石门子水库碾压混凝土薄拱坝
1 工程概况
石门子水利枢纽工程位于昌吉回族自治州玛纳斯县塔西河中游河段石门子峡谷处，距玛纳斯县城62km，距312国道45km。水库总库容5010万m3，水电站装机容量6.4MW，为中型Ⅲ等工程。该工程是采用新技术加快水利开发步伐的示范工程，以灌溉为主，兼有防洪、发电和旅游等综合效益。该工程是我国在严寒、强震、软基上修建的第一座超百米高技术难度的碾压混凝土拱坝，结合工程建设的相关专题，2009年获国家科技进步二等奖，研究成果先后荣获三项国家发明专利和一项实用新型国家专利。
石门子水库上游全景
2 水文气象及工程地质
2.1 水文气象
据石门子水文站实测资料统计，坝址以上流域面积664km2，多年平均年径流量2.32亿m3，多年平均流量7.36m3/s。年最大洪峰主要出现在6月下旬至8月中旬。洪水过程多为单峰型，且有随气温的日变化呈一日一峰的变化情况，一次洪水历时相对较短，一般为3～7d。大坝设计洪水标准为50年一遇，洪峰流量202m3/s；校核洪水标准为500年一遇，洪峰流量388m3/s。
坝址区多年平均气温4.1℃，极端最高气温33.2℃，极端最低气温-31.5℃。多年平均年降水量430mm，多年平均年蒸发量1410.8mm（φ20cm）。多年平均风速1.7m/s，多年最大风速20m/s，多见风向W。最大积雪深40cm，最大冻土深140cm。
2.2 工程地质
坝址位于塔西河水文站上游1.2km的“石门”峡谷段，峡谷长约350m，河谷呈U形，谷底宽70～86m。坝区两岸基岩裸露，强风化层厚约2m，弱风化层厚6～6.5m，坡顶及河床底部岩体强风化层厚2.5～5m，弱风化层厚3～5m。坝址区以砾岩为主，岩层走向与河谷近正交，倾向下游。q=1Lu的相对不透水层埋深一般在基岩面以下8～15m。坝址区主要出露的砾岩属混合胶结的沉积岩，胶结较差，岩石强度不均一。左岸山体孤立，右岸分布的软弱夹层常有地下水渗出。
清水河断层F1距坝址5.5km，霍尔果斯—吐谷鲁断层F2距坝址23km，为区域性构造单元分界活动断层，库坝区区域稳定性差。库坝区50年超越概率10%的地震基本烈度为Ⅷ度，地震动峰值加速度值为0.302g，抗震设防烈度为8度。
右坝肩发育的F6断层产状为∠NE0°～10°/SE85°～90°压扭性断层，断层带宽0.1～3m，其内有3条破裂面，具糜棱岩化和泥化，断层与J3泥化夹层的组合，构成了控制右坝肩稳定及上游边坡稳定的块体。左岸坝肩出露有两条平行的F3、F5张扭性陡倾次级断层，并且从右岸向左岸延伸有J3软弱泥化夹层。
库区无永久渗漏及淹没、浸没问题，水库诱发地震的可能性不大。
天然建筑材料储量丰富，作为混凝土骨料，除细骨料含泥量偏高外，其余指标基本满足规范要求。土料选用砂砾料场上覆黄土，除天然含水量偏低外，其余指标基本满足规范要求。
3 枢纽布置
枢纽所属建筑物主要由碾压混凝土拱坝，黏土斜心墙副坝，导流兼引水发电隧洞，发电站厂房及碾压混凝土拱坝坝顶溢洪道，坝身泄水孔等组成。枢纽平面布置见图1。
开敞式溢洪道布置在拱坝坝顶，共计3孔，每孔净宽5m，设计单宽流量为11m3/（s·m），并设3扇3.2m×5m（高×宽）平面钢闸门。坝身泄水孔的平面位置在坝顶溢洪道的右侧，泄水孔中心线与拱坝中心线的平面交角为9°，可兼作放空冲沙用，泄水孔为矩形断面，进口采用平面钢闸门，出口采用弧形钢闸门。引水发电洞进口位于左岸单薄山脊南端右侧，洞身段长约270m，发电洞后段124.2m利用导流洞改建，上覆岩体厚15～70m，将导流洞城门洞型断面改为直径3m的圆形断面，采用12mm钢板衬砌。
4 大坝设计
4.1 坝体轮廓设计
