
从坝体防渗
、
排水效果综合分析
，
分区方案
1
和分区方案
3
对控制渗流量
、
垫层渗透坡降有利
,
方案
2
和方案
3
对控制被保护主堆砂砾料的渗透坡
[7]
彭卫军
，
罗松涛•
吉林台一级水电站混凝土面板砂砾
-
堆石坝
设计与施工
[J]
•
水力发电
,2006,32(06)
：
23-25
,43.
[8]
杨昭
,
席福来
•
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料工程特性研究
[J].
水利水电技术,2003,34(12)
：
31-33.
降有利
。
为了减小坝体渗流量
，
减小第
2
道防渗线
[9]
中国水电顾问集团西北勘测设计研究院
•
新疆察汗乌苏水电
垫层料
、
被保护主堆砂砾料和下游坝坡的渗透
(
出
逸)坡降
，
分区方案
3
防渗
、
排水综合效果最优
。
站面板坝设计自检报告
[R].
西安
：
中国水电顾问集团西北勘
测设计研究院
,2011.
(3)
从抗震安全性来看
，
分区方案
1
残余变形
小
，
防渗体系的应力变形性状较好
，
面板动反应
、
接
[10]
中国水电顾问集团西北勘测设计研究院•
公伯峡水电站面板
坝设计自检报告
[R].
西安
：
中国水电顾问集团西北勘测设
计研究院
,2006.
[11]
缝动位移较小
;
分区方案
2
残余变形较大
，
防渗体系
的应力变形性状略差
;
而分区方案
3
相比方案
2
有
较大的改善
。
中国水电顾问集团西北勘测设计研究院
•
茨哈峡水电站预可
研报告
[R].
西安
：
中国水电顾问集团西北勘测设计研究院
,
2011.
综上所述
，
方案
3
上游坝坡在死水位上
、
下分别
[12]
南京水利科学研究院
，
中国电建集团西北勘测设计研究院有
采用砂砾料
、
堆石料
2
种不同特性的填筑材料
，
在坝
限公司•
大石峡水利枢纽工程面板坝三维静
、
动力有限元分
析
[R].
南京
:
南京水利科学研究院
,2018.
体变形控制的前提下
，
兼顾保证防渗
、
排水综合效
[13]
大连理工大学
，
中国电建集团西北勘测设计研究院有限公
司
•大石峡水利枢纽工程面板坝三维非线性静
、
动力精细化
有限元分析
[R]
•
大连
:
大连理工大学
,2018.
果
，
综合安全目标较优
。
通过面板砂砾石坝坝体分
区设计研究
，
综合利用
2
种材料的优点
，
大石峡最终
蕱蕱蕱蕱蕱蕱蕱蕱蕱蕱蕱蕱蕱蕱蕱蕱蕱蕱蕱蕱蕱蕱蕱蕱蕱蕱蕱蕱蕱蕱蕱蕱蕱蕱蕱蕱蕱蕱蕱蕱蕱蕱藮
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卡滸滸滸滸滸滸滸滸滸滸滸滸滸滸滸滸滸滸滸滸滸滸滸滸滸滸滸滸滸滸滸滸滸滸滸滸滸滸滸滸滸滸
¥
I
2024年4月26日发(作者：世婉秀)
水工与施工
文章编号
：
1
006
—
2610
(
2020
)
S2
—
0051
—
07
西北水电
•
2020
年
•
第
S2
期
51
新疆大石峡面板砂砾石坝坝体分区安全性分析
李学强二苗詰
-
邓成进
▽
(
1.
中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司
，
西安
710065
；
2.
西安理工大学岩土工程研究所
，
西安
710048
)
摘要:新疆大石峡水利枢纽工程地形地质条件复杂
，
坝址区地震基本烈度高
，
国内国际
250
m
级面板砂砾石坝建
设成功经验甚少
。大石峡坝址区分布有丰富的符合高面板坝筑坝材料工程特性要求的砂砾料
，
同时坝址区微晶灰
岩也是较优良的筑坝块石料
。
砂砾料具有变形指标较高
,
对坝体变形控制有利的突出优点
,
人工堆石料具有抗剪
强度高
、
抗震动力指标高
、
渗透抗震稳定性较好的有利条件
。
初设阶段通过面板砂砾石坝坝体分区设计研究
，
综合
利用
2
种材料的特点
，
推荐一种堆石料半包砂砾石料的坝体分区型式
，
在确保大坝变形控制的前提下
，
提高大坝的
抗震安全性
、
渗透稳定性
、
坝顶及坝坡抗滑
(
剪
)
安全性
，
进而确保大坝的综合安全
。
关键词:坝体分区
;
变形控制
;
抗震安全性
;
渗透稳定性
中图分类号:
TV641.4
文献标志码:
A
DOI
：
10.
3969/j
.
issn.
1006-2610.
2020.
S2.
011
Safety
Analysis
of
the
Zoning
of
Dashixia
Concrete
Faced
Sand
-
gravel
Dam
in
Xinjiang
LI
Xueqiang
1
,
MIAO
Zhe
1
,
DENG
Chengjin
1
，
2
(
1.
