大山口水电站混凝土重力拱坝
1 工程概况
大山口水电站位于巴音郭楞蒙古自治州和静县境内，距库尔勒120km，是开都河梯级开发中的第九个梯级电站，下游距开都河出山口约1km。水库总库容2980万m3，水电站装机容量80MW，为中型Ⅲ等工程，主要任务是发电。该工程为新疆首次将喷锚支护技术应用于导流洞大部分洞身段设计，首次应用预应力锚索技术加固坝肩岩体，首次采用电制动及微机监控技术。工程在建时，采用了我国最大的月牙型内加强肋大分岔丫—卜型钢岔管。
大山口水电站下游全景
2 水文气象及工程地质
2.1 水文气象
开都河发源于天山中部依连哈比尔尕山，上游经大、小尤尔都斯盆地，穿过中游峡谷段后，流向东南，沿途经焉耆平原注入博斯腾湖，全长525km，全流域面积22314km2，坝址以上控制流域面积18002km2，多年平均年径流量34.4亿m3，多年平均流量109m3/s。
大坝设计洪水标准为100年一遇，洪峰流量1490m3/s，校核洪水标准为1000年一遇加20%的安全保证值，洪峰流量2520m3/s。
坝址区冬夏季长、春秋季短。最高气温39.7℃，最低气温-30℃，多年平均气温7.9℃。多年平均年降水量50.6mm，多年平均年蒸发量2303mm（φ20cm）。最大风速32m/s，主风向NNW。最大冻土深度142cm。
2.2 工程地质
工程区位于天山东西向构造带的中南部，处于活动的洪水沟断裂与松树达板大断层之间，洪水沟断裂位于坝址以北，最近距离1.2km，松树达板大断层位于坝址以南10km，工程处在相对稳定的区域，地震基本烈度为Ⅷ度，抗震设防烈度为8度。
坝址河流方向由西向东，河谷为U形，谷底宽100m，河床覆盖层厚12～14m，左岸岸坡50°～80°，右岸岸坡60°～90°，谷顶宽160m。坝址区分布有Ⅰ级、Ⅱ级阶地。
坝址区地层岩性为中泥盆统萨阿尔明组下亚级凝灰岩（D2′Sv）和右灰岩（D2′SL），凝灰岩分布于右副坝坝基，石灰岩分布于左副坝至河床及右岸重力墩基础，岩层产状一般为75°～110°SE∠60°～90°。岩石饱和抗压强度一般为40～60MPa，为中硬岩。
坝区分布的主要断层有F1、F9、F107等3条。其中F1断层贯穿右副坝，为石灰岩和凝灰岩的接触带，产状90°S∠85°，断层面破碎带宽1m左右，影响带宽约15m。F9断层从左坝肩通过，与岸坡走向平行，产状87°SE∠82°，破碎带宽0.05～1.8m。F107断层自左岸上游延至坝肩，产状60°SE∠53°，破碎带宽0.1～0.15m。
3 枢纽布置
枢纽所属建筑物混凝土重力拱坝，左、右岸重力墩，左、右岸重力副坝，重力拱坝上的表孔溢洪道和泄洪冲沙底孔，发电引水隧洞，地面厂房及110kV户内开关楼等建筑物组成。枢纽平面布置见图1。
枢纽泄洪分两层布置，在拱坝中部设7个表孔，单孔净宽10m，堰型采用WES曲线，水流经反弧段由末端鼻坎挑出，设计泄量1321m3/s；底孔设在拱坝底部右侧，设计泄量为654m3/s。电站引水系统，地面厂房及110kV户内开关楼布置在枢纽左岸，布置4台混流式发电机。
4 大坝设计
4.1 坝体轮廓设计
