QBT水利枢纽混凝土双曲拱坝
1 工程概况
QBT水利枢纽工程为流域梯级电站的第1级。枢纽由混凝土双曲拱坝、引水发电系统（隧洞、调压井、压力钢管）、引水电站、生态基流电站等组成。电站总装机容量670MW，其中生态基流电站装机容量70MW。多年平均年发电量18.74亿kW·h，为大（1）型I等工程。
QBT水利枢纽工程坝址地貌
2 水文气象及工程地质
2.1 水文气象
工程区属大陆性北温及寒温带气候。多年平均气温2.8℃，最冷月平均气温-6.4℃。极端最高气温36.6℃，极端最低气温-45℃。多年平均年降水量203.8mm，实测最大日降水量41.2mm，多年平均年蒸发量（φ20cm）1447.5mm，多年平均年水面蒸发量883mm。多年平均风速2.4m/s，最大风速35.1 m/s。最大积雪深76cm，最大冻土深220cm。
2.2 工程地质
坝址区50年超越概率10%的地震动峰值加速度值0.145g，相当于地震基本烈度Ⅶ度。坝址区50年超越概率5%地震动峰值加速度0.197g，坝址区100年超越概率2%地震动峰值加速度0.343g，坝址区100年超越概率1%地震动峰值加速度0.424g，本枢纽拦河坝的抗震设防类别为甲类，地震设防烈度在基本烈度的基础上提高1度，即按8度设防。
坝址主河床宽约40m，地面高程26.00～29.00m，河水位高程约30.0m，坝顶高程河谷宽度约525m。河谷断面呈V形，阶地不发育，右岸地形坡度约40°，左岸略缓，约35°，均有顺坡向小冲沟发育，其相对切割深度一般不足10m，宽5～30m。
坝基岩体为震旦～寒武系喀纳斯群二段（Z-∈k2），岩性以黑云母石英片岩为主，有少量片麻状花岗伟晶岩岩脉发育；坝址区岩体片理产状总体为NE40°～60°倾NW∠60°～70°，片理发育不易判别，坝址区未发现大的顺河向断层，也无区域性断裂通过，主要构造形迹为挤压破碎带和节理；两岸弱风化带水平宽度一般为25～32m、垂直厚度一般为20～25m，主河床弱风化带垂直厚度一般为10～15m；受边坡岩体应力重分布以及风化作用、地下水活动、冰劈作用等因素的影响，两岸坝肩卸荷带宽度（或深度）略大于弱风化带，水平宽度一般为25～40m（个别地段近50m），垂直深度25～35m，其中，强卸荷带水平宽度一般为15～25m、垂直深度则为12～20m，其余属弱卸荷。
库区属侵蚀构造中山地貌，河谷切割大且岸坡陡峻，两岸山体雄厚基岩裸露。库盆岩体为震旦～寒武系喀纳斯群二段 （Z-∈k2）黑云母石英片岩、二云母石英片岩及华力西中期侵入的黑云母花岗岩
，微新岩体透水性总体不强，其间未发现有区域性断层发育，岩体完整性好，水库两岸均分布有高于正常蓄水位的泉水出露，无永久渗漏及淹没、浸没问题。
工程区段天然砂砾石料储量不丰且开采条件不良，采用花岗岩人工骨料。
3 枢纽布置
电站枢纽由混凝土双曲拱坝、二道坝、引水发电系统、生态基流电站、缆车式升鱼机等建筑物组成。
拱坝上游左岸布置发电引水隧洞进口，引水电站与生态基流电站的进水口联合布置，进水口为岸塔式，发电引水隧洞末端布置阻抗式调压井。泄水建筑物分三层布置：3个表孔、2个中孔及5个底孔供水管，上、下重叠布置，均布置在拱坝坝身上，表孔堰顶高程227.00m，单孔孔口净宽10m，堰型采用WES曲线，工作门为弧门，设检修门一道，采用小挑角挑流消能；中孔布置在表孔中墩之下，共设2孔，单孔尺寸3m×4.5m（宽×高），均为有压流，钢板衬砌，底板高程160.00m，采用跌流消能，跌坎高程158.00m，最大射距78.85m；为满足水库在发电最低水位150.00m以下、死水位90.00m以上的供水任务要求，在拱坝坝身与表孔相同坝段布置底孔供水管5根，管径2.2m。
