TKSSK水电站碾压混凝土重力坝
1 工程概况
TKSSK水电站是所在河干流梯级开发的最末一级，工程位于QFQH水利枢纽下游16.2km。该工程主要承担发电任务，其次是承担QFQH水电站的反调节任务。水电站装机容量141MW，属大（2）型Ⅱ等工程。
TKSSK水电站全景
2 气象及工程地质
2.1 气象
坝址区多年平均气温8.8℃，极端最高气温39℃，极端最低气温-32℃。多年平均年降水量334mm，多年平均年蒸发量1334mm（φ20cm）。多年平均风速3.3m/s，最大风速24m/s，夏季气候炎热、湿度低、干热风，冬季寒冷。年温差超过60℃，年平均昼夜温差18℃。
2.2 工程地质
枢纽位于天山东西复杂构造带的西段，区域构造稳定性差，分布有多条活动性大断裂，工程区地震基本烈度Ⅷ度，地震动峰值加速度为0.2g，大坝抗震设防烈度为8度。该工程位于F4和F1两个区域活动性断层之间，无次一级活动性断层，枢纽区构造稳定条件相对较好，具备修建中等坝高的工程地质条件。
坝址处河床宽100～200m，流向近南北，两岸发育有Ⅰ～Ⅶ级阶地，其中Ⅱ级、Ⅲ级、Ⅵ级、Ⅶ级阶地为基座阶地，以右岸Ⅱ级阶地和左岸Ⅲ级阶地最为发育。坝址区出露的基岩为上二叠统晓山萨依组，岩性为红色砾岩、砂岩、泥质粉砂岩、粉砂质泥岩等，岩层走向与坝轴线近于平行，倾向上游，倾角45°左右。坝址两岸岸坡高差不大，坡度较缓。弱风化砂岩饱和抗压强度46.3MPa（属中硬岩），砾岩饱和抗压强度27.4MPa，泥质粉砂岩饱和抗压强度19.3MPa（属较软岩）。
3 枢纽布置
枢纽所属建筑物主要由拦河坝、泄水建筑物、发电引水系统及电站厂房等组成。拦河坝为由碾压混凝土重力坝段和黏土心墙坝段组成的混合坝型，坝顶全长963.1m。枢纽平面布置见图1。
混凝土重力坝段位于主河床和左、右岸阶地，右岸阶地布置黏土心墙坝段。利用重力坝段布置溢流表孔、泄洪底孔、发电引水系统。溢流表孔设4孔，分2个坝段，每孔净宽8m，采用弧形工作门挡水，前设1道检修门，出口采用底流消能。泄洪底孔设2孔，其中1孔为永久，1孔为临时，导流完成后封堵临时底孔，永久底孔出口采用挑流消能。发电引水系统采用三管三机的引水布置方式，由坝式进水口、坝后背管组成。厂房为坝后式，采用3台机布置。
4 大坝设计
4.1 坝体轮廓设计
碾压混凝土重力坝段最大坝高49.8m，坝顶宽8m。坝体上游面高程13.80m至坝顶为垂直面，以下至坝基为1∶0.2的斜坡面。坝体下游面高程39.80m以上为垂直面，以下为1∶0.75斜坡面。防浪墙采用与坝体连成整体的钢筋混凝土结构，墙高1.2m，墙厚0.25m。为满足监测、供电、排水等要求，在坝顶设置有激光准直管道沟、电缆沟、排水沟。重力坝段上游立视见图2，溢流坝段及非溢流坝段典型剖面分别见图3、图4。
大坝设置基础廊道，包括上下游及横向廊道。上下游基础廊道断面均为城门洞型，横向廊道连接上下游廊道，起排水、交通和观测的作用，全坝段共设置5条横向廊道，横向廊道跨横缝布置，宽2m、高2.5m。在24号坝段布置楼梯间，连接坝体上下游廊道及坝后厂房平台；在2号、3号坝段的横缝上布设对外交通廊道，连接上游基础廊道和坝后道路。
4.2 坝体分区及混凝土设计指标
