大石門水利樞紐設(shè)計(jì)若干關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題研究

李 江，柳 瑩，楊玉生，3，王曉強(qiáng)，彭兆軒

(1.新疆水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)管理局，新疆 烏魯木齊 830000；2.新疆寒旱區(qū)水資源與生態(tài)水利工程研究中心，新疆 烏魯木齊 830000；3.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100048；4.新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

1 概述

新疆深居內(nèi)陸，高山環(huán)列，濕潤(rùn)的海洋氣流難以輸送，呈現(xiàn)“冷、熱、風(fēng)、干”極端干燥的大陸性氣候特點(diǎn)，水利工程建設(shè)面臨高寒、高海拔、高地震、深厚覆蓋層、多泥沙、少水文資料的特殊條件[1- 3]，使得水庫(kù)大壩建設(shè)形成了以修筑當(dāng)?shù)夭牧蠅螢橹鞯母窬?，且在建設(shè)上具有“高(高地震、高海拔)、深(深厚覆蓋層、深切河谷)、軟(軟弱地基、軟巖)、透(透水地基、滲透變形)、難(低溫、高溫、大風(fēng)等惡劣施工條件)”的共性特點(diǎn)[4- 5]，這給新疆水庫(kù)大壩建設(shè)和長(zhǎng)期運(yùn)行安全帶來(lái)了挑戰(zhàn)。以往的研究中，李江等[6]對(duì)新疆特殊條件下面板堆石壩和瀝青混凝土心墻壩設(shè)計(jì)施工技術(shù)進(jìn)展進(jìn)行了總結(jié)；柳瑩等[7]對(duì)復(fù)雜地震背景下新疆高土石壩抗震設(shè)計(jì)與應(yīng)用實(shí)踐進(jìn)行了分析；徐燕[8]對(duì)新疆小型水庫(kù)大壩設(shè)計(jì)要求進(jìn)行了總結(jié)；趙妮[9]對(duì)新疆寒冷地區(qū)水庫(kù)大壩設(shè)計(jì)及壩型選擇相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行了初步總結(jié)分析，部分研究者對(duì)新疆肯斯瓦特[10- 11]、吉林臺(tái)[12]、下坂地[13]等已建典型工程壩體設(shè)計(jì)進(jìn)行了總結(jié)。上述工作主要集中在擋水建筑物設(shè)計(jì)上，偏重于某一方面，如壩料設(shè)計(jì)、抗震設(shè)計(jì)、高邊坡處理等。

“十四五”期間，新疆規(guī)劃重點(diǎn)項(xiàng)目27項(xiàng)，大、中、小型水庫(kù)大壩項(xiàng)目148座，絕大多數(shù)承擔(dān)灌溉、供水、防洪兼顧發(fā)電任務(wù)，水庫(kù)工程建設(shè)面臨數(shù)量多、投資大、壩更高、難度大的形勢(shì)，如在建的壩高247m的大石峽面板砂礫石壩，為世界最高的面板堆石壩；尼雅水利樞紐瀝青心墻壩壩高134m，為國(guó)內(nèi)在建最高的瀝青心墻砂礫石壩。由于新疆干旱區(qū)灌溉農(nóng)業(yè)的特點(diǎn)，興建山區(qū)水庫(kù)滿足河道防洪、灌溉、供水、發(fā)電一直是水利工作的重點(diǎn)，同時(shí)也是當(dāng)前實(shí)現(xiàn)節(jié)水的重要措施。為了實(shí)現(xiàn)節(jié)水、控水的目標(biāo)，工程的建設(shè)周期通常更為緊迫，相關(guān)的設(shè)計(jì)、科研和施工填筑都處于高強(qiáng)度狀態(tài)，這給設(shè)計(jì)和科研論證以及施工都提出了“及時(shí)、高效”的高強(qiáng)度實(shí)施要求。水庫(kù)大壩建設(shè)呈現(xiàn)的投資大、數(shù)量大、規(guī)模大、難度大、強(qiáng)度高、要求高的特點(diǎn)，對(duì)建設(shè)科研、勘察設(shè)計(jì)都提出了更高的要求，科學(xué)的設(shè)計(jì)對(duì)保障今后一大批高土石壩的建設(shè)和后期運(yùn)行安全十分重要。