拱坝下游设水垫塘及二道坝，水垫塘长200m，二道坝为混凝土重力坝，坝顶宽4.0m，最大坝高41.50m，坝后河床采用混凝土护坦衬护，护坦长60.0m。坝址下游2.5km河道向左转弯进入大“S”弯道，引水电站发电厂房布于该弯道中部，河道的左岸，以充分利用其有利地形缩短引水发电隧洞长度，电站厂房为岸边地面厂房，与左岸坝肩直线距离2.7km。厂区地面高程14.00m，在坝后左岸布置生态基流电站，厂房型式为地面厂房，采用短隧洞引水式开发；过鱼设施采用地面缆车式升鱼机过鱼，升鱼斗池位于大坝下游右岸，距坝轴线约500m处。枢纽平面布置如图1所示。
图1 QBT枢纽平面布置图
4 大坝设计
4.1 大坝坝体结构设计
拦河坝为混凝土双曲拱坝，坝顶高程240.00m，防浪墙顶高程241.20m，坝高240m，坝顶中心线弧长709m，弧高比2.954，坝顶中心角96.59°，最大中心角97.89°，坝顶宽12.0m，最大坝高处坝底厚60.0m，厚高比0.25。泄水建筑物布置在4个河床坝段上，每个坝段宽16m，共64m，其他坝段为非溢流坝段（共34个坝段），横缝间距15.8m、15.9m及20m。坝体断面初拟为抛物线双曲拱坝，采用常态混凝土浇筑，坝体最大压应力区混凝土标号为C35。由于工程地处严寒、高纬度地区，气温年相差悬殊，为减小温度荷载作用，在坝体上、下游表面设置厚10cm的聚氨酯硬质泡沫，还可减小冰压力对坝体的作用力。拱坝上游立视展开如图2所示，大坝典型剖面如图3所示。
图2 QBT拱坝上游立视展开图
4.2 建基面的选择
4.2.1 河床建基面的确定
勘探资料表明，主河床第四系全新统冲洪积
砂卵砾石层厚10～25m，松散～中密结构，并有架空。河床地段基岩面埋深一般为13.40～25.30m，基岩面高程一般为28.80～12.00m，具有左岸埋藏浅、右岸埋藏深的规律。顺河向未发现有隐伏构造异常。出露基岩为震旦～寒武系喀纳斯群二段 （Z ∈k2）黑云母石英片岩，微新岩石单轴饱和抗压强度大于60MPa，属坚硬岩。河床坝段，大坝建基面以Ⅱ类岩体为主，少量为Ⅲ类岩体 （约占30%）。
河床基础开挖至微风化～新鲜且未卸荷的岩体以微新岩体为拱坝建基面，并挖除其表层的弱卸荷带岩体。建基面高程10.00m，开挖深度15.5m，满足建坝要求。
4.2.2 两岸建基面的确定
左坝肩高程90.00～110.00m以下堆积有第四系全新统坡残积
碎石土，临近主河床 （高程约为75.00m以下）则为第四系全新统崩坡积
块石或碎石，覆盖层厚约3～6m，结构松散，有架空；右坝肩高程约为115.00m以下堆积有第四系全新统坡残积
碎石土，不连续堆积有
块石或碎石，覆盖层厚约3～6m，结构松散，有架空结构。
图2 QBT拱坝上游立视展开图
根据两岸坝肩平洞开挖以及钻孔揭露情况，两岸弱风化带水平宽度一般为17.5～31m，垂直厚度一般为17～32.5m，主河床弱风化带垂直厚度一般为10～15m；卸荷带宽度（或深度）略大于弱风化带，其水平宽度一般为23～31m（个别地段近50m），垂直深度20～34m。强卸荷带多数裂隙张开度在10mm以上，个别裂隙张开度可达20～50mm。左、右坝肩建基面以Ⅲ类岩体为主，存在少量不连续分布的Ⅳ～Ⅴ类岩体（约15%）。