坝体混凝土分为以下各区：上下游防渗碾压混凝土（Ⅰ区）；坝体内部碾压混凝土（Ⅱ区）；基础混凝土（Ⅲ区），位于河床部位厚1m；溢流坝、底孔、防浪墙常态混凝土（Ⅳ区）；溢流坝、底孔高性能混凝土（Ⅴ区）。碾压混凝土坝各部位混凝土设计指标见表1。
图1 TKSSK水电站枢纽平面布置图
图2 TKSSK水电站碾压混凝土重力坝段上游立视图
图3 TKSSK水电站溢流坝段典型剖面图
图4 TKSSK水电站非溢流坝段典型剖面图
表1 TKSSK水电站碾压混凝土坝分区及混凝土设计指标表
4.3 坝体防渗结构
上游防渗层采用二级配碾压混凝土加变态混凝土防渗，沿高度等厚布置。为了防止渗透水流直接从坝下游面逸出，在下游面设置二级配碾压混凝土加变态混凝土层。
上下游二级配碾压混凝土厚度分别为3m和2.5m，坝体上下游变态混凝土厚均为0.5m。
4.4 坝体分缝设计
根据地基条件、结构布置、施工浇筑条件以及混凝土温度控制等因素，将坝体分为30个坝段，均采用永久横缝。非溢流坝段横缝间距为15m、20m，溢流表孔坝段间距25.5m，泄洪底孔坝段宽21m，发电引水系统坝段间距21.5m。
4.5 坝体坝基排水设计
坝体排水孔设置于上游二级配与三级配混凝土交界面上，从左岸至右岸形成坝体排水孔幕。排水孔采用塑料盲沟，孔距为5m，直径为150mm。
上游基础廊道内设有倾向下游的排水孔，孔距2m，孔深10m，直径为110mm。坝基渗水通过排水廊道汇集到集水井内，由水泵抽排出坝体外。
4.6 止水系统设计
在坝体上游及下游高程15.30m以下二级配碾压混凝土防渗层的横缝内设置两道止水，第一道止水为铜止水，距坝上游面1m；第二道为橡胶止水。横缝内填充厚1cm的沥青木板。
坝内所有穿越横缝的廊道，均在廊道周边横缝内布置一圈橡胶止水带；对于中轴线与横缝重合的廊道，在廊道顶部和底部的横缝上各设置一道橡胶止水带。
4.7 碾压混凝土重力坝段坝基处理
为了找平开挖基础岩石面，便于碾压混凝土施工，同时为坝基固结灌浆增加盖重，在碾压混凝土重力坝底部和基岩接触部位铺设厚1m的常态混凝土（大坝基础混凝土）。
在坝基范围内进行铺盖式固结灌浆，固结灌浆在大坝基础混凝土浇筑完成，并达到50%强度后实施，固结灌浆孔深6m、孔距3m、排距2m，梅花形布置。帷幕灌浆深度按基岩透水率q≤5Lu和坝基承受最大水头值的1/2控制。设置单排帷幕灌浆，帷幕深20～25m，孔距为2m。在地质复杂地段（如断层、破碎带）部位，增设1排帷幕灌浆孔。
岸坡坝段基础开挖边坡为1∶0.3，在坝基接触面设置接触灌浆，接触灌浆系统分区布置，每个灌浆区面积小于200m2。
对于建基面出露的断层，根据不同规模，进行混凝土塞置换，并加强固结灌浆。
4.8 坝体计算分析
（1）坝体稳定应力分析。
1）材料力学法，坝基抗滑稳定和应力分析。沿水平坝基面的抗滑稳定和坝基垂直正应力计算，选取典型断面，采用刚体极限平衡法，计算公式采用抗剪断强度公式。坝基岩体与混凝土抗剪断参数：弱风化砂岩、砾岩f′=0.8，c′=0.60；弱风化互层类砂岩与泥质粉砂岩f′=0.62，c′=0.49。计算成果表明各种运行工况下，坝基面的抗滑稳定安全系数均大于规范要求，坝基面的最大压应力小于基础岩石容许压应力值，坝基面在各种工况下均未出现拉应力。