本文以典型工程車爾臣河大石門水利樞紐設(shè)計(jì)為例，對(duì)新疆水利樞紐設(shè)計(jì)若干關(guān)鍵共性技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行系統(tǒng)的研究總結(jié)分析，主要包括特殊地形地質(zhì)條件下的壩型選擇、狹窄深切河谷樞紐布置、抗震設(shè)計(jì)、壩址區(qū)高陡邊坡處理、古河槽防滲處理、水庫(kù)運(yùn)行調(diào)度與排沙、施工導(dǎo)流與度汛等技術(shù)問(wèn)題，以期為復(fù)雜筑壩環(huán)境條件下新疆土石壩水利樞紐工程建設(shè)提供借鑒和參考。

2 環(huán)境特點(diǎn)及技術(shù)問(wèn)題

大石門水利樞紐總庫(kù)容1.27億m3，電站裝機(jī)60MW，灌溉面積34.14萬(wàn)畝，為一等大(2)型工程[14]。攔河壩壩型為碾壓式瀝青混凝土心墻壩，最大壩高128.8m，壩頂長(zhǎng)度205m。工程靜態(tài)總投資187934萬(wàn)元，工程總投資為190081萬(wàn)元。圖1為建成后的大石門水利樞紐工程。

圖1 大石門水利樞紐工程

大石門水利樞紐工程的壩址區(qū)地震基本烈度為Ⅷ度，工程抗震設(shè)防烈度為IX度，壩址海拔超過(guò)2300m，壩軸線處為深度超過(guò)300m的“V”型深切河谷，兩岸山坡高陡，谷底狹窄，寬高比接近1.5，左岸古河槽覆蓋層厚度超過(guò)200m，此外車爾臣河多泥沙的問(wèn)題在全疆河流中較為突出。

2.1 高地震

根據(jù)新疆防御自然災(zāi)害研究所的工程項(xiàng)目場(chǎng)地地震安全性評(píng)價(jià)報(bào)告[15]，大石門水利樞紐在區(qū)域構(gòu)造上屬塔里木陸塊與塔里木陸塊南緣活動(dòng)帶交界部位其南北兩側(cè)分別有阿爾金斷裂和江尕勒薩依斷裂，兩斷裂相距8.2km。阿爾金斷裂是一條巨型斷層，長(zhǎng)達(dá)1600余km，該斷裂位于本工程研究區(qū)域的中部，距壩址最近僅3.5km，是近場(chǎng)區(qū)最重要的地震活動(dòng)斷裂。阿爾金斷裂是全新世活動(dòng)斷裂，現(xiàn)代活動(dòng)亦十分強(qiáng)烈，根據(jù)地質(zhì)研究及現(xiàn)代地殼形變GPS測(cè)量結(jié)果，斷裂的左旋水平運(yùn)動(dòng)速率在7～12mm/a。江尕勒薩依斷裂為活動(dòng)斷裂，距工程區(qū)最近4.5km，對(duì)工程區(qū)影響不大。

樞紐區(qū)處于阿爾金斷裂的下盤，距全新世活動(dòng)的阿爾金斷裂較近，又位于阿爾金地震帶，南部跨越巴顏喀拉山地震帶，處在庫(kù)拉木勒克7.5級(jí)潛在震源區(qū)內(nèi)，極有可能發(fā)生強(qiáng)烈地震活動(dòng)。根據(jù)新疆防御自然災(zāi)害研究所調(diào)查分析可知，壩址區(qū)50年超越概率10%和5%、50年和100年超越概率2%的場(chǎng)地基巖動(dòng)峰值加速度分別為260.9g、363.0g、516.5g、643.3g，對(duì)應(yīng)地震基本烈度均為Ⅷ度，抗震設(shè)計(jì)烈度為Ⅸ度，區(qū)域地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃如圖2所示[15]。