左、右岸坝肩开挖至微风化～新鲜且未卸荷的Ⅲ类岩体上，并结合坝肩基坑开挖情况，对局部软弱破碎岩体采取工程处理措施，满足建坝要求。
4.3 基础处理
4.3.1 固结灌浆
为改善坝基岩体的力学性能，为提高岩体的整体性和各向均一性，增强基础的承载能力和防渗效果，对拱坝全坝基进行固结灌浆处理。此外，为增强坝基的均匀性和整体性，增强基础的承载能力，将灌浆范围向坝踵上游和坝址下游外各延伸5m与10m左右（水平投影距离）。坝址、坝踵外扩大灌浆区，采用在建基面内向坝外打斜孔灌浆。
坝基固结灌浆着重加强坝肩、软弱结构面、地质缺陷部位的处理，对基础岩体软弱或基础荷载较大的部位采取局部加密孔距、加大孔深进行灌浆处理。
坝基部位孔深15m，帷幕上游区、坝肩、软弱结构面、地质缺陷部位孔深20m，除局部需处理部位应加密外，固结灌浆孔间、排距均为3m，梅花形布置。
4.3.2 帷幕灌浆
拱坝防渗排水设计按“以防为主，以排为辅，防排结合”为主要设计思路，除设置坝基独立的防渗排水系统外，在抗力体还设置纵横向排水系统减少两岸山体绕渗，以提高坝肩抗滑稳定性。拱坝坝基河床及两岸防渗帷幕深入相对隔水层一定深度，两岸坝肩基岩帷幕深度相对河床部位逐渐抬高。两岸部位的帷幕与河床部位的帷幕应保持连续性。平面布置上防渗帷幕线的位置应根据坝基应力情况布置在压应力区，并靠近上游面。
结合坝址区钻探工作，综合压水试验成果，左、右坝肩岩体≤1Lu范围，大致在基岩面以下120～140m，局部段略深；河床岩体≤1Lu范围，大致在基岩面以下100m左右。鉴于特高坝要求，河床坝段防渗帷幕下限为建基面以下120m，帷幕深度125m；两岸坝段的防渗帷幕深度相对河床部位逐渐抬高，帷幕深入相对隔水层或正常蓄水位与地下水位交汇处。
两岸坝肩山体内设4层灌浆平洞，平洞底高程分别为240.00m、180.00m、120.00m、60.00m，平洞纵向、横向底坡均为1%，渗水经平洞内排水沟排出，最终进入集水井。
坝基灌浆廊道及岸坡廊道内布设两排帷幕灌浆孔。帷幕分为主、副帷幕，上游为副帷幕，向上游倾斜5°，下游主帷幕垂直钻孔，主、副帷幕排距1.5m，孔距均为2m，副帷幕灌浆孔的深度为主帷幕灌浆孔的一半。灌浆廊道下游侧布置有排水廊道，尺寸2.5m×3.0m，排水孔孔距为2.0m，排水孔深度同副帷幕灌浆孔，排水孔向下游倾斜5°。
4.3.3 接触灌浆
为了使坝体与接触面良好结合，提高坝基接触面的受力性能，防止沿接触面渗漏，提高大坝的整体稳定性，在坝体混凝土充分冷却后，基础排水孔钻设前对接触面进行接触灌浆，主要应用于拱坝两岸坝基面，以及上下游坝踵和坝趾混凝土贴角部位。
4.3.4 裂缝及岩脉处理
结合地面地质调查与平洞开挖揭露，左坝肩发育3条分布连续、规模较大且贯穿性好的岩脉（YM1、YM2、YM4），均为花岗伟晶片麻岩。其中，YM1和YM4于拱圈上游延伸至右岸，YM2则由拱圈位置的ZK12-3孔附近延伸至右岸，并在趾板附近尖灭，其宽度小于0.5m。右坝肩尚有YM5发育，系石英岩脉，其宽度小于0.3m。采用挖除裂缝内的破碎岩体，回填混凝土并用锚杆锚固、灌浆的处理措施。
从坝肩岩体深卸荷裂隙来看，左右坝肩共11条平洞内均揭露有深卸荷裂隙，左坝肩发育频度与深度（11条）均强于右坝肩（8条）。裂隙面稍弯曲粗糙，附锈膜，张开度多在5～20mm，少数可达50mm以上，其间局部充填岩屑、泥屑或细小岩块，采取加强灌浆等措施进行处理。