Powerchina
Northwest
Engineering
Corporation
Limited
,
Xi'an
710065,
China
；
2.
Institute
of
Geotechnical
Engineering
,
Xi'an
University
of
Technology
,
Xi'an
710048
,
China
)
Abstract
:
Dashixia
Water
Control
Project
in Xinjiang
has
complex
topographic
and
geological
conditions
,
and
the
basic
seismic
intensity
of
the
dam
site
area
is
high.
Few
250
m-level
concrete
faced
sand-gravel
dam
has
been
built
at
home
and
abroad.
The
Dashixia
dam
site
is
rich
in
sand
and
gravel
materials
that
meet
the
engineering
requirement
of
high
concrete
faced
dam.
At
the
same
time
,
the
microcrystal
line
limestone
at
the
dam
site
is
also
a
favorable
dam-embankment
material.
Sand
gravel
material has
the
outstanding
advantages
of
high
deformation
index
which
is
beneficial
to
dam
deformation
control.
Artificial
rockfill
material
has
the
advantages
of
high
shear
strength
,
high
vibration
resistance
index
,
and
good
permeability
and
seismic
stability.
In
the
preliminary
design
stage
,
through
the
design
of
the
dam
body
partition
of
the
concrete
faced
sand
-
gravel
dam
,
the
characteristics
of
the
two
materials
are
comprehensively
utilized
,
and
a
dam
body
partition
type
with
rockfill
material
half
surrounding
the
sand
-gravel
material
was
recommended
to
improve
the
anti-seismic
safety
,
seepage
stability
,
dam
crest
and
dam
slope
anti-sliding
(
shear
)
safety
of
the
dam
under
the
premise
of
ensuring
the
deformation
control
,
hence
ensuring
the
comprehensive
safety
of
the
dam.
Key
words
:
dam
zoning
；
deformation
control
；
seismic
safety
；
seepage
stability
0
前言
大石峡水利枢纽工程位于新疆阿克苏市温宿县
与乌什县交界的阿克苏河一级支流一一库玛拉克河
上
，
是
《
新疆阿克苏河支流库玛拉克河河段水电规
划报告
》
推荐的库玛拉克河在境内河段上
4
个梯级
的龙头水库
。
坝址位于大石峡峡谷出口处
，
距下游
在建的小石峡坝址约
11
km,
距协和拉水文站约
14
km,
距阿克苏市约
100
km,
交通比较方便
［
1-2
］
。
大石峡水利枢纽工程拦河坝采用混凝土面板砂
砾石坝
,
混凝土面板坝趾板建在基岩上
，
河床修建高
收稿日期
：
2020-09-28
作者简介
:
李学强
(1964
-
),
男
，
陕西省神木市人
，正高级工程
35
m
的高趾墩
，
最大坝高
247
m
。
根据国内外超高
面板坝的研究经验
,250
m
级面板坝变形控制是大
师
，
西北院副总工程师
，
从事水利水电工程设计与咨询管理工作
•
坝安全控制的核心因素
［
3-5
］
。
工程坝址有储量丰
52
李学强
，
苗喆
，
邓成进
.
新疆大石峡面板砂砾石坝坝体分区安全性分析
富
、
开采方便
、
变形指标高
、
抗震和抗剪指标满足工
程要求的砂砾石料
，
因此工程大坝结构型式首选砂
量系数的指数
n
=
0
.
31
-
0
.
50,
大石峡砂砾料模量
系数
K
=1
294,
模量系数的指数
n
=
0.
32,
总体看处
砾石料为坝体主体筑坝材料
。
但砂砾料级配不均
一
、
渗透性相对较弱
，
而枢纽建筑开挖和左坝头料场
于上述统计指标的中上限
，
也远高于大石峡灰岩堆
石料模量系数
K
=1
105
、
模量系数的指数
n
=
0.22
的力学参数
。
大石峡面板坝砂砾料的压缩特性要好
爆破开采的弱风化灰岩渣料渗透稳定性相对较
好
［
6-7
］
。
如何合理经济地在坝体分区结构上利用
2
种筑坝材料的特点
，
提高坝体变形控制
、
渗透稳定和
于灰岩堆石料
，
将其作为承载主体置于坝体上游和
中间部位有利于超高坝的变形控制
，
堆石料的抗剪
强度高于砂砾料
，
将其布置在坝顶和下游坝坡能够
提高坝坡的抗滑稳定性
。
抗震安全性
，
是大石峡面板砂砾石坝坝体分区设计
安全性研究的关键问题之一
。
初步设计阶段依据
2
种材料的工程特性
，
从坝
坡稳定及坝体应力变形安全
、
渗透稳定安全
、
抗震安
全性等方面
，
对混凝土面板砂砾石坝分区进行安全
性研究
,最终选定面板砂砾石坝分区方案
,
并对大石
峡混凝土面板坝分区安全性进行评价和分析
。
1
坝体分区设计方案
1
.