圖2 區(qū)域地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖

2.2 狹窄河谷和高邊坡

大石門水庫(kù)壩址處深切河谷達(dá)300m級(jí)，河谷底部寬僅10～20m，壩頂軸線長(zhǎng)205m，兩岸岸坡坡度多在50°～80°左右，局部近直立。根據(jù)地勘資料探明邊坡巖性、高度和級(jí)別，是合理有效處理高邊坡的重要依據(jù)。現(xiàn)場(chǎng)踏勘和地勘確定對(duì)工程安全有影響的高邊坡統(tǒng)計(jì)見表1。

表1 大石門水庫(kù)高邊坡統(tǒng)計(jì)表

2.3 古河槽滲漏

2.4 大溫差

車爾臣河流域地處中緯度地帶的歐亞大陸腹地，遠(yuǎn)離海洋。南部橫臥青藏高原、昆侖山及阿爾金山，暖濕空氣不易流入。北面有天山阻隔，水汽來(lái)源較少，僅有干冷空氣從東北方襲來(lái)，并受浩瀚沙漠的影響，流域氣候呈溫帶極度干旱大陸性荒漠氣候。氣候特征表現(xiàn)為氣溫年、月、日相差大，光照充足、熱量豐沛、冬冷夏熱、降水極少、空氣干燥、蒸發(fā)量大、多大風(fēng)以及風(fēng)沙天氣。壩址區(qū)多年平均氣溫、歷年極端最高、最低氣溫分別為10.5、41.3、-26.4℃。

圖4 左岸地層探洞

圖5 左岸地層探洞內(nèi)的局部架空結(jié)構(gòu)

2.5 多泥沙

車爾臣河汛期水量高度集中，泥沙問(wèn)題較為突出。泥沙主要來(lái)自山高坡陡、植被覆蓋率低、地表風(fēng)化層分布廣泛、水土流失嚴(yán)重的流域中上游山區(qū)。大石門壩址處多年平均流量為27.6m3/s，多年平均輸沙率為208.19kg/s，多年平均懸移質(zhì)輸沙量、推移質(zhì)輸沙量、平均輸沙總量分別為656.55×104、98.48×104、755.03×104t。車爾臣河河道兩岸巖石劇烈風(fēng)化，沿河兩岸賦存松散風(fēng)積物受汛期融冰融雪洪水及暴雨洪水裹挾進(jìn)入河道，總體呈現(xiàn)水大沙多，水小沙少的水沙關(guān)系，其年際、年內(nèi)變化與徑流的變化基本一致，豐水期即為豐沙期。多年月平均最大、最小含沙量分別為16.758、0.235kg/m3，5—8月和連續(xù)最大5個(gè)月(4—8月)輸沙量分別占全年輸沙量的82.9%、94.3%，

2.6 筑壩環(huán)境帶來(lái)的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題

大石門水利樞紐筑壩環(huán)境的上述特點(diǎn)，對(duì)工程建設(shè)帶來(lái)的難題主要在于以下方面：

(1)工程抗震設(shè)防烈度為Ⅸ度，大壩壩高超過(guò)100m，大壩壩型選擇和設(shè)計(jì)上必須關(guān)注大壩抗震安全問(wèn)題。

(2)300m深切狹窄河谷和陡峻的岸坡會(huì)導(dǎo)致壩體存在顯著的拱效應(yīng)問(wèn)題，大壩的變形控制難度很大，壩型選擇必須考慮變形控制的問(wèn)題。