主坝为定圆心等外半径混凝土重力拱坝，最大坝高72m，坝底宽25m，坝顶宽5m，最大中心角104°，外半径121.19m，大坝剖面上游面为铅直线，下游面为一斜线坡度1∶0.278。主坝坝顶长219.98m，左岸重力墩长7.59m，右岸重力墩长22.43m；左岸副坝坝顶长23.76m，右岸副坝坝顶长81.46m；右岸重力墩最大墩高15m，左岸重力墩最大墩高14m，左右岸重力墩均呈梯形台体状。右岸副坝一侧与山体相接，另一侧与右岸重力墩相接，其间夹角54°，最大坝高16m，坝顶宽5m；左岸副坝与左岸重力墩相接，其间夹角86°，最大坝高14m，坝顶宽8.5m。拱坝下游立视展开见图2，大坝典型断面见图3。
4.2 坝体分区及混凝土设计指标
大坝混凝土设计标号根据所处部位、应力状况及工作环境条件进行分区，设计指标见表1，推荐混凝土配合比见表2。
图1 大山口水电站枢纽平面布置图
图2 大山口水电站拱坝下游立视展开图
图3 大山口水电站混凝土拱坝典型剖面图
表1 大山口大坝混凝土设计标号分区表
表2 大山口大坝推荐混凝土配合比表
注 水泥为新疆水泥厂生产的硅酸盐水泥，粉煤灰为红雁池火电厂Ⅱ级以上灰。
4.3 坝体分缝设计
主坝分为15个坝段，左、右岸重力墩各分成2个坝段，左岸副坝为1个坝段，右岸副坝为5个坝段，施工后期进行了接缝灌浆，将各坝段连成—个整体。主坝坝体自下而上分成6个灌区，重力墩和副坝为1个灌区，共有73条灌缝，灌区高9～20m，其中左、右岸重力墩各设1道纵缝，其他为横缝。灌浆系统主管采用双回路进、回浆埋管，支管采用充气塑料拔管，骑缝造孔，支管间距1m，接缝灌浆总面积1.39万m2。
4.4 坝体应力和坝肩稳定分析计算
设计应力分析采用北京市水科所拱梁分载法计算程序，计算结果表明：基本组合荷载的最大主拉应力为1.39MPa，大于容许值1.2MPa，特殊荷载组合的最大主拉应力和各种荷载组合的主压应力均小于容许值。
设计坝肩稳定分析，左、右岸分别取NW300°、NW310°、NW325°和NE45°、NE60°、NE75°三组裂隙作为侧滑面，底滑面假定为水平面，上游为脱开面，采用刚体极限平衡法，分别求出左、右岸抗滑稳定安全系数最小的一组裂隙作为侧滑面，然后与左、右岸断层及层面组成可能的滑移体，再进行抗滑稳定分析计算，结果表明，各种荷载组合工况的安全系数均满足规范要求。
4.5 坝体坝基排水设计
在坝内设两层廊道，高程分别为1342.00m、1372.00m，距上游面3～5m布置无砂混凝土排水花管，间距3m。基础排水分两部分：一是在主副坝体内设有基础廊道并在廊道内打排水孔；二是在两岸坝肩岩体水平排水洞内打排水孔，排水孔孔距3m，孔深12～25m。在坝体和两岸岩体内形成一道连续的排水幕。
4.6 坝基及坝肩处理
由于坝址河床段基础岩石相对比较完整，可灌性差，其他部位具有一定的可灌性。在河床段固结灌浆布孔间距、排距均为6m，坝肩、重力墩副坝段固结灌浆布孔间距、排距均为3m，总孔数543孔，总进尺5032m。左坝肩F9断层采用三排帷幕灌浆，其他地段均为单排帷幕，孔距3m，总孔数163孔，总进尺4923m，帷幕灌浆分1、2、3序孔，最大耗浆量186.9kg/m。左、右岸山体分别设有长30m、15m的灌浆帷幕平洞。