1
筑坝材料的工程特性
大石峡坝址附近有丰富的天然砂砾石料料源
，
其中
S3
料场砂砾料储量达
3
300
万
m
3
以上
,
S4
料
场砂砾料储量达
400
万
m
3
,
勘察成果表明
，
砂砾石
料作为面板坝坝体填筑料
,
质量满足相关技术要求
,
储量丰富
，
其中
S4
料场砂砾料颗粒较粗
、
渗透性约
为
S3
料场砂砾料渗透性的
3
倍
。
坝址区出露岩性主要为微晶灰岩
，
左岸坝肩坝
顶高程以上微晶灰岩料场
，
有用料储量丰富
,
满足用
量需求
，
灰岩平均饱和抗压强度近
60
MPa
，
为中硬
岩
，
质量指标满足填筑堆石料要求
。
可研及初设阶段对砂砾料和灰岩堆石料开展了
相对密度试验
、
压缩试验
、
大三轴试验
、
流变试验
、
渗
透试验以及动力试验
。
砂砾料级配良好且连续
，
在
垂直荷载
6
MPa
量级下压缩模量达
209
MPa
（
饱
和
）
,
渍
。
值
49
.
0
毅
~50
.
2
毅
,
模量系数
K
值
1
191
〜
1
688,
渗透系数
1.1X10
-3
cm/s
；
弱风化微晶灰岩堆
石料在垂直荷载
6
MPa
量级下压缩模量达
89
MPa
，
渍
。
值
51.5
。
~53.2
毅,模量系数
K
值
919
~
1
352,
渗
透系数
1.0X10
-2
cm/s
o
砂砾料弱风化灰岩料均具
有高压缩模量和低压缩特性
,
相比较而言
，
砂砾料压
缩模量明显高于灰岩堆石料
，
而灰岩堆石料的抗剪
强度要高于砂砾料
，
渗透特性也要明显好于砂砾料
。
从已建
、
在建的百米级以上砂砾石坝砂砾料的
大三轴试验统计成果
（
表
1
）
［8-11
］
,
大多数砂砾料模
量系数
K
=900
~1
420,
个别低至
550
、
高至
1
840,
模
1
.
2
坝体分区设计
根据上述
2
种主要筑坝材料的工程特性
，
为充
分发挥各材料的特点
，
拟定
3
种分区方案对混凝土
面板砂砾石坝分区进行研究
。
表
1
国内已建
、
在建百米级以上砂砾石坝砂砾料
三轴试验成果
坝名
坝料
Pd
渍
驻渍
/(g-cm
-3
)
/
（
毅
）
/
（
毅
）
K
n
大石峡砂砾料
2.27
50.1
6.3
1294
0.32
0.74
吉林台
砂砾料
2.19
51.0
7.0
1840
0.29
0.88
江坪河砂砾料
2.25
48.4
5.5
1065
0.50
0.86
茨哈峡
砂砾料
2.2653.5
8.3
1300
0.32
0.682
乌鲁瓦提
砂砾料
2.25
43.0
3.0
900
0.35
0.75
黑泉
砂砾料
2.24
46.2
7.1
1420
0.34
0.89
察汗乌苏
砂砾料
2.3451.9
8.9
1250
0.31
0.851
那兰
砂砾料
2.20
49.0
6.0
1100
0.42
0.78
公伯峡
砂砾料
2.25
60.0
15.8
1200
0.350.61
珊溪
砂砾料
2.23
47.9
5.0
550
0.781
0.924
肯斯瓦特
砂砾料
2.
14
53.5
11.5
650
0.39
0.849
大石峡
灰岩堆石
2.22
53.2
9.0
1105
0.22
0.65
（
1
）
分区方案
1
：
依据
SL
228-2013
（
混凝土面
板堆石坝设计规范
》
第
3.2
节
“
坝体分区
”
第
3.2.3
条
“
用砂砾石填筑的坝体可参照图
3.
2.