(3)狹窄河谷也使得泄水建筑物及電站廠房布置難度增大、施工道路布置困難，這給大壩設(shè)計(jì)和泄水建筑物及電站廠房布置帶來(lái)挑戰(zhàn)。

(4)古河槽透水地基滲透系數(shù)K>10-2cm/s，允許水力比降[J]<0.1，使得必須關(guān)注水庫(kù)防滲和滲透變形控制問(wèn)題。

(5)河流多泥沙對(duì)大壩的設(shè)計(jì)也有重要影響，其主要危害是不合理的調(diào)度影響水庫(kù)興利庫(kù)容，大流量宣泄易造成蓄水困難，小流量宣泄泥沙不宜出庫(kù)，因此需研究采用合理的“蓄清排渾”的泥沙調(diào)度運(yùn)行方式。

(6)工程區(qū)溫差大，年有效施工時(shí)間僅7個(gè)月，狹窄河谷施工干擾大，瀝青心墻施工、壩體填筑、邊坡處理等施工工期緊、強(qiáng)度高、難度大。

3 關(guān)鍵技術(shù)措施研究

3.1 壩型選擇

本工程壩址區(qū)基巖為承載能力弱的中硬巖和軟巖，不適宜修建100m級(jí)的混凝土壩。因此，在壩型比選時(shí)綜合壩址區(qū)狹窄河谷條件、地質(zhì)條件和當(dāng)?shù)靥烊恢尾牧系纫蛩?，選擇確定筑壩主體填筑料為砂礫石料，壩型比選考慮表面防滲的面板壩和防滲體位于壩體內(nèi)部的瀝青混凝土心墻壩，壩型比選見表2。

表2 大石門水利樞紐壩型比選表[17]

經(jīng)綜合比選分析，2個(gè)壩型在筑壩材料、壩體滲透穩(wěn)定性以及壩體抗震性能方面基本一致，但壩址區(qū)兩岸岸坡高陡，節(jié)理裂隙發(fā)育，崩塌和墜石會(huì)對(duì)面板壩造成一定的隱患，且趾板布置和施工臨時(shí)交通布置較為困難，工程量較大；瀝青壩心墻位于壩體內(nèi)部，不易受氣候條件的影響，心墻基礎(chǔ)開挖簡(jiǎn)單，施工方便，導(dǎo)流建筑物規(guī)模和工程投資較面板壩小。因此，最終選擇了碾壓式瀝青混凝土心墻砂礫石壩作為推薦壩型。

從瀝青心墻壩特點(diǎn)和建設(shè)技術(shù)上來(lái)說(shuō)，瀝青混凝土心墻呈黏彈-塑性，延展性好，能更好地適應(yīng)由靜力和地震荷載引起的基礎(chǔ)沉陷和壩體變形，因而瀝青混凝土心墻壩對(duì)變形控制的要求相對(duì)較低，相對(duì)于面板堆石壩其對(duì)地質(zhì)條件適應(yīng)性更強(qiáng)，且對(duì)壩體填筑料的性能要求也低于面板壩，位于壩體內(nèi)部的瀝青心墻在大溫差下的耐久性也要優(yōu)于暴露于壩體外部的面板。再者瀝青直心墻結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單、斷面小、施工方便，瀝青混凝土心墻的施工速度不會(huì)降低土石壩其他各區(qū)的施工速度，且瀝青混凝土在低溫、高溫和大風(fēng)環(huán)境下連續(xù)施工的技術(shù)已經(jīng)獲得長(zhǎng)足的進(jìn)步，碾壓層面施工控制溫度在-50～100℃范圍內(nèi)，能夠保證瀝青混凝土心墻的碾壓質(zhì)量[4]。