针对坝基下的各个不同断层，设计采用挖除一部分断层破碎带岩石，铺设钢筋网，并布设砂浆锚杆，再回填混凝土塞的方法进行处理。针对F107断层的产状和所处的特殊位置采用预应力锚索进行加固，为5根3000kN级预应力锚索。
为增加两岸坝肩下游岩体稳定性和防止大坝泄洪水雾侵蚀，在距大坝下游100m范围内进行了混凝土护坡处理，并在不同部位采用不同深度的1000kN和2000kN级的预应力锚索进行加固处理。
4.7 温控设计
（1）大坝混凝土温控特点。①坝区年平均气温较低，温度年变幅大，夏季温控措施较为复杂；②温差日变幅大，混凝土表面保温有一定的难度，为防止混凝土表面产生裂缝，混凝土表面保温标准高，历时长；③坝区寒潮历时短，山区的暴风雪常使该区造成灾害性天气，增加了大坝防裂的困难；④全年有利于浇筑混凝土而不需温控的季节仅有两个多月，其余时间在高温季节需要降温，在低温季节需要保温，大大增加了混凝土施工的复杂性；⑤坝区气候干燥，需特别加强对混凝土的养护，以减少干缩裂缝。
（2）温控标准。①基础温差：基础强约束区ΔT≤25℃；基础弱约束区ΔT≤27℃；②坝体最高温度控制在45℃以下；③浇筑温度为T≤18℃。
（3）温控措施。①利用低温季节浇筑基础混凝土，降低基础块的最高温升；②掺粉煤灰及采用四级配混凝土以减少水泥用量降低混凝土水化热温升；③水淋预冷骨料，加冰拌和降低混凝土浇筑温度；④水管一期冷却降低混凝土最高温度，并进行冷却水管中期和后期冷却；⑤地笼取料，由于日晒堆料表层温度较高，为获得温度较低的骨料，以便降低拌合混凝土的入仓温度；⑥坝体表面保温隔热，在坝体上下游面铺设厚25mm的聚氯乙烯泡沫塑料板。
5 施工
工程于1985年开始“三通一平”，做施工准备工作，1986年12月截流，1987年主体工程全面开工，1991年底第一台机组并网发电，1992年底最后一台机组并网发电，1992年12月工程竣工。
6 大坝监测及成果分析
为了掌握大坝施工期、运行期的安全状况，检查施工质量，在重力拱坝及左右岸副坝、重力墩布置了温度计、应变计、应力计、测缝计、渗压计、钢筋计、岩石变形计等各种内部观测仪器共519支。同时，设立坝基坝肩扬压力、渗流量监测。为了观测坝体水平位移、垂直位移和坝体挠度，在坝区布置了大地测量控制三角网，精密水准点，在大坝拱冠7号坝段，大坝1/4、3/4拱处的3号坝段、11号坝段及两岸重力墩布设了5条正、倒垂线，在坝顶建立了1条视准线。
经过多年的监测成果分析和两次大坝安全定期检查，各类监测值基本在大坝正常运行范围内。
7 工程特点
（1）上游围堰防渗材料。以沥青玻璃丝布代替黏土防渗，降低了工程造价，加快了施工进度。
（2）坝肩开挖，采用三向预裂爆破。
（3）大坝温控设计。除采用低热水泥品种外，尽量减少水泥用量，在新疆率先采用双掺（掺粉煤灰和外加剂）、四级配混凝土，地笼取料及聚氯乙烯塑料泡沫保温模板、冷却水管多期冷却等措施，有效地减少了坝体裂缝。
（4）在新疆水电建设中，首次应用预应力锚索技术加固坝肩岩体，使岸坡稳定性增强。
（5）在新疆水电工程建设中，首次采用电制动及微机监控新技术。
（6）工程在建时，采用了我国最大的月牙型内加强肋大分岔丫—卜型钢岔管。
大山口水电站工程特性表
注 表中数据为工程完工时数据。
本工程由新疆水利水电勘测设计研究院承担勘察设计，供稿人穆汉平、杨福昌。