3
进行分
区
”
的规定
，
以及参考国内已建百米级级砂砾石面
板坝工程的成功运行经验
,
结合坝体变形控制
、
渗流
控制
、
坝料料源
、
开挖料利用
、
运用要求等具体情况
进行综合分析
，
分区结构总体格局是上游为抗变形
能力强的砂砾料区
、
下游为抗剪强度高抗滑能力强
的灰岩堆石区
，
初步拟定混凝土面板砂砾石坝坝料
分区为
:
坝体从上游至下游分为
9
个区
，
分别为上游
防渗补强区
（
1A
、
1B
）
、
防渗面板
（
F
）
、
垫层区
（
2A
）
、
特殊垫层区
（
2B
）
、
排水料区
（
3E
）
、
主砂砾石区
（
3B
）
、
下游堆石料区
（
3C
）
、下游块石护坡
（
3D
）。排
水区又分为竖向排水和水平排水
,
水平排水上游与
竖向排水连接
，
下游延伸到下游堆石区
。
分区方案
1
标准剖面见图
1
。
西北水电
•
2020
年
•
第
S2
期
F
：
防渗面板
；
2A:
垫层区
3E:
排水料区
；
3B:
主砂砾石区
3C:
下游堆石料区
53
1
•
3
各分区方案坝体变形和渗流控制条件分析
各分区方案主要差别表现在坝体分区如何利用
砂砾料和堆石料
，
砂砾料区和堆石料区将直接影响
3C
坝体变形和渗透稳定
,
最终成为控制超高面板坝安
全性重要因素之一
。
(1)
分区方案
1
砂砾料区占坝体总填筑量的
图
1
分区方案
1
标准剖面图
70%
，
堆石料占坝体总填筑量约
20%
；主要利用工
程开挖料
，
采用压缩模量大
、
抗变形能力强的砂砾料
作为堆石体的主体
,
坝体变形控制条件较好
,
将砂砾
(2)
分区方案
2
：
为了利于坝体排水
，
减小大坝
总填筑量
，
在坝体上游坝坡附近设置堆石区
,
并放陡
上游坡比
,
形成混凝土面板砂砾石坝分区方案
2,
即
“
金包银
”
方案
，
分区方案
2
标准剖面见图
2o
图
2
分区方案
2
标准剖面图
坝体分区方案
2
与分区方案
1
的主要区别有如
下几点
:
①
将
“
L
”
型排水体的上游
、
底部和顶部由
砂砾石填筑改为块石体填筑
,
取消
“
L
”
型排水分区
；
②
上游坝坡坡比由
1
:
1.60
调整为
1
:
1.55
；
③
垫
层下部增设水平宽度
5.0m
的
3A
过渡料区
。
(3)
分区方案
3
：
充分利用砂砾石料抗变形能
力强和堆石料渗透性强
、
静动抗剪强度高的优点
，
考
虑水库运行消落大
(
最大消落深度
110
m)
，
在排水
体上游死水位
1
590.
00
m
高程以下仍然采用抗变
形能力强的砂砾料
,
但是从
S4
料场优选渗透性较强
的砂砾料填筑
;
1
590.00
m
高程以上直至坝顶采用
透水强堆石料填筑
，
既强化了死水位以上填筑料的
排水能力
，
又提高了死水位以下砂砾料的渗透性
，
满
足水库大变幅下的快速排渗
，
同时也提高了上游坝
坡和坝顶在地震情况下的抗滑稳定安全性
。
上游坝
坡坡比仍然按照面板砂砾石坝上游坝坡采用砂砾料
石布置在上游坝壳
，
然后将堆石料布置在下游坝壳
,
坝体变形和防渗结构的变形较小
。
由于砂砾料级配
不均一
、
渗透性相对较弱
，
故在砂砾石体内设置竖向
排水区和水平排水区
，
将可能的渗水平顺排至坝外
,
保持大坝砂砾石主体处于干燥(或非饱和)状态
。
(2)
分区方案
2
砂砾料区占坝体总填筑量的
50%
，
堆石料占坝体总填筑量约
40%,
采用渗透性
强
、
渗透安全性大的堆石料布置在上游迎水面和底
部排水通道上
，
能将渗水快速排至坝外
,
保持大坝砂
砾石主体处于干燥状态
，
渗流控制安全条件较好
。
但由于堆石靠近面板布置其压缩模量小于砂砾料
,
防渗结构变形略大
。
(3)
分区方案
3
砂砾料区占坝体总填筑量的
60%
，
堆石料占坝体总填筑量约
30%,
上游坝坡死
水位以下采用的砂砾料
，
上游坝坡死水位以上采用
强透水的堆石料
，
加强了死水位以上水位变幅区的
强透水性
，
使得死水位以上砂砾石坝体在各种运行
状态包括极端情况下处于干燥状态
，
死水位以下砂
砾石坝体也能保持干燥
(
或非饱和)状态
。
上游坝
坡死水位以下采用压缩模量大
、
抗变形能力强的砂
砾料,防渗结构的变形相对于方案
2
将有所改善
。
通过上述对各分区方案的坝体变形和渗流控制
条件定性分析可知
,3
种分区方案均可行
，
但坝体变
形和渗流控制的条件有所差异
,
各有侧重
,
分区方案
3
综合了
2
种材料的优点
，
坝体变形和渗流控制的
综合安全性能略优
。
2
坝体稳定变形安全性分析及评价
2
.
1
各分区方案坝坡稳定计算及评价
方案
1
的上游填筑料采用砂砾石料
，
上游坡比
为
1
:
1.6
；
方案
2
的上游填筑料采用堆石料
，
坡比
54
李学强
，
苗喆
，
邓成进
.
新疆大石峡面板砂砾石坝坝体分区安全性分析
为
1
：
1.55
；
方案
3
的上游填筑料下部采用砂砾石
表
4
运行期
3
种分区方案大坝变形计算结果对比表
料
，
上部采用堆石料
，
上游坡比为
1
:
1.6o
各分区
的下游填筑料均采用砂砾石料
，
但分区方案
2
和分
（
考虑流变
）
分区
方案
坝体
区方案
3
坝顶采用了块石料
，
下游坡比均保持不变。
通过刚体极限平衡法计算各方案坝坡稳定安全系
沉降
坝顶沉降
/
cm
/
cm
144.
6
146.
7
145.