主坝为碾压混凝土拱坝，坝高109m，坝顶宽5m，底宽30m，拱下部最大厚度31m，坝顶外弧长176.5m，拱坝厚高比0.284。上游侧设高1.2m的防浪墙，下游侧设高1m的防护栏，坝体在高程1320.00m以下采用单曲率、定圆心、定外半径、变中心角布置，在高程1340.00m附近（应力较大部位）加大拱曲率，往上各高程采用变圆心、变半径、变中心角布置。大坝典型断面见图2。坝体混凝土总方量21.1万m3，其中碾压混凝土18.8万m3，约占混凝土总量的89%。
图1 石门子水库枢纽平面布置图
图2 石门子水库拱坝典型剖面图
4.2 坝体分区及混凝土防渗设计
根据坝体应力计算分析成果，结合考虑坝体的孔口及各部位的结构特点，大坝混凝土分为4个区，参见表1。
表1 石门子水库坝体碾压混凝土分区表
其中变态混凝土主要使用范围为上下游坝体表面厚0.5～1m；坝肩周边厚0.5m；灌浆排水廊道周边厚1m。溢流坝面（1.5m），泄水孔周围（1.5m）以及坝基垫层（2m）为R90250、D300常态混凝土。
混凝土原材料选择主要依据结构物要求及运行条件，选择普通硅酸盐水泥及二级粉煤灰，骨料采用河床的天然砂砾石，鉴于砂的细度模数偏粗，采用部分粉煤灰代替砂进行调配。
为增强坝体抗渗能力，在坝体上游面喷涂厚1.5mm的水泥基防渗涂层（XYPEX）。
4.3 坝体分缝设计
为了既能发挥碾压混凝土大仓面连续浇筑的优越性，又便于削减坝内的应力，在坝体高程1288.00m以上施工期设置一条横缝（简称中缝）。在近上游中缝内设置混凝土塞，以利于施工期提前蓄水时拱向传力，塞边缘及中缝内保留灌浆系统以实现拱坝后期灌浆封拱。拱圈人工短缝布置示意见图3。
图3 石门子水库拱圈人工短缝布置示意图
拱坝两坝肩上游侧各设置一条人工短缝，以削减拱端水压和温度拉应力，缝长2～4m，缝由径向转向坝肩低应力区，缝上游区设止水，在缝端部位埋设［16槽钢止裂。
在拱坝下游侧距中轴线27.5m拱圈处，高程1295.00m以上沿拱径向设深1.5m的人工短缝，以削减拱坝中部下游面由水荷及温降形成的拱向拉力。
在两岸坝顶部位高程1375.00～1394.00m保留拱横缝，以降低运行期拱坝上部温度应力，并利用蓄水加弯矩以改善拱坝中部下游侧的梁向拉力。
4.4 坝体坝基排水设计
为满足基础灌浆、排水、观测、检查和交通等要求，在坝内设置灌浆排水廊道，并在坝肩内设置灌浆排水交通洞。纵向布置共分3层，分别设在高程1289.00m、1340.00m和1394.00m （坝顶）。灌浆排水廊道和灌浆排水洞断面为城门洞型。廊道的上游壁距上游坝面5m，由上层廊道向下层廊道作灌浆或竖向排水孔，水孔与纵向廊道连通，孔距2m，孔径10cm。
两岸坝肩的帷幕灌浆排水洞均与坝体1289.00m和1340.00m灌浆排水廊道相连，右坝肩伸入山体分别为74.9m和55m，左坝肩伸入山体分别为63.6m和115.1m，坝顶高程右坝肩灌浆排水洞长46.4m。所有帷幕灌浆孔、排水孔的布置结合地质条件考虑，除右坝肩上部两层廊道采用1排、孔距2m外，其他各区均采用2排、孔距3m、排距1m，靠下游侧均设排水幕，孔距2m，防渗帷幕及排水孔的深度和布置保证上下均连成整体。
4.5 坝基处理
（1）固结、帷幕灌浆处理。为提高坝基的承载能力和加强坝体与地基的结合，主要在坝踵及坝趾进行固结灌浆（向外延伸1～3m），根据岩石与结构面的情况和坝底宽度，分别在上游设置3～10排，下游设置5～10排固结灌浆，孔距2m、排距1m，梅花形布置，孔深一般为5m，均采用有盖重的灌浆，效果较好。河床部分帷幕灌浆深度深入相对不透水层埋深8～15m。左岸坝肩的帷幕灌浆与左侧副坝的防渗帷幕相接。
（2）右坝肩加固处理方案如下：