3.2 狹窄深切河谷樞紐布置

壩址區(qū)呈深“V”型河谷，兩岸山坡高陡，谷底狹窄，左岸巖體地質(zhì)條件較為復(fù)雜，水工建筑物樞紐布置是困擾設(shè)計(jì)工作者的一大難題。由于受壩址區(qū)地形、地質(zhì)條件限制，底孔泄洪洞、表孔溢洪洞均無(wú)空間布置底流消力池消能工，通過(guò)類似工程經(jīng)驗(yàn)比較以及水工模型試驗(yàn)研究，可采用挑流方式消能。根據(jù)洞線盡可能短且順直的原則，底孔泄洪洞、表孔溢洪洞出口位置應(yīng)布置在壩后下游右轉(zhuǎn)小河彎處?？紤]泄洪系統(tǒng)在樞紐總布置上沒有明顯具有比較意義的布置方案，同時(shí)壩后地面廠房?jī)砂侗劝镀赂叨?，處理工作量較大，施工布置與導(dǎo)流難度大，因此本工程總體布置方案主要針對(duì)推薦廠址發(fā)電廠房布置進(jìn)行綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較。

樞紐布置原則和最終方案為：表孔溢洪洞以減小洞長(zhǎng)、節(jié)約投資為控制原則，布置在距壩軸線約125m處的壩前右岸凹槽；底孔泄洪洞進(jìn)口與發(fā)電洞進(jìn)口的布置重點(diǎn)考慮避免洪水期泥沙的影響，采用聯(lián)合方式布置在壩前河道近90°河灣前的右岸；底孔泄洪洞、表孔溢洪洞軸線近平行布置，導(dǎo)流洞根據(jù)底孔泄洪洞軸線布置，底孔泄洪洞在進(jìn)口閘井后通過(guò)龍?zhí)ь^方式與導(dǎo)流洞結(jié)合；發(fā)電廠房為地面廠房，布置在右岸河床邊，距壩軸線向下游330m處，尾水通過(guò)與河道軸線平行的尾水管排入下游河道[18]。古河槽570m長(zhǎng)(樁號(hào)為古0+000m—古0+570m)的帷幕灌漿廊道沿壩軸線方向設(shè)在左岸壩頂高程2300m處，200m深帷幕下游布置主排水洞、交通兼排水洞及濾水花管排水孔幕。

3.3 高瀝青壩抗震設(shè)計(jì)

大石門水利樞紐瀝青心墻砂礫石壩抗震設(shè)計(jì)烈度為Ⅸ度，設(shè)防類別為乙類。為保證大壩抗震安全，從壩頂安全超高、上下游壩坡設(shè)計(jì)、填筑標(biāo)準(zhǔn)、碾壓控制、下游壓重以及地震監(jiān)測(cè)等方面綜合進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)。

(1)考慮足夠的地震涌浪高度和地震附加沉陷。本工程壩頂高程主要受地震工況控制，其中地震涌浪高度和地震附加沉陷的取值尤為關(guān)鍵。按規(guī)范要求，地震涌浪高度一般采用0.5～1.5m，按地震烈度大小和壩前水深，地震涌浪高度選用大值1.5m。地震附加沉陷一般按壩高1%取值，考慮到本工程的設(shè)防烈度高，地震附加沉陷采用2.0m，比常規(guī)多取0.7m。

(2)放緩壩坡。根據(jù)筑壩材料的特性，結(jié)合新疆高震區(qū)典型已建、在建工程，確定其上游壩坡上部和下部分別為1∶2.75和1∶2.5，邊坡高程2265.0m處設(shè)置2m寬?cǎi)R道。下游壩坡采用1∶1.8～1∶1.6，結(jié)合壩后“之”字形上壩公路，則最大斷面下游平均坡度約為1∶2.32。

(3)加寬加固壩頂。規(guī)范規(guī)定高壩的壩頂寬度可選10～15m，本工程壩高128.8m，取壩頂寬度為12m。為增強(qiáng)壩體抗震能力，在地震反應(yīng)強(qiáng)烈的上、下游壩坡布置土工格柵，在上游壩坡2229.0m高程以上、下游壩坡2270.0m高程以上分別采用0.3m厚的C30鋼筋混凝土護(hù)坡和0.2m厚鋼筋混凝土板，上、下游壩坡底部分別采用厚1.0m拋石護(hù)坡和0.4m厚干砌石護(hù)坡。