8
周边缝
面板
挠度
剪切位移
沉降
张拉位移
/
cm
/
mm
/
mm
/
mm
数
，
分析和评价各方案的坝坡稳定安全性
。
3
种分
区方案上下游坝坡稳定计算成果见表
2o
表
2
3
种分区方案坝坡稳定安全系数计算成果表
分区方案
1
工况
方案
1
方案
2
方案
3
40.
5
44.
7
42.
3
78.9
92.
7
87.
0
47.
1
48.
7
47.
8
44.
5
52.
3
46.
5
22.
2
23.2
22.
8
（
1
）
坝体沉降变形
分区方案
2
分区方案
3
分区方案
1
、
方案
2
和方案
3
坝体总沉降量分
上游坡
下游坡
上游坡
下游坡
上游坡下游坡
正常蓄水位
-
1.951
-
2.017
-
2.017
竣工期
1.8671.9851.935
2.030
1.947
2.030
正常
+
设计地震
-
1.387
/
1.448
-
1.448
正常
+
校核地震
-
1.273
/
1.326
-
1.326
3
种分区方案在各种运行工况下坝坡抗滑稳定
安全系数均大于规范要求的安全系数允许值
，
不会
发生失稳破坏且具有一定的安全储备
。
从上下游坝坡稳定计算结果来看
，
分区方案
1
上游坝壳采用砂砾石料
,
而分区方案
2
和方案
3
上
游坝壳及坝顶均采用堆石料
，
故方案
1
安全系数比
方案
2
和方案
3
的低,安全裕度略小
。
计算表明
，
砂
砾石面板坝上游坝壳和坝顶一定范围采用堆石料,
有利于其抗滑稳定安全性
。
2
.
2
分区方案大坝变形性状安全性分析及评价
在面板堆石坝设计中
,
坝体的变形控制是一项
最重要的控制目标
,
面板的应力
、
接缝的变位等无一
不与此密切相关
，
过大的坝体变形是导致面板堆石
坝周边缝止水破坏
、
面板挠度过大
、
面板结构性裂
缝
、
垂直缝挤压破坏等一系列问题的根源
。
因此
，
大
坝分区设计应把控制坝体变形
、
减小坝体变形量的
问题放在首位
。
各分区方案采用三维有限元计算,
分析大坝变形性状安全性
，
堆石体本构采用南水模
型
,
接触面
（
面板和垫层
、
采用
Goodman
单元
，
周边
缝止水采用连接单元模拟
，
垂直缝采用分离缝模
拟
[12]
o
坝体
3
种分区方案的变形计算结果对比见
表
3
,
考虑流变后大坝变形计算结果对比见表
4
。
表
3
蓄水期
3
种分区方案大坝变形计算结果对比表
（
不考虑流变
）
分区
坝体
面板
周边缝
方案
沉降
挠度
剪切位移
沉降
张拉位移
/
cm
/
cm
/
mm
/
mm
/
mm
方案
1
116.3
37.
1
29.
8
33.
9
15.1
方案
2
116.8
49.
6
32.
9
41.
7
15.3
方案
3
116.5
41.
6
30.
735.
2
15.2
别为
116.3
、
116.8
、
116.5
cm,3
种分区方案坝体沉
降约占最大坝高的
0.47%
；
考虑流变后各方案坝体
总沉降量分别为
144.6
、
146.7
、
145.8
cm,
考虑流变
后沉降变形增大
，
约占最大坝高的
0.59%o
由于
3
种分区方案坝体的中部均采用砂砾石料
，
分区方案
对坝体的沉降变形控制和影响基本相同
，
沉降变形
基本相当
，
均小于经验控制沉降率
1%
，
且变形分布
也符合规律
。
（
2
）
混凝土面板挠度
分区方案
1
、
方案
2
和方案
3
面板挠度分别为
37.
1,49.
6,41.
6
cm,
考虑流变后面板挠度分别为
78.
9
、
92.
7
、
87.
0
cm,
从面板挠度极值分布看
，
极值
基本位于
1/2
坝高以下
。
由于混凝土面板的应力变
形直接受其下部堆石材料变形特性的影响
，
分区方
案
1
上游坝壳全部采用砂砾料
，
面板挠度最小
，
分区
方案
2
上游坝壳采用堆石料
，
面板挠度最大
，
分区方
案
3
上游坝壳顶上部为堆石料
、
下部为砂砾料
,
面板
挠度介于分区方案
1
和方案
3
之间
。
（
3
）
周边缝变位
由于岸坡地形以及低部位作用水头较大
，
周边
缝变位极值发生在右岸古河槽以下低高程位置
，
在
1/2
坝高以下
。
周边缝的变位也受其压覆堆石材料
的变形特性控制
，
分区方案
2
和分区方案
3
上游坝
壳靠近面板
1/2
坝高以下为砂砾料
，
分区方案
2
上
游坝壳靠近面板均为堆石料
，
故分区方案
1
和分区
方案
3
周边缝接缝变形基本相当
（
分区方案
1
略
小
）
，
分区方案
2
接缝变形较大
。
经分析各分区方案坝体变形
、
面板接缝变位均
能满足坝体安全要求
。
分区方案
2
上游坝壳全部采
用堆石料
，
沉降变形
、
面板挠度
、
接缝变形均最大
。
上述分析表明
，
分区方案
1
和方案
3
上游坝壳部分
西北水电
•
2020
年
•
第
S2
期
55
或全部采用砂砾石料
，
有利于坝体变形控制,安全性
优
，
堆石半包砂砾石的方案
3
次之
，
方案
1
略差
。
3
.