5 关键技术问题及对策
5.1 拱坝体形的多目标优化
兼顾拱坝静、动力安全性与经济性的多目标函数研究，选择合适的多目标函数权重；考虑建基面嵌深与形状变化的拱坝体形优化方法；通过多目标优化，确定拱坝的推荐体形以及应力控制标准。特别是针对大变幅水库，研究低水位温升温降对坝体应力、体形的影响。
5.2 严寒地区拱坝施工期温度控制
大体积混凝土的热力学特性，包括水泥特性、混凝土配比、掺合料等对热力学特性的影响分析；考虑严寒地区年内可施工时间短、间歇时间长，模拟坝址处实际水文气象条件、坝体混凝土浇筑施工过程、混凝土材料热力学参数随龄期的变化情况，以及各种温控措施等因素，分析拱坝的温度场和应力场，及其随时间的发展变化规律。根据拱坝的温度应力分析成果，优化拱坝的封拱温度，提出严寒、高温差地区大体积混凝土的温控标准和温控措施。
本工程施工期短，混凝土浇筑强度大，温控措施与浇筑强度的协调一致是控制施工工期的关键。同时，每年长达5个月的冬季间歇期，新老混凝土的结合，年初混凝土浇筑前的保温层的掀开时机及控制措施均是施工期温度控制的关键。
5.3 严寒地区拱坝混凝土开裂机制和裂缝控制
混凝土裂缝控制是控制混凝土浇筑质量的关键，是关系到工程能否安全运行的重中之中。本工程地处严寒地区，年平均气温低，气温年变幅大，温度荷载对拱坝拉应力的影响超过水荷载，最大拉应力可能会超过混凝土抗拉强度，大大增加了坝体开裂的风险。坝体裂缝的产生原因较多且非常复杂，如水压荷载、施工质量、温度、地质缺陷、化学作用、地震作用和外界冲击、碰撞以及空蚀等。根据现有研究成果，水压荷载、温度、地质缺陷和地震作用是最主要的影响因素，裂缝的出现会对混凝土结构的耐久性、安全性、稳定性产生不利的影响。建设严寒强震区的特高拱坝，最大温差可达81℃，地震设防烈度为8度，叠加235m高水头，故需要进一步深入研究减少坝体开裂的措施、有效控制开裂范围及裂缝深度，为工程的安全运行提供可靠的设计依据。加强事先预判、做好事中控制、储备事后处理措施。
5.4 特高拱坝的拱座岩体稳定和整体安全度
通过对岩体裂隙、岩脉的灌浆、混凝土置换、锚固等处理措施的作用机制研究，处理方案的优化，以及加固处理措施对拱坝稳定安全度的影响研究，提出提高拱座岩体和拱坝整体稳定性的控制措施。
特别是复杂气候条件下，要考虑冻融、冻胀对基岩物理力学指标的影响，基础地温对坝体应力的影响是特高拱坝的拱座岩体稳定和整体安全度研究关注的重点。
5.5 强震区高拱坝地震响应与抗震控制
对混凝土高拱坝—地基—库水系统非线性地震动力响应进行分析，了解大坝的动位移和动应力，以及损伤破坏区的发展。考虑常规抗震措施主要是调整体形和敷设抗震钢筋，在对抗震钢筋的作用机制、数量、布置等，及其提高拱坝抗震能力研究的基础上，进一步研究其他有效的抗震措施及其效果。研究严寒地区拱坝抗震安全性评价指标和标准，特高拱坝在极限地震作用下的灾变破坏过程，特高拱坝的极限抗震能力。
5.6 坝体保温材料研究
采用永久保温措施来减小温度荷载是拱坝设计的发展趋势，寻找一种更方便、快捷、长效、可靠的拱坝消减温度荷载措施是工程安全运行的关键。目前坝体主要有粘贴聚苯乙烯板和喷涂聚氨酯发泡材料两种。工程运行经验表明，两种材料均可达到保温及保湿的目的，但均存在运行几年后便开始脱落，失去保温效果的问题。通过深入的材料特性类比论证、理论和数值计算分析等，在近年来高拱坝设计和科研中已取得的最新经验和研究成果的基础上，开展以坝体温度应力控制为核心的筑坝关键技术的集成创新研究，寻找更加方便、快捷、长效、可靠的拱坝消减温度荷载措施。