1）对右坝肩F6断层的处理，结合坝肩高程1340.00m、1289.00m的纵向和交通排水洞布置，设置两条抗滑交通排水洞，并沿F6断层设排水孔与坝肩排水幕相接形成坝肩下游山体的纵向排水孔幕。在下游的F6断层设抗滑井，总深900m，断面尺寸8m×6.5m，井内用C30微膨胀混凝土回填，并对四周围岩进行固结灌浆，总加固宽度可达14m。
2）在坝肩下游楔形山体软弱面处设置4条抗滑键，抗滑键长为59m、68.8m、56m和47.6m，宽为3m，高4.5m，键体采用C30微膨胀混凝土，对围岩进行固结灌浆，总加固宽度达到11m。
3）上游山体边坡稳定加固主要是在J3软弱层面上设置抗滑键，呈两纵两横布置，呈井字形，键长分别为121m、112m、73.7m和42m，键体采用C30微膨胀混凝土，四周进行固结灌浆并设插筋。
4）对处于深层的J1软弱层面以及右坝肩因嵌入山体较深，被上游开挖坡面截穿的J3，亦分别设置两条长度分别为121m和50m的抗滑键进行加固。
（3）左坝肩加固处理。沿F5断层设上下两条纵向抗滑灌浆排水洞，对F5断层和F3断层本身进行超细水泥固结灌浆，孔距2m，形成高约40m，长约100m的较强加固带。鉴于左坝肩山脊上部较单薄，左岸坝肩绕渗问题较为突出，利用F5断层的上下抗滑灌浆排水洞分别设置一排长51m的纵向防渗帷幕，结合设置部分支洞形成长约100m的纵向排水孔幕。左坝肩的防绕渗抽排系统排水出水口的自由水面为1289m，低于下游河道尾水约30余m，抽排作用明显。
4.6 温控设计
（1）常温季节施工。设计要求混凝土入仓温度不高于14℃，施工中按自然温升进行拌和浇筑。浇筑层升程高度3.3m。
（2）高温季节施工。1999年设计要求混凝土最高入仓温度不高于17℃，混凝土浇筑升程高度减至1.2～1.5m，收仓面用6～8℃河水浸泡养护、降温，坝体内设PVC冷却水管。2000年及2001年5—8月高温季节，设计要求入仓温度最高应不高于19℃，浇筑升程高度控制在1.5～1.8m，为此在拌合楼上增加了风冷骨料设备，砂石骨料上料皮带采用喷雾措施。施工中入仓温度超过17℃时采取1.5～1.8m浇筑升程，并间歇3d，用水浸泡。大坝施工浇筑温度基本控制在设计规定指标范围内。
（3）低温时段施工。1999年10月下旬至11月上旬、2000年3月底至4月初及10月下旬至10月中旬、2001年3月底至4月初按照设计要求，施工中采取以下保温措施：模板背面粘贴厚5cm泡沫保温板；浇筑过程中，随混凝土摊铺及时覆盖保温被；混凝土达7d龄期后拆模，拆后马上对混凝土表面进行保温覆盖；气温低于2℃后暂停浇筑，混凝土面用保温被覆盖。
（4）坝体越冬保护。1999年冬，大坝顶面，下游面用砂砾料保温，上游面采用蓄高水位方法，水位高于顶面约50cm。2000年冬，下游面进行粘保温板保护，1325.00m高程以上，采用喷涂聚氨酯保温层，坝水平层面用砂砾料覆盖保护。2001年冬，大坝顶面采用两层无纺布夹厚5cm的苯板覆盖，溢流面覆盖双层保温被方式进行保护。
4.7 副坝设计
在左岸古河槽设置副坝挡水，坝顶全长185.84m，右岸与主坝上坝公路相连。副坝采用混凝土防渗墙及黏土斜心墙堆石坝方案。防渗墙厚0.8m，伸入斜心墙内4m，嵌入基岩内2m。斜心墙上游面铺设过渡料及浆砌石护坡，黏土斜心墙坡度为1∶2.0，上游坝面坡度为1∶2.15。上游过渡层上游坡与坝坡坡度相同，下游坡与斜心墙上游坡相同。
5 施工
1998年6月主体工程正式开工，1999年5月大坝基础开仓，2000年10月大坝碾压高程达到1363.00m，已经具备提前蓄水条件，封堵导流洞，利用“铰接拱”新结构，在没有封拱之前，水库提前蓄水，开始发挥效益。2002年10月底工程全部完工投入运行。