2
坝体各分区渗透稳定性评价
相对较好
。
3
坝体渗流变形稳定安全性评价及
分析
分别对各分区方案进行了三维渗流分析,计算参
数见表
5,
计算工况包括稳定渗流
、
面板局部破损和
3
个分区方案主要分区的渗透坡降计算结果对
比见表
6
，
下游坝坡最高逸出点及出逸坡降见表
7
。
表
6
3
种分区方案各工况坝体主要分区最大渗透坡降表
正常
止水
极端工况坡降
工况
蓄水位
坡降
破损
坡降
160.08
垫层挡水垫层挡水允许坡降
（
1570m
）
-
（
1643m
）
-
垫层直接挡水
，
从防渗系统水头削减
、
坝体渗流量
、
各
分区渗透坡降等对比分析各坝型的渗流安全性
。
面板
176.99
0.15
200
40
分区
方案
垫层区
0.577.33
11.18
反滤
表
5
3
种分区方案从上游至下游各分区渗透系数表
/
(
cm
•
s
-1
)
坝
型
分区方案
面板
垫层
过渡层
砂砾料
排水
堆石料
分区方案
1
1.0x10
-7
0.82X10
-3
-
1.0x10
-3
9x10
-1
1.25X10
-1
分区方案
2
1.0x10
-7
0.82X10
-3
5
x
10
-2
--
1.25X10
-1
分区方案
3
1.0x10
-7
0.82X10
-3
5
x
10
-2
3x10
-3
-
1.25X10
-1
3
.
1
各分区方案渗控措施有效性分析
图
4
列出了国内外面板坝稳定渗漏量与坝高关
系
，
图中未给出渗漏量过大
（
大于
300
L/s
）
和过小
（
小于
10
L/s
）
的结果
。
从图
4
中可以看出
，
渗漏量
统计平均值为
65.7
L/s,
大石峡面板坝
3
个分区方
案在防渗结构完好
、
正常蓄水位下的总渗漏量分别
为
70.3
、
75.0
、
73.7
L/s,
略高于统计平均值
,
表明大
石峡渗流控制措施布置合理可行
。
图
4
国内外面板坝稳定渗漏量与坝高关系图
各方案分区设计中排水分区的排水能力影响控
制:分区方案
1
竖向排水分区宽度小
、
排水能力受到
一定的影响
，
其渗流量最小
;
分区方案
2
上游坝壳全
为堆石料
，
故其排水能力最强渗流量最大
;
分区方案
3
死水位以上排水体为堆石料区
、
死水位以下仍为竖
向排水体
,
故其排水能力介于分区方案
1
和分区方案
2
之间
。
所以从快速排出坝体上游渗流水的排水能
力角度考虑
，
方案
2
即由堆石包裹砂砾石的方案最
1
0.06
0.09
0.370.69
0.2
主堆砂砾料
0.070.09
0.27
0.33
0.15
〜
0.20
面板
187.19
179.83
--
200
分区
垫层区
0.17
0.63
9.88
15.51
40
方案
过渡区
0.09
0.13
0.44
0.82
0.2
2
主堆砂砾料
0.031
0.033
0.18
0.21
0.15
〜
0.20
面板
177.34
160.47
--
200
分区
垫层区
0.15
0.587.73
13.12
40
方案
过渡区
0.03
0.05
0.15
0.27
0.2
3
主堆砂砾料
0.070.09
0.2
0.22
0.15
〜
0.20
表
7
3
种分区方案各工况下游坝坡最高逸出点
及出逸坡降表
正常
止水
极端工况坡降
工况
蓄水位
破损
垫层挡水
垫层挡水
坡降坡降
(1570m)(1643m)
分区
下游坝坡出
方案
逸点高程
1485.31
1485.69
1495.72
1485.87
1
1
/m
出逸坡降
0.07
0.
11
0.32
0.40
分区
下游坝坡出
方案
逸点高程
1485.
13
1485.17
1497.84
1492.11
2
/m
出逸坡降
0.06
0.07
0.51
0.75
分区
下游坝坡出
方案
逸点高程
1485.39
1485.81
1495.75
1487.00
3
/m
出逸坡降
0.08
0.
