简要信息

    【获奖类型】应用特等奖
    【任务来源】水利部创新指导项目，通过横向课题自筹经费
    【课题编号】SCXC2005-10
    【课题起止时间】2005年～2007年
    【完成单位】岩土所
    【主要完成人】徐泽平、陈  宁、赵剑明、邓  刚、刘启旺、邵  宇、马锋玲、王钟宁、李海芳、刘小生、侯瑜京、晁华怡、窦铁生、梁建辉、阮元成

    立项背景

    九甸峡水利枢纽工程是甘肃省引洮供水工程的龙头水利工程。九甸峡工程混凝土面板堆石坝，设计坝高136.5m，大坝基本烈度为7度，设防烈度为8度。坝址地形为不对称狭窄河谷，河床左岸边分布有河床深槽，河床覆盖层砂卵砾石层厚达56～54m。对于在如此的地形、地质条件下修建高达100m级的土石坝，国内外尚无工程经验，有许多疑难问题急待研究。特别是坝基深覆盖层的防渗结构形式、坝基防渗结构与趾板、面板的连接形式、坝体、坝基的相互作用关系及其对坝基和坝基防渗结构的影响、坝体、坝基以及防渗结构的抗震安全性和抗震措施、坝体的长期变形特性等均为工程设计、施工中面临的关键技术问题。如能将覆盖层作为大坝基础，在覆盖层地基上直接筑坝，将会带来减少坝基的开挖、简化施工导流与布置、缩短工期并降低工程造价等一系列效益，同时也将对面板堆石坝设计、施工技术水平的提高有着重大的意义。

    本项目的研究采用室内试验、现场试验、数值分析与物理模型相结合的方法，研究采用混凝土防渗墙处理深覆盖层地基，将坝体和趾板直接坐落在砂砾石深覆盖层上这样一种设计方案的可行性及其相应的技术措施，分析、论证这种特殊的结构布置形式与坝体、地基的相互作用关系；深入研究筑坝材料的工程特性及其对坝体安全性的影响，大坝在各种工况条件下的工作性状、安全性评价以及工程安全措施，从而为工程设计提供参考依据。通过本项目的研究，不但可以直接为甘肃九甸峡水利枢纽工程的设计、施工提供指导，提高工程的科技含量、确保工程的安全运行，同时，还将为我国在高烈度地震区、复杂地形、地质条件下修建高面板堆石坝工程积累经验，并为今后类似的工程项目提供指导和借鉴。

    研究内容

    本项目的主要研究内容包括了以下几个方面：

    （1） 坝基砂砾石和筑坝堆石材料静、动力特性的室内试验研究
    （2） 筑坝材料的长期变形特性试验研究
    （3） 坝基覆盖层的现场旁压试验研究
    （4） 坝基覆盖层的现场载荷试验
    （5） 坝基覆盖层及坝体结构的静、动力数值计算分析研究
    （6） 坝体结构的长期变形分析
    （7） 坝基覆盖层及坝体结构的大型土工离心模型试验研究
    （8） 接缝止水系统的结构形式与止水材料研究
    （9） 面板混凝土材料特性研究
  
    创新点

    （1）通过综合采用室内试验、现场试验、数值分析和模型试验的方法，深入研究了坝基深覆盖层的工程特性，分析、论证了九甸峡水利枢纽工程在狭窄河谷、高地震烈度和深厚覆盖层条件下修建混凝土面板堆石坝的可行性，为工程的顺利实施提供了可靠的依据。
    （2）通过室内静、动力大型三轴试验、激光微小应变测试等，对坝基覆盖层砂砾石材料和筑坝堆石材料进行了系统的室内静、动力工程特性试验。研究了筑坝材料的压缩性、静力剪切及强度、动力变形、动力残余体应变、残余剪应变、动孔压及动强度等特性，综合确定了筑坝土料的静、动力特性参数，为坝体的静力分析、地震动力反应分析和抗震安全性评价提供了可靠的依据。
    （3）针对复杂的坝基深覆盖层工程特性课题，提出了联合室内试验、现场试验和反演分析进行综合研究的思路，在室内试验的基础上，通过现场旁压试验、载荷试验，结合反演计算分析，确定了坝基覆盖层的参数。
    （4）利用数值计算分析方法，全面研究了坝体结构在施工期、蓄水期的应力变形特性。其中，重点分析了坝基防渗墙与混凝土面板的连接结构的应力、变形特性，通过计算分析，论证、优化了坝基防渗结构与坝体防渗结构的连接结构形式，并对结构的薄弱环节提出了相应的工程处理措施。
    （5）开发、研制了大型三轴流变试验设备，对筑坝堆石料进行了系统地流变试验研究。在坝料流变试验和总结堆石坝长期变形资料的基础上，提出了对数模式的三参数流变分析模型，分析、研究了九甸峡面板堆石坝坝体结构的长期变形特性，论证了时效因素对坝体、面板应力、变形特性的影响。
    （6）针对深覆盖层上混凝土面板堆石坝的特点，构建了三维真非线性动力本构模型，建立了坝壳-地基-防渗体等动力相互作用的非线性有效应力地震反应分析方法。以动力试验为基础，建立了实用的土石料残余剪应变和残余体应变的计算模式以及残余变形（包括残余体应变和剪应变）的计算方法。在此基础上，改进和完善了坝体及地基单元抗震安全性的评价方法以及坝坡抗震稳定性的动力时程线法和动力等效值法。利用上述分析方法，对九甸峡面板堆石坝工程进行了全面的动力计算分析。
    （7）结合九甸峡工程，通过大比尺的离心模型试验，在原型应力水平下，再现了坝体在施工期和蓄水期的应力变形特征，以及坝基防渗墙、连接板和面板的相互作用关系。通过模型试验，不仅验证了数值分析方法和计算结果的合理性，而且进一步说明了根据本项目研究所提出的依托工程整体设计方案在技术上的可行性。
    （8）针对九甸峡工程坝体结构的变形特点，提出了较为合理的接缝止水结构形式，开发、应用了新型止水材料。
    （9）深入研究了面板混凝土的合理配比关系，通过对面板混凝土的改性试验研究，提出并分析、论证了混凝土面板的抗冻、抗裂措施。

    应用前景及社会经济效益

    本项研究通过对九甸峡工程坝基覆盖层材料和筑坝堆石材料工程力学特性、坝体静、动力应力变形特性与结构优化方案、坝体长期变形特性等方面的系统研究，较好地解决了九甸峡水利枢纽工程在狭窄河谷地形、坝基深厚覆盖层和高地震烈度条件下修建高混凝土面板堆石坝所面临的相关技术难题。有关成果均已分阶段逐步提交给设计单位，并且在工程的施工中得到了应用。与原设计的混凝土重力坝方案相比，面板堆石坝方案缩短了工期9个月，节约工程直接投资1.78亿元。目前九甸峡面板堆石坝的土建工程基本结束，并通过了蓄水安全鉴定，第一台机组已于2008年8月并网发电。本项目的研究成果为工程设计方案的选取和优化提供了强有力的技术支撑。

    项目的研究工作和工程实践，为我国在高烈度地震区、复杂地形、地质条件下修建高面板堆石坝工程积累了宝贵经验，并可为今后类似的工程项目提供指导和借鉴。其研究成果具有广泛的应用前景。

九甸峡坝址的地形、地貌



建成蓄水后的九甸峡水利枢纽工程