(4)采用較高的填筑壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)，嚴(yán)格控制壩體填筑質(zhì)量。增加壩體密實(shí)度是全局性的抗震措施，為減小地震沉陷，壩體砂礫石料的設(shè)計(jì)填筑標(biāo)準(zhǔn)為Dr≥0.85，堆石料的設(shè)計(jì)填筑標(biāo)準(zhǔn)為孔隙率n≤20%。結(jié)合當(dāng)前大噸位振動(dòng)碾壓設(shè)備和信息化施工監(jiān)控系統(tǒng)，在施工過(guò)程中嚴(yán)格控制鋪土層厚度、碾壓遍數(shù)以及加水量等施工參數(shù)，做好過(guò)程控制，從而可有效地減少壩體地震沉陷。

(5)加強(qiáng)瀝青心墻與基座及岸坡的連接。本工程瀝青心墻與基座的連接部位心墻厚度逐漸擴(kuò)大至1.2m，接觸部位鋪設(shè)瀝青瑪蹄脂并采用銅片止水；岸坡連接部位坡度不陡于1∶0.5，并澆注1.0m厚的混凝土底板與心墻擴(kuò)大的端部連接，接觸部位涂刷瀝青涂料和瀝青瑪蹄脂，以提高地震時(shí)壩體的防滲性能。

(6)壩后壓重。利用壩基清理及開挖棄料，在壩坡腳與電站尾水渠導(dǎo)墻之間堆放壓重，增強(qiáng)壩坡抗震穩(wěn)定性。

(7)加強(qiáng)地震監(jiān)測(cè)。在近庫(kù)區(qū)組建地震臺(tái)網(wǎng)，布設(shè)四個(gè)地震監(jiān)測(cè)子臺(tái)；在壩體坡腳處、中部和壩頂不同高程處各設(shè)1臺(tái)強(qiáng)震儀，適時(shí)進(jìn)行地震監(jiān)測(cè)。

3.4 高邊坡處理

依據(jù)巖性的不同，邊坡分為巖質(zhì)邊坡、砂礫石邊坡和土質(zhì)邊坡。對(duì)高邊坡的處理加固需結(jié)合邊坡類型，采取適當(dāng)?shù)募庸檀胧?。表孔溢洪洞進(jìn)口高邊坡、底孔泄洪洞與發(fā)電洞聯(lián)合進(jìn)水口開挖高邊坡和廠房開挖高邊坡均為巖質(zhì)邊坡，大壩下游左岸為砂礫石邊坡。

對(duì)于巖質(zhì)開挖邊坡，每10m設(shè)一寬2m的馬道，巖石表面掛網(wǎng)噴10cm厚的防護(hù)混凝土，巖面設(shè)置梅花型交錯(cuò)布置的錨桿，間、排距為2m。為防止馬道下部巖體應(yīng)力破壞，在每級(jí)馬道下部設(shè)1000kN噸級(jí)預(yù)應(yīng)力錨索，間距為5、10m，長(zhǎng)度為20、25m。為防止水庫(kù)水位驟降時(shí)基巖滲水壓力對(duì)高邊坡穩(wěn)定的影響，對(duì)庫(kù)內(nèi)基巖邊坡，在死水位以上的坡面上設(shè)孔徑5cm、深4m的排水孔，間、排距為3m。大壩下游左岸砂礫石邊坡設(shè)計(jì)削坡坡度為1∶1，每10m設(shè)一寬2m的馬道，底部砂礫石與基巖接觸面馬道寬5m，并設(shè)2m高混凝土擋土墻作攔護(hù)，以攔護(hù)可能沿坡面滑落的礫石塊，保證廠房安全，擋土墻底部設(shè)排水孔排泄砂礫石坡面水。