11
0.33
0.48
由表
6
、
7
可知
，
在渗控措施有效及周边缝止水
失效的情况下
,3
个分区方案的渗透坡降和出逸坡
降均小于允许坡降
，
大坝渗透稳定性满足要求
。
从坝体防渗
、
排水效果综合分析
，
分区方案
1
和
分区方案
3
对控制渗流量
、
垫层渗透坡降有利
，
方案
2
和方案
3
对被保护主堆砂砾料的渗透坡降有利
。
因此
,
为了减小坝体渗流量
,
减小第
2
道防渗线垫层
料
、
被保护主堆砂砾料和下游坝坡的渗透
（
出逸
）
坡
降
，分区方案
3
防渗
、
排水综合效果最优
。
4
坝体抗震安全性分析及评价
大石峡大坝动力计算模型采用等价黏弹性模型
,
56
李学强
，
苗喆
，
邓成进
.
新疆大石峡面板砂砾石坝坝体分区安全性分析
计算边界为固定边界
、
一致性均匀输入
［
13
］
。
地震采
(2)
坝体残余变形
用场地设定地震时程曲线见图
5o
混凝土面板砂砾
砂砾料的残余变形参数要低于堆石料
,
故坝体
石坝
3
种分区方案设计地震动力计算成果见表
8o
(1)
坝体动反应
中部砂砾石多的残余变形小
、
堆石料厚度大的残余
变形必然大
，
分区方案
1
、
分区方案
2
、
分区方案
3
的
地震残余变形分别为
89.3
、
99.2
、
94.
1
cm
。
分区方
大坝的动力反应随高程增加反应增大
,4/5
坝
高以上坝体动力反应较大
，
“
鞭梢效应
”
明显
,3
种分
案
2
比分区方案
1
大
11%
,
比分区方案
3
大
5.4%o
灰岩堆石料完全包裹砂砾料的分区方案
2
使得上游
区坝高相同
,
所以坝顶动力反应基本相当
,
设计地震
坝轴线加速度放大倍数
2.31
〜
2.
33,
顺河向加速度
放大倍数
2.
63
〜
2.
91,
垂直向向加速度放大倍数
坝体的地震残余变形最大
，
该变形方式对上游防渗
体系的应力变形影响较大
，
而上游坝壳顶部是堆石
、
底部是砂砾料的分区方案
3
则坝体地震残余变形有
2.
57
〜
2.
88,
由于砂砾料相较堆石料具有较高的动
模量
、
较小的阻尼比
，
所以分区方案
1
动反应最强
所改善
，
分区方案
1
则残余变形最小
。
烈
,
方案
2
和方案
3
略小且基本相当
。
图
5
场地相关反应谱及地震动加速度时程
(
100
年超越概率
2%
)
表
8
3
种分区方案设计地震动力计算成果表
加速度放大倍数
坝体永久变形
/cm
顺河向
垂直向
地震作用引起的面板增量变形
/cm
周边缝
/
mm
分区方案
坝轴向
顺河向
垂直向
2.
88
2.
57
2.
68
坝轴向
指向左岸
4.
6
6.
4
5.
4
指向右岸
4.
5
7.
3
5.
8
法向
剪切位移
46.7
49.0
47.8
沉降
张拉位移
23.3
25.0
23.9
分区方案
1
分区方案
2
分区方案
3
2.
33
2.
31
2.
32
2.
91
2.
63
2.
71
49.4
58.2
51.7
89.3
99.2
94.
1
87.9
97.7
92.7
47.5
51.5
48.2
(3)
面板的动反应
设计地震作用引起的面板增量挠度与坝体分区
2
、
分区方案
3
周边缝的剪切位移分别为
46.
7
mm
、
49.
0
mm
和47.
8
mm
。
灰岩堆石料完全包裹砂砾料
方案关系密切
。
分区方案
2
为灰岩堆石料完全包裹
砂砾料
，
面板增量挠度最大
，
达到
97.7
cm
；
分区方
案
1
上游坝壳全部为砂砾料
，
面板增量挠度最小
，
为
的分区方案
2
接缝位移最大
，
上游坝壳全为砂砾料
的分区方案
1
接缝位移最小
，
而上游坝壳顶部是堆
石
、
底部是砂砾料的分区方案
3
则介于其中
。
各分
87.9
cm
；
而分区方案
3
上游坝壳的上部为堆石料
、
区方案周边缝接缝各向位移均能适应目前止水结构
的变形要求
。
下部为砂砾料
，
计算值则介于分区方案
1
和分区方
案
2
之间
，
为
92.
7
cm,
比方案
2
有很好的改善
。
综上所述
,
在地震工况下
,
方案
2
采用堆石料完
(4)
接缝的位移
地震作用下面板接缝位移大小与坝体残余变形
全包裹砂砾料
，
上游坝体的地震残余变形最大
，
上游
防渗体系应力变形均最大
，
方案
1
最小
，
方案
2
介于
两者之间
。
考虑方案
1
坝坡稳定安全系数最低
，
故
大小正相关
，
设计地震作用下分区方案
1
、
分区方案
西北水电
•
2020
年
•
第
S2
期
57
分区方案
3
上游坝壳顶部材料堆石
,
底部采用砂砾
采用分区方案
3
,
即堆石料半包砂砾石料的坝体分
料
，
抗震安全性相对较好
。
区型式
。
5
结
语
本文依据
2
种材料的工程特性
，
对混凝土面板
砂砾石坝分区进行研究
,
重点对坝体变形控制
、
渗透
参考文献
：
[1]
中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司
•
新疆大石峡水
利枢纽工程初步设计报告
[R]
•
西安：中国电建集团西北勘测
设计研究院有限公司
,2019.