6 大坝监测及成果分析
大坝安全监测系统主要包括坝体变形观测、渗流观测、应力应变观测和动力观测等。根据实际监测资料分析比较，得出如下结论：
（1）坝基渗流。坝基扬压力在蓄水初期随库水位变化明显，随着库水位升高，呈平稳变化，最高在高程1320.00m上下波动，由于上游防渗帷幕和排水系统的作用，最大值仅为35m，坝基扬压力低于下游水位。廊道内测压管的观测值比较稳定，坝基排水孔的减压效果明显。
（2）坝基渗漏量。右坝肩高程1289.00m底层廊道的渗漏量测值较大，为0.3L/s，但主要来自排水孔，而坝基中部的渗漏量最大达到0.16L/s，部分为下游尾水的渗入。高程1340.00m廊道渗漏量在设计容许范围内。
（3）坝体处于正常工作状态，且各部位缝的张开值均在设计容许范围内。坝体上游两端的人工短缝，在初期混凝土温降过程中，短缝被拉开出现拉应变，起到释放拉应力作用，在短缝槽钢外侧的混凝土则基本上保持压应变状态，说明槽钢起到了止裂作用；坝体下游两条短缝（位于中缝左右两侧对称分布），在水库蓄水过程中出现张开，反映了在库水压力作用下，坝体下游面出现拉应力，通过预设的短缝将其释放。随着温度的变化，形成一定规律，温升受压，温降受拉，观测曲线呈现正弦曲线变化，幅度在0.4mm以内；坝体中缝在前期混凝土温降过程中，中缝开合度增加，水库蓄水后受水压作用，上游受压，下游受拉，且上游的中缝开合度趋于稳定，达到2mm，其观测曲线近于水平线。下游部位的中缝开合度则一直在增加，达到3.8mm后渐趋平稳，仅有季节性的起伏，幅度在0.5mm以内。说明在目前的库水位下，中缝变形已趋于稳定；两拱座接触缝在施工期受混凝土收缩的影响，表现为拉开，左右拱座张开值达到0.5mm和1.2mm，后期在库水压力下又表现为压缩，开度呈现平稳变化。
（4）坝体垂线观测。坝体高程1394.00～1340.00m段，中部坝段先向下游产生径向位移，之后回弹并逐渐出现向上游的径向位移，总的位移变化幅度接近5mm，左坝段和右坝段则是先出现向上游的径向位移，而后出现向下游的径向位移，左右坝段径向位移的变化幅度分别达到2.9mm和3.9mm。切向位移较小，各部位总的切向位移变化幅度分别是：坝体中部为1mm，右坝段为1.2mm，左坝段为0.5mm；坝体高程1340.00～1289.00m段，径向位移和切向位移较小，坝体中部仍然是先出现向下游的径向位移，然后又向上游位移，总的径向位移幅度达到4mm，切向位移达到0.7mm。右坝段的径向位移为0.7mm、切向位移变幅为0.6mm。左坝段的径向和切向位移的变化幅度均达到1mm；高程1289.00m以下坝基段，径向位移和切向位称均较小，中部坝基的径向和切向位移幅度分别为0.4mm和0.2mm，左、右段的径向位移和切向位移幅度大多在0.5mm以内。
7 工程特点
（1）该工程是国内第一座严寒、强震、软基上修建的碾压混凝土薄高拱坝。针对新疆严寒气候，大坝采用低绝热温升微膨胀的内部碾压混凝土，利用较低入仓温度进行浇筑，设防晒棚，用低温河水拌和与养护，以控制坝体的基础温差和最高温度。
（2）强震区人工缝减震作用。对于处在强震区的碾压混凝土拱坝地震响应，进行了可透射波的人工边界（有限基础）和人工缝减震作用研究，结果表明人工缝具有明显隔震减震效果，能大幅度降低拱向应力。
（3）新结构研究。在拱坝上游坝肩拉力区设置人工应力释放缝、在拱冠下游拉力区设置人工径向短缝以释放水压及温降拉应力，并在缝端组合应力断裂区设置止裂结构以防止裂缝延伸；在拱坝表层前期冷却区设置膨胀混凝土塞及灌浆系统，利用膨胀混凝土塞良好的拱向传力作用，在拱坝温度未完全下降前形成“铰结拱”提前蓄水，边蓄水边降温而不引起下游面较大的拉力，待拱坝长时间降温后进行中缝灌浆。