6 施工
（1）导流方式及导流标准。坝址处河谷呈V形，两岸为高山，岩石条件较好，采用河道一次断流隧洞导流的方式，导流隧洞布置在右岸。大坝导流建筑物的级别为4级，导流建筑物设计洪水标准为20年一遇，相应洪峰流量为1698.78m3/s。当坝体浇筑高程超过围堰顶高程时，随着坝前拦洪库容增加，坝体度汛标准分别为50年一遇洪水标准、100年一遇洪水标准；导流隧洞封堵后，永久中孔及临时导流孔泄流，坝体度汛标准为200年一遇洪水标准设计、500年一遇洪水标准校核。
（2）施工进度。工程总工期安排为108个月，即从第1年4月至第10年3月，考虑到冬季11月—次年3月坝体浇筑停工，有效工期约67.5个月。
截流闭气时间在第2年9月下旬，电站厂房开工日期在第4年4月，从电站开工到第一台机组发电工期为48个月，发电时间为大坝第九年9月全线到顶，第10年3月工程完工。
7 大坝监测及成果分析
工程安全监测以自动化监测为主，采用自动化监测和人工观测相结合。在监测断面选择及测点布置上，重点选择地质、结构复杂或有代表性的部位进行布置。
大坝监测控制网包括水平位移监测网和垂直位移监测网，主要是为大坝、边坡和近坝岩体的变形监测提供基准。
监测内容主要包括：上、下游水位，气温，降水量，库水温、坝前淤积及下游冲淤等环境量监测；坝体位移，坝基位移，倾斜，接缝，裂缝等变形监测；坝基、坝肩、水垫塘等渗流监测；水质分析；坝体应力应变及温度监测；强震反应监测；动水压力、流速、流态、水面线、流量、振动、空蚀、掺气及雾化等力学监测。
8 工程特点
（1）由于该工程坝址区的复杂岩体结构、所处的极端环境条件以及岩体性状的复杂演化特征，对坝址区岩体类别及岩组划分、不同类别岩体特性评价、建基面选择标准的确定等都提出了更高要求。需要在初步设计阶段开展专题研究，进一步查明坝址区岩体工程地质条件，论证坝基岩体分类标准，查明不同质量岩体的分布规律和工程特性，提出建基岩体的选择标准，确定可利用岩面的高程和空间分布。
（2）针对该工程拱座变形与稳定性问题，拟通过现场结构面测量与统计，了解拱坝抗力体的结构特性；根据拱坝受力特征和岩体结构特性确定拱座失稳模式和失稳范围；在此基础上进行岩体结构面连通率计算，结合现场与室内试验确定合理岩体和结构面工程力学特性参数；采用三维极限平衡法对拱座抗滑稳定性进行分析，为工程设计和施工提供科学可靠的依据。
（3）通过现场地质调查与实验测试的方法，查明枢纽区边坡岩体工程地质特性与赋存环境，揭示坝区边坡岩体变形破坏的可能成因和变形破坏模式，评价和预测各种工况下的边坡稳定性，为枢纽区边坡工程处理提供技术支撑。
（4）本工程建立了兼顾静力、动力安全性与经济性的拱坝多目标优化模型，提出高寒地区大体积混凝土的温控标准以及控制裂缝的成套技术，创建了考虑初始裂缝的高拱坝开裂与扩展的分析方法，揭示了高寒地区大坝混凝土的动态特性和强震作用下高拱坝的损伤演化规律，提出了高寒强震区高拱坝局部开裂与整体失效的静力、动力破坏判据，研究了一种新型保温材料。
QBT水电站工程特性表
本工程由中水北方勘测设计研究有限责任公司承担勘察设计、可行性研究阶段，供稿人张秀菘。