坝体层面抗滑稳定计算和应力分析。分别选取不同高程进行层间稳定及应力的计算，不同高程碾压混凝土层面的抗滑稳定及应力计算结果表明，坝体各层面（顺流向）抗滑稳定安全系数均大于规范要求，各层面上游面垂直应力及主压应力小于坝体混凝土的容许压应力值。
2）有限元静力、动力分析计算。对典型溢流坝段和非溢流坝段进行了静动力二维有限元分析，计算结果表明，静力基本工况与地震作用叠加后，水平向的最大位移为3.85mm，竖向的最大位移为3.47mm。结构位移很小，都在可接受范围之内；综合各工况的应力计算结果，结构不同部位的压应力数值远远小于相应部位材料的抗压强度，结构不存在因抗压强度不足而产生破坏的可能性。计算表明碾压混凝土坝设计合理先进，满足规范要求，在基本组合和特殊组合（偶然组合）情况下都是安全的。
（2）主坝侧向抗滑稳定分析。岸坡坝段坝基面是一个倾向河床的斜面，在水压力、扬压力及自重作用下有向下游及向河床滑动的趋势，需进行抗滑稳定分析。采用刚体极限平衡法的抗剪断强度公式，计算结果表明，抗滑稳定安全系数均满足规范要求。左岸岸坡各坝段基础开挖采用台阶开挖方式，台阶宽度均大于2/3坝段宽度，从而减小了岸坡坝段倾向河床的侧向下滑力，保证了岸坡坝段的抗滑稳定。
（3）坝基深层抗滑稳定分析。坝基没有发现夹泥较多的软弱缓倾结构面，缓倾构造的连通率约为30%。对河床坝段坝基发育的陡倾及缓倾角断层和节理裂隙，在产状范围内进行了不利组合，计算了一系列不同高程的深层抗滑情况，得出最不利组合下的安全系数，计算方法采用刚体极限平衡法的被动抗力法。计算结果表明其滑动安全系数满足规范要求。
4.9 温控设计
（1）温控标准。①基础温差ΔT。基础强约束区ΔT≤18℃；基础弱约束区ΔT≤19℃；②坝体最高温度控制在28℃。
（2）主要温控措施。①控制横缝间距，间距为15～25.5m。②优化混凝土配合比，采用石灰石粉、粉煤灰双掺料，降低混凝土的绝热温升和弹性模量，提高碾压混凝土的抗裂性能。③控制浇筑温度，4月、5月、9月、10月、11月大坝混凝土自然入仓，浇筑温度取旬平均气温，在11月，如旬平均气温低于5℃，则混凝土浇筑温度取5℃；6—8月的浇筑温度控制不得高于21℃。④冷却措施，采用拌合楼料仓内风冷骨料，加10℃冷水拌和的预冷措施；对6—8月高温季节浇筑的混凝土采用冷却水管进行冷却。⑤保温措施，冬季停歇面采用厚10cm的聚苯板保温；大坝上游面及下游面采取永久保温层，覆盖厚5cm的聚氨酯进行表面保温，以控制内外温差。⑥养护和表面保护措施，加强仓面喷雾、表面养护等措施。
5 施工
（1）导流方式及导流标准。本工程采用分期导流方式，施工分两个阶段：2006年5—11月，利用原河床过流，左岸一期纵横向围堰挡水，进行左岸坝体和底孔坝段施工，右岸利用干地施工；2006年11月下旬截流，截流后至2008年5月，利用底孔泄流，右岸二期纵横向围堰挡水，进行发电引水坝段、表孔坝段及左右岸碾压混凝土坝段的施工，2008年汛期由底孔泄流、坝体临时断面挡水。一期、二期施工导流标准为10年一遇，洪峰流量800m3/s；施工导流的坝体临时断面度汛标准为20年一遇，洪峰流量1200m3/s。
（2）施工进度。2006年3月主体工程开工，2008年12月下闸蓄水，2008年12月底第一台机组发电。