[2]
稳定及抗震安全性
3
个方面进行坝体分区安全性研
究
。
研究表明
3
种坝体分区方案变形控制和渗透稳
中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司
•
新疆大石峡水
利枢纽工程面板砂砾石坝关键技术研究报告
[R].
西安
：
中国
电建集团西北勘测设计研究院有限公司,2019.
[3]
定及抗震安全性都在正常和可控范围内
，
3
种分区
方案均可行
，
但在变形控制和渗透稳定上还是有所
湛正刚
，
杨泽艳
,
蔡大勇
•
洪家渡面板堆石坝筑坝技术总结概
要
[J].
面板堆石坝工程
,2007(4)
：
87-102.
差异
。
通过坝体分区比较
，
最终选择了安全性综合
较优的方案
。
[4]
姚福海
，
朱永国•
大渡河猴子岩窄河谷
、
深基坑
、200
m
级混凝
土面板堆石坝变形规律研究与启示
[C]//水库大坝高质量建
设与绿色发展
--
中国大坝工程学会
2018
学术年会论文集
,
(1)
从坝体变形控制来看
,3
种分区方案坝体
主体基本为砂砾料
,
坝体沉降变形基本相当
;
而面板
[5]
2018.
杨泽艳
，
蒋国澄•洪家渡
200
m
级高面板堆石坝变形控制技术
及接缝变形受其压覆材料的工程特性影响最大
，
分
区方案
1
面板挠度和接缝变形较小
，
分区方案
2
面
板挠度和接缝变形最大
，
分区方案
3
与分区方案
1
[6]
[C]//
中国水利学会
％
中国大坝协会
•
第
1
届堆石坝国际研讨
会论文集
,2009:43-49.
李雷
,
盛金保
•
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[J].
水利水运科学研
究
,2000(03):27-32.
相当略大
。
(2)
从坝体防渗
、
排水效果综合分析
，
分区方案
1
和分区方案
3
对控制渗流量
、
垫层渗透坡降有利
,
方案
2
和方案
3
对控制被保护主堆砂砾料的渗透坡
[7]
彭卫军
，
罗松涛•
吉林台一级水电站混凝土面板砂砾
-
堆石坝
设计与施工
[J]
•
水力发电
,2006,32(06)
：
23-25
,43.
[8]
杨昭
,
席福来
•
乌鲁瓦提水利枢纽工程混凝土面板堆石坝筑坝
料工程特性研究
[J].
水利水电技术,2003,34(12)
：
31-33.
降有利
。
为了减小坝体渗流量
，
减小第
2
道防渗线
[9]
中国水电顾问集团西北勘测设计研究院
•
新疆察汗乌苏水电
垫层料
、
被保护主堆砂砾料和下游坝坡的渗透
(
出
逸)坡降
，
分区方案
3
防渗
、
排水综合效果最优
。
站面板坝设计自检报告
[R].
西安
：
中国水电顾问集团西北勘
测设计研究院
,2011.
(3)
从抗震安全性来看
，
分区方案
1
残余变形
小
，
防渗体系的应力变形性状较好
，
面板动反应
、
接
[10]
中国水电顾问集团西北勘测设计研究院•
公伯峡水电站面板
坝设计自检报告
[R].
西安
：
中国水电顾问集团西北勘测设
计研究院
,2006.
[11]
缝动位移较小
;
分区方案
2
残余变形较大
，
防渗体系
的应力变形性状略差
;
而分区方案
3
相比方案
2
有
较大的改善
。
中国水电顾问集团西北勘测设计研究院
•
茨哈峡水电站预可
研报告
[R].
西安
：
中国水电顾问集团西北勘测设计研究院
,
2011.
综上所述
，
方案
3
上游坝坡在死水位上
、
下分别
[12]
南京水利科学研究院
，
中国电建集团西北勘测设计研究院有
采用砂砾料
、
堆石料
2
种不同特性的填筑材料
，
在坝
限公司•
大石峡水利枢纽工程面板坝三维静
、
动力有限元分
析
[R].
南京
:
南京水利科学研究院
,2018.
体变形控制的前提下
，
兼顾保证防渗
、
排水综合效
[13]
大连理工大学
，
中国电建集团西北勘测设计研究院有限公
司
•大石峡水利枢纽工程面板坝三维非线性静
、
动力精细化
有限元分析
[R]
•
大连
:
大连理工大学
,2018.
果
，
综合安全目标较优
。
通过面板砂砾石坝坝体分
区设计研究
，
综合利用
2
种材料的优点
，
大石峡最终
蕱蕱蕱蕱蕱蕱蕱蕱蕱蕱蕱蕱蕱蕱蕱蕱蕱蕱蕱蕱蕱蕱蕱蕱蕱蕱蕱蕱蕱蕱蕱蕱蕱蕱蕱蕱蕱蕱蕱蕱蕱蕱藮
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