3.5 古河槽防滲處理

表3 水庫(kù)左岸古河槽不同防滲處理方案下滲漏量計(jì)算結(jié)果

圖6 水庫(kù)左岸年滲漏量統(tǒng)計(jì)圖

圖7 古河槽年滲漏量與帷幕處理長(zhǎng)度的關(guān)系

根據(jù)地勘和不同方案的滲流計(jì)算結(jié)果，經(jīng)過(guò)綜合比較分析后推薦方案3為最終處理方案，即在左壩肩設(shè)置長(zhǎng)度為570m的雙排灌漿帷幕，排距2.0m，孔距3.0m，梅花形布置，孔深按入巖以下5m控制。針對(duì)灌漿帷幕設(shè)計(jì)方案，在現(xiàn)場(chǎng)灌漿試驗(yàn)基礎(chǔ)上，總結(jié)了一種新的深厚覆蓋層快捷灌漿方法，在國(guó)內(nèi)首創(chuàng)了200余m深厚砂礫石層純帷幕灌漿垂直防滲處理技術(shù)，大幅度提高了深厚砂礫石層的防滲性能。

為防止庫(kù)水從古河槽灌漿帷幕繞滲并從近壩處滲流出溢，進(jìn)一步保證下游左岸邊坡不產(chǎn)生滲漏破壞，本工程還利用左岸壩后下游現(xiàn)有的交通洞兼設(shè)排水洞，并從交通洞適當(dāng)位置向上游設(shè)置一段長(zhǎng)140m的主排水洞。通過(guò)“上堵下排”的防控措施對(duì)左岸高邊坡起了雙重保障作用。

3.6 水庫(kù)運(yùn)行調(diào)度與排沙措施

大石門水利樞紐的調(diào)節(jié)庫(kù)容為0.99億m3，車爾臣河壩址處的年徑流量8.71億m3，其庫(kù)容系數(shù)為0.11，為不完全年調(diào)節(jié)。壩址斷面的多年平均入庫(kù)懸移質(zhì)輸沙量為657萬(wàn)t(約505萬(wàn)m3)，多年平均入庫(kù)推移質(zhì)輸沙量為98萬(wàn)t(約55萬(wàn)m3)，則庫(kù)沙比為20.9，屬于泥沙問(wèn)題嚴(yán)重的水庫(kù)。

通過(guò)對(duì)大石門水利樞紐斷面泥沙統(tǒng)計(jì)資料分析，汛期6、7、8月份是輸沙量最大的月份，其中7月份最大，8月份次之，6月份再次之。從工程效益與興利指標(biāo)的角度出發(fā)，對(duì)水庫(kù)泥沙采用“攔”或“排”的調(diào)度運(yùn)行方式，片面地將泥沙全部攔在庫(kù)內(nèi)或全部排出庫(kù)外都是不經(jīng)濟(jì)的。因此，采用“蓄清排渾”的泥沙調(diào)度運(yùn)行方式，即水庫(kù)每年6、7月份為排沙期，在此期間控制水庫(kù)在2245m水位運(yùn)行，根據(jù)入庫(kù)含沙量及流量的大小采取相機(jī)排沙的泥沙調(diào)度運(yùn)行方式。當(dāng)上游發(fā)生日均含沙量大于20kg/m3洪水的時(shí)候，且日均起漲流量大于90m3/s，可相機(jī)進(jìn)行排沙。新疆克孜爾水庫(kù)即采用此種排沙措施，下暴雨時(shí)開啟泄洪沖沙閘，若有渾水流出，說(shuō)明發(fā)生了異重流，即相機(jī)進(jìn)行排沙，出庫(kù)水流變清時(shí)關(guān)閉泄洪沖沙閘。8月份水庫(kù)開始蓄水，但因?yàn)檫€在汛期，最高水位不能高于汛期水位(2291.0m)，9月份汛期結(jié)束，水庫(kù)可在滿足下游用水的前提下，擇機(jī)蓄水至正常蓄水位，滿足枯水期的基本民生用電需求及解決來(lái)年的春灌缺水問(wèn)題。