（4）对于软化砾岩的坝址，为防止拱坝在水压作用下坝体的大变位和上下游拱座及拱冠应力恶化，进行的研究有：①除扩大拱座减压增大坝肩抗剪能力，减少变位外，研究表明在软岩双轴压力徐变下变位大量减少，用人工增加侧约束减小变形；②利用提高拱座局部弹模将作用力导向深层，使高压区处于三轴压作用下；③研究饱和岩体徐变及强度折减；④研究加大拱坝变位能力而不恶化应力的“柔性拱”。仿真计算及实测表明：柔性拱拱冠变位较大，但坝肩人工短缝后及拱冠径向缝后拉力不大。
（5）严寒区混凝土保温材料研究。混凝土在前期强度较低，特别是蓄水后水压和温降叠加后易在下游面造成开裂，为了防止严寒地区施工期冬季温降过大，采用在坝面喷涂厚5～10cm的聚氨酯保温材料，实测结果表明：冬季气温-24℃时，聚氨酯保温层下混凝土表面尚有+5～+7℃，保温效果良好，它也减少稳定变场温度变幅，减少严寒地区拱坝温度应力。另外，在大气湿度40%的情况下，聚氨酯保温层下相对湿度可保持在90%以上，增强表面抗干裂能力。
（6）碾压混凝土新材料及仿真特性研究。真正的仿真设计必须建立在材料参数特性仿真的基础上。主要的研究项目有以下方面：
1）研究了不同岩石骨料的混凝土膨胀系数，采用替换小骨料的方法降低局部混凝土膨胀系数，大大减少了基础区混凝土拉力。
2）研制了同场绝热技术以测定低温入仓混凝土的绝热温升，提供高强（>200号）低热碾压混凝土和不依靠表面散热连续上升浇筑，实验绝热温升12℃，实测仅11℃。
3）研究混凝土的湿热传导，利用天然河水对高温浇筑的混凝土进行终凝后泡流动水冷却，尽量压低混凝土的最高温升值。
4）研究高掺活化粉煤灰，大大减少水泥用量，研究中发现粉煤灰细度对碾压混凝土后期强度影响很大。
5）研究了在水泥生产中外掺MgO来减少碾压混凝土收缩的问题，研究不同温度条件下不同配比外掺MgO碾压混凝土自生体积变形规律，在水泥厂中水泥磨细时掺入水泥含量2%～3%的MgO以保证微膨胀混凝土均匀性，消除前期自生体积收缩变形，增强混凝土抗裂能力。
6）混凝土的早期多轴徐变特性对确定仿真应力影响大。研制多轴徐变仪，结合长焦距连续变焦显微系统，从宏观、微观研究岩石和混凝土的徐变特性。砾岩实测表明单轴短时压力变形（弹性）：徐变（黏塑性）为（2～2.6）∶1，长期增长率达（1.5～1.2）∶1，μ=1/6.4（小荷载小于30%极限强度）～1/2.6（大荷载小于50%极限强度）。混凝土徐变研究表明：双轴压徐变为非损伤变形，早龄期混凝土双轴压缩徐变比单轴徐变小30%左右，可消除拱座屈服单元；低应力水平下压缩徐变试件强度并不降低；提出了满足热力学原理的黏弹性（徐变）宏观数学模型。
（7）在该工程的设计中不仅采用了人工短缝新结构，而且在软基结构、拱坝减震、提前蓄水、保温保湿、低渗透砾岩防渗与抗软化、复杂地质条件下的岩体加固等技术上均有新的突破。
（8）工程的成功建成，开创了严寒、强震、软基上修建百米以上碾压混凝土高拱坝的先例；首次采用铰接拱新结构获得成功，创造了提前成拱、蓄水并发挥效益的新纪录；首次采用柔性拱新结构，拓宽了软基上建高拱坝的适用范围；首次采用了只有一条横缝的长拱圈结构（176.5m），使拱坝横缝间距拓宽至90m，开创了长拱圈大仓面碾压施工的新纪录。1999年5月开始浇筑基础垫层混凝土，混凝土浇筑11个月即利用铰接拱新结构实现提前下闸蓄水发挥灌溉效益。2001年10月浇筑到坝顶，实际混凝土浇筑仅15个月。大坝至今已正常运行8年，期间经历了地震的考验，大坝完好无损。
石门子水库工程特性表
本工程由清华大学水利系承担勘察设计。