（3）大坝混凝土骨料碱活性。对料场的天然骨料进行骨料碱活性试验，岩相鉴定表明可能具有潜在的碱活性，综合岩相法、砂浆棒快速法的试验结果表明天然料场的粗骨料和天然砂均为潜在危害性骨料。针对该工程的情况，主要从以下几方面去抑制碱—骨料反应：①使用低碱水泥，控制水泥的含碱量低于0.6%；②控制混凝土中的含碱量，混凝土中的碱不仅来自水泥，而且还来自掺合料、外加剂、水，因此在各种原材料选择上尽量控制总碱量；③高掺优质粉煤灰，粉煤灰对碱—骨料反应有明显的抑制效果，要求各种混凝土必须掺用粉煤灰，其掺量不宜低于20%。
（4）施工配合比设计。本工程水泥采用南岗水泥厂的42.5级水泥，粉煤灰选用Ⅰ级粉煤灰，骨料采用砂砾料场筛分的天然粗、细骨料。坝体各部位混凝土配合比见表2。
表2 TKSSK坝体碾压混凝土配合比表
6 大坝监测及成果分析
大坝安全监测项目主要有：变形监测、渗压渗流监测、应力应变及温度监测。4个监测断面分别设置在6号底孔坝段、10号非溢流坝段、13号溢流坝段、19号发电引水系统坝段。工程蓄水后至2010年，对监测资料进行分析表明：
（1）坝体渗压计测点的渗透压力变化不大，扬压力测值随着库水位的上升均有不同程度的上升，无异常现象，满足设计要求。
（2）在坝体自重荷载和水库蓄水的作用下，各坝段基础压缩量最大为2.7mm；廊道底板各引张线测点的水平位移，随库水位上升而向下游的变位，各测点的水平位移为1.6～2.8mm，均在正常范围内。
（3）大部分应变计测点都处于压应变状态，且测值均在正常范围内。
（4）在坝体设有永久保温的情况下，2010年1月最低气温-18.8℃时，坝后坡表面温度测点最低温度为5.8℃和6.1℃，充分说明聚氨酯保温效果良好。
目前，坝体工作性态正常，运行良好。
7 工程特点
（1）工程所在的河段河谷宽阔，为不对称浅U形宽谷，在宽河谷下高温、高寒、弱基、强震地区，选择安全、经济、合理的混合坝坝型，保证大坝的安全运行，是工程设计的主要特点。
（2）该工程碾压混凝土重力坝实施的关键是大坝温度控制和防裂措施，设计采用“内降外保”的总体温控措施。
（3）将石灰石粉与粉煤灰双掺料用于寒冷地区大坝碾压混凝土，一方面解决筑坝材料匮乏的问题，另一方面改善碾压混凝土的性能，减少混凝土胶凝材料用量，降低水化热温升，从施工角度可提高碾压混凝土的可碾性，加强层间结合，提高碾压混凝土的密实度和强度。
（4）应用喷涂聚氨酯进行碾压混凝土重力坝表面的永久保温保湿。采用合适和有效的保温保湿措施，可降低混凝土温度梯度和湿度梯度。对越冬层面和棱角部位的保温提出了相应的改善措施，加厚聚氨酯的喷涂范围和厚度。减小大坝重点部位拉应力分布区域及最大拉应力值，增强大坝整体抗裂性能。
（5）结合大坝喷涂聚氨酯泡沫保温保湿措施、实际的施工安排，提出了碾压混凝土坝基渗流对岩石热传导性质的影响、施工工艺对大坝重点部位局部气候的影响，进行碾压混凝土大坝施工期精细化模拟仿真计算，提高大坝数值仿真计算精度，使计算结果与实测更为吻合。
通过大坝精细化模拟仿真计算，研究了坝体温控措施的合理性：①提出了相应的改善措施，对越冬层面和棱角部位加厚聚氨酯的喷涂范围和厚度，减小大坝重点部位拉应力分布区域及最大拉应力值，增强大坝整体抗裂性能；②简化了温控措施，放宽了混凝土浇筑温度1～2℃，取消了部分冷却水管。
TKSSK水电站工程特性表
本工程由新疆水利水电勘测设计研究院承担勘察设计，供稿人范金勇、何勤。