3.7 施工導(dǎo)流與度汛

壩址不具備分期導(dǎo)流條件，經(jīng)過(guò)方案比選，最終導(dǎo)流方式采用圍堰一次斷流，右岸導(dǎo)流洞過(guò)流的方式?？紤]到工程投資與施工工期，將導(dǎo)流洞與永久泄洪洞結(jié)合使用，即導(dǎo)流兼底孔泄洪洞。

車爾臣河每年7—8月為主汛期，4—6月為前汛期，9月—次年3月為比較穩(wěn)定的平、枯水期。在48個(gè)月的施工期內(nèi)，壩體施工導(dǎo)流需要滿足施工經(jīng)歷2個(gè)汛期時(shí)的度汛要求，考慮填筑強(qiáng)度、庫(kù)區(qū)水文情勢(shì)劃分為3個(gè)施工導(dǎo)流時(shí)段[22]，各時(shí)段起止時(shí)間、擋水結(jié)構(gòu)物、防洪標(biāo)準(zhǔn)和洪峰流量以及相應(yīng)的泄流方式見表4。

表4 施工導(dǎo)流與度汛安排

對(duì)于壩體度汛工況，經(jīng)調(diào)洪演算，最高庫(kù)水位為2246.4m，導(dǎo)流洞最大下泄流量為728.1m3/s。這就要求在第二個(gè)汛期來(lái)臨之前大壩填筑高程不能低于2250.0m高程，壩體填筑高度不得低于74m。根據(jù)施工進(jìn)度計(jì)劃，壩體填筑即瀝青心墻月填筑高度為8～10m，壩體填筑進(jìn)度完全可以滿足壩體度汛的要求。

4 結(jié)語(yǔ)

大石門水利樞紐是目前已建抗震設(shè)防烈度Ⅸ區(qū)最高的瀝青混凝土心墻壩，由于獨(dú)特的地質(zhì)、地形條件及氣候條件，在大壩設(shè)計(jì)施工中遇到了高地震、高邊坡、大溫差、多泥沙以及古河槽深厚覆蓋層等諸多問(wèn)題，使得建壩條件極其惡劣，其建設(shè)難度全國(guó)罕見。本文針對(duì)以上建壩難點(diǎn)，從壩型選擇、樞紐布置、抗震設(shè)計(jì)、古河槽防滲及高邊坡處理等方面進(jìn)行了系統(tǒng)的研究分析。

瀝青心墻壩更加適應(yīng)狹窄深切河谷，建筑物布置較緊湊，而面板壩因其趾板受限于高陡邊坡，布置及施工極其困難；大壩抗震設(shè)計(jì)烈度為Ⅸ度，除常規(guī)抗震措施外，還應(yīng)充分預(yù)留涌浪高度和地震附加沉陷、設(shè)置土工格柵、放緩上下游壩坡、調(diào)整壩體結(jié)構(gòu)、提高填筑標(biāo)準(zhǔn)、增強(qiáng)連接部位防滲性能以及進(jìn)行地震安全監(jiān)測(cè)等；對(duì)于高邊坡處理每10m設(shè)置1條馬道，且高陡邊坡采用掛網(wǎng)噴混凝土+系統(tǒng)錨桿+預(yù)應(yīng)力錨索處理；對(duì)大壩左岸古河槽進(jìn)行長(zhǎng)度為570m的帷幕灌漿，同時(shí)在左岸壩后下游設(shè)排水洞以有效減小滲漏破壞；采用“蓄清排渾”的泥沙調(diào)度運(yùn)行方式，可在一定程度上減少水庫(kù)泥沙淤積。

大石門水利樞紐工程完成了高壩抗震、高邊坡處理、古河槽滲控等成套技術(shù)，為大石門水利樞紐工程的建設(shè)和運(yùn)行安全提供了關(guān)鍵技術(shù)支撐，對(duì)國(guó)內(nèi)外類似工程的建設(shè)具有一定的借